3.0 T MRI T2-mapping對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨退變的評(píng)估價(jià)值

王鶴翔，郝大鵬，徐文堅(jiān)，李玉軍，王湘達(dá)，劉世恩

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA) 是全球范圍內(nèi)最常見(jiàn)的一種關(guān)節(jié)疾患。目前，全世界共有3.55億骨關(guān)節(jié)炎患者，而中國(guó)骨關(guān)節(jié)炎患者總數(shù)已超過(guò)1.5億[1]，骨關(guān)節(jié)炎的核心病變是關(guān)節(jié)軟骨退變。

關(guān)節(jié)軟骨成像是近年來(lái)全球研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，傳統(tǒng)的X線平片和CT均無(wú)法直接顯示膝關(guān)節(jié)軟骨，只能間接觀察關(guān)節(jié)間隙狹窄的程度來(lái)判斷軟骨的受損情況。因此，用于膝關(guān)節(jié)OA的早期診斷和嚴(yán)重度評(píng)估時(shí)不夠敏感[2-3]。MRI具有高組織分辨率、多參數(shù)、多序列、多方位成像和無(wú)創(chuàng)性等優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)影像學(xué)手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是目前惟一能活體直接顯示關(guān)節(jié)軟骨的手段。

本研究通過(guò)與病理學(xué)對(duì)照，研究膝關(guān)節(jié)脛骨平臺(tái)軟骨退變T2值、T2-mapping偽彩圖表現(xiàn)，旨在探討其評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨退變的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取2010年3月至2010年12月因膝關(guān)節(jié)OA在我院行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的20例患者(男3例，女17例，年齡45～73歲，中位年齡65歲)共31個(gè)膝關(guān)節(jié)，所有患者均在手術(shù)前24 h內(nèi)行MRI檢查，隨后行病變側(cè)全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，切除標(biāo)本送病理科進(jìn)行檢查。10個(gè)不完整脛骨平臺(tái)骨塊及3個(gè)MRI圖像質(zhì)量較差共計(jì)13個(gè)膝關(guān)節(jié)被排除， 共有18個(gè)膝關(guān)節(jié)脛骨平臺(tái)納入研究；18個(gè)膝關(guān)節(jié)中再排除軟骨標(biāo)本制作中切片質(zhì)量差的10個(gè)軟骨亞區(qū)，共獲取98個(gè)軟骨亞區(qū)(標(biāo)本)，將病理學(xué)表現(xiàn)與MRI對(duì)照。

1.2 檢查方法

所有檢查采用GE HDx 3.0 T 超導(dǎo)型MR儀(GE Medical System，Milwakee，USA)，掃描使用3.0 T專(zhuān)用 Quad Knee線圈。掃描前盡量減少膝關(guān)節(jié)活動(dòng)和承重，囑受試者靜坐休息至少30 min。關(guān)節(jié)處于伸直狀態(tài)，與主磁場(chǎng)(B0)盡量保持平行，以減小“魔角效應(yīng)”對(duì)結(jié)果的影響。MRI序列及參數(shù)：(1)常規(guī)掃描：采用矢狀面和冠狀面，SE T1WI，TR 420.0～520.0 ms，TE 10.0～15.0 ms；壓脂快速自旋回波質(zhì)子加權(quán)成像(FS FSE PDWI)，TR 2180.0 ms，TE 17.5 ms。層厚3.0 mm，層間距1 mm。FOV 16 cm×16 cm，激勵(lì)次數(shù)2，掃描時(shí)間4～5 min。(2) 三維壓脂擾相梯度回波(3D FS-SPGR)序列掃描：采用矢狀面掃描，TR 11.3 ms，TE 1.7 ms，反轉(zhuǎn)角30°，層厚1.0 mm，F(xiàn)OV 16 cm×16 cm，激勵(lì)次數(shù)1，掃描時(shí)間7～8 min。(3) T2弛豫時(shí)間測(cè)量及T2-mapping成像：采用矢狀面掃描，8回波SE序列一次掃描，TR 1000.0 ms，TE分別為9.0、18.0、27.0、36.0、45.0、54.0、63.0、72.0 ms，層厚3.0 mm，層間距1.0 mm。FOV 16 cm×16 cm， 激勵(lì)次數(shù)2，帶寬(Bw) 31.25 Hz，掃描時(shí)間7～8 min。

1.3 圖像后處理

將圖像數(shù)據(jù)輸入圖像后處理工作站(GE ADW 4.3)，應(yīng)用Functool軟件對(duì)關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行圖像后處理。在工作站上設(shè)置生成參數(shù)：用“Puh Thallium”顯示T2偽彩圖[L：0 ms，H：(240.0±10.0) ms]，可信度(con fidence level)取95%。利用所得的8個(gè)自旋回波MR圖像自動(dòng)生成T2灰度圖，再利用偽彩編碼技術(shù)轉(zhuǎn)化成偽彩圖(圖1)。在選定的層面內(nèi)，對(duì)每個(gè)軟骨亞區(qū)(感興趣區(qū)，ROI)測(cè)量3次T2值，取其均值為該亞區(qū)軟骨的T2值。

1.4 脛骨外側(cè)平臺(tái)標(biāo)本處理

獲取全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后的離體標(biāo)本，含完整脛骨平臺(tái)關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨組織。參照MR圖像，在PDWI矢狀面與冠狀面上選擇中心層面，先在PACS系統(tǒng)上進(jìn)行交互參考，在矢狀面和冠狀面層面上分別選取關(guān)節(jié)軟骨的興趣區(qū)層面并畫(huà)定位線，測(cè)量定位線到關(guān)節(jié)邊緣的垂直距離A和B，在標(biāo)本上以2條交互垂直的定位線確定需測(cè)量的軟骨層面(圖2A，B)，并確定關(guān)節(jié)標(biāo)本的軟骨亞區(qū)。T2-mapping與PDWI在矢狀面上使用相同的定位像，保證MRI選取的關(guān)節(jié)軟骨區(qū)域與病理標(biāo)本兩者層面完全對(duì)應(yīng)。離體標(biāo)本行HE染色待觀察。

1.5 標(biāo)本組織學(xué)評(píng)估

HE染色切片觀察關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)，組織學(xué)分級(jí)根據(jù)簡(jiǎn)單化Mankin分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]：0級(jí)，軟骨表面未見(jiàn)不規(guī)則；Ⅰ級(jí)，軟骨表面輕微的波浪狀改變。Ⅱ級(jí)，軟骨表面明顯的波浪狀改變；Ⅲ級(jí)，軟骨表面明顯退變，過(guò)渡帶中等破壞；Ⅳ級(jí)，明顯的軟骨結(jié)構(gòu)破壞累及放射層。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS l 7.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。根據(jù)組織學(xué)簡(jiǎn)單化Mankin分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)把不同退變程度的軟骨T2值分5組輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)正態(tài)性分布用Shaprio-Wilk檢驗(yàn)(w檢驗(yàn))，方差齊性檢驗(yàn)用Levene檢驗(yàn)。滿(mǎn)足正態(tài)分布且方差齊的組間用LSD法進(jìn)行兩兩比較。

2 結(jié)果

18個(gè)脛骨平臺(tái)共獲98個(gè)軟骨亞區(qū)，病理結(jié)果：(1)正常軟骨：11個(gè)亞區(qū)，軟骨表面未見(jiàn)不規(guī)則(圖3A，對(duì)應(yīng)圖1A中4區(qū)軟骨的相應(yīng)區(qū)域)。(2)Ⅰ級(jí)退變：15個(gè)亞區(qū)，軟骨表面輕微的波浪狀改變(圖3B，對(duì)應(yīng)圖1A中5區(qū)軟骨的相應(yīng)區(qū)域)。(3)Ⅱ級(jí)退變：41個(gè)亞區(qū)，軟骨表面呈明顯的波浪狀改變(圖3C，對(duì)應(yīng)圖1B中3區(qū)軟骨的相應(yīng)區(qū)域)。(4)III級(jí)退變：22個(gè)亞區(qū)，軟骨表面明顯退變，過(guò)渡帶中等破壞(圖3D，對(duì)應(yīng)圖1B中2區(qū)軟骨的相應(yīng)區(qū)域)。(5)IV級(jí)退變：9個(gè)亞區(qū)，明顯的軟骨結(jié)構(gòu)破壞累及放射層(圖3E，對(duì)應(yīng)圖1B中1區(qū)軟骨的相應(yīng)區(qū)域)。

圖1 Mankin病理學(xué)分級(jí)軟骨退變結(jié)果對(duì)應(yīng)的T2 -mapping偽彩圖。A：4區(qū)為正常軟骨，5區(qū)為Ⅰ級(jí)退變，6區(qū)為Ⅱ級(jí)退變。B：1區(qū)為IV級(jí)退變，2區(qū)為III級(jí)退變，3區(qū)為Ⅱ級(jí)退變 圖2 膝關(guān)節(jié)軟骨標(biāo)本與MRI定位對(duì)照?qǐng)D。A：軟骨標(biāo)本的定位線示意圖。 B：左邊為冠狀面、右邊為矢狀面的MRI定位線示意圖 圖3 組織學(xué)Mankin分級(jí)圖片(HE ×40)。A：為圖1A 4區(qū)軟骨的病理圖片，正常軟骨，軟骨表面未見(jiàn)不規(guī)則；B：為圖1A 5區(qū)軟骨的病理圖片，I級(jí)退變，軟骨表面輕微的波浪狀改變；C：為圖1B 3區(qū)軟骨，II級(jí)退變，軟骨表面呈明顯的波浪狀改變；D：為圖1B 2區(qū)軟骨，III級(jí)退變，軟骨表面明顯退變，過(guò)渡帶中等破壞；E：為圖1B 1區(qū)軟骨，Ⅳ級(jí)退變，明顯的軟骨結(jié)構(gòu)破壞累及放射層Fig. 1 Histological Mankin’s grade of cartilage degeneration corresponding with T2–mapping artificial color images. A: Part 4 de fines normal cartilage, part 5 grade Ⅰdegeneration, part 6 grade Ⅱdegeneration. B: Part 1 de fines grade IV degeneration,part 2 grade III degeneration, part 3 grade Ⅱdegeneration. Fig. 2 The diagram of location on MRI images contrast knee articular cartilage specimens. A: The position line of cartilage specimens. B: The position line on MRI: the left is coronal, the right is Sagittal. Fig. 3 Histological images on Mankin’s grading (HE×40). A: Fig 1 Normal cartilage of zone 4 with no surface irregularities. B: Fig 1 Cartilage of zone 5 with gradeⅠdegeneration and mild surface fibrillation. C: Fig 1 B Cartilage of zone 3 with gradeⅡ degeneration and signi ficant surface fibrillation. D: Fig1B Cartilage of zone 2 with grade III degeneration and moderate transitional zone degeneration. E: Fig 1B Cartilage of zone 1 with grade Ⅳdegeneration , signi ficant structural degeneration and involved radial zone.

按照病理學(xué)Mankin分級(jí)發(fā)現(xiàn)不同程度的OA退變有不同的屬性，從組織學(xué)獲得的定量和定性數(shù)據(jù)以及所對(duì)應(yīng)的T2值變化見(jiàn)表1。0級(jí)(正常)與Ⅱ級(jí)、Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)與Ⅳ級(jí)兩兩比較，軟骨之間T2值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，其余各組兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。總體上，值得注意的是T2值的變化可以非常明顯的區(qū)分軟骨組織結(jié)構(gòu)的退變情況，從深層結(jié)構(gòu)破壞(Ⅲ、Ⅳ級(jí))到輕度的表面退變(Ⅰ級(jí))以及正常軟骨之間T2值有顯著的變化(P＜0.0 5)。T 2值隨軟骨退變程度的增加而明顯升高，但是軟骨退變Ⅱ級(jí)較Ⅰ級(jí)的T 2值輕度降低，并且Ⅱ級(jí)與Ⅰ級(jí)及正常軟骨(0級(jí))之間T 2值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均＞0.0 5)。而Ⅲ、Ⅳ級(jí)退變軟骨較正常、Ⅰ級(jí)及Ⅱ級(jí)退變軟骨T2值明顯升高(P值均＜0.05)，Ⅲ、Ⅳ級(jí)退變軟骨兩者之間T2值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。T2值的標(biāo)準(zhǔn)差隨著軟骨退變的加重而不斷增大。

T2-mapping偽彩圖上正常膝關(guān)節(jié)軟骨表現(xiàn)：信號(hào)、厚度均勻、連續(xù)(圖1A中4區(qū)軟骨)。膝關(guān)節(jié)軟骨退變表現(xiàn)：(1)局灶性軟骨色階升高(圖1A中6區(qū)軟骨)。(2)全層普遍性軟骨色階升高(圖1A中5區(qū)軟骨及圖1B中1、2區(qū)軟骨)，(3)軟骨色階增高，色階不均勻，部分見(jiàn)軟骨缺損(圖1B中3區(qū)軟骨)。T2-mapping偽彩圖信號(hào)改變可以敏感的發(fā)現(xiàn)軟骨退變，但無(wú)法區(qū)分軟骨的退變程度。

表1 18個(gè)脛骨平臺(tái)的98個(gè)軟骨亞區(qū)(標(biāo)本)病理Mankin分級(jí)與T2值對(duì)照Tab. 1 The comparison of histological Mankin’s grade and T2 value of 98 cartilage subregions (specimens) in 18 tibial plateau

3 討論

T2-mapping采用多回波自旋回波序列，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行非線型計(jì)算和偽彩編碼，是軟骨T2值的空間分布圖，由公式SIi,j(TE) = SI0i,j×exp (—TE/T2i,j) 計(jì)算[5]；式中SIi,j(TE) 為第i排第j列的像素在TE時(shí)刻的信號(hào)強(qiáng)度(SI)，TE為回波時(shí)間，SI0i,j代表該像素在初始時(shí)刻(t=0)的信號(hào)強(qiáng)度，T2i,j是該像素的T2值。骨關(guān)節(jié)炎的早期改變是關(guān)節(jié)軟骨Ⅱ型膠原退變和水分增加，使其T2值延長(zhǎng)[6]。有學(xué)者認(rèn)為T(mén)2 值改變主要與軟骨膠原含量[7]及膠原排列方向有關(guān)[8]，T2值對(duì)軟骨膠原基質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變極為敏感，成為研究軟骨生化結(jié)構(gòu)的影像標(biāo)志[9]。關(guān)節(jié)軟骨的T2值反映了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)理，與軟骨的組織學(xué)等級(jí)有著明顯的相關(guān)性[10]，并且關(guān)節(jié)軟骨T2值在骨關(guān)節(jié)炎時(shí)明顯升高[11]。正如先前國(guó)內(nèi)外研究表明關(guān)節(jié)軟骨退變是OA早期主要的病理生理變化，軟骨T2值定量測(cè)定可以敏感反映出關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)輪廓無(wú)明顯改變之前的軟骨內(nèi)生化成分的改變[12-13]，能提供客觀、定量指標(biāo)去監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展，指導(dǎo)臨床治療。

本研究結(jié)果可以有力的證明T2值可以區(qū)分正常和各級(jí)退變軟骨，這與先前的研究結(jié)果相符[10-13]。筆者發(fā)現(xiàn)以組織學(xué)評(píng)估為標(biāo)準(zhǔn)，T2值隨軟骨退變程度的增加而明顯升高，但是軟骨退變Ⅱ級(jí)較Ⅰ級(jí)的T2值輕度降低，并且Ⅱ級(jí)與Ⅰ級(jí)及正常軟骨(0級(jí))之間T2值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，與前人研究相符[10]。這些結(jié)果可以這樣解釋?zhuān)涸缙谲浌峭俗冎饕擒浌悄[脹、含水量增加和膠原纖維各向異性的改變，然后軟骨表面骨架崩解，膠原含量減少并伴隨水的丟失，所以在Ⅱ級(jí)退變時(shí)T2值略降低[10，14]。而Ⅲ、Ⅳ級(jí)退變軟骨較正常、Ⅰ級(jí)及Ⅱ級(jí)退變軟骨T2值明顯升高，而Ⅲ、Ⅳ級(jí)退變軟骨兩者之間T2值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說(shuō)明隨著退變的加重整體上T2值在增加，但是重度軟骨退變(Ⅲ、Ⅳ級(jí))之間T2值變化并不明顯。此外，筆者發(fā)現(xiàn)T2值的標(biāo)準(zhǔn)差隨著OA病變的進(jìn)展而不斷增大。說(shuō)明伴隨著軟骨的退變加重其軟骨內(nèi)成分和結(jié)構(gòu)異質(zhì)性增高，與前人研究相似[15-16]。前人發(fā)現(xiàn)在T2值和組織學(xué)及偏光鏡資料之間有很好的定性聯(lián)系，而且組織學(xué)和偏光鏡兩者數(shù)據(jù)相互支持，顯示隨著軟骨的退變，膠原網(wǎng)絡(luò)的破壞與丟失加重；來(lái)源于組織學(xué)資料的T2值將給予更多的關(guān)于OA退變的詳細(xì)資料，尤其是在解釋OA初始階段的發(fā)病機(jī)理方面將會(huì)有更大的幫助[10]。

T2-mapping偽彩圖信號(hào)改變可以發(fā)現(xiàn)軟骨退變，但無(wú)法區(qū)分各級(jí)軟骨的退變程度。縮小閾值及改變其他參數(shù)設(shè)置等有可能分辨不同程度的軟骨退變，并評(píng)估退變的范圍，具體結(jié)論尚有待于進(jìn)一步研究。

總之，關(guān)節(jié)軟骨的T2值與軟骨退變程度有著明顯的相關(guān)性，隨著軟骨退變程度加重而明顯升高，是發(fā)現(xiàn)早期軟骨退變的敏感方法，尤其是對(duì)軟骨損傷或退變的預(yù)防和治療發(fā)揮著重要作用[17]。在評(píng)估早期膝關(guān)節(jié)OA方面有巨大的臨床應(yīng)用價(jià)值。T2-mapping偽彩圖信號(hào)改變可以敏感的發(fā)現(xiàn)軟骨退變，但無(wú)法區(qū)分軟骨的退變程度。

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