正常兔膝關節的三維UTE動態增強MRI實驗研究

馬立恒，陳應明，張朝暉，孫海興

·實驗研究·

正常兔膝關節的三維UTE動態增強MRI實驗研究

馬立恒，陳應明，張朝暉，孫海興

目的探討三維超短回波時間(UTE)雙回波脈沖序列在主要含短T2成分組織的動態增強MRI中的應用。方法采用隨機數字對照表對6只新西蘭大白兔的6個膝關節行MR平掃及UTE動態增強檢查。分析正常兔的髕韌帶、股骨下段或脛骨上段骨皮質、髓腔的動態增強特點，并與病理結果對照。采用t檢驗比較未成年兔與成年兔骨皮質的中央管計數。結果正常兔髕韌帶的UTE動態增強信號強度-時間曲線表現為緩慢上升型。未成年兔骨皮質動態增強曲線表現為緩慢上升至峰值時，稍有下降后維持于較高水平；成年兔骨皮質UTE動態增強特點表現為速升速降型。成年兔與未成年兔髓腔的UTE動態增強特點均表現為速升緩降型，組織內對比劑濃度持續較高水平。骨皮質的動態增強曲線差異與組織學所見基本匹配。結論三維UTE雙回波脈沖序列成像可用于主要含短T2成分組織的動態增強檢查。

膝關節；磁共振成像；動態增強磁共振成像；超短回波時間；脈沖序列

近年來，短T2成分的成像方法在肌骨系統中應用越來越受到關注，其原理是通過縮短采集時間窗、降低T2窗位、縮小T2窗寬，采集傳統MR成像系統表現為低或無信號組織或成分的信號。已有較多文獻報道了短T2成分成像的研究成果[1-7]，但利用這類成像序列對主要含短T2成分的組織進行定量或半定量研究的文獻報道不多。本研究用三維超短回波時間(UTE)雙回波脈沖序列對6只新西蘭大白兔膝關節的主要含短T2成分的組織行動態增強磁共振成像，探討該序列在主要含短T2成分組織的動態增強磁共振成像中的應用。

材料與方法

1.實驗動物

于廣東省實驗動物中心購進新西蘭大白兔6只，雌雄不限，合格證號：NO.0031922，NO.0031883。體重2.0～3.5 kg，2～4月齡4只，15、16月齡各1只。所有實驗兔在中山大學實驗動物中心標準兔舍以標準兔飼料及衛生水飼養。本實驗遵循中山大學關于保護和使用實驗動物的相關規定。

6只新西蘭大白兔共選6個膝關節，采用隨機數字對照表決定左右膝，其中4只選左膝，2只選右膝。實驗前，對其膝關節行X線片檢查，觀察股骨下段骺線閉合情況。本實驗中，骺線未閉合者定義為未成年兔，骺線閉合者定義為成年兔。

將實驗兔固定后，用靜脈輸液針穿刺耳緣靜脈，注射3%戊巴比妥鈉溶液進行麻醉，劑量1.5 mL/kg體重，注射完畢后，用5 mL生理鹽水沖洗靜脈通道。為防止凝血所致的輸液通道阻塞，再用濃度為125 U/mL的肝素2～5 mL沖洗靜脈通道。

麻醉成功后，使實驗兔側臥，受檢側肢體在上，將Flex-M表面線圈固定于受檢側膝關節(包脛骨上段)，對其行MR平掃，掃描序列：常規矢狀面T1WI、T2WI、T2WI壓脂序列及三維超短回波時間雙回波脈沖序列。平掃結束后，立即行3D-UTE動態增強檢查。動態掃描設置15個動態序列，連續掃描15～20次，共采集15個點。經靜脈給藥前先行第一個動態掃描；之后，在經靜脈給藥的同時，啟動其余的14個動態掃描。每個動態掃描的持續時間約為55 s，總體掃描時間為850～900 s。增強掃描選用對比劑馬根維顯(釓噴酸葡胺注射液，濃度469.01 mg/mL)，劑量為0.1 mL/kg體重，人工勻速推注，于5～8 s完成。推注完畢后，用5 mL生理鹽水沖洗注射通道。

3.檢查設備與方法

采用Philips Intera Achieva 1.5T MR成像儀，Flex-M表面線圈。常規T1WI：TR 500～650 ms，TE 17 ms，層厚3 mm，視野80 mm×80 mm×20 mm，矩陣68×66，采集體素1.18 mm×1.21 mm×3.0 mm，重組體素0.31 mm×0.31 mm×3.0 mm。常規T2WI及T2WI壓制序列：TR 2500 ms，TE 80 ms，層厚3 mm，視野100 mm×100 mm×39 mm，矩陣124×105，采集體素0.81 mm×0.95 mm×3.0 mm，重組體素0.28 mm×0.28 mm×3.0 mm。總掃描時間142 s。動態三維超短回波時間雙回波脈沖序列：TR 7.9 ms，TE1 0.08 ms，TE2 4.6 ms，視野80 mm×80 mm×80 mm，采集體素1.2 mm×1.2 mm×1.2 mm，重組體素0.3 mm×0.3 mm×0.3 mm，重建矩陣288，層數288層，角密度75%，翻轉角8°，軌道延遲時間1 μs，2 μs。共掃描15～20個動態，每個動態掃描持續時間約55 s，總掃描時間為850～900 s。

4.圖像后處理方法

掃描結束后，在高級查看環境下，用用戶-界面灌注后處理軟件包Basic-T1perfusion軟件打開動態掃描數據，在Echo1系列圖上[6-7]，以正中矢狀面為參考平面，手工描繪興趣區，生成興趣區的動態信息并保存之。相關動態信息包括動態的數值結果、動態曲線結果、參考平面原始圖像及實時計算參數圖。興趣區設置于髕韌帶、股骨下段或脛骨上段骨皮質及骨髓腔內，平均面積分別約2.4、3.8、3.1和12.3 mm2。

5.組織學處理

分娩是一個很自然的生理過程,但是分娩陣痛使產婦們的陰道分娩順應性大大下降。有研究提示,大約98%的孕婦對自然分娩有恐懼感,約82%的孕婦對住院有心理負擔,尤其是對分娩疼痛的恐懼使越來越多的產婦選擇剖宮產[2]。另外,在產婦進行分娩時,會產生恐懼、緊張等不良情緒,使產婦出現心率加快、子宮收縮乏力、產后出血增多、產程延長等影響自然分娩[2.3]。因此營造輕松的環境,在最艱難、最痛苦的時刻,有專業導樂師及親人陪伴,不斷受到支持鼓勵,疼痛的減輕,產程的縮短,是促進自然分娩的關鍵。

成像結束后用過量的3%戊巴比妥鈉溶液處死實驗兔，將成像側后肢于髖關節處離斷，并浸泡于10%福爾馬林緩沖液中。3 d后，用10%的甲酸脫鈣4周，石蠟包埋所有脫鈣樣本。將膝關節標本于正中矢狀面剖開，以MR動態后處理所保存的參考平面原始圖像上的興趣區為參照層面，對石蠟包埋的標本進行定位，分別對股骨或脛骨及髕韌帶的相應平面做橫斷方向切片并行HE染色，每層切片厚度為5 μm，觀察其組織學特點。對未成年兔及成年兔骨皮質內哈氏系統中央管的數量進行計數，計數每個低倍(10×10)視野下顯示屏上哈氏系統中央管的數量，分別計數30個低倍視野。

6.統計學分析

采用SPSS 13.0統計分析軟件，計數結果采用兩個樣本均數的t檢驗進行統計學分析，以P<0.05為差異有統計學意義。

結果

1.正常髕韌帶的UTE動態增強表現

正常兔髕韌帶的UTE動態增強曲線表現為緩慢上升型(圖1)。

干骺端未閉合的未成年兔骨皮質動態增強曲線表現為緩慢上升至峰值時，曲線稍有下降后維持于較高水平(圖2)。干骺端已閉合的成年兔骨皮質表現為速升速降型(圖3)。

2.正常髓腔的UTE動態增強表現

成年兔與未成年兔骨髓腔的UTE動態增強特點均表現為速升緩降型，強化峰值持續于較高水平(圖4a、b)。

3.病理結果

髕韌帶的組織學切片：髕韌帶主要由膠原纖維組成，血管分布稀疏(圖5)。

骨皮質的組織學切片：骨皮質的HE染色組織學切片上，每個低倍(10×10)視野下顯示屏上未成年兔骨皮質內哈氏系統統中央管管徑相差較懸殊，含較多粗大中央管。成年兔骨皮質內中央管管徑較一致，粗大中央管較少，計數較未成年兔多(圖6、7)。

4.統計學結果

圖1 正常兔髕韌帶。a)UTE動態增強掃描示髕韌帶的興趣區(箭)；b)髕韌帶的UTE動態增強曲線表現為緩慢上升型。圖2 干骺端未閉合的未成年兔。a)UTE動態增強掃描示股骨下段骺線尚未閉合(箭)；b)骨皮質UTE動態增強曲線表現為緩慢上升至峰值時，曲線稍有下降后維持于較高水平。圖3 干骺端已閉合的成年兔。a)股骨下段骺線已閉合(箭)；b)骨皮質UTE動態增強曲線表現為速升速降型。圖4 成年兔與未成年兔骨髓腔的UTE動態增強曲線。a)股骨下段髓腔內的興趣區(箭)；b)股骨下段髓腔內UTE動態增強曲線表現為速升緩降型，組織內對比劑濃度持續于較高水平。

討論

Henkelman等[8]認為，組織的T2值小于10 ms為短T2值。生物組織中許多質子的T2弛豫時間小于1 ms。韌帶的平均T2值約4～10 ms，骨皮質的平均T2值約0.4～0.5 ms。含多數短T2成分組織的T2值較低，傳統的MR成像序列進入信號接收模式前，其橫向弛豫時間常已恢復至0而使這些組織表現為低或無信號。隨著MR成像新技術的飛躍發展，開發了許多短T2成分的成像方法，使臨床MR成像系統不但能采集到短T2成分的信號，甚至可能將短T2成分的不同組織區別開來，擴展了MR成像視野。超短回波時間脈沖序列的TE值介于0.008～0.500 ms，可在主要含短T2成分組織的橫向弛豫時間衰減到0之前采集到其信號，為實現進一步定量研究奠定基礎。本研究采用三維超短回波時間雙回波脈沖序列成像，回波時間短至0.08 ms，可采集到主要含短T2成分組織的信號，在形態學成像的基礎上，將該序列創新性地應用于主要含短T2成分組織的動態增強磁共振研究。

實驗結果顯示，正常髕韌帶的UTE動態增強曲線表現線表現為緩慢上升至峰值時，曲線稍有下降后維持于較高水平。成年兔骨皮質動態增強特點表現為速升速降型；未成年兔骨皮質動態曲線的強化斜率較成年兔骨皮質動態曲線強化斜率小，對比劑廓清較成年兔緩慢。結合相應的組織學特點，筆者認為，成年兔骨皮質哈氏系統中央管計數較多，血供豐富，可解釋其一過性速升、速降型動態曲線。幼年兔的哈氏系統中央管數量較成年兔少，且管徑大小懸殊，各管腔內血流動力學差異較大，對比劑滯留的時間較長，可符合其動態曲線特點。總之，本實驗中，骨皮質的UTE動態增強磁共振成像特點基本符合相應的組織學特點。

骨骼系統通過成骨細胞的成骨作用與破骨細胞的破骨作用不斷塑形。骨的脫礦物作用是一個復雜的過程，包括微循環血流的改變及骨細胞代謝和骨基質結構的改變[9-10]。目前，關于骨質疏松和骨血流灌注減少的關系的文獻報道多數集中于研究骨髓的血流灌注與骨質疏松關系[11]。筆者認為，UTE脈沖序列可直接用于骨皮質的血流灌注研究，檢測早期骨質疏松骨皮質的血流動力學改變，同時，因其為三維成像，可實現對研究實體興趣區的任意選取，便于多興趣區采樣，使研究結果更可靠。

圖5 鏡下見髕韌帶由膠原纖維組成，血管分布稀疏(HE，×100)。圖6 鏡下見幼年兔骨皮質血管數量較少(HE，×100)。圖7 鏡下見成年兔骨皮質血管數量較多(HE，×100)。

UTE脈沖序列能特異性的鑒別肌腱起止點的鈣化與非鈣化的纖維軟骨成份，將這些成份與纖維結締組織和骨組織區別開來[12]。因此在UTE脈沖序列上，直觀地區別各種組織成分后，結合UTE動態增強MRI可顯示累及肌腱起止點病變(如網球和高爾夫肘、血清陰性脊椎關節病等)的早期血流動力學改變。

因為納入的樣本量有限，本研究結果還需進一步的后續研究證實。研究中，每個動態增強點的采集時間為55 s，時間分辨力不高，因此，其動態曲線反映的主要是再灌注信息。另外，數據采集時噪聲較大，圖像信噪比還有待提高。

總之，三維超短回波時間雙回波脈沖序列成像可用于主要含短T2成分組織的動態增強檢查，并可反映組織的血供特點，為進一步研究早期韌帶、肌腱病變和某些早期骨皮質病變提供了一種新的檢查方法。

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Theexperimentalstudyofthe3D-UTEdynamicenhancedMRIinthenormalrabbitkneejoint

MA Li-heng,CHEN Ying-ming,ZHANG Zhao-hui,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 510080,P.R.China

Objective：To investigate the application of 3D-ultrashort TE (3D-UTE)sequence in the dynamic enhanced MRI of the tissues containing majority of short T2components.MethodsPlain scan and dynamic enhanced MRI with 3D ultrashort TE double echo pulse sequence were performed on 6 knee joints of 6 New Zealand white rabbits according to random digital comparison table.The characteristics of the dynamic enhanced MRI of the patellar ligament,the cortical bone and the bone marrow of the lower segment of the femur and the upper segment of tibia were investigated and compared with the histologic findings.To compare the central canal count of young and adult rabbits with t test.ResultsThe signal intensity-time curves of the dynamic enhanced MRI of the patellar ligament of the normal rabbits appeared as gradual slope of enhancement.The dynamic curve of the bone cortex of the young rabbits appeared as gradual slope of enhancement and slow washout pattern.The dynamic curve of the bone cortex of the adult rabbits appeared as fast increase of enhancement and fast washout pattern.The dynamic curve of the bone marrow of both young and adult rabbit appeared as fast increase of enhancement and gradual washout pattern.The contrast materials in the tissue persisted in high concentration.The dynamic characteristics of the bone cortex were in accordance with the histologic findings.Conclusion3D UTE pulse sequence can be used in the dynamic enhanced MRI of the tissues containing majority of short T2components.

Knee joint；Magnetic resonance imaging；Dynamic enhanced magnetic resonance imaging；Ultrashort echo time；Pulse sequence

510080 廣州，廣東藥學院附屬第一醫院醫學影像科(馬立恒)；510080 廣州，中山大學附屬第一醫院醫學影像科(陳應明、張朝暉、孫海興)

馬立恒(1969-)，女，上海人，博士研究生，主治醫師，主要從事骨骼肌肉系統的影像診斷工作。

R445.2

A

1000-0313(2014)07-0766-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2014.07.009

2014-04-23

2014-05-16)