DTI評估髕股關節軟骨輕度損傷：與關節鏡對照

李 敏，鄧德茂*，伏春華，馬立恒，孫沛毅，李莎莎， 廖 海，韋小梅，段高雄，羅 芳，陳文福(.廣西中醫藥大學第一附屬醫院放射科，.骨科，廣西 南寧 500； .廣東藥學院附屬第一醫院影像醫學科，廣東 廣州 50080)

DTI評估髕股關節軟骨輕度損傷：與關節鏡對照

李 敏1，鄧德茂1*，伏春華2，馬立恒3，孫沛毅1，李莎莎1， 廖 海1，韋小梅1，段高雄1，羅 芳1，陳文福1
(1.廣西中醫藥大學第一附屬醫院放射科，2.骨科，廣西 南寧 530023； 3.廣東藥學院附屬第一醫院影像醫學科，廣東 廣州 510080)

目的 探討DTI評估髕股關節軟骨輕度損傷的價值。方法 回顧性分析82例常規MR診斷髕股關節軟骨正常或輕度損傷患者的DTI及關節鏡檢查資料。根據關節鏡檢查結果，將其中40例Outerbridge分級Ⅰ、Ⅱ級者納入髕股關節軟骨輕度損傷組，33例無髕股關節軟骨損傷者納入對照組，排除9例Outerbridge分級為Ⅲ、Ⅳ級者。對比分析2組髕股關節軟骨DTI表現，并與關節鏡結果對照。結果 髕股關節軟骨輕度損傷組40例關節鏡檢查共發現62處軟骨輕度損傷；其中通過ADC及偽彩圖可顯示49處(49/62，79.03%)，FA偽彩圖可顯示51處(51/62，82.25%)。髕股關節軟骨輕度損傷ADC及FA偽彩圖表現為軟骨色階不均勻，內見紅色或粉色色階。與對照組正常軟骨比較，髕股關節軟骨輕度損傷組軟骨損傷區ADC值明顯增高，FA值明顯降低(P均<0.05)。結論 DTI可顯示及量化髕股關節軟骨的輕度損傷，為早期軟骨損傷的診治提供有價值的參考信息。

擴散張量成像；髕股關節；軟骨損傷；關節鏡

近年來，臨床因運動或外傷所致膝關節軟骨損傷日益常見[1]。DTI主要基于分子在磁場中彌散運動的差異成像。膝關節軟骨內不含血管結構，軟骨細胞的營養及代謝幾乎完全依靠分子彌散完成，為DTI技術應用于關節軟骨的優勢[2]。目前關節軟骨損傷的DTI研究較少，且關節鏡Outerbridge分級Ⅰ、Ⅱ級的軟骨損傷較輕微，形態學變化不明顯，極易誤、漏診[3]。本研究回顧性分析輕度損傷髕股關節軟骨的DTI表現，并與關節鏡結果對照，探討DTI對Outerbridge Ⅰ、Ⅱ級軟骨損傷的診斷價值。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集我院2015年1月—2016年6月間常規MR診斷髕股關節軟骨正常或輕度損傷的患者82例，其中男57例，女25例，年齡16～44歲，中位年齡26.5歲。納入標準：①常規MR診斷髕股關節軟骨正常或輕度損傷，且患者可耐受DTI檢查；②均于DTI掃描后1周內接受關節鏡手術；③MR掃描前未對軟骨損傷進行治療。排除標準：①髕骨及股骨骨折；②既往有膝關節手術史；③患有其他膝關節疾病，如膝關節腫瘤、類風濕、缺血性骨壞死、發育異常等；④有MR檢查禁忌證。本研究經我院醫學倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。

根據關節鏡檢查結果，將髕股關節軟骨損傷Outerbridge分級為Ⅰ、Ⅱ級者納入髕股關節軟骨輕度損傷組，無髕股關節軟骨損傷者納入對照組。髕股關節軟骨輕度損傷組共40例，男29例，女11例，年齡25～45歲，中位年齡28.5歲，平均體質指數(body mass index， BMI)為(28.19±3.07)kg/m2。髕股關節軟骨輕度損傷組中，12例為前交叉韌帶損傷，12例為半月板撕裂，8例為脛骨平臺骨折，3例為后交叉韌帶損傷，3例為股骨外髁外側面軟骨損傷，1例為股骨內髁外側面軟骨損傷，1例為髕股關節發育不良并脫位。對照組共33例，男24例，女9例，年齡16～46歲，中位年齡25歲，平均BMI為(25.99±2.81)kg/m2。對照組中，12例為半月板撕裂，8例為前交叉韌帶損傷，5例為脛骨平臺骨折，3例為后交叉韌帶損傷，3例為盤狀半月板合并撕裂，2例為滑膜皺襞增厚。9例關節鏡檢查顯示髕股關節軟骨損傷Outerbridge分級為Ⅲ、Ⅳ級者不納入研究。

1.2MR檢查 采用Siemens Viro 3.0T MR掃描儀，8通道膝關節線圈。患者檢查前靜坐30 min，檢查時取仰臥位，足先進，膝關節微屈約15°，受檢膝關節位于磁場中心，掃描中心線位于髕骨下緣。先行矢狀位T1WI及軸位脂肪抑制T2WI、三維MR雙回波穩態(three-dimensional dual echo steady state， 3D-DESS)、T2*弛豫時間圖(T2*relaxation time mapping, T2*mapping)序列掃描。掃描參數：T1WI，TR 400 ms，TE 8.8 ms，層厚3.5 mm，層間距0.7 mm；T2WI脂肪抑制序列，TR 3 920 ms，TE 72 ms，層厚3.5 mm，層間距0.7 mm；3D-DESS，TR 14.1 ms；TE 5 ms，層厚 3 mm，層間距 0.6 mm，FOV 180 mm×180 mm，帶寬250 Hz/Px，翻轉角25°；T2*mapping，TR 445 ms，TE分別為4.36、11.90、19.44、26.98、34.52 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，FOV 160 mm×160 mm，帶寬260 Hz/Px，翻轉角60°。DTI采用單次激發自旋回波-回波平面(spin echo-echo plane image， SE-EPI)序列，掃描參數：TR 5 200 ms，TE 77 ms，層厚3 mm，層間距 0，NEX 8，b值0、600 s/mm2，帶寬1488 Hz/Px，擴散敏感梯度場施方向6個；掃描時間8 min 51 s。

1.3關節鏡檢查 采用Stryker 1088iHD成像系統。術前常規復習MRI資料，以選擇適合的穿刺點。觀察各部位軟骨、韌帶及半月板情況，記錄膝關節損傷(重點觀察并記錄軟骨損傷)部位及程度。

1.4圖像分析 由2名從事骨關節影像診斷10年以上的副主任醫師完成DTI圖像后處理與分析，意見不一致時經協商決定。將原始圖像數據轉化為DII格式，通過Matlab 12.0軟件進行校準配對；將匹配校對好的圖像導入Mricron軟件，以3D-DESS為解剖圖，分別融合ADC圖及FA圖，并進行測量。以關節鏡結果為標準，在DTI圖像中定位膝關節軟骨損傷部位，測量FA值及ADC值。正常軟骨FA值及ADC值測量以髕骨或滑車中心層面為基準層面，并以該層面髕骨脊或滑車最低點為中心，分別測量并記錄髕骨或滑車下1/2及上1/2中心層面的髕軟骨FA及ADC值，對每一患者每一關節面(髕骨或滑車面)取18個測量點，共1 188個測量點。FA及ADC值取2名醫師測量值的平均值。

1.5統計學分析 采用SPSS 19.0統計分析軟件。計量資料以±s表示，髕股關節軟骨輕度損傷組與對照組患者年齡比較采用Wilcoxon秩和檢驗，性別比較采用Fisher精確概率檢驗，組間BMI、FA及ADC值比較采用兩獨立樣本t檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

髕股關節軟骨輕度損傷組與對照組患者性別 (P=0.176)、年齡(P=0.218)及BMI(t=1.428，P=0.153)差異均無統計學意義。

2.1關節鏡結果 對照組正常關節軟骨光整，無關節軟骨變軟及表面缺損(圖1)。髕股關節軟骨輕度損傷組40例患者共發現62處軟骨損傷。Outerbridge Ⅰ級損傷主要表現為軟骨變軟，表面纖維化；Outerbridge Ⅱ級損傷主要表現為軟骨破損，但軟骨缺損小于全層的50%。見圖2。

2.2DTI與關節鏡結果對照 對照組髕股關節軟骨ADC及FA偽彩圖表現為沿骨性關節面走行的均勻色階，呈均勻黃色或藍色(圖1)。髕股關節軟骨輕度損傷組62處軟骨損傷中，通過ADC及FA偽彩圖分別可顯示49處(49/62，79.03%)及51處(51/62，82.25%)；ADC及FA偽彩圖表現為軟骨色階不均勻，內見紅色或粉色色階(圖2)。與對照組正常軟骨相比，髕股關節軟骨輕度損傷組軟骨損傷區ADC值明顯增加，FA值明顯降低，差異均有統計學意義 (P均<0.01)，見表1。

表1 髕股關節軟骨輕度損傷組與對照組ADC及FA值比較(±s)

表1 髕股關節軟骨輕度損傷組與對照組ADC及FA值比較(±s)

組別ADC值(×10-3mm2/s)FA值輕度損傷組(n=62)1．65±0．220．30±0．06對照組(n=33)1．37±0．070．40±0．08t值20．32-7．70P值<0．01<0．01

3 討論

軟骨損傷后軟骨細胞繼發死亡，軟骨細胞死亡與軟骨基質降解、軟骨膠原結構網絡破壞相伴[4-6]。這種軟骨復合體生化結構的變化早于形態學的變化。目前可顯示軟骨損傷的MR序列較多[3-4，7-10]。三維快速擾相梯度回波(three dimensional spoiled gradient recalled acquisition in steady-state， 3D-SPGR)及3D-DESS序列均可全面顯示膝關節軟骨，有助于對軟骨缺損的診斷[3,8]。但Outerbridge分級為Ⅰ、Ⅱ級的軟骨損傷，其軟骨本身形態學變化較小(軟骨變軟或者表面輕度纖維化)，3D-SPGR及3D-DESS序列MR檢查仍存在不同程度的盲區。Na成像、T1ρ成像、磁化轉移成像、T2圖有利于反映軟骨生化結構的變化，但目前T2圖、磁化轉移成像表現主要取決于軟骨基質內水及軟骨內蛋白多糖(proteoglycan， PG)的相對含量[9-11]。

圖1 患者男，30歲，對照組滑車軟骨 A、B.3D-DESS(A)及T2*mapping(B)圖像示股骨滑車軟骨形態完整，未見形態及信號異常，T2*mapping圖像色階均勻，未見異常色階； C、D.經Mricron軟件處理后獲得的3D-DESS序列與ADC、FA序列融合的偽彩圖，偽彩圖色階均勻，無異常色階； E.關節鏡檢查圖像，滑車軟骨光整，無損傷(箭頭)，髕股關節間隙內見增厚的滑膜皺襞(箭)

圖2 患者男，35歲，股骨滑車軟骨輕度損傷 A.3D-DESS圖像示髕股關節軟骨毛糙，局部軟骨破損(箭)；關節腔內可見游離體(箭頭)； B.T2 mapping圖示滑車軟骨色階欠均勻，軟骨破損區可見紅色色階(箭)； C.Mricron軟件處理后ADC偽彩圖示股骨滑車色階不均勻，3D-DESS稍高信號區可見紅色色階(箭)； D.Mricron軟件處理后FA偽彩圖示股骨滑車廣泛性色階增加，3D-DESS稍高信號區可見粉紅色色階(箭)； E.關節鏡檢查圖像，股骨滑車毛糙，表面纖維化，髕股關節廣泛性軟骨變軟(Outerbridge Ⅰ級)，局部破損(Outerbridge Ⅱ級，箭)

DTI技術主要基于分子彌散成像。理論上，DTI對軟骨結構顯示可達到微米級，可顯示關節軟骨微觀結構(PG蛋白分子直徑約10 μm，膠原纖維直徑約0.2 μm)。關節軟骨早期損傷時，DTI對細微軟骨損傷更為敏感。ADC及FA值可用于對軟骨PG及膠原纖維網絡進行評估[12-13]。但采用3.0T MR掃描儀進行關節軟骨DTI掃描仍然存在一些問題。首先，DTI采用EPI序列，EPI圖像存在變形，而關節軟骨菲薄，變形的功能圖像難以與解剖圖融合。本研究應用Matlab 12.0及Mricron軟件對原始DTI圖像進行匹配校正，獲得了較為滿意的DTI融合圖像。其次，DTI參數設置在臨床實際應用需要大量的研究進行優化及論證，如理論上擴散敏感梯度場施方向越多，DTI圖像分辨率越高，但實際應用中隨著擴散敏感梯度場施方向增多，掃描時間將大幅延長，運動偽影增加，DTI圖像質量降低。

本研究顯示，Outerbridge分級為Ⅰ、Ⅱ級的軟骨損傷的ADC及FA偽彩圖表現為軟骨色階不均勻，內見紅色或者粉色色階，軟骨損傷部分ADC值明顯增高，而FA值明顯下降，與既往研究[2，13-14]結果一致。ADC值增高的原因為ADC值是各方向擴散張量總和的平均值，在軟骨中主要取決于單位體積PG含量，而軟骨PG是糖胺聚糖與核心蛋白以糖苷鍵共價結合形成的復雜大分子，糖胺聚糖聚合成的大分子結構內羥基、硫酸根帶有負電荷，吸附集聚陽離子(主要是Na+)，從而產生滲透壓，使水分進入軟骨；軟骨損傷時單位體積內PG含量降低，軟骨內小分子(水分子，Li-、Na+及CF3CO2-)彌散運動增加，導致ADC增加。FA值由擴散張量的各向異性成分與整個擴散張量之比決定，在軟骨中主要取決于軟骨膠原纖維網的完整性；正常軟骨中由于膠原纖維網網絡的存在，以水分子為代表的小分子更易沿網絡結構向四周彌散，當軟骨損傷時膠原纖維結構破壞，網絡結構減少影響小分子彌散運動，從而導致FA值降低。

本研究共62處髕股關節軟骨輕度損傷，通過ADC偽彩圖可顯示其中49處(49/62，79.03%)，FA偽彩圖可顯示其中51處(51/62，82.25%)，存在漏診病例，其可能的原因包括：①DTI圖像雖然經后處理軟件進行校準，降低了圖像變形的程度，但圖像變形仍然存在；②關節軟骨菲薄，正常髕股關節軟骨平均厚度約4.0～5.0 mm，EPI圖像與軟骨匹配不準導致后期處理時將關節軟骨周圍結構(如關節積液、關節滑膜)劃入感興趣區，造成誤差；③關節鏡為關節軟骨損傷的金標準，但其結果受操作者主觀因素影響，尤其對Outerbridge Ⅰ級關節軟骨損傷，完全靠操作者探針加壓判斷損傷程度，可能產生誤診；④DTI圖像的采集及數據后處理對操作人員要求高，掃描過程必須嚴謹、細致，否則易對結果產生偏差。

本研究的局限性：①DTI對膝關節軟骨的分辨率仍然有待進一步提高；②研究對象為Outerbridge Ⅰ、Ⅱ級軟骨損傷患者；Outerbridge分級為Ⅲ、Ⅳ級者由于軟骨缺損區面積相對較大、較深，常規MR對其顯示效果較好，DTI優勢不明顯而未納入研究；③髕股關節軟骨損傷只是膝關節損傷的一部分，將DTI序列進一步優化并應用于整個膝關節軟骨的監測還有待進一步深入研究。

總之，DTI對Outerbridge分級為Ⅰ、Ⅱ級的髕股關節軟骨損傷具有較好的顯示能力，髕股關節軟骨損傷區ADC值增高且FA值降低。

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DTI evaluation of mild articular cartilage injury in patellofemoral joint: Comparison with arthroscopy

LIMin1,DENGDemao1*,FUChunhua2,MALiheng3,SUNPeiyi1,LIShasha1,LIAOHai1,WEIXiaomei1,DUANGaoxiong1,LUOFang1,CHENWenfu1
(1.DepartmentofRadiology, 2.DepartmentofOrthopaedic,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiChineseMedicineUniversity,Nanning530023，China； 3.DepartmentofMedicalImaging,theFirstAffiliatedHospitalofGuangdongPharmaceuticalUniversity,Guangzhou510080，China)

Objective To evaluate the value of DTI in mild articular cartilage injury in patellofemoral joint. Methods The DTI and arthroscopy data of 82 patients wih routine MRI diagnosed as mild articular cartilage injury were analyzed retrospectively. According to the results of arthroscopy, 40 cases of mild articular cartilage injury with Outerbridge classification Ⅰ or Ⅱ were divided into experimental group, and 33 cases with normal patellofemoral articular cartilage were divided into control group. There were 8 articular cartilage injury patients with Outerbridge classification Ⅲ or Ⅳ in patello-femoral join were excluded. The DTI data were analyzed compared with arthroscopy. Results Arthroscopy detected 62 lesions of cartilage injury in experimental group. Totally 49 lesions (49/62， 79.03%) were detected by ADC pseudocolor image and 51 lesions (51/62， 82.25%) were detected by FA pseudocolor image. The DTI pseudocolor images of articular cartilage injury showed uneven levels. The red or pink levels can been observed. Compared with the control group, ADC value increased and FA value decreased significantly in experimental group (bothP<0.05). Conclusion DTI can clearly display and detect mild articular cartilage injury in patellofemoral joint, which provide valuable information for early cartilaginous injury.

Diffusion tensor imaging; Patellofemoral joint; Cartilage injury; Arthroscopy

廣西省自然科學基金(2014GXNSFAA118257)。

李敏(1982—)，男，四川眉山人，碩士，主治醫師。研究方向：關節軟骨功能成像。E-mail: hanbin21042332@126.com

鄧德茂，廣西中醫院大學第一附屬醫院放射科，530023。E-mail: demaodeng@163.com

2016-09-21

2017-04-03

10.13929/j.1003-3289.201609096

R684; R445.2

A

1003-3289(2017)07-1071-05