膝關節軟骨損傷磁共振掃描序列優化及流行病學研究*

陳巧一，羅 華，唐光才

(1.西南醫科大學附屬醫院放射科，四川瀘州 646000；2.重慶市永川區人民醫院放射科 402160)

膝關節軟骨損傷是常見的骨關節疾病之一，由于關節軟骨無血液供應，使其損傷后難以修復，若治療不及時，易引發膝關節軟骨退行性疾病，使得患者出現關節腫痛、打軟腿、關節絞鎖、活動受限等癥狀，嚴重影響正常生活[1]。因此，早期明確診斷膝關節軟骨損傷，給予及時有效治療尤為重要。磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是目前最可靠的無創軟骨檢查手段，其具有較好的軟組織分辨力，并有較大觀察視野，能夠獲取多種診斷信息，對膝關節軟骨損傷術前評估有極大幫助[2]。目前，顯示軟骨敏感的序列及軟骨定量研究的技術手段繁多，包括脂肪抑制三維快速擾相位梯度回波序列(fat saturation three-dimensional spolied gradient echo sequences,FS-3D-SPGR),雙激發平衡式穩態自由進動序列(double excited fast imaging employ steady acquisition,Fiesta-c),多回波數據合并成像(multiple-echo recalled gradient echo,MERGE)等，但關于膝關節軟骨損傷的MRI序列成像參數的優化至今尚無統一標準。本研究選擇FS-3D-SPGR、Fiesta-c、MERGE 3種臨床最常用的軟骨檢查序列，與常規序列相比較，以關節鏡檢查為“金標準”，旨在探討最佳的軟骨顯示序列，并結合流行病學分析，以期提高膝關節軟骨損傷的診斷水平。

1 資料與方法

1.1一般資料 回顧性收集2016年10月至2017年10月重慶市永川區人民醫院366例膝關節軟骨損傷患者，經關節鏡證實，均為單膝損傷，左膝164例，右膝202例，均以關節疼痛入院就診，其中255例伴有關節絞鎖、活動受限。所有患者均行MRI檢查，影像資料完整。收集患者臨床資料，包括性別、年齡、損傷部位、膝關節基礎疾病或損傷等。

1.2MRI檢查方法 采用日立公司1.5T入MRI診斷儀及八通道膝關節表面線圈。掃描時，患者取仰臥位，自然伸直下肢，由腳先入，膝關節置于線圈內。行常規T1加權成像(T1-weighted imaging,T1WI)橫軸位，T2加權成像(T2-weighted imaging,T2WI)及質子密度加權成像(proton density weighted image,PDWI)橫軸位、矢狀位、冠狀位掃描，并加行FS-3D-SPGR、Fiesta-c、MERGE等序列掃描。各序列主要參數如下，T1WI：TR 550 ms，TE 11 ms；T2WI：TR 3 600 ms，TE 79 ms；PDWI：TR 2 000 ms，TE 34 ms；MERGE：TR 650 ms，TE 2.9 ms；以上4種序列層厚均為4.0 mm，層間距均為1.0 mm，矩陣均為288 mm×256 mm，視野均為18 cm×18 cm；FS-3D-SPGE:TR 20.4 ms,TE 13 ms,層厚2.0 mm,矩陣256 mm×192 mm。Fiesta-c序列：TR 5.1 ms，TE 1.8 ms，層厚2.0 mm，矩陣256 mm×192 mm，視野均為18 cm×18 cm。將圖像上傳至ADW4.6工作站，由2名具有10年以上影像診斷經驗的骨科醫師共同閱片，意見不一致時，行全科會診取得一致結論。

1.3骨關節軟骨損傷程度分級標準 MRI下分級參照Recht分級[3]標準制訂，0級：正常軟骨，表面光滑，MRI未見混雜信號；Ⅰ級：軟骨表面不光滑，內部信號不均；Ⅱ級：關節表面不規則，其內異常信號大于50%，骨質信號模糊，但軟骨下低信號區輪廓正常，此外，軟骨下骨質有增生或硬化；Ⅲ級：軟骨表面輪廓呈中至重度不規則，軟骨層缺損>50%～<100%，或軟骨顯示連續性中斷，伴有低信號線變形、下陷；Ⅳ級：軟骨全層缺損，且直徑1 cm以上軟骨下出現低信號中斷、消失。關節鏡下分級參照Outerbridge軟骨分級標準[4]，0級：正常軟骨，表面光滑；Ⅰ級：軟骨表面受到侵蝕，軟骨存在撕裂，撕裂深度小于50%；Ⅱ級：軟骨表面出現變形，并存在裂隙，深度大于或等于50%，但未及軟骨下骨；Ⅲ級：軟骨存在裂隙，并已暴露軟骨下骨，但直徑不超過1 cm；Ⅳ級：軟骨全層損傷，軟骨下骨暴露廣泛，直徑大于1 cm。

1.4統計學處理 采用SPSS20.0軟件分析處理數據。以關節鏡診斷為金標準，計算MRI各序列的診斷的準確度、靈敏度、特異度以評價其診斷價值；計算各序列分型結果與關節鏡分型結果的Kappa值以評價其一致性，Kappa值大于或等于0.75，則表示一致性良好，Kappa值0.4～<0.75，則表示一致性一般，PDWI、FS-3D-SPGR、Fiesta-c、MERGE等序列Kappa值比較行U檢驗；計數資料比較行χ2檢驗；以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1基本情況 本組366例患者中，男154例，女212例，男女比例約為1.00∶1.38；年齡16～79歲，其中91.80%(336/366)患者年齡分布在20～53歲。根據膝關節解剖結構特點，每個膝關節均行6處區域觀察，包括髕骨、股骨內髁、股骨外髁、股骨滑車、脛骨內側平臺及脛骨外側平臺。本組366例患者共2 196處軟骨，經關節鏡檢查，正常軟骨1 478處(67.30%)，確診損傷的有718處(32.70%)，損傷部位分布情況見表1。其中以髕骨、股骨外髁損傷比例最大，分別為45.96%、30.92%，股骨內髁、股骨滑車、脛骨內側平臺、脛骨外側平臺分別為4.74%、2.65%、5.71%、10.02%，髕骨、股骨外髁損傷比例與其他部位比較差異有統計學意義(P<0.05)。本組366例中，274例合并髕骨軌跡異常，占比74.86%；87例合并膝關節前交叉韌帶損傷，占比23.77%；7例合并盤狀半月板，占比1.91%；4例合并骨關節炎，占比1.09%；7例合并膝關節后交叉韌帶，占比1.91%。髕骨軌跡異常比例、膝關節前交叉韌帶損傷比例與其他類型膝關節基礎疾病或損傷比例比較差異有統計學意義(P<0.05)。

2.2軟骨損傷程度比較 MRI各序列診斷膝關節軟骨損傷程度分級與關節鏡診斷結果比較見表1～4。

表1 PDWI序列與關節鏡在軟骨損傷分級的比較(處)

續表1 PDWI序列與關節鏡在軟骨損傷分級的比較(處)

表2 MERGE序列與關節鏡在軟骨損傷分級的比較(處)

2.3各序列對各級軟骨損傷的診斷能力 Fiesta-c對軟骨損傷分級診斷的靈敏度、特異度、Kappa值分別為95.96%、96.41%、0.892，優于MERGE序列或FS-3D-SPGR序列，見圖1～3，組間Kappa值經U檢驗，差異有統計學意義(P<0.05)。各序列診斷各級軟骨損傷的準確度、靈敏度、特異度、Kappa值見表5。

表3 Fiesta-c序列與關節鏡在軟骨損傷分級的比較(處)

表4 FS-3D-SPGR序列與關節鏡在軟骨損傷分級的比較(處)

表5 各序列對各級軟骨損傷的診斷能力

靈敏度=[真陽性/(真陽性+假陰性)]×100%；特異度=[真陰性/(真陰性+假陰性)]×100%

A:Fiesta-c序列；B:MERGE序列;C:FS-3D-SPGR序列；D:3D-MIP序列

A:Fiesta-c序列；B:MERGE序列;C:FS-3D-SPGR序列

A:Fiesta-c序列;B:FS-3D-SPGR序列;C:T1WI序列

3 討 論

膝關節軟骨損傷可致關節疼痛、活動受限，甚至關節功能喪失，是造成肢體殘障的主要原因之一[5-6]。研究膝關節軟骨損傷的流行病學特點，能夠為早期預防、準確診斷、選擇治療方式等提供重要參考。本組患者中，男154例，女212例，男女比例約為1.00∶1.38，女性患者多于男性，與相關報道一致[7]。原因可能是：女性第二性征發育之后，骨盆橫徑增大，雙側Q角變大，使得女性易發生髕骨脫位，而致軟骨損傷。本組中，91.80%患者年齡分布在20～53歲，考慮由多種因素所致：首先，該年齡段處于青壯年時期，較其他年齡段，日常活動強度要大，活動范圍要廣，故而受傷風險更高；其次，青年人關節軟骨和軟骨骨質間的連接，相比于骨本身的連接，強度要弱，故損傷后，常是軟骨最先剝脫[8-9]。因此，筆者認為，青壯年出現明顯膝關節損傷癥狀后，應及時完善影像學檢查，以免延誤診斷。損傷部位上，本研究中，以髕骨損傷最為常見，股骨外髁次之。這提示在臨床閱讀影像學圖片時，應重點關注髕骨及股骨外髁情況，或許有助于提高診斷準確率。本研究還發現，74.86%患者合并髕骨軌跡異常，23.77%合并膝關節前交叉韌帶損傷，明顯高于其他類型膝關節基礎疾病或損傷，這提示臨床應重點篩查合并髕骨軌跡異常、膝關節前交叉韌帶損傷的患者。

目前，膝關節軟骨損傷診斷金標準為關節鏡檢查，其能夠清晰觀察到關節軟骨的形態，但對于關節軟骨損傷的早期形態變化的觀察卻存在較大難度，同時其具有創傷大、操作困難等不足，因此，未能成為臨床常規檢查[10]。MRI檢查是一種無創檢查手段，其特征信號可反映軟骨結構、形態、組分等情況，且不同序列各具特征[11-12]。對于0級損傷軟骨(正常)，SE序列下，軟骨表層、中層、深層分別表現為低信號薄層帶、中等信號帶、低信號帶，依次對應于組織學上的滑動帶、過渡帶、放射帶。MERGE序列可清楚顯示關節軟骨三層結構，其中表層為與關節液接近的高信號；中層亦為高信號，但不及表層信號高；深層有鈣化帶，呈低信號，信號強度不及抑制后骨髓。Fiesta-c序列能夠清晰顯示關節軟骨分層，以髕軟骨為例，表層滑動帶可見較薄高信號，強度較關節液低，但高于抑脂骨髓表現；中層顯示梭形結構，信號灰度較骨髓要稍高，但與表層軟骨比較略低；深層具有顯著低信號，信號灰度較抑制后骨髓要低。FS-3D-SPGR序列可顯示膝關節軟骨4個層次結構表現，其中表層呈顯著高信號，信號灰度較關節液增高；中層呈低信號，較關節液明顯增高，但略低于表層軟骨；深層亦呈高信號，類似于表面軟骨的信號；最內層可見鈣化帶，呈低信號，但邊界不清，難以與抑制骨髓區分。

本研究結果顯示，Fiesta-c序列對0級、Ⅰ級、Ⅱ級損傷診斷準確度分別為98.01%、47.88%、87.84%，為4種序列最高，Ⅲ級、Ⅳ級損傷診斷準確度均為100.00%，且Kappa值達0.892，反映其與關節鏡診斷有極好一致性。FS-3D-SPGR序列Kappa值為0.787(>0.75)，亦表現出了良好一致性；MERGE序列診斷的Kappa值僅為0.556，提示其一致性相對較差。診斷靈敏度比較上：Fiesta-c>MERGE>FS-3D-SPGR>PDWI；診斷特異度上：PDWI>FS-3D-SPGR>Fiesta-c>MERGE，但四者差異不大。4種序列對Ⅰ級軟骨損傷診斷準確度均不足50%，筆者認為，對于低級膝關節軟骨損傷，MRI能夠發現表層軟骨以下的異常信號，并可能發現關節鏡所不能發現的異常，故僅以關節鏡診斷作為“金標準”評估Ⅰ級膝關節軟骨損傷準確性值得考量。

圖像顯示上，對于Ⅰ級膝關節軟骨損傷，FS-3D-SPGR序列下由于軟骨有較好信號而易出現假陰性(圖1)；對于Ⅱ、Ⅲ級膝關節軟骨損傷(圖2)，Fiesta-c序列可較清楚地呈現關節軟骨腫大、缺損，而FS-3D-SPGR序列下圖像經MIP處理后可獲取三維圖像，能夠更準確地明確軟骨損傷部位，易為臨床醫師采納，故對于Ⅱ、Ⅲ級膝關節軟骨損傷，FS-3D-SPGR序列聯合三維圖像重建，能夠更直觀地顯示軟骨損傷；對于Ⅳ級膝關節軟骨損傷(圖3)而言，常規序列即可獲取準確診斷結果，但仍可采取FS-3D-SPGR序列聯合三維圖像重建以明確損傷部位、大小等[13-15]。

綜上所述，作為一種無創檢查技術，MRI診斷可為軟骨損傷程度分級提供重要信息，有助于早期明確診斷。本研究還得出如下結論：(1)Fiesta-c序列能夠清晰顯示關節軟骨分層，與關節鏡診斷一致性極好，特別是在顯示軟骨鈣化帶上存在明顯優勢，在診斷低級別膝關節軟骨損傷時，可清楚呈現關節軟骨腫大、缺損；(2)FS-3D-SPGR序列聯合三維圖像重建，能夠獲取直觀的軟骨圖像，對膝關節外傷合并軟骨損傷的診斷有著重要意義；(3)MERGE序列診斷的整體準確度、特異度與關節鏡診斷的一致性均不如PDWI序列、Fiesta-c、FS-3D-SPGR序列。總之優化序列及參數，并結合流行病學特征，有助于提高診斷水平。本研究僅選取了MERGE、Fiesta-c序列、FS-3D-SPGR序列進行觀察，隨著MRI技術發展、新序列的出現，關于軟骨損傷的序列優化還有待不斷研究總結。