磁共振T2 mapping成像評價膝關節骨關節炎軟骨損傷的應用價值

孫兆男，王旭超，徐敏，徐暢，王巍

作者單位：

哈爾濱醫科大學附屬第一醫院磁共振科，哈爾濱 150001

膝關節骨關節炎(osteoarthritis，OA)表現為軟骨退變，是成年人致殘的主要原因之一[1]，早期診斷OA患者非常重要，可以及時開始治療并且可以預防、減緩軟骨退變的過程。膝關節是OA的好發部位，主要表現為關節軟骨基質的破壞和喪失。在OA形態學改變之前，軟骨的退行性改變與蛋白多糖的丟失和軟骨內膠原網絡的變化有關，軟骨變的缺乏彈性，使得水的流動性增加，從而增加了水含量[2]。磁共振成像新技術的發展逐漸滿足非侵入性軟骨評估的需要，目前，評估軟骨損傷最常用的技術是T2 mapping成像[3]，其可評估軟骨基質中膠原蛋白和水分的濃度、方向和完整性，是檢測軟骨退變的敏感技術[4]。筆者以膝關節為例研究T2值在軟骨損傷中的變化規律及T2 mapping技術對OA軟骨損傷的診斷價值，為臨床診斷及治療提供有效的依據。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2018年3月至2018年12月于哈爾濱醫科大學附屬第一醫院根據美國風濕病學會骨關節炎診斷標準診斷為膝關節骨關節炎的患者60例為觀察組，男性24例，平均年齡(57.4±6.4)歲，女性36例，平均年齡(55.6±5.1)歲；另選取健康志愿者30例為對照組，男性15例，平均年齡(26.9±3.9)歲，女性15例，平均年齡(27.3±4.1)歲。觀察組納入標準：符合1995年美國風濕病學會膝關節骨關節炎診斷標準，(1)近1個月大部分時間感膝關節疼痛；(2) X線示骨贅；(3)關節液檢查符合OA；(4)年齡≥40歲；(5)晨僵少于30 min；(6)有骨擦音；滿足上述(1)+(2)或(1)+(3)+(5)+(6)或(1)+(4)+(5)+(6)者。排除標準：(1)膝關節外傷史、手術史及感染史，使用對關節軟骨有影響的藥物史；(2)有MRI掃描禁忌證；(3)圖像不適合診斷。對照組納入標準：(1)年齡20～35歲之間，BMI處于正常范圍(18.5～23.9 kg/m2)；(2)無膝關節疼痛、活動受限等不適；(3)無MRI掃描禁忌證。排除標準：(1)體格檢查有畸形等異常；(2)膝關節外傷史、手術史及感染史，近期有劇烈運動史；(3)圖像不適合診斷。本研究獲得哈爾濱醫科大學附屬第一醫院倫理委員會批準及受試者知情同意。

1.2 儀器和方法

使用美國GE Signa 3.0 T 磁共振對兩組受試者行膝關節MRI掃描，選擇膝關節專用線圈，掃描時受試者取仰臥位，進床方式取腳先進。兩組受試者在掃描前均禁止一切劇烈活動，且進行完一切準備工作后，在掃描間外休息30 min。本研究的序列包括常規掃描序列和T2 mapping序列，各參數如表1。

1.3 圖像分析

所得圖像由2名經驗豐富且對臨床信息不知情的放射科醫師獨立分析，若二者意見不一致，則討論達成一致。將圖像傳送到PACS工作站評估軟骨病變，在GE ADW 4.5工作站獲得T2 mapping偽彩圖，運用軟件測量T2值。根據膝關節承重不同劃分7個區域進行軟骨測量：股骨內側髁負重區、股骨內側髁非負重區、股骨外側髁負重區、股骨外側髁非負重區、脛骨內側平臺、脛骨外側平臺、髕軟骨。為了對比軟骨空間T2值是否存在差異，將軟骨劃分深、淺兩層，各區域每層取3個感興趣區(region of interest，ROI)，每個ROI分別測量3次取平均T2值。膝關節軟骨形態的分級標準有很多，本研究采用Noyes分級標準，有研究認為該標準與關節鏡評價結果較為接近[5]。Noyes分級標準[5]如表2所示。

1.4 統計分析

運用SPSS 23.0對所得數據進行統計學處理，數據均用()表示，兩組間各數據比較采用t檢驗，不同損傷程度軟骨數據比較采用方差分析，P＜0.05有統計學意義。

2 結果

2.1 觀察組和對照組T2 mapping偽彩圖圖像對比

觀察組T2 mapping偽彩圖顯示損傷軟骨較薄，表面不光滑且不連續，色階信號不均勻，可見斑片狀綠色色階，對照組T2 mapping偽彩圖軟骨走行較觀察組明顯形態連續、光整且無斷裂，色階均勻，深淺層分界明顯，深層軟骨呈橙色，淺層軟骨呈綠色(圖1)。

2.2 觀察組和對照組各區域軟骨T2值的比較

本研究共納入90個膝關節共630個軟骨區域，各區域平均T2值如表3所示，顯示觀察組各區域軟骨平均T2值均高于對照組，差異有統計學意義(P＜0.05)。除對照組股骨內側髁外，觀察組股骨內外側髁負重區和對照組股骨外側髁負重區平均T2值均高于非負重區，差異有統計學意義(P＜0.05)。對相同區域淺層和深層軟骨進行T2值比較，顯示除觀察組股骨內側髁負重區外，其余區域淺層軟骨平均T2值較深層軟骨高，差異有統計學意義(P＜0.05；表4)。

表1 常規序列及T2 mapping成像參數Tab. 1 Conventional sequence and T2 mapping imaging parameters

2.3 不同程度OA患者及正常人軟骨T2值的比較

將兩組受試者參考Noyes分級進行分類，Noyes ⅡB～ⅢB級歸為重度OA組，為28例，Noyes Ⅰ～ⅡA級歸為輕度OA組，為32例，Noyes 0級為正常組，為30例。測量三組股骨內外側髁負重區平均T2值，所得數據如表5所示，重度和輕度OA組股骨內外側髁負重區平均T2值均高于正常組，差異有統計學意義(P＜0.05)，但重度OA組和輕度OA組股骨內外側髁負重區平均T2值無顯著差異(P＞0.05)。

表2 Noyes分級Tab. 2 Noyes Classification

3 討論

表3 觀察組和對照組各區域軟骨T2值比較(ms，±s)Tab. 3 Comparison of cartilage T2 values between observation group and control group (ms，±s)

表3 觀察組和對照組各區域軟骨T2值比較(ms，±s)Tab. 3 Comparison of cartilage T2 values between observation group and control group (ms，±s)

組別 股骨內側髁 t值 P值 股骨外側髁 t值 P值 脛骨內側平臺 脛骨外側平臺 髕軟骨負重區 非負重區 負重區 非負重區觀察組 52.54±7.56 47.10±6.74 5.911 ＜0.05 50.66±7.14 47.56±7.03 3.391 ＜0.05 47.88±5.68 46.37±5.19 46.42±6.10對照組 40.58±7.52 39.76±7.39 0.605 ＞0.05 40.89±6.95 37.82±8.08 2.227 ＜0.05 38.37±7.68 38.91±7.78 36.88±7.16 t值 10.049 6.472 8.815 7.950 8.507 6.717 8.842 P值 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05

表4 觀察組和對照組各區域淺深層軟骨T2值比較(ms，±s)Tab. 4 Comparison of T2 values between superficial and deep cartilage in observation and control group (ms，±s)

表4 觀察組和對照組各區域淺深層軟骨T2值比較(ms，±s)Tab. 4 Comparison of T2 values between superficial and deep cartilage in observation and control group (ms，±s)

部位 觀察組(60例) t值 P值 對照組(30例) t值 P值淺層軟骨 深層軟骨 淺層軟骨 深層軟骨股骨內側髁負重區 53.02±9.35 52.12±5.25 0.656 ＞0.05 46.82±4.46 34.34±3.85 11.597 ＜0.05股骨內側髁非負重區 48.73±6.93 45.48±6.19 2.709 ＜0.05 45.46±5.10 34.05±4.21 9.454 ＜0.05股骨外側髁負重區 52.50±7.08 48.82±6.77 2.909 ＜0.05 44.35±6.73 37.42±5.31 4.431 ＜0.05股骨外側髁非負重區 49.73±6.15 45.39±7.24 3.537 ＜0.05 42.87±6.98 32.77±5.60 6.187 ＜0.05脛骨內側平臺 49.50±5.34 46.27±5.59 3.243 ＜0.05 42.43±7.78 34.31±5.02 4.802 ＜0.05脛骨外側平臺 48.20±5.15 44.55±4.58 4.103 ＜0.05 43.79±6.57 34.04±5.56 6.208 ＜0.05髕軟骨 50.59±4.09 42.25±4.79 10.271 ＜0.05 42.37±4.95 31.39±4.18 9.286 ＜0.05

表5 不同程度OA股骨內外側髁負重區軟骨T2值比較(ms，±s)Tab. 5 Comparison of cartilage T2 values between weightbearing area of medial and femoral condyle with different degrees of OA (ms，±s)

表5 不同程度OA股骨內外側髁負重區軟骨T2值比較(ms，±s)Tab. 5 Comparison of cartilage T2 values between weightbearing area of medial and femoral condyle with different degrees of OA (ms，±s)

組別 股骨內側髁負重區 F值 P值 股骨外側髁負重區 F值 P值重度OA組 53.06±10.05 51.95±7.00輕度OA組 52.13±7.01 49.38±7.09正常組 40.58±7.53 40.89±6.95 51.902 ＜0.05 40.850 ＜0.05

OA是一種以軟骨損傷為主的進行性疾病，膝關節是其好發部位，進展到一定階段才出現臨床癥狀，導致關節疼痛甚至功能受限，嚴重者可致殘。目前影像學技術分辨率有限，可能對微小軟骨損傷的發現尚不敏感。X線是常用篩查方法，但不能直接顯示軟骨組織，只能識別軟骨下骨的變化，軟骨早期變化在普通X線影像上難以診斷[6]。關節鏡檢查是檢測軟骨損傷的金標準，但是有創檢查，不適合OA患者初步診斷及隨訪。磁共振最新進展對軟骨定量評價更加準確，滿足非侵入性軟骨評估，且能對軟骨損傷進行分級。關節軟骨主要含膠原纖維、蛋白聚糖聚合物和水，軟骨退變的特點包括蛋白聚糖減少，含水量減少進而滲透性增加，膠原纖維變性丟失及膠原纖維方向改變[7]。在早期疾病中，關節軟骨細胞外基質中蛋白聚糖的大量丟失導致游離水分子的比例和流動性增加，在晚期疾病中，膠原纖維逐漸紊亂，含水量下降，糖胺聚糖耗盡[8]，對應軟骨形態學改變為軟骨淺層局灶性損傷逐漸發展至軟骨下骨損傷，軟骨隨之變薄進而軟骨損傷及剝脫至全層[7]。關節軟骨T2 mapping的測定是評價膠原基質和含水量的可靠指標，T2值的變化已被證明與水含量、膠原結構和組織的變化有關，并與透明軟骨的變化及其耗竭有關[9]。

本研究發現輕度和重度OA患者各測量區域膝關節軟骨平均T2值均高于正常人(P＜0.05)，可證明OA患者軟骨內各組織成分在軟骨形態改變之前就已發生變化，提示在臨床診斷上早期也可通過T2 mapping測量軟骨T2值判斷OA的潛在風險。T2 mapping可通過測量含水量的增加和OA定向膠原蛋白的丟失而延長T2值[10-11]，T2值升高可反映軟骨內組織變化，對早期檢測軟骨退變也具敏感性。觀察組股骨內外側髁、對照組股骨外側髁負重區和非負重區相比，軟骨平均T2值升高(P＜0.05)，Shiomi等[12]和Hannila等[13]在之前的研究中也得出過類似結果，表明負重區軟骨T2值較高，這一發現可能表明關節軟骨內生物化學成分和生物力學的空間變化[14]。對照組股骨內側髁負重區和非負重區平均T2值差異無統計學意義(P＞0.05)，可能由于如參數設置、魔角效應、部分容積效應等多種因素影響T2值而導致不同。對于同區域淺深層對比，除觀察組股骨內側髁負重區，余各區域淺層軟骨平均T2值大于深層(P＜0.05)，軟骨的特征在于區域的解剖結構由不同的膠原纖維組織產生，豐富的地帶性差異很可能表明骨關節炎軟骨的成分和結構變化的多面性[15]，T2弛豫時間受含水量和水分子與膠原纖維相互作用的影響，T2值越高，說明含水量越高，水分子的遷移率越高，反之亦然。T2弛豫時間向軟骨深部減少是關節軟骨T2值的特征[16]，本研究這一結果可能證實T2 mapping可通過從深層到淺層的T2值增加而反映軟骨區域成分的變化以及含水量的區域差異。本研究發現重度和輕度OA組股骨內外側髁負重區平均T2值均高于正常組(P＜0.05)，但差異未體現在不同損傷分級中，提示了早期輕度OA病情的出現也可通過T2值的定量增加而體現。

本研究還具有一些局限性，首先，受試者群體較小，有必要在更大的患者樣本中通過更全面的評估來證實本研究的結果，其次多種因素均可影響測量軟骨T2值，有文獻報道年齡也是獨立因素之一，本研究納入患者年齡差異較大，今后可將年齡也作為單一變量之一，本研究未結合病理，下一步工作中需結合關節鏡的證實，將診斷準確性進一步提高。

綜上所述，膝關節軟骨退變具有軟骨T2值升高的特點，T2 mapping可通過偽彩圖直接觀察軟骨，還可通過測量T2值間接反映軟骨組織成分變化。本研究證實T2 mapping可測量出軟骨T2值的改變，從而提示臨床進行干預，減緩病程進展，改善預后。T2 mapping有助于OA患者及時開始治療，監測疾病進展以及對軟骨修復進行隨訪，在評估軟骨變化方面有重要應用價值和臨床意義。

利益沖突：無。