T2* mapping定量評估新兵奔襲集訓后脛股關節軟骨變化

張懿娜，何 彬，張 禹，徐茂林，張 茜，朱友志

(1.安徽中醫藥大學第二附屬醫院影像科，安徽 合肥 230031；2.中國人民解放軍聯勤保障部隊第901醫院影像科，3.軍人門診部，安徽 合肥 230031)

膝關節是人體重要承重結構，其軟骨損傷后，內部成分與生化結構多在常規檢查顯示異常前已發生變化[1]。軟骨定量MRI空間分辨率高，可多參數成像，能于形態變化前檢出軟骨損傷[2]。既往研究[3-4]采用T2值定量分析關節軟骨超微成分變化，而對運動后關節軟骨T2*值變化的相關研究較少，且多以運動員為觀察對象[5-6]。本研究觀察T2*mapping評估新兵奔襲集訓后脛股關節軟骨早期變化的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集22名新入伍男兵，年齡17～20歲，中位年齡18歲，體質量指數18.0～24.1 kg/m2，無膝關節外傷及手術史，無MRI禁忌證；入伍前未經劇烈運動，入伍后于海拔200～500米丘陵地區接受1周奔襲集訓；脛股關節軟骨國際修復委員會(International Cartilage Repair Society, ICRS)分級為0級(軟骨面光滑，軟骨下骨無異常信號)[7]。本研究經院倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Verio 3.0T MR掃描儀，膝關節鳥籠式專用線圈，于集訓前后行右膝MR檢查。囑受試者檢查前至少休息2.0～2.5 h，掃描過程盡量保持膝關節伸直狀態。采用多回波梯度回波序列采集矢狀位T2*mapping，TR 30 ms，TE 3.26/8.61/13.96/19.31/24.66 ms，層厚3.5 mm，層間距0.35 mm，視野160 mm×160 mm，矩陣320×320，采集次數1，掃描時間2 min 26 s。

將所有數據導入Siemens工作站，由2名具有8年骨骼影像學診斷經驗的主治醫師于矢狀位T2*mapping原始圖及偽彩圖上共同完成數據測量及記錄。根據股骨內外側髁是否被半月板遮蓋，將脛股關節軟骨分為股骨內側髁(medial femoral condyle, MFC)承重區、MFC非承重區、股骨外側髁(lateral femoral condyle, LFC)承重區、LFC非承重區、脛骨內側平臺(medial tibial platform, MTP)及脛骨外側平臺(lateral tibial platform, LTP)共6個區域，并以軟骨縱向厚度中點為界將其分為深層和淺層[5]；選取正中層面及其前后各1層圖像手動勾畫各區域ROI(圖1)，盡量放大圖像，避開背景噪聲、關節滑液及軟骨下骨，分別盡量靠近軟骨表層及骨皮質測量淺層及深層T2*值，取其均值為最終結果。集訓前后脛股關節各區域軟骨T2*值變化百分率=(集訓后T2*值-集訓前T2*值)/集訓前T2*值×100%。

圖1 矢狀位T2* mapping原始圖(A)及偽彩圖(B)上勾畫脛股關節軟骨各區域ROI示意圖 (1.LFC承重區淺層；2.LFC承重區深層；3.LFC非承重區淺層；4.LFC非承重區深層；5.LTP淺層；6.LTP深層)

1.3 統計學分析 采用SPSS 19.0統計分析軟件。計量資料以±s表示。采用配對樣本t檢驗分別比較集訓前脛股關節軟骨各區域深淺層T2*值、集訓前后各區域T2*值差異，以單因素方差分析比較集訓前后脛股關節各區域軟骨T2*值變化百分率差異，以LSD檢驗行兩兩比較。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

共納入22名新兵。集訓前脛股關節軟骨各區域淺層T2*值明顯高于深層(P均<0.01，表1)，集訓后MFC承重區軟骨淺層、LFC承重區淺層及深層、LTP淺層、MTP淺層及深層軟骨T2*值明顯高于集訓前(P均<0.05)，余各軟骨區域T2*值集訓前后差異無統計學意義(P均>0.05)，見表2、圖2。集訓前后LFC承重區淺層、LFC承重區深層、LFC非承重區淺層、LFC非承重區深層、LTP淺層、LTP深層、MFC承重區淺層、MFC承重區深層、MFC非承重區淺層、MFC非承重區深層、MTP淺層及MTP深層軟骨T2*值變化百分率分別為(21.78±29.31)%、(16.79±28.09)%、(-2.89±23.98)%、(2.78±18.37)%、(13.63±33.02)%、(9.22±20.67)%、(12.19±14.64)%、(4.50±17.90)%、(-2.20±31.34)%、(-1.76±23.05)%、(27.04±21.57)%及(23.47±23.93)%，差異均有統計學意義(F=3.66，P<0.05)，兩兩比較結果見表3。

圖2 18歲男性新兵，集訓前后矢狀位右側脛股關節軟骨T2* mapping偽彩圖 A、B為集訓前軟骨不同層面圖像，脛股關節軟骨呈較均勻藍色； C、D為集訓后軟骨不同層面圖像，軟骨內見散在斑點狀及線狀綠色像素區(箭)，提示T2*值升高

表1 集訓前右膝脛股關節軟骨各區域深淺層T2*值比較(ms，±s)

表1 集訓前右膝脛股關節軟骨各區域深淺層T2*值比較(ms，±s)

位置LFC非承重區LFC承重區MFC非承重區MFC承重區LTPMTP淺層23.82±1.4022.47±3.1524.02±4.8925.31±3.8522.79±4.8020.25±2.74深層20.64±1.4919.73±2.4820.88±2.6420.90±2.6819.31±2.4817.79±2.18t值7.21-6.473.884.345.325.39P值<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01

表2 集訓前后右膝脛股關節軟骨各區域T2*值比較(ms，±s)

表2 集訓前后右膝脛股關節軟骨各區域T2*值比較(ms，±s)

時間點LFC非承重區淺層LFC非承重區深層LFC承重區淺層LFC承重區深層MFC非承重區淺層MFC非承重區深層集訓前23.82±1.4020.64±1.4922.47±3.1519.73±2.4824.02±4.8920.88±2.64集訓后23.00±5.5321.10±3.4126.76±4.7522.54±3.9322.63±5.8020.24±4.17t值0.61-0.55-3.13-2.380.810.59P值0.550.590.010.030.430.56時間點MFC承重區淺層MFC承重區深層LTP淺層LTP深層MTP淺層MTP深層集訓前25.31±3.8520.90±2.6822.79±4.8019.31±2.4820.25±2.7417.79±2.18集訓后28.13±3.9721.66±3.6124.81±4.8620.80±3.3525.66±4.8521.75±4.07t值-3.86-0.94-2.41-1.64-6.04-4.26P值<0.010.360.030.12<0.01<0.01

表3 集訓前后右膝脛股關節軟骨各區域T2*值變化百分率兩兩比較P值

3 討論

新兵入伍后經歷短期高強度奔襲訓練，脛股關節承受巨大負荷，有利于強化軟骨承重能力，但過度使用軟骨及負荷過重也可能導致損傷，如不及時關注可能發展為骨關節炎(osteoarthritis, OA)。盡早發現新兵集訓后脛股關節軟骨變化有助于及時改進訓練方式或實施治療，防止軟骨進一步損傷。

正常軟骨由軟骨細胞及軟骨基質構成，基質主要成分是水、膠原纖維和蛋白多糖。軟骨早期損傷主要表現為蛋白多糖減少、膠原纖維網狀結構破壞和水含量增多[8]。既往研究[3-4,9-10]表明，軟骨T2弛豫時間與水含量和膠原纖維方向有關，軟骨淺層膠原纖維各向異性最顯著，水分子含量最高，T2值最高；過渡層膠原纖維排列不規則，水分與膠原纖維含量減少，蛋白多糖含量增多；軟骨深層膠原纖維走行與關節軟骨垂直，蛋白多糖含量最多，水分含量最少，T2值最低。T2值可作為評價軟骨成分變化的生物標志物[11]。T2*mapping與T2 mapping的多回波TSE序列圖像類似，T2與T2*值的關系為1/T2*=1/T2+rΔB0，其中r為旋磁比，ΔB0表示局部的磁場強度差異，T2*值總是小于T2[12]。姜鈴霞等[13]發現少年組、中年組及老年組3組間正常人脛股關節軟骨T2值與T2*值呈顯著正相關。BITTERSOHL等[14]指出不同級別損傷軟骨T2*值存在顯著差異，認為T2*值評估軟骨成分改變的價值與T2值相似，T2*mapping圖像中亦可見不同軟骨分層變化表現。TAO等[15]測量前交叉韌帶斷裂組與對照組脛股關節深層軟骨的T2*值和T2值，發現T2*值有組間明顯差異，而T2值差異無統計學意義，推測T2*值對評價軟骨鈣化層變性和深層不規則膠原變化更為敏感。近年有研究[16-17]發現T2*mapping成像時間短，空間分辨率高，對于軟骨分層更有優勢，或可替代T2 mapping用于觀察軟骨生化成分改變。本研究中集訓前脛股關節各區域軟骨淺層T2*值高于深層，證實T2*mapping用于軟骨分層頗具優勢。

本研究結果顯示集訓后右膝關節LFC承重區淺層及深層、MFC承重區淺層、LTP淺層、MTP淺層及深層軟骨T2*值均有不同程度升高，推測運動后細胞外基質合成與分解失衡，關節軟骨中膠原纖維含量減少且排列發生改變，膠原網狀結構受損使蛋白多糖散開，軟骨對水分子通透性增大以及軟骨內自由水增多等導致T2*值升高[18]。以上軟骨變化如持續存在，可導致軟骨變薄及局部缺損，最終發生OA[19]。

ZARINS等[20]發現正常狀態下脛骨平臺受到縱向壓力時，60%～80%的壓力傳遞至MTP。CHEN等[19]觀察到運動前后膝關節軟骨淺層T2值變化大于深層，認為軟骨淺層可能是承受壓力的主要區域。本組MTP淺層軟骨T2*值變化百分率較大，兩兩比較結果顯示部分區域軟骨變化百分率存在統計學差異，推測與樣本量較少有關。本研究主要的局限性在于：①樣本量偏少；②未行病理學檢查；③因受試者繼續接受其他訓練，未能評估集訓后脛股關節軟骨T2*值變化是否可逆[21]，有待擴大樣本量進一步研究。

綜上，T2*mapping可無創定量評估新兵奔襲集訓后脛骨關節軟骨早期變化；集訓后LFC和MFC承重區及脛骨平臺軟骨T2*值均較集訓前升高。