磁共振形態和功能成像技術評估家兔膝關節軟骨缺損修復的價值*

許 華，曾自三，丁 浩

（廣西醫科大學第一附屬醫院放射科，南寧 530021）

由于關節軟骨的自體修復能力有限，軟骨缺損不能得到及時修復，長期進展易導致關節軟骨退行性變，發展為骨性關節炎，最終導致殘疾[1]。隨著軟骨修復及再生技術的發展與豐富，并取得一定的療效[2-3]，尋求監測軟骨修復過程，評估臨床療效的技術需求日益增加。作為一項無創、可重復及多序列技術，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI）在評估關節軟骨的結構與功能上敏感性高。國際軟骨修復協會（international cartilage regeneration and joint preservation society，ICRS）將常規磁共振序列[T1WI、T2WI、質子加權序列（PDWI）]作為評估軟骨的標準序列[4]，隨著3.0T 高場強磁共振的廣泛應用及多序列軟骨成像技術的開發，功能磁共振及3D 磁共振軟骨成像研究日益豐富，并成為研究熱點。T2 加權雙穩態3D 成像序列（3D-T2-DESS）和T1 加權三維梯度回波容積內插屏氣呼吸序列（3D-T1-VIBE）在軟骨形態學評估上具有更高的軟組織分辨率，3D成像的各向同性特性可以對軟骨進行三維重建。功能磁共振成像評估軟骨組織的生化指標，更準確的提供軟骨修復過程中的生化信息。有研究表明，家兔小范圍軟骨缺損能自主修復[5]，本研究通過建立新西蘭大白兔雙側股骨內側髁關節軟骨全層缺損模型，比較不同形態磁共振序列監測軟骨修復效果；連續觀察功能磁共振測值變化，總結功能磁共振在評估軟骨修復中的價值。現將結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 動物模型制備 6～10個月齡健康新西蘭大白兔15只，雌雄不限，體重2.0～2.5 kg（廣西醫科大學實驗動物中心）。術前8 h禁食禁飲，經耳緣靜脈注射戊巴比妥鈉1 mL/kg（3 g/100 mL）麻醉。雙側膝關節髕骨外側脫位，經髕骨內側旁皮膚切口暴露膝關節，用鉆頭在股骨內側髁制作全層軟骨缺損（直徑5 mm，深3 mm），術前術后預防性使用抗生素（青霉素2×105U/kg，四川省精華動物藥業有限公司，四川）。

1.2 術后磁共振評估 術后2～8 周，每周固定5 只行膝關節定量磁共振掃描，第8 周15 只行形態磁共振檢查。使用西門子Prisam 3.0T磁共振，采用8通道小動物專用線圈（蘇州眾志醫療有限公司，江蘇）線圈結構：相控陣結構。取頭先進、仰臥位。掃描序列如下：（1）3D-T1-VIBE-WE-SAG，TR：13.60 ms，TE：6.79 ms，Average：1，FOV：60，矩陣：256×256，層厚：0.2 mm，層數：144；（2）3D-T2-DESS-WESAG，TR：37.0 ms，TE：21.0 ms，Average：1，FOV：60，矩陣：256×256，層厚：0.2 mm，層數：144；（3）PDWI-TSE-SAG-FS，TR：3 000.0 ms，TE：13.0 ms，Average：6，FOV：60，矩陣：192×192，層厚：1.0 mm，層數：22；（4）T1 mapping，TR：15.0 ms，TE：2.24 ms，Average：1，FOV：60，矩陣：192×192，層厚：3.0 mm，層數：22；（5）T2 mapping，TR：1 000.0 ms，TE：13.8 ms、27.6 ms、41.4 ms、55.2 ms、69.0 ms，Average：1，FOV：60，矩陣：192×192，層厚：3.0 mm，層數：22；（6）T2* mapping，TR：445.0 ms，TE：4.36 ms、11.90 ms、19.44 ms、26.98 ms、34.52 ms，Average：1，FOV：60，矩陣：192×192，層厚：3.0 mm，層數：22。掃描時間約23 min每只膝關節。MR評分采用國際軟骨修復協會(ICRS)推薦軟骨修復磁共振評分（the magnetic resonance observation of cartilage repair tissue，MOCART2.0）[6]。

1.3 大體評估 術后8 周完成MRI 檢查后注射過量戊巴比妥鈉處死兔子，解剖分離雙側股骨遠端。根據ICRS大體評分標準[7]對各樣本軟骨修復評分。

1.4 病理學評分 軟骨標本經中性福爾馬林固定、EDTA 脫鈣、石蠟包埋后連續矢狀切片，并經蘇木精－伊紅（HE）、番紅O染色。采用Wakitani軟組織損傷修復組織學評分行病理評分[8]。

1.5 統計學方法 采用SPSS20.0 統計軟件進行數據分析，計量資料以均數±標準差（）表示，兩組均數比較采用t檢驗或配對t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析，進一步兩組間比較行SNK-q檢驗，相關性分析采用Pearson 相關性分析。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 15 只大白兔3.0T 磁共振各序列MOCART 評分情況 剔除1 只于術后3 d 死亡，1 只左側膝關節嚴重粘連樣本，其余納入統計分析，磁共振評分見表1。

2.2 3D-T1-VIBE 與3D-T2-DESS 序列相關性分析及總體評分比較 術后第8 周磁共振圖像見圖1，3D-T1-VIBE 與3D-T2-DESS 序列總體MOCART 評分具有較好的相關性（r=0.722，P＜0.01）。然而，相關性并不代表一致性，兩者總體評分比較，差異有統計學意義（P=0.017），見表2。

表1 15只大白兔3.0T磁共振各序列MOCART評分情況 分，

表1 15只大白兔3.0T磁共振各序列MOCART評分情況 分，

圖1 術后8周3D-T1-VIBE與3D-T2-DESS磁共振圖像

表2 3D-T1-VIBE序列與3D-T2-DESS序列MOCART評分比較 分，

表2 3D-T1-VIBE序列與3D-T2-DESS序列MOCART評分比較 分，

2.3 形態MRI 與大體、病理相關性比較 PDWI、3D-T1-VIBE 和3D-T2-DESS 的MOCART 評分分別于ICRS大體及Wakitani組織病理評分比較，見表3。不同序列的磁共振圖像上均能明顯的觀察軟骨缺損修復區域以及修復軟骨的形態、信號，且與大體和組織病理相關性好，見圖2。

圖2 形態磁共振成像與大體、組織病理對照

表3 磁共振MOCART評分與組織病理、大體評分相關性

2.4 功能MRI 各時段方差分析及兩兩比較2～8 周各時間段T1 mapping 值比較，差異無統計學意義，且T1 值與復查時間相關性差（P＞0.05）。T2 mapping與T2*mapping各時間段比較，差異均具有統計學意義（P＜0.05），進一步兩兩分析顯示，T2 值：第2、第3 周，第3、第4、第5 周，第4、第5、第6、第7 周，第4、第6、第7、第8周比較，差異無統計學意義（P＞0.05）；T2*值：第2、第3 周，第3、第4 周，第4、第5周，第6、第7、第8 周比較，差異無統計學意義（P＞0.05），其余時點之間比較，差異有統計學意義（P＜0.05），見表4、圖3。同時，與復查時間具有明顯相關性（T2 值與復查時間r=-0.787，P＜0.01；T2*值與復查時間r=-0.84，P＜0.01）。

表4 功能磁共振測值統計描述 分，

表4 功能磁共振測值統計描述 分，

與第2周比較，aP＜0.05；與第3周比較，bP＜0.05；與第4周比較，cP＜0.05；與第5周比較，dP＜0.05。

圖3 功能磁共振測值隨時間變化情況

3 討論

MRI 能無創觀察軟骨病變，因此，在骨性關節炎（OA）和關節軟骨損傷診斷上應用廣泛[9]。近年來，磁共振硬件、軟件以及相控陣線圈的不斷革新，新興的磁共振序列具有更好的成像效果。

3D 序列圖像偽影少，信噪比高，且采用容積掃描，能夠清晰顯示關節軟骨及其修復組織[10]。本研究中兩個3D 序列（3D-T1-VIBE 與3D-T2-DESS）用于軟骨的形態學評估具有較好的相關性，然而兩者差異具有顯著性。分析具體評分顯示，兩序列在修復體積、邊緣整合、表面光滑及軟骨下骨改變的評分上，差異無統計學意義（P＞0.05），但在軟骨信號均一性、強度及骨缺損或增生3項評分上，卻有明顯差異（P＜0.05）。兩序列在軟骨單純的形態成像上結果相似，但在軟骨與周圍組織信號對比度上，3DT2-DESS序列有更強的對比性。比較3種形態學磁共振（PDWI、T1-VIBE、T2-DESS）評分與大體、組織病理相關性發現，PDWI的相關性較差，考慮由于家兔膝關節軟骨層厚較薄，相關研究表明大約為0.44 mm[11]，2D 序列不足以顯示其細微結構。3DT1-VIBE 和3D-T2-DESS 在軟骨成像上明顯優于PDWI，由于其各向同性特點，后處理重建時，可以得到任意方向的重建圖像，從而多方位評估軟骨修復情況。

定量磁共振技術能夠早于形態變化反應關節軟骨內部成分變化情況，從而更早評估關節軟骨修復情況。有研究表明，原始T1值與軟骨基質中的水分子有關，軟骨的破壞導致的細胞外基質的變化可以反應在T1測值中[12]。然而本研究發現，軟骨缺損的修復前期（8周）原始T1值變化無意義，考慮軟骨修復前期，T1 值的評估穩定性差，單純依靠軟骨基質中水含量來評估軟骨修復情況不可靠。但有更進一步的研究表明釓延遲增強磁共振成像的T1 值評估軟骨修復效果顯著[13-14]。因為釓增強后的T1值不僅僅反應水分子，更主要的反應軟骨基質中氨基多糖含量[15]。因此原始T1 值不能單獨作為軟骨修復評估的可靠指標，還應結合增強掃描。T2、T2*mapping 與軟骨中的膠原含量、膠原網排布及水含量有關[16]。本實驗結果顯示，T2 和T2*值隨時間變化明顯，但T2 mapping應間隔1～3周，T2*mapping應間隔1周檢查。

綜上所述，3D-T1-VIBE和3D-T2-DESS序列具有良好的形態學成像效果，評估軟骨缺損修復準確性高。T2、T2*mapping評估軟骨的生化指標敏感，適合用于監測軟骨修復情況。