磁共振T2 mapping成像对移植软骨的评估价值

陈 敏，徐 贤，韩邵军，唐艳华，张 君，董天明，左盼利，安宁豫

1中国人民解放军总医院放射科，北京 100853

2西门子 (中国)有限公司医疗业务领域磁共振事业部，北京 100102

·论 著·

磁共振T2 mapping成像对移植软骨的评估价值

陈 敏1，徐 贤1，韩邵军1，唐艳华1，张 君1，董天明1，左盼利2，安宁豫1

1中国人民解放军总医院放射科，北京 100853

2西门子 (中国)有限公司医疗业务领域磁共振事业部，北京 100102

目的探讨磁共振T2 mapping成像对基质诱导的自体软骨细胞移植 (MACI/MACT)术后的评估价值。方法 4例接受MACI治疗的膝关节软骨损伤患者 (10处软骨损伤)，分别在术后1、3、6个月进行磁共振T2 mapping检查，测量各时间点移植区与正常区软骨全层的T2值，并进行统计学分析。各个时间点移植区与正常区T2值比较采用配对t检验，移植区T2值的纵向对比采用单因素方差分析。结果MACI术后1、3、6个月移植区的T2平均值分别为 (82．40±15．23)、(71．09±13．06)、(53．80±4．86)ms。术后6个月内移植区T2值均大于正常区，1、3个月组差异均有统计学意义 (P均＜0．01)，6个月组差异无统计学意义 (P=0．196)。术后1、3、6个月移植区T2值纵向变化差异有统计学意义(P=0．03)。结论磁共振T2 mapping成像能够无创、动态地监测移植软骨的修复过程，可作为软骨修复术后评估的有力工具。

T2值;软骨;膝关节;基质诱导的自体软骨细胞移植

Acta Acad Med Sin，2014，36(1)：86-91

关节软骨损伤是一种常见病，由于其内缺乏血管、淋巴和神经，损伤后自我修复的能力非常有限。基质诱导的自体软骨细胞移植技术 (matrix-associated autologous chondrocyte implantation/transplantation，MACI/MACT)作为最新的软骨移植术可以达到接近于正常透明软骨修复的效果［1-2］，临床应用前景广阔。磁共振成像 (magnetic resonance imaging，MRI)是评价关节软骨最敏感的无创性方法，在关节软骨成像中的重要应用价值已经被广泛认识与接受，但常规的磁共振成像主要是用来评估软骨的形态学变化。近年来，国内外采用最新的磁共振T2 mapping和软骨延迟增强成像 (delayed gadolinium enhanced MRI of the cartilage，dGEMRIC)对移植软骨进行随访分析，结果显示在软骨移植修复初期，软骨形态未出现明确改变之前就已有生物力学指标 (T2值或T1值) 的变化［3］。目前，T2 mapping用于关节软骨损伤及修复的评估研究多是大跨度、中远期的对比分析，而对于MACI术后的早期随访观察国内外尚无相关报道。本研究旨在通过对MACI术后1、3、6个月T2值随访比较，从生物力学角度探讨磁共振T2 mapping成像对移植软骨修复过程的评估价值。

对象和方法

对象本研究纳入4例MACI患者 (女3例，男1例)，共8个膝关节10处软骨缺损 (股骨内侧髁2处，股骨滑车4处，髌骨4处)。患者平均年龄 (46．5±4．5)岁 (40～50岁)。软骨缺损平均面积 (1．959±1．2098)cm2(0．8 ～ 5．0 cm2，n=10)，按照国际软骨修复协会 (International Cartilage Repair Society，ICRS)标准，缺损程度均为Ⅲ～Ⅳ度。检查前所有受试者均签署知情同意书。

MR检查采用Skyra 3．0 T高场强磁共振扫描仪(Siemens Ltd．，Germany)和15通道膝关节表面线圈。采用脚先进、仰卧位模式，扫描时尽量保持膝关节位于线圈中央。扫描序列包括矢状位3D-VIBE，高分辨冠状位、矢状位和横轴位质子脂肪抑制序列 (Fat Saturation Protein Density Weighted Imaging，FS-PDWI) 以及矢状位T2 mapping序列。T2 mapping扫描均在患者静卧30 min后进行。

成像参数：矢状位 3D-VIBE：TR 11．60 ms，TE 5．44 ms，FOV 150×150 mm，矩阵 381×448，扫描时间5 min 27 s;高分辨冠状位FS-PDWI：TR 2400．0 ms，TE 35．0 ms，FOV 140 ×140 mm，矩阵 381 ×448，扫描时间 4 min 42 s;高分辨矢状位FS-PDWI：TR 3000．0 ms，TE 31．0 ms，FOV 140 ×140 mm，矩阵 336 ×448，扫描时间4 min 44 s;高分辨横轴位FS-PDWI：TR 3790．0 ms，TE 31．0 ms，FOV 140 × 140 mm，矩阵336×448，扫描时间4 min 27 s;T2 mapping：采用5个回波 SE序列矢状位扫描，TR 1921．3 ms，TE 13．8/27．6/41．4/55．2/69 ms，FOV 160 ×160 mm，矩阵 384 ×384，扫描时间8 min 42 s。

图像处理所有图像数据传输至syngo workplace(Siemens Ltd．，Germany)后处理工作站，由两位经培训后的放射科医师进行双盲读片，完成数据测量及记录。对测量结果一致性好者，取其平均值作为最终结果，如果测量结果差异较大，则重新测量得出一致性结论。感兴趣区 (region of interest，ROI)的选择：结合3D-VIBE及高分辨矢状位FS-PDWI图像，移植区ROI尽量包全修复组织全层 (图1);正常区ROI为移植区旁5 mm，且高分辨FS-PDWI图像上显示表面完整、内部无信号异常的软骨 (图2)。

T2值测量方法：图像数据经软件生成T2 mapping伪彩图，对照高分辨矢状位FS-PDWI图像，同步描绘感兴趣区软骨边界，选择感兴趣区显示最好层面重复测量3次取平均值。尽量保持不同时间点移植区和正常区ROI在同一位置 (图3)。

统计学处理采用SPSS 13．0统计软件，定量数据以均数±标准差表示，各个时间点移植区与正常区的T2值比较采用配对t检验，移植区T2值的1、3、6个月纵向比较采用单因素方差分析，P＜0．05为差异具有统计学意义。

结 果

磁共振T2 map图像定量测量结果显示，MACI术后1、3、6个月移植区T2值分别为 (82．40±15．23)、(71．09 ±13．06)、(53．80 ±4．86)ms，均大于正常区的(52．77 ±12．37)、(50．14 ±6．43)、(50．43 ±7．70)ms，其中术后1个月和3个月移植区与正常区的T2值差异有统计学意义 (P均＜0．01)，而术后6个月差异无统计学意义 (P=0．196)。纵向对比研究发现，MACI术后1、3、6个月移植软骨的T2值变化有统计学意义(P=0．03)。随着随访时间延长，T2值逐渐下降，并接近正常区 (图4、5)。术后6个月移植区T2值明显低于1(P=0．001) 和3个月 (P=0．014)，而1和3个月移植区T2值相比差异无统计学意义 (P=0．204)。正常区T2值在术后各随访时间点差异均无统计学意义 (P＞0．05)。

图1 移植区感兴趣区 (白色方框所示区域)Fig 1 The region of interest of the transplanted area(denoted by the white box)

图2 正常区感兴趣区 (白色方框所示区域)Fig 2 The region of interest of the control cartilage(denoted by the white box)

图3 MACI术后1、3、6个月移植区感兴趣区Fig 3 The region of interest of the transplanted area at 1，3 and 6 months after MACI

图4 MACI术后1、3、6个月移植区与正常区T2值的比较Fig 4 Comparison of T2 values(ms)in the transplanted and control cartilage at 1，3，and 6 months after MACI

图5 10处软骨缺损移植区术后1、3、6个月T2值变化 (n=10)Fig 5 T2 values of the transplanted area at 1，3，and 6 months after MACI(n=10)

讨 论

目前，常用的软骨MRI生物学检测技术主要包括dGEMRIC和T2 mapping成像，dGEMRIC根据软骨内负电荷密度成像间接反映软骨组织中的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)含量，该方法需要注射对比剂，且对比剂静脉注射后至少需要等待90 min(注射后患者需行走15 min) 方可行T1 mapping扫描［4-5］。而T2 mapping因无需对比剂，扫描时间较短，已经成为关节MRI生化成像中的主要序列。国内外大量的研究已经证实MR T2 mapping是目前评价软骨最有效的无创性技术之一，但现有的T2 mapping研究只对MACI术后中远期疗效进行观察，并未对其术后早期变化进行密切追踪随访。本研究采用T2 mapping技术，通过对软骨移植患者术后6个月内的定期随访，评估移植软骨的早期生化修复过程。

T2值主要反映软骨内胶原的含量、构象及水含量的变化，在软骨的修复过程中可以监测胶原的重构［3］。关节软骨主要由Ⅱ型胶原 (15% ～22%)、蛋白多糖 (proteoglycan，PG)(4%～7%)和水 (60%～85%)组成，PG是由蛋白核心和大量负电荷的GAG复合而成［6］。软骨内胶原含量、胶原纤维各向异性和水含量是软骨T2值变化的主要决定因素，PGs含量的变化对T2值影响不大［7］。本研究中，MACI术后6个月内移植区T2值均高于正常区，且以1个月和3个月尤为显著，提示移植区内水含量、胶原纤维含量及构象发生了变化。有研究表明关节软骨损伤时，胶原网状结构的破坏和胶原纤维排列改变能够使水的通透性增加;同时胶原网断裂使积聚的PG分散展开，暴露更多的阴离子，从而进一步增加软骨内的水含量，使软骨T2值升高［8］。MACI术后早期，软骨基质尚未形成，胶原纤维排列杂乱也可使T2值增高。此外，手术创伤造成表面软骨水肿、关节液渗入也是T2值增高的影响因素［3，9］。

本研究发现MACI术后6个月内随着时间的进展，移植软骨的T2值逐渐下降，并趋于正常。Zheng等［1］研究MACI术后软骨的组织及生化特性时发现：术后48h移植物内软骨细胞从胶原膜上游离，散乱分布于纤维胶中，无明确的软骨基质形成;术后21d时，结构紊乱的软骨样基质形成，软骨细胞散在分布于其中。Loeuille等［10］报道在老鼠软骨发育成熟过程中，随着老鼠年龄的增长，胶原含量增加，T2值呈现逐渐下降趋势。因此，在软骨的修复过程中，随着胶原的形成 (含量增多、排列趋于规整)T2值逐渐下降。此外，手术创伤的恢复和渗液吸收也会促使T2值进一步下降。

随访至术后6个月时，移植区T2值与正常区无明显差别，提示随着修复组织成熟，移植软骨内水含量和胶原含量及排列方向基本接近正常。本研究中患者所行均是最新的自体软骨移植技术 (autologous chondrocyte transplantation，ACI) ——MACI，它以生物材料为支架，最终形成透明或透明样软骨修复［1-2，11-12］。术前从患者软骨非负重区取出正常自体关节软骨，体外分离出软骨细胞，培养扩增后种植在Ⅰ/Ⅲ型双层胶原膜上;手术时修剪成与缺损部位相似的形状，用生物蛋白胶将其粘贴在缺损处［13-14］。MACI使患者免去了再次手术的创伤，且术后并发症 (如软骨细胞脱落、移植块过度增生)的发生率较其他软骨移植术明显下降［14-16］。动物实验发现，MACI术后随着软骨的修复其T2值逐渐减低，并接近于正常区，且经病理证实为透明软骨修复［12］。Domayer等［11］采用 T2 mapping对比微骨折术 (microfracture，MFX)和MACI术后正常区与移植区T2值变化 (relative T2，rT2)，提示rT2越接近于l表示修复组织的胶原和水含量越接近正常组织。本研究rT2随着随访时间延长也逐渐接近1。Zheng等［1］研究发现MACI术后6个月75%再生为透明样软骨。本研究中6个月时移植区T2值与正常区差别无统计学意义，提示移植物在不断塑形过程中，软骨胶原及自由水含量向正常靠近逐渐形成透明软骨样的修复组织。

Trattnig等［17］利用T2 mapping技术定量测定MACI术后患者不同时期移植区T2值结果显示，在术后早期阶段组 (3～13个月)移植区T2值明显高于邻近的正常软骨，长期随访组 (19～42个月)移植区T2值降低至接近正常软骨。该研究中6个月时移植区与正常区T2值有区别，与本研究结果存在一定差异，可能的原因：(1)本研究随访时间较短，未追踪6个月以后T2值的变化;(2)Trattnig等［17］研究中早期阶段组时间跨度较大，且各时间点病例数单一 (每个时间点仅1例患者)，造成选样误差。因此，有待更大样本量、更长时间的随访观测。

为了排除个体间差异，本研究均选择同例患者的邻近正常软骨作为内对照以进行比较研究;由于移植区周围形态正常的软骨T2值与远处正常的软骨T2值也存在差异［18］，本研究正常区ROI选择的是旁开移植区5 mm以外的形态和信号正常的软骨。此外，运动对软骨的T2值也存在影响［19-20］。研究发现无论是正常志愿者还是软骨移植的患者，运动后软骨T2值均明显下降，尤其是表层软骨［6，21-22］。Kaab 等［23］研究运动对软骨结构改变时，发现动物在休息30 min后运动导致软骨结构改变完全恢复。因此，本研究所有受试者在进行MRI检查前3h内均无剧烈运动，且均静卧30 min后行T2 mapping扫描，旨在消除运动对软骨的影响。

本研究还存在一定局限性。首先，样本量相对较少、随访时间相对较短，进行大样本量、更长时间的随访评估将更有助于证实这一结果的准确性。其次，MR随访无病理组织学对照，是因为本研究中患者术后的临床症状改善明显，均未达到关节镜检查的标准，且关节镜作为一种有创检查技术，其患者接受性较低。今后本课题组将会补充动物实验内容，进行T2 mapping与病理结果的对照研究，更全面地评估MRI技术对监测移植软骨修复过程的随访价值。最后，本研究未对移植软骨的T2值空间分布进行比较，由于此研究中部分患者的移植软骨较薄且厚度不均匀，无法对其进行精确的分层比较。

综上，本研究结果显示，磁共振T2 mapping成像可以定量分析移植软骨内组织成分的变化。MACI术后6个月内移植软骨T2值均高于正常区，但移植区T2值随着随访时间延长逐渐接近正常透明软骨，提示移植物在不断塑形过程中形成透明软骨样的修复组织。因此，T2 mapping能够无创、动态监测移植软骨的修复过程，并提供修复组织的生化信息，可作为软骨移植术后评估的有力工具。

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Quantitative T2 Mapping Evaluates the Repaired Articular Cartilage

CHEN Min1，XU Xian1，HAN Shao-jun1，TANG Yan-hua1，ZHANG Jun1，DONG Tian-ming1，ZUO Pan-li2，AN Ning-yu1

1Department of Radiology，Chinese PLA General Hospital，Beijing 100853，China
2Division of Magnetic Resonance Imaging，Healthcare Business，Siemens Ltd．China，Beijing 100102，China

AN Ning-yu Tel：010-66876358，E-mail：anywlx@aliyun．com

ObjectiveTo evaluate the value of T2 mapping in monitoring the repaired cartilage after matrix-associated autologous chondrocyte implantation/transplantation(MACI/MACT)．MethodsFour patients(10 plug cartilages)were examined three times by T2 mapping at 1，3，and 6 months using a 3．0 Tesla MR scan system．Quantitative mean(full-thickness)T2 values were calculated in the transplanted area and control cartilage．Paired t-tests were used to compare the T2 values between transplanted and control cartilage．For analysis of longitudinal T2 values，one-way analyses of variance were performed among 1，3，and 6 months after MACI．ResultsThe mean T2 values of the transplanted area at 1，3，and 6 months after MACI were(82．40 ±15．23)，(71．09 ±13．06)，(53．80 ±4．86)ms，respectively．There were significant differences between the transplanted and control cartilage at 1 and 3 months(both P ＜0．01)after MACI，but not at 6 months(P=0．196)．There were significant differences among T2 values of 1，3，and 6 months after MACI in transplanted area(P=0．03)．ConclusionT2 mapping provides a useful tool for monitoring the biochemical development of the transplanted cartilage and can be used to evaluate the cartilage repair noninvasively．

T2 value;cartilage;knee;matrix-induced autologous chondrocyte implantation/transplantation

安宁豫 电话：010-66876358，电子邮件：anywlx@aliyun．com

R445．2

A

1000-503X(2014)01-0086-06

10．3881/j．issn．1000-503X．2014．01．016

2013-08-23)