DTI在正常成人髌骨软骨的初步应用及临床意义

赵丹丹，李红*，秦灏，张永学，李娜，刘玥



DTI在正常成人髌骨软骨的初步应用及临床意义

赵丹丹1，李红1*，秦灏2，张永学1，李娜1，刘玥1

［摘要］目的 探讨扩散张量成像技术（diffusion tensor imaging， DTI）在正常成人髌骨软骨的初步应用并探讨其临床意义。材料与方法 采用Philips Achieva 3.0 T超导型MR扫描仪对114例健康成年志愿者的右膝关节髌骨软骨进行三维双回波稳态序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）及DTI扫描，获得不同图像后测量表观弥散系数（apparent diffusion coefficient， ADC）、各向异性分数（fractional anisotropy， FA）值。结果 随着年龄的增长，髌骨软骨的FA值逐渐下降，而ADC值逐渐增加（P＜0.05）。相关性分析表明，年龄与FA值呈负相关（r=-0.8321，P=0.027＜0.05），年龄与ADC值呈正相关性（r=0.698，P=0.015＜0.05）。结论DTI可探查髌骨软骨成分及胶原纤维结构的细微变化，且重复性及准确性良好，可为髌骨软骨病变早期诊断、监测病情进展及评价治疗效果提供一种重要的方法。

［关键词］磁共振成像；扩散张量成像技术；髌骨；关节软骨

作者单位：1. 三峡大学仁和医院放射科，宜昌443001 2. 宜昌市中心医院放射科，宜昌443003

接受日期：2016-01-04

赵丹丹， 李红， 秦灏， 等. DTI在正常成人髌骨软骨的初步应用及临床意义.磁共振成像， 2016， 7（2）:131–135

2Department of Radiology， Yichang central hospital， Yichang 443003， China

*Correspondence to: Li H， E-mail: 10488850@qq.com

Received 7 Dec 2015， Accepted 4 Jan 2016

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of 2012 annual talent research fund project of China Three Gorges University （No. KJ2012A015）

随着我国人口老龄化，膝关节骨性关节炎（osteoarthrisis， OA）日益常见。OA发展到中晚期，常常表现软骨剥脱，软骨下骨裸露，进而造成关节强直，是一种不可逆的病理生理过程，临床治疗效果差，因此，OA早期诊断是临床关注的重点及难点。X线平片被广泛用于OA的分级，但X线和CT均不能直接显示关节软骨的形态。MRI则是目前公认的评价关节软骨的首选影像学检查方法，但MRI常规技术偏重于探查形态学的改变，难以反映出早期骨性关节炎的病理变化，因此在观察早期软骨退变仍显不足［1］。磁共振扩散张量成像技术（diffusion tensor imaging， DTI）是在扩散加权成像（diffusion weighted imaging， DWI）基础上发展起来的MRI功能成像新技术，利用多种参数和数据处理，从量和方向上反映成像体素内扩散的变化，可以定向定量地评价组织弥散各向异性［2］。目前国内外很少有关髌骨软骨的DTI研究报道，本研究选择正常成人健康志愿者的髌骨进行DTI研究分析，初步建立正常的参数表，为髌骨的临床研究奠定基础。

1　材料与方法

1.1一般资料

随机选取2013年2月至2015年2月在三峡大学仁和医院行健康体检的成年志愿者114例，其中男性63例，女性51例，年龄21～57岁，平均（42.3±10.4）岁。按年龄段分为20～29岁（30例）、30～39岁（27例）、40～49岁（33例）、50岁以上（24例）共4组；所有患者检查前均静坐半小时，排除运动对测量结果的影响。

纳入标准：（1）膝关节无外伤及疾病史；（2）体格检查并无膝关节发育畸形；（3）常规MRI成像序列下［T1WI、T2WI 及三维双回波稳态序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）等］，未见膝关节其它病变者，如膝关节肿瘤、类风湿、缺血性骨坏死、滑膜病变等；（4）所有研究对象均知情并签署知情同意书。

排除标准：（1）病例经临床表现、实验室检查及影像学表现诊断为骨性关节炎者，诊断标准为WOMAC骨关节炎指数评分［3］；（2）患者有MRI检查禁忌。

1.2仪器与方法

采用荷兰Philips公司生产的Achieva 3.0 T超导型MR扫描仪。采用膝关节表面线圈，患者取仰卧位，膝关节微屈15℃～20℃，受检膝关节置于磁场中心，不受检膝关节尽量远离受检部位。注意固定受检膝关节，避免运动伪影；MRI扫描中心线髌骨下缘，行3D-DESS及DTI扫描。DTI序列采用梯度回波序列；D E S S序列扫描参数为：TR=14.1 ms，TE=5.0 ms，层厚=3 mm，层间距=0.6 mm，FOV=180 mm，平面内分辨率= 0.8 mm×0.7 mm，带宽=250 Hz/Px，激发角度=25°；DTI扫描参数：TR=5100 ms，TE=51 ms，层厚=3.0 mm，层间距=0 mm，NEX=8，FOV= 180 mm，平面内分辨率=1.6 mm×1.6 mm× 3.0 mm，扩散敏感梯度方向=6个，b值=0、600 s/mm2，带宽=1488 Hz/Px，扫描时间15 min 23 s。

图像后处理：将扫描后的图像信息传至Philips工作站对图像进行初步处理，以3DDESS为解剖图，融合DTI图像，图像融合时注意采用手动配对，尽量减少图像配对误差。以髌骨中心层面为基准层面，以髌骨脊为中心，分别向内外两个方向间隔0.5 mm，共勾划6个软骨感兴趣区（region of interest， ROI）；由软件计算给出相应的各向异性分数（fractional anisotropy， FA）值及表观弥散系数（apparent diffusion coefficient， ADC）；若AW4.2工作站图像配对较差时，将配对较差的图像导入Matlab 7.1 应用软件进行校准配对，并测量相应的FA值及ADC值。应用同样方法分别测量并记录髌骨下1/2及上1/2中心层面的髌软骨FA及ADC值。

1.3统计学方法

应用SPSS 18.0统计软件包统计数据，计量资料以均数 ± 标准差（±s）表示。在资料满足正态性和方差齐性条件下，组间比较采用单因素One-Way ANOVA方差分析，两组间比较采用LSD-t检验，成组设计定量资料采用t检验；如不满足正态性和方差齐性，组间比较则采用Kruskal-wallis秩和检验，成组设计定量资料采用Wilcoxon秩和检验。应用Pearson等级相关进行相关分析，α=0.05为检验水准，以P＜0.05为统计学有显著性差异。

2　结果

2.1不同年龄组髌骨软骨总体FA及ADC值

髌骨软骨总体FA及ADC测量结果见表1，具体测量图像见图1。统计学结果表明，该定量资料均满足正态性和方差齐性（FFA=45.68，P=0.017＜0.05；FADC=25.59，P=0.024＜0.05），各年龄组间FA及ADC值差异均有统计学意义（P＜0.05）。随着年龄的增长，不同年龄组FA值明显下降，而ADC值逐渐升高（P＜0.05）。

2.2不同性别髌骨软骨总体FA及ADC值

统计分析表明，该定量资料均满足正态性和方差齐性（FFA=52.84，P=0.029＜0.05；FADC=23.42，P=0.033＜0.05），不同性别间FA及ADC值差异均无统计学意义（P＞0.05），见表2。

2.3年龄与FA及ADC值的相关性

相关性分析表明，年龄与FA值呈负相关（r=–0.8321，P=0.027＜0.05），年龄与ADC值呈正相关性（r=0.698，P=0.015＜0.05）。

图1　男，23岁志愿者。A：3D-DESS图像， 髌软骨清晰显示，软骨形态完整，未见形态及信号异常；B：FA伪彩图；C：ADC伪彩图；D：FA及ADC测量值Fig. 1 A 23 year-old male volunteer. A: As 3D-DESS shows， patella cartilage is morphological integrity and clear， the morphological and signal is normal； B: Pseudocolor images of FA； C: Pseudocolor images of ADC； D: The volunteer’s FA and ADC values.

表1　各年龄组间髌骨软骨总体FA及ADC值的比较（±s）Tab. 1 Comparison of FA and ADC mean values of the patella cartilage between age groups（±s）

表1　各年龄组间髌骨软骨总体FA及ADC值的比较（±s）Tab. 1 Comparison of FA and ADC mean values of the patella cartilage between age groups（±s）

Note: vs the 20– group，#P＜0.05； vs the 30– group，▲P＜0.05； vs the 40– group，★P＜0.05.

Age（year）　Cases（n）　FA value（ms）　ADC value （×10-3mm2/s）20–　30　0.309±0.10　1.429±0.13 30–　27　0.233±0.06#　1.805±0.21#40–　33　0.150±0.02#　1.916±0.72#▲＞50　24　0.102±0.04#▲★　1.942±0.45#▲

3　讨论

3.1DTI的原理及临床应用

DTI的原理是利用受激发的原子核在非均匀磁场中扩散导致失相位带来的信号丢失效应，并施加多个方向的敏感梯度场，测量不同方向上信号的衰减量，并对水分子扩散特征进行量化，可全面反映软骨的细微变化［4-5］。ADC值用于描述不同方向的分子扩散运动的速度和范围，ADC值越大，说明水分子的扩散能力越强；ADC值越小，说明水分子的扩散能力越弱，而部分FA则表示水分子各向异性成分占整个扩散张量的百分比，范围为0～1，FA的值越大，表示扩散的各向异性越强［6］。

表2　不同性别髌骨软骨总体FA及ADC值的比较（±s）Tab. 2Comparisons of FA and ADC mean values of the patella cartilage in different sex groups （±s）

表2　不同性别髌骨软骨总体FA及ADC值的比较（±s）Tab. 2Comparisons of FA and ADC mean values of the patella cartilage in different sex groups （±s）

Sex　 Cases（n）FA value（ms）　ADC value （×10–3mm2/s）Female　 51　 0.211±0.03　1.762±0.16 Male　 63　 0.228±0.05　1.696±0.28

目前，应用于膝关节软骨成像的技术还有：常规MRI方法（包括T1WI、T2WI）、三维快速扰相梯度回波序列（3D-spoiIed gradient recalled acquisition in steady-state， 3D-SPGR）、三维双回波稳态序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）、T2弛豫时间图（T2relaxation time mapping， T2mapping）、T1ρ成像（T1ρimaging）等技术。其中常规MRI方法、3D-SPGR及3D-DESS能较好显示关节软骨，与关节镜结果具有良好一致性［7-8］，但是上述序列偏重于探查软骨形态学的改变，难以反映出早期骨性关节炎的病理变化［9］。关节软骨是由软骨细胞和细胞外基质构成，细胞外基质主要包括水、蛋白多糖（proteoglycan， PG）及胶原纤维，胶原纤维绝大部分是由Ⅱ型胶原构成［10］。T2mapping主要用于检测细胞外基质单位体积内PG的含量，对软骨纤维结构依赖较少［11］；T1ρ imaging则着重探查关节软骨胶原纤维结构变化［12］。膝关节软骨损伤往往同时伴有软骨结构及软骨成分变化，因此上述单一技术均难以准确、全面反映膝关节软骨早期损伤。从DWI技术中发展起来的DTI技术可获得FA值，可观察到透明软骨胶原细微结构的变化，对早期软骨损伤均有较高的特异性及敏感性［13］。关节软骨在MR分层的重要原因是水分子各向异性弥散导致的“魔角效应”，而DTI技术是对水分子各向异性弥散的量化技术，因此没有“魔角效应”。研究发现［5］，DTI测定的本征向量对层次结构分辨及纤维走形的判断与电镜具有高度的一致性，ADC从表层到深层逐渐下降，而FA在深层最高，中间层最低，表层较高。Raya JG等［13］以7 T MR-DTI技术检查10例OA患者及16例健康成人，结果显示两组平均ADC值和FA值均有显著差异，表明了DTI活体髌骨成像的可行性及良好的可重复性。侯进［14］应用3.0 T MR-DTI技术测量正常人、不同级别的OA患者膝关节软骨的FA及ADC值，发现不同分级标准病变组软骨FA及ADC值均存在明显统计学意义，DTI可定量检测膝关节软骨不同层次及病变程度的差异，是检测早期OA的有效方法。目前国内外有关髌骨软骨的DTI研究报道极少，应用DTI技术对正常成人髌骨进行研究分析，建立正常的参数表具有重要的临床参考价值。

3.2DTI对正常成人髌骨软骨的测量

本研究结果显示，随着年龄的增长，髌骨软骨的FA值逐渐下降，而ADC值逐渐增加；相关性分析表明，年龄与FA值呈负相关，与ADC值呈正相关。生理状态下，髌骨软骨细胞外基质可限制一定水分子的自由扩散，但是随着年龄的增长，关节软骨面逐渐出现磨损、软化和变薄，因为基质中的PG大小与聚集下降、胶原蛋白的降解及软骨内水分的大量增加导致水分子的自由扩散限制下降，水分子的扩散加速，因此表现为ADC值逐渐增加［15］。

FA值反映胶原纤维结构排列的一致性和完整性，组织结构排列越规律，水分子扩散各向异性越强，FA值越高。相关研究表明［16］，PG在空间任何方向的弥散情况趋于一致，它的空间弥散主要取决于单位体积软骨内PG分子数量，而不依赖胶原纤维网络；在细胞外基质中，水分子的弥散更容易沿着胶原纤维构成的网络结构扩散，其它细胞外小分子（包括的弥散方式也与水分子运动趋于一致，并不依赖于小分子本身的特质［17］。随着年龄的增长，胶原分子通过非酶性糖基化反应胶原交联增加，同时软骨细胞合成PGs的能力下降，基质中胶原纤维直径逐渐增大，增大的胶原纤维缺乏柔韧性，硬度增高［17］。由于关节软骨胶原网结构的紊乱，胶原纤维走向出现异常，减弱了对PG的限制，降低了对水各向异性限制，因此FA值出现进行性下降。

综上所述，DTI显示髌骨软骨有如下优点：空间分别率高，可探查软骨成分及胶原纤维结构的细微变化，且重复性及准确性良好，同时DTI也为髌骨软骨病变早期诊断、监测病情进展及评价治疗效果提供了一种重要的参考方法和崭新的窗口，具有巨大的应用价值和应用前景。在本研究中也存在着不足之处，如研究样本量相对较少，这需要继续扩大样本量深入研究，以得出更准确的数据。参考文献 ［References］

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Initial application and clinical significance of DTI in normal adult patella cartilage

ZHAO Dan-dan1， LI Hong1*， QIN Hao2， ZHANG Yong-xue1， LI Na1， LIU Yue11Department of Radiology， Renhe hospital of three gorges university， Yichang 443001，China

Key wordsMagnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Patella；Articular cartilage

AbstractObjective: To study the initial application of diffusion tensor imaging （DTI） in normal adult patella cartilage and discuss its clinical significance. Materials and Methods: One hundred and fourteen healthy normal adult volunteers were underwent MRI with 3.0 T MR system （Achieva 3.0 T， Philips）， the right patella cartilage was scanned by 3D-DESS and DTI. Different images were obtained， while the ADC and FA values of patella cartilage were measured. Results: The values of ADC were gradually decreased with age， but the ADC values were increased obviously （P＜0.05）. Statistically significant negative correlations were observed between FA value and age （r=-0.8321， P=0.027＜0.05）， and positive correlations were observed between ADC value and age （r=0.698， P=0.015＜0.05）. Conclusion: DTI can reflect the imperceptible changes in patella cartilage composition and the collagen fiber structure. DTI can be used for detecting early diagnosis， monitoring progression and evaluating prognosis in patella cartilage disease for its good repeatability and accuracy.

基金项目：三峡大学2012年度人才科研启动基金项目（编号：KJ2012A015）

通讯作者：李红，E-mail：10488850@qq.com

收稿日期：2015-12-07

中图分类号：R445.2；R684.3

文献标识码：A

DOI:10.12015/issn.1674-8034.2016.02.009