磁共振T2 mapping成像评价膝关节骨关节炎软骨损伤的应用价值

孙兆男，王旭超，徐敏，徐畅，王巍

作者单位：

哈尔滨医科大学附属第一医院磁共振科，哈尔滨 150001

膝关节骨关节炎(osteoarthritis，OA)表现为软骨退变，是成年人致残的主要原因之一[1]，早期诊断OA患者非常重要，可以及时开始治疗并且可以预防、减缓软骨退变的过程。膝关节是OA的好发部位，主要表现为关节软骨基质的破坏和丧失。在OA形态学改变之前，软骨的退行性改变与蛋白多糖的丢失和软骨内胶原网络的变化有关，软骨变的缺乏弹性，使得水的流动性增加，从而增加了水含量[2]。磁共振成像新技术的发展逐渐满足非侵入性软骨评估的需要，目前，评估软骨损伤最常用的技术是T2 mapping成像[3]，其可评估软骨基质中胶原蛋白和水分的浓度、方向和完整性，是检测软骨退变的敏感技术[4]。笔者以膝关节为例研究T2值在软骨损伤中的变化规律及T2 mapping技术对OA软骨损伤的诊断价值，为临床诊断及治疗提供有效的依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2018年3月至2018年12月于哈尔滨医科大学附属第一医院根据美国风湿病学会骨关节炎诊断标准诊断为膝关节骨关节炎的患者60例为观察组，男性24例，平均年龄(57.4±6.4)岁，女性36例，平均年龄(55.6±5.1)岁；另选取健康志愿者30例为对照组，男性15例，平均年龄(26.9±3.9)岁，女性15例，平均年龄(27.3±4.1)岁。观察组纳入标准：符合1995年美国风湿病学会膝关节骨关节炎诊断标准，(1)近1个月大部分时间感膝关节疼痛；(2) X线示骨赘；(3)关节液检查符合OA；(4)年龄≥40岁；(5)晨僵少于30 min；(6)有骨擦音；满足上述(1)+(2)或(1)+(3)+(5)+(6)或(1)+(4)+(5)+(6)者。排除标准：(1)膝关节外伤史、手术史及感染史，使用对关节软骨有影响的药物史；(2)有MRI扫描禁忌证；(3)图像不适合诊断。对照组纳入标准：(1)年龄20～35岁之间，BMI处于正常范围(18.5～23.9 kg/m2)；(2)无膝关节疼痛、活动受限等不适；(3)无MRI扫描禁忌证。排除标准：(1)体格检查有畸形等异常；(2)膝关节外伤史、手术史及感染史，近期有剧烈运动史；(3)图像不适合诊断。本研究获得哈尔滨医科大学附属第一医院伦理委员会批准及受试者知情同意。

1.2 仪器和方法

使用美国GE Signa 3.0 T 磁共振对两组受试者行膝关节MRI扫描，选择膝关节专用线圈，扫描时受试者取仰卧位，进床方式取脚先进。两组受试者在扫描前均禁止一切剧烈活动，且进行完一切准备工作后，在扫描间外休息30 min。本研究的序列包括常规扫描序列和T2 mapping序列，各参数如表1。

1.3 图像分析

所得图像由2名经验丰富且对临床信息不知情的放射科医师独立分析，若二者意见不一致，则讨论达成一致。将图像传送到PACS工作站评估软骨病变，在GE ADW 4.5工作站获得T2 mapping伪彩图，运用软件测量T2值。根据膝关节承重不同划分7个区域进行软骨测量：股骨内侧髁负重区、股骨内侧髁非负重区、股骨外侧髁负重区、股骨外侧髁非负重区、胫骨内侧平台、胫骨外侧平台、髌软骨。为了对比软骨空间T2值是否存在差异，将软骨划分深、浅两层，各区域每层取3个感兴趣区(region of interest，ROI)，每个ROI分别测量3次取平均T2值。膝关节软骨形态的分级标准有很多，本研究采用Noyes分级标准，有研究认为该标准与关节镜评价结果较为接近[5]。Noyes分级标准[5]如表2所示。

1.4 统计分析

运用SPSS 23.0对所得数据进行统计学处理，数据均用()表示，两组间各数据比较采用t检验，不同损伤程度软骨数据比较采用方差分析，P＜0.05有统计学意义。

2 结果

2.1 观察组和对照组T2 mapping伪彩图图像对比

观察组T2 mapping伪彩图显示损伤软骨较薄，表面不光滑且不连续，色阶信号不均匀，可见斑片状绿色色阶，对照组T2 mapping伪彩图软骨走行较观察组明显形态连续、光整且无断裂，色阶均匀，深浅层分界明显，深层软骨呈橙色，浅层软骨呈绿色(图1)。

2.2 观察组和对照组各区域软骨T2值的比较

本研究共纳入90个膝关节共630个软骨区域，各区域平均T2值如表3所示，显示观察组各区域软骨平均T2值均高于对照组，差异有统计学意义(P＜0.05)。除对照组股骨内侧髁外，观察组股骨内外侧髁负重区和对照组股骨外侧髁负重区平均T2值均高于非负重区，差异有统计学意义(P＜0.05)。对相同区域浅层和深层软骨进行T2值比较，显示除观察组股骨内侧髁负重区外，其余区域浅层软骨平均T2值较深层软骨高，差异有统计学意义(P＜0.05；表4)。

表1 常规序列及T2 mapping成像参数Tab. 1 Conventional sequence and T2 mapping imaging parameters

2.3 不同程度OA患者及正常人软骨T2值的比较

将两组受试者参考Noyes分级进行分类，Noyes ⅡB～ⅢB级归为重度OA组，为28例，Noyes Ⅰ～ⅡA级归为轻度OA组，为32例，Noyes 0级为正常组，为30例。测量三组股骨内外侧髁负重区平均T2值，所得数据如表5所示，重度和轻度OA组股骨内外侧髁负重区平均T2值均高于正常组，差异有统计学意义(P＜0.05)，但重度OA组和轻度OA组股骨内外侧髁负重区平均T2值无显著差异(P＞0.05)。

表2 Noyes分级Tab. 2 Noyes Classification

3 讨论

表3 观察组和对照组各区域软骨T2值比较(ms，±s)Tab. 3 Comparison of cartilage T2 values between observation group and control group (ms，±s)

表3 观察组和对照组各区域软骨T2值比较(ms，±s)Tab. 3 Comparison of cartilage T2 values between observation group and control group (ms，±s)

组别 股骨内侧髁 t值 P值 股骨外侧髁 t值 P值 胫骨内侧平台 胫骨外侧平台 髌软骨负重区 非负重区 负重区 非负重区观察组 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对照组 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 观察组和对照组各区域浅深层软骨T2值比较(ms，±s)Tab. 4 Comparison of T2 values between superficial and deep cartilage in observation and control group (ms，±s)

表4 观察组和对照组各区域浅深层软骨T2值比较(ms，±s)Tab. 4 Comparison of T2 values between superficial and deep cartilage in observation and control group (ms，±s)

部位 观察组(60例) t值 P值 对照组(30例) t值 P值浅层软骨 深层软骨 浅层软骨 深层软骨股骨内侧髁负重区 53.02±9.35 52.12±5.25 0.656 ＞0.05 46.82±4.46 34.34±3.85 11.597 ＜0.05股骨内侧髁非负重区 48.73±6.93 45.48±6.19 2.709 ＜0.05 45.46±5.10 34.05±4.21 9.454 ＜0.05股骨外侧髁负重区 52.50±7.08 48.82±6.77 2.909 ＜0.05 44.35±6.73 37.42±5.31 4.431 ＜0.05股骨外侧髁非负重区 49.73±6.15 45.39±7.24 3.537 ＜0.05 42.87±6.98 32.77±5.60 6.187 ＜0.05胫骨内侧平台 49.50±5.34 46.27±5.59 3.243 ＜0.05 42.43±7.78 34.31±5.02 4.802 ＜0.05胫骨外侧平台 48.20±5.15 44.55±4.58 4.103 ＜0.05 43.79±6.57 34.04±5.56 6.208 ＜0.05髌软骨 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股骨内外侧髁负重区软骨T2值比较(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股骨内外侧髁负重区软骨T2值比较(ms，±s)Tab. 5 Comparison of cartilage T2 values between weightbearing area of medial and femoral condyle with different degrees of OA (ms，±s)

组别 股骨内侧髁负重区 F值 P值 股骨外侧髁负重区 F值 P值重度OA组 53.06±10.05 51.95±7.00轻度OA组 52.13±7.01 49.38±7.09正常组 40.58±7.53 40.89±6.95 51.902 ＜0.05 40.850 ＜0.05

OA是一种以软骨损伤为主的进行性疾病，膝关节是其好发部位，进展到一定阶段才出现临床症状，导致关节疼痛甚至功能受限，严重者可致残。目前影像学技术分辨率有限，可能对微小软骨损伤的发现尚不敏感。X线是常用筛查方法，但不能直接显示软骨组织，只能识别软骨下骨的变化，软骨早期变化在普通X线影像上难以诊断[6]。关节镜检查是检测软骨损伤的金标准，但是有创检查，不适合OA患者初步诊断及随访。磁共振最新进展对软骨定量评价更加准确，满足非侵入性软骨评估，且能对软骨损伤进行分级。关节软骨主要含胶原纤维、蛋白聚糖聚合物和水，软骨退变的特点包括蛋白聚糖减少，含水量减少进而渗透性增加，胶原纤维变性丢失及胶原纤维方向改变[7]。在早期疾病中，关节软骨细胞外基质中蛋白聚糖的大量丢失导致游离水分子的比例和流动性增加，在晚期疾病中，胶原纤维逐渐紊乱，含水量下降，糖胺聚糖耗尽[8]，对应软骨形态学改变为软骨浅层局灶性损伤逐渐发展至软骨下骨损伤，软骨随之变薄进而软骨损伤及剥脱至全层[7]。关节软骨T2 mapping的测定是评价胶原基质和含水量的可靠指标，T2值的变化已被证明与水含量、胶原结构和组织的变化有关，并与透明软骨的变化及其耗竭有关[9]。

本研究发现轻度和重度OA患者各测量区域膝关节软骨平均T2值均高于正常人(P＜0.05)，可证明OA患者软骨内各组织成分在软骨形态改变之前就已发生变化，提示在临床诊断上早期也可通过T2 mapping测量软骨T2值判断OA的潜在风险。T2 mapping可通过测量含水量的增加和OA定向胶原蛋白的丢失而延长T2值[10-11]，T2值升高可反映软骨内组织变化，对早期检测软骨退变也具敏感性。观察组股骨内外侧髁、对照组股骨外侧髁负重区和非负重区相比，软骨平均T2值升高(P＜0.05)，Shiomi等[12]和Hannila等[13]在之前的研究中也得出过类似结果，表明负重区软骨T2值较高，这一发现可能表明关节软骨内生物化学成分和生物力学的空间变化[14]。对照组股骨内侧髁负重区和非负重区平均T2值差异无统计学意义(P＞0.05)，可能由于如参数设置、魔角效应、部分容积效应等多种因素影响T2值而导致不同。对于同区域浅深层对比，除观察组股骨内侧髁负重区，余各区域浅层软骨平均T2值大于深层(P＜0.05)，软骨的特征在于区域的解剖结构由不同的胶原纤维组织产生，丰富的地带性差异很可能表明骨关节炎软骨的成分和结构变化的多面性[15]，T2弛豫时间受含水量和水分子与胶原纤维相互作用的影响，T2值越高，说明含水量越高，水分子的迁移率越高，反之亦然。T2弛豫时间向软骨深部减少是关节软骨T2值的特征[16]，本研究这一结果可能证实T2 mapping可通过从深层到浅层的T2值增加而反映软骨区域成分的变化以及含水量的区域差异。本研究发现重度和轻度OA组股骨内外侧髁负重区平均T2值均高于正常组(P＜0.05)，但差异未体现在不同损伤分级中，提示了早期轻度OA病情的出现也可通过T2值的定量增加而体现。

本研究还具有一些局限性，首先，受试者群体较小，有必要在更大的患者样本中通过更全面的评估来证实本研究的结果，其次多种因素均可影响测量软骨T2值，有文献报道年龄也是独立因素之一，本研究纳入患者年龄差异较大，今后可将年龄也作为单一变量之一，本研究未结合病理，下一步工作中需结合关节镜的证实，将诊断准确性进一步提高。

综上所述，膝关节软骨退变具有软骨T2值升高的特点，T2 mapping可通过伪彩图直接观察软骨，还可通过测量T2值间接反映软骨组织成分变化。本研究证实T2 mapping可测量出软骨T2值的改变，从而提示临床进行干预，减缓病程进展，改善预后。T2 mapping有助于OA患者及时开始治疗，监测疾病进展以及对软骨修复进行随访，在评估软骨变化方面有重要应用价值和临床意义。

利益冲突：无。