T2* mapping定量评估新兵奔袭集训后胫股关节软骨变化

张懿娜，何 彬，张 禹，徐茂林，张 茜，朱友志

(1.安徽中医药大学第二附属医院影像科，安徽 合肥 230031；2.中国人民解放军联勤保障部队第901医院影像科，3.军人门诊部，安徽 合肥 230031)

膝关节是人体重要承重结构，其软骨损伤后，内部成分与生化结构多在常规检查显示异常前已发生变化[1]。软骨定量MRI空间分辨率高，可多参数成像，能于形态变化前检出软骨损伤[2]。既往研究[3-4]采用T2值定量分析关节软骨超微成分变化，而对运动后关节软骨T2*值变化的相关研究较少，且多以运动员为观察对象[5-6]。本研究观察T2*mapping评估新兵奔袭集训后胫股关节软骨早期变化的价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集22名新入伍男兵，年龄17～20岁，中位年龄18岁，体质量指数18.0～24.1 kg/m2，无膝关节外伤及手术史，无MRI禁忌证；入伍前未经剧烈运动，入伍后于海拔200～500米丘陵地区接受1周奔袭集训；胫股关节软骨国际修复委员会(International Cartilage Repair Society, ICRS)分级为0级(软骨面光滑，软骨下骨无异常信号)[7]。本研究经院伦理委员会批准，受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Verio 3.0T MR扫描仪，膝关节鸟笼式专用线圈，于集训前后行右膝MR检查。嘱受试者检查前至少休息2.0～2.5 h，扫描过程尽量保持膝关节伸直状态。采用多回波梯度回波序列采集矢状位T2*mapping，TR 30 ms，TE 3.26/8.61/13.96/19.31/24.66 ms，层厚3.5 mm，层间距0.35 mm，视野160 mm×160 mm，矩阵320×320，采集次数1，扫描时间2 min 26 s。

将所有数据导入Siemens工作站，由2名具有8年骨骼影像学诊断经验的主治医师于矢状位T2*mapping原始图及伪彩图上共同完成数据测量及记录。根据股骨内外侧髁是否被半月板遮盖，将胫股关节软骨分为股骨内侧髁(medial femoral condyle, MFC)承重区、MFC非承重区、股骨外侧髁(lateral femoral condyle, LFC)承重区、LFC非承重区、胫骨内侧平台(medial tibial platform, MTP)及胫骨外侧平台(lateral tibial platform, LTP)共6个区域，并以软骨纵向厚度中点为界将其分为深层和浅层[5]；选取正中层面及其前后各1层图像手动勾画各区域ROI(图1)，尽量放大图像，避开背景噪声、关节滑液及软骨下骨，分别尽量靠近软骨表层及骨皮质测量浅层及深层T2*值，取其均值为最终结果。集训前后胫股关节各区域软骨T2*值变化百分率=(集训后T2*值-集训前T2*值)/集训前T2*值×100%。

图1 矢状位T2* mapping原始图(A)及伪彩图(B)上勾画胫股关节软骨各区域ROI示意图 (1.LFC承重区浅层；2.LFC承重区深层；3.LFC非承重区浅层；4.LFC非承重区深层；5.LTP浅层；6.LTP深层)

1.3 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。计量资料以±s表示。采用配对样本t检验分别比较集训前胫股关节软骨各区域深浅层T2*值、集训前后各区域T2*值差异，以单因素方差分析比较集训前后胫股关节各区域软骨T2*值变化百分率差异，以LSD检验行两两比较。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

共纳入22名新兵。集训前胫股关节软骨各区域浅层T2*值明显高于深层(P均<0.01，表1)，集训后MFC承重区软骨浅层、LFC承重区浅层及深层、LTP浅层、MTP浅层及深层软骨T2*值明显高于集训前(P均<0.05)，余各软骨区域T2*值集训前后差异无统计学意义(P均>0.05)，见表2、图2。集训前后LFC承重区浅层、LFC承重区深层、LFC非承重区浅层、LFC非承重区深层、LTP浅层、LTP深层、MFC承重区浅层、MFC承重区深层、MFC非承重区浅层、MFC非承重区深层、MTP浅层及MTP深层软骨T2*值变化百分率分别为(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)%，差异均有统计学意义(F=3.66，P<0.05)，两两比较结果见表3。

图2 18岁男性新兵，集训前后矢状位右侧胫股关节软骨T2* mapping伪彩图 A、B为集训前软骨不同层面图像，胫股关节软骨呈较均匀蓝色； C、D为集训后软骨不同层面图像，软骨内见散在斑点状及线状绿色像素区(箭)，提示T2*值升高

表1 集训前右膝胫股关节软骨各区域深浅层T2*值比较(ms，±s)

表1 集训前右膝胫股关节软骨各区域深浅层T2*值比较(ms，±s)

位置LFC非承重区LFC承重区MFC非承重区MFC承重区LTPMTP浅层23.82±1.4022.47±3.1524.02±4.8925.31±3.8522.79±4.8020.25±2.74深层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 集训前后右膝胫股关节软骨各区域T2*值比较(ms，±s)

表2 集训前后右膝胫股关节软骨各区域T2*值比较(ms，±s)

时间点LFC非承重区浅层LFC非承重区深层LFC承重区浅层LFC承重区深层MFC非承重区浅层MFC非承重区深层集训前23.82±1.4020.64±1.4922.47±3.1519.73±2.4824.02±4.8920.88±2.64集训后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时间点MFC承重区浅层MFC承重区深层LTP浅层LTP深层MTP浅层MTP深层集训前25.31±3.8520.90±2.6822.79±4.8019.31±2.4820.25±2.7417.79±2.18集训后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 集训前后右膝胫股关节软骨各区域T2*值变化百分率两两比较P值

3 讨论

新兵入伍后经历短期高强度奔袭训练，胫股关节承受巨大负荷，有利于强化软骨承重能力，但过度使用软骨及负荷过重也可能导致损伤，如不及时关注可能发展为骨关节炎(osteoarthritis, OA)。尽早发现新兵集训后胫股关节软骨变化有助于及时改进训练方式或实施治疗，防止软骨进一步损伤。

正常软骨由软骨细胞及软骨基质构成，基质主要成分是水、胶原纤维和蛋白多糖。软骨早期损伤主要表现为蛋白多糖减少、胶原纤维网状结构破坏和水含量增多[8]。既往研究[3-4,9-10]表明，软骨T2弛豫时间与水含量和胶原纤维方向有关，软骨浅层胶原纤维各向异性最显著，水分子含量最高，T2值最高；过渡层胶原纤维排列不规则，水分与胶原纤维含量减少，蛋白多糖含量增多；软骨深层胶原纤维走行与关节软骨垂直，蛋白多糖含量最多，水分含量最少，T2值最低。T2值可作为评价软骨成分变化的生物标志物[11]。T2*mapping与T2 mapping的多回波TSE序列图像类似，T2与T2*值的关系为1/T2*=1/T2+rΔB0，其中r为旋磁比，ΔB0表示局部的磁场强度差异，T2*值总是小于T2[12]。姜铃霞等[13]发现少年组、中年组及老年组3组间正常人胫股关节软骨T2值与T2*值呈显著正相关。BITTERSOHL等[14]指出不同级别损伤软骨T2*值存在显著差异，认为T2*值评估软骨成分改变的价值与T2值相似，T2*mapping图像中亦可见不同软骨分层变化表现。TAO等[15]测量前交叉韧带断裂组与对照组胫股关节深层软骨的T2*值和T2值，发现T2*值有组间明显差异，而T2值差异无统计学意义，推测T2*值对评价软骨钙化层变性和深层不规则胶原变化更为敏感。近年有研究[16-17]发现T2*mapping成像时间短，空间分辨率高，对于软骨分层更有优势，或可替代T2 mapping用于观察软骨生化成分改变。本研究中集训前胫股关节各区域软骨浅层T2*值高于深层，证实T2*mapping用于软骨分层颇具优势。

本研究结果显示集训后右膝关节LFC承重区浅层及深层、MFC承重区浅层、LTP浅层、MTP浅层及深层软骨T2*值均有不同程度升高，推测运动后细胞外基质合成与分解失衡，关节软骨中胶原纤维含量减少且排列发生改变，胶原网状结构受损使蛋白多糖散开，软骨对水分子通透性增大以及软骨内自由水增多等导致T2*值升高[18]。以上软骨变化如持续存在，可导致软骨变薄及局部缺损，最终发生OA[19]。

ZARINS等[20]发现正常状态下胫骨平台受到纵向压力时，60%～80%的压力传递至MTP。CHEN等[19]观察到运动前后膝关节软骨浅层T2值变化大于深层，认为软骨浅层可能是承受压力的主要区域。本组MTP浅层软骨T2*值变化百分率较大，两两比较结果显示部分区域软骨变化百分率存在统计学差异，推测与样本量较少有关。本研究主要的局限性在于：①样本量偏少；②未行病理学检查；③因受试者继续接受其他训练，未能评估集训后胫股关节软骨T2*值变化是否可逆[21]，有待扩大样本量进一步研究。

综上，T2*mapping可无创定量评估新兵奔袭集训后胫骨关节软骨早期变化；集训后LFC和MFC承重区及胫骨平台软骨T2*值均较集训前升高。