三种MRI生理学定量技术对早期膝关节软骨损伤的诊断价值

朱 莉，邹文远，敖 锋

(1.锦州医科大学湖北医药学院研究生培养基地，湖北 十堰 442000；2.十堰市人民医院放射影像中心，湖北 十堰 442000；3.十堰市人民医院放射影像研究所，湖北 十堰 442000)

膝关节是人体最复杂的关节且具有重要的运动功能，外伤、退行性变、骨关节炎等均可造成膝关节软骨损伤[1-2]。由于膝关节软骨缺乏血管、淋巴及神经的营养支持，损伤常不可逆且难以修复，容易伴随关节疼痛、肿胀甚至关节功能丧失等临床症状，因此早期发现软骨病变对临床及时有效地采取保护和治疗措施有重要意义[3]。常规MRI检查序列对软骨病变诊断能力有限，仅能通过形态改变、关节间隙变化等评估严重关节软骨损伤，对关节软骨早期损伤诊断困难。新近研究[4]表明，MRI生理学定量成像能够发现软骨生化成分的改变，定量评估软骨损伤程度。本研究以关节镜诊断为依据，将三种MRI生理学定量技术T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping应用于早期膝关节软骨损伤患者，评估并比较三者的诊断价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象 纳入2019年8月至2020年8月于十堰市人民医院骨关节科行关节镜手术的患者作为研究对象，所有患者于术前行患侧膝关节常规MRI平扫及T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping扫描。将关节镜下证实膝关节软骨损伤国际软骨修复协会(ICRS)标准分级[5]为0级的患者归入对照组，将1、2级患者归入早期损伤组。最终纳入52例患者，其中早期损伤组32例，对照组20例；男性31例，女性21例。病例纳入标准：①因半月板损伤或膝关节炎等原因行关节镜手术并于术前7 d内行MRI检查；②年龄18～65岁；③膝关节镜下软骨分级为1、2级。排除标准：①有MRI检查禁忌证及无法耐受长时间MRI检查；②关节镜下软骨分级为3级及以上；③MRI图像伪影影响评估或图像质量差者；④关节镜等资料不全者。

1.2 研究方法

1.2.1 扫描及关节镜检查：采用Siemens Skyra 3.0 T磁共振扫描仪，配备8通道膝关节线圈。患者于检查前休息30 min，取仰卧位，足先进，将受检膝关节置于膝关节线圈，关节微屈约30°。用固定物固定膝关节，扫描中心点位于髌骨下缘中点处，分别行矢状位、轴位及冠状位T2WI脂肪抑制，矢状位T1WI，矢状位T1-mapping、T2-mapping及T2*-mapping序列扫描。矢状位T1-mapping序列扫描参数：TR 15 ms，TE 2.7 ms，层厚3.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，FA1 5°，FA2 26°。矢状位T2-mapping序列扫描参数：TR 1530 ms，TE分别为13.8、27.6、41.4、55.2、69.0 ms，层厚3.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，带宽228 Hz/Px。矢状位T2*-mapping序列扫描参数：TR 808 ms，TE分别为4.4、11.9、19.4、27.0、34.5 ms，层厚3.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，带宽260 Hz/Px。MRI扫描后1周内采用Stryker 1088iHD成像系统行膝关节镜检查，关节镜下分级标准采用ICRS分级。

1.2.2 图像后处理：Siemens磁共振扫描后取得T1-mapping、T2-mapping及T2*-mapping伪彩图及解剖图，在Siemens Syngo MR E11后处理工作站进行后处理及测量。在工作站处理获取的mapping伪彩图由两位高年资影像科医生共同行T1、T2及T2*值测量。观察伪彩图关节软骨的色彩信号改变、连续性并与解剖图对比。将受检膝关节股骨内、外侧髁承重面三等分，放大后分别于每一部分软骨层面中点处避开积液及骨质，取2 mm2感兴趣区(ROI)测量T2值后于相同位置取相同大小ROI测量T2*和T1值，将三处平均值作为股骨内、外侧髁T1、T2、T2*值。

2 结 果

2.1 两组患者MRI检查结果比较 见表1(图1-3)。对照组和早期损伤组内侧髁及外侧髁T1、T2、T2*值比较，差异均有统计学意义(均P<0.05)。对照组MRI mapping伪彩图多表现为关节软骨信号连续完整，分布均匀，无明显色阶差异。早期损伤组mapping伪彩图软骨色阶出现差异，连续性欠佳，可见点片状异常色阶信号影，软骨面变薄，分层现象消失。

A-C：T1、T2、T2*-mapping伪彩图；D：关节镜下可见软骨表面光滑、无损伤，ICRS分级0级

表1 两组患者T1、T2、T2*值比较(ms)

2.2 T1、T2、T2*-mapping对早期膝关节软骨损伤的诊断效能 见表2(图4)。ROC曲线分析结果显示，T1、T2、T2*-mapping对早期膝关节软骨损伤均有较高的诊断效能(均P<0.05)。三种技术的诊断效能由高至低依次为T2*-mapping、T2-mapping、T1-mapping，且T2*-mapping序列的敏感度优于另外两个序列。

A：矢状位T1WI序列扫描；B：矢状位T2WI脂肪抑制序列扫描，股骨内外髁软骨信号光滑、连续，内侧半月板后角撕裂(箭头)；C：冠状位T2WI脂肪抑制序列扫描

A-C：股骨内侧髁承重面色阶不均匀，表面毛糙，见点状、条状异常色阶信号(箭头)；D：关节镜下可见软骨表面局部撕裂(红圈)，深度>50%，但未达软骨下骨，ICRS分级2级

表2 T1、T2、T2*-mapping对早期膝关节软骨损伤的诊断效能

图4 T1、T2、T2*-mapping诊断膝关节软骨损伤ROC曲线

3 讨 论

正常人膝关节软骨呈不同形状的曲面紧密贴合于骨表面，形态具有差异性，因而常规MRI对早期软骨轻微损伤诊断不敏感，且常规MRI扫描层厚较厚，容易遗漏微小病变[6]。MRI软骨生理学定量成像技术是近几年发展的新技术，可以通过对组织固有弛豫值变化的测量精确反映出关节软骨内部分子生化物质的成分及含量改变[7]。然而目前对各种生理学定量技术的比较及如何选择方面的报道仍较少。本研究比较T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping三种检查方法对早期膝关节软骨损伤的诊断价值，为MRI扫描方案的选择提供参考。

T1、T2及T2*-mapping序列均采用多层面多回波SE序列，在一个TR时间内采集多个TE，分别测量MRI信号强度(SI)，计算出组织的T1、T2、T2*弛豫时间[8-9]。关节软骨是由软骨细胞和细胞外基质构成的透明软骨，细胞外基质主要由水、高度组织的胶原蛋白多糖和胶原糖胺聚糖组成[10]。T2-mapping对软骨内水含量、胶原纤维含量及排列方向变化敏感[11]。研究[12-13]显示，T1值除受胶原含量影响外，还受蛋白多糖等含量影响。T2*-mapping成像与T2-mapping成像的差异在于，前者使用磁梯度而非180°聚相射频脉冲，能够反映磁场的不均匀性[4]。T2*-mapping较T2-mapping的TE更短，可能使T2*-mapping成像对软骨的胶原蛋白结构更敏感，而非水含量[14]。因而，影响T1、T2、T2*值的主要成分不同，三种序列对软骨早期损伤的敏感性与特异性也不同。

本研究结果显示，对照组和早期损伤组内侧髁及外侧髁T1、T2、T2*值比较，差异均有统计学意义，说明T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping三种检查方法对早期膝关节软骨损伤具有一定的诊断价值。因为关节软骨损伤时水、胶原纤维、蛋白多糖等生化成分发生改变，各成分改变相互作用[15]，三者可从不同方面间接反映出膝关节软骨变性组织化学成分的改变，加之三者空间分布上的差异也可以互补，因此将三种诊断方法结合可以提高对早期关节软骨损伤的诊断能力。ROC曲线分析结果表明，三种诊断方法的诊断效能由高至低依次为T2*-mapping、T2-mapping、T1-mapping，T2*-mapping序列的敏感度优于另外两个序列，且T2*-mapping序列的检查时间较短，因此笔者推荐T2*-mapping作为早期膝关节软骨损伤的临床评估手段。

综上所述，T1-mapping、T2-mapping、T2*-mapping序列均可不同方面反映早期膝关节软骨损伤情况，有望成为膝关节软骨损伤及膝关节骨关节炎早期定量诊断手段，且T2*-mapping序列具有更高的诊断价值。

目前，关于关节软骨MRI定量成像技术尚不成熟，本研究还存在一定局限性：①本研究仅就股骨内、外侧髁进行分析，缺乏对膝关节软骨其他部位如髌股关节面软骨、胫骨平台软骨等的研究，且样本量较小，在之后的研究中可以继续深入完善研究。②缺乏组织病理学结果对比，希望能将关节软骨的成分改变与T1、T2、T2*值的变化进行比较关联。