骨关节炎软骨早期 MRI 信号异常与软骨形态学缺损的相关性

古丽尼尕尔·吾斯曼 黄志兰 伊力亚·阿洪江 迪里木拉提·巴吾冬

骨关节炎(osteoarthritis，OA) 是关节组织破坏，关节功能丢失，主要以关节软骨磨损和破坏，软骨下骨增厚硬化，不同程度的滑膜炎并骨赘形成以及关节囊增厚为特点的多因素关节疾病，膝关节作为最大的负重关节之一，压力增大或负重过大，关节软组织脆弱再加上关节解剖结构不协调是 OA 的主要诱发因素。MRI 可反映软骨基质生化成分的改变，关节镜不能检出 MRI 分级中 1 级病变，尤其软骨表面光滑无形态学改变而内部出现信号异常者。膝关节软骨信号异常的演变很少进行纵向分析，信号异常对关节退变进展速度和影响尚不清楚。

材料与方法

一、纳入标准与排除标准

1. 纳入标准：( 1) 2017 年 3 月至 2018 年 3 月，在我院经治的 OA 患者；( 2) MRI 图像、临床资料保存完整者；( 3) 关节镜并 MRI 检查明确软骨形态缺损者；( 4) 无其它关节病变者；( 5) 年龄 50～ 60 岁者；( 6) KL 分级为 0 级者；( 8) 健康对照者来自体检中心健康人群，平均年龄(54±5) 岁。

2. 排除标准：( 1) 既往无关节骨折、炎性关节炎、关节肿瘤病史和手术史者；( 2) 关节镜发现其它合并病变，如关节积液、滑膜炎、撕脱骨折者；(3) 检测有软骨病者；( 4) 图像质量不合格者。

二、影像资料分析

记录病例组与对照组各项基线资料，包括(性别，年龄，BMI 指数)，观察并评估 MRI 成像序列对软骨的显示情况，请 2 名高年资影像科医师对关节软骨进行双盲读片。

三、膝关节软骨厚度测量及分区方法

软骨信号异常划分 有信号异常和无信号异常。软骨信号异常根据其信号特征进一步划分无异常，低信号，不均匀信号，高信号。

胫骨内 / 外侧髁，股骨内 / 外侧髁，测量病例组患者 1 年～1 年半前及现在的两次软骨厚度，用 FLASH-FS-T1WI 分别选取胫骨内、外髁正中矢状面图像作为测量层面，测量层面放大 2 倍，每个膝关节选取 4 个测量点，测量软骨厚度规定为关节面软骨最厚处，总 8 个测量点。骨髓水肿 WORMS 评分 (0 级无 BMEP；1 级 BMEP 直径 < 5 mm；2 级 BMEP 直径 5～20 mm，3 级 BMEP 直径 > 20 mm)。

四、所用仪器设备

德国西门子 Magnetom Verio Tim 3.0T 超导磁共振仪及膝关节专用线圈。扫描参数：以自旋回波序列(SE 序列) 实施 MRI 扫描，扫描参数：T1WI：TR 500 ms，TE 10.1 ms；T2WI：TR 3600 ms，TE 102 ms。SE-T1WI TR / TE = 450 / 12 ms，扫描野 13 cm，层厚 2.5 mm，层间距 0.5 mm，行常规矢状位、冠状位扫描加脂肪抑制图像。

五、统计学处理

采用 SPSS 23.0 统计软件，比较实验组与对照组的软骨信号异常情况，软骨信号按无信号、有信号异常分类进行比较；采用 Pearson χ2检验；软骨形态损伤与信号异常的关系采用 Pearson χ2检验，P < 0.01 为差异有统计学意义；信号分布区域与软骨形态缺损部位一致性检验；软骨形态缺损与骨髓水肿的关系采用 Wilcox 秩和检验；实验组和对照组软骨厚度前后对比先进行 1 年前减去现在的厚度，得到的差值做为新变量，进行检验，正态性检验结果为非正态资料，采用 K-S 检验；软骨信号异常与软骨前后厚度进行 Spearman 相关性分析。

结 果

一、基本资料

本研究病例组纳入 80 例，男 47 例，女 33 例；对照组纳入 40 例，男 15 例，女 25 例。病例组与对照组之间基线资料进行对比，差异无统计学意义。本研究显示年龄和性别与软骨早期信号异常及骨髓水肿分级没有统计学相关性。BMI 方面多项研究显示与骨髓水肿分级有关，但没有统计学相关性。

二、一般结果

实验组出现信号异常的概率大于对照组(表 1)， 软骨厚度前后对比，( P < 0.01) 软骨前后厚度有差异，1 年前的厚度大于现在的厚度。

表1 实验组与对照组信号表现情况Tab.1 Signal abnormality and intensity in experimental group and control group

三、软骨早期信号异常与软骨形态学缺损相关性(表 2)

表2 实验组与对照组信号特征与软骨形态缺损的相关性(计数)Tab.2 Signal abnormality and cartilage morphologic defect in experimental and control group(n)

采用 Pearson χ2检验。χ2= 18.523，( P < 0.01) 实验组多数病例出现软骨信号异常，其缺损部位 (图 1a) 主要表现为低信号(图 1b)，与关节镜显示结果符合(图 1c)。实验组出现骨髓水肿的概率大于对照组(表 3)，软骨形态缺损与骨髓水肿的关系采用 Wilcox 秩和检验，χ2= 19.991，P < 0.01，软骨损伤与骨髓水肿及水肿级别有关，然后采用 Bonferroni 法校正显著性水平两两比较(图 2)，发现水肿二级与无水肿差异有统计学意义，即骨髓二级水肿比无骨髓水肿者更易导致软骨损伤。

图2 校正显著性水平两两比较无骨髓水肿与 2 级骨髓水肿差异有统计学意义Fig.2 Significant statistical differences between BME 0 and 2

表3 实验组与对照组骨髓水肿测量结果 Tab.3 BME in experimental and control group

图1 患者，女，45 岁 a：右膝关节矢状位中等加权脂肪饱和二维快速自旋回波图像图 - 胫骨外侧髁软骨全层缺失；b：回顾同一部位胫骨外侧髁软骨发现异常低信号；c：关节镜下显示负重面软骨缺损Fig.1 Female, 45 years old a: Sagittal intermediate-weighted fat-saturated two-dimensional fast spin-echo MR images of the right knee, Development of a full-thickness defect in the lateral tibia; b: Inhomogeneous signals in the same site; c: Arthroscope showed cartilage defect in the same site

四、软骨信号异常与软骨前后厚度进行 Spearman 相关性

结果显示软骨信号与胫骨内外侧髁前后厚度的相关系数分别为(r= -0.576，r= -0.557，P< 0.01)， 说明软骨信号与胫骨内外侧髁前后厚度呈负相关，相关程度中等。

讨 论

OA 是关节组织破坏，主要以关节软骨磨损和破坏，关节功能丢失的一类疾病，膝关节作为最大的负重关节之一，压力增大或负重过大，关节软组织脆弱再加上关节解剖结构不协调，是 OA 的主要诱发因素，引起功能障碍大大减低生活质量，早预防，早诊断，早治疗尤其重要。MRI 以无创伤，无辐射为优势，能清楚显示软骨的细微变化发现早期病变，MRI 组织对比性好，空间分辨率高，序列及参数较多、多方位采样，能全面显示软骨厚度、形态学及信号改变，是目前公认诊断 OA 最可靠的影像学检查方法[1]。而关节镜作为有创的检查方法无法观察到形态学未发生改变的早期软骨病变，即软骨表面光滑内部出现异常信号者。

OA 软骨基质损伤时软骨细胞对软骨损伤的反应为基质中水分增加，OA 软骨异常的 MRI 表现最早为信号改变，反映了关节软骨水成分的变化。早期水含量增加，即关节镜下所见软骨肿胀，在 T1WI 上信号减低，基质中水分增加，OA 软骨异常的 MRI 表现最早为信号改变[2]，反映了关节软骨水成分的变化局部信号增高可以是表层或全层，也可为深层线状影，这既反映了胶原纤维断裂和蛋白多糖损失引起的水肿，也与软骨细胞肥大或增生有关，以后蛋白多糖耗尽，水含量减少，病灶局部纤维化，则在任何序列上表现为低信号。正常关节软骨分层表现改变，可能为早期 OA 征象，在 OA 的早期，关节软骨钙化软骨层的退行性改变，包括重复起伏进入到基底关节软骨的非钙化性关节软骨，实际上，这些改变只是关节软骨表面上极轻微的纤维化覆盖 区[3]。有学者指出软骨潮线有效的调节软骨钙化层和放射层之间的内稳态，软骨潮线漂移可能为 OA 防治提供一个潜在的有效作用靶点，并是 OA 软骨退行性变进程中必经的病理变化。

本研究结果提示软骨信号异常在关节软骨变性中的重要性，低信号另一种可能代表深层软骨层中的实际裂缝，似乎代表非常早期的软骨形态异常，软骨早期改变水吸收反而增加，而不与滑膜液连接，与软骨信号与胫骨内外侧髁前后厚度负相关符合，水吸收增加，基质也增加，软骨纤维化软骨厚度变厚表现为软骨信号减低，T1WI 上表现为低信号。国外文献报道低信号和不均匀信号可能与各向异性破坏，纤维软骨沉淀物有关，软骨信号分布区域与软骨缺损部位一致性检验，采用 Kappa 一致性检验，Kappa 值为 0.761，P < 0.01，认为信号分布区域与软骨损伤部位存在一致性，故本结果一致性较好。Joseph 等[4]指出起始 MRI 检查没有骨髓水肿的病例，1 年后其软骨退行性变程度将不会加重，而 MR 检查存在骨髓水肿的病例，1 年后 40% 的患者软骨退行性变加重了，与本次研究骨髓水肿二级较无骨髓水肿更易导致软骨损伤较符合，骨髓水肿是由病变组织血管过多、灌注过度、水外渗作用等造成，因关节软骨内缺乏神经纤维，即使关节软骨严重破坏，只是表现为活动障碍，疼痛没有那么明显。陆川等[5]报道骨髓水肿是 OA 患者疼痛的主要原因，疼痛与软骨下骨髓水肿有关，且存在疼痛越重、骨髓水肿越严重的趋势，骨髓水肿代表受累骨髓中细胞外液的积聚，并能导致骨内压力的增加刺激痛觉感受器产生疼痛，并且骨髓水肿是另一个诊断 OA 的重要征象，研究发现实验组出现骨髓水肿概率大于对照组，骨髓水肿 2 级(直径为 5～20 mm) 与无骨髓水肿差异有统计学意义，骨髓 2 级水肿比无骨髓水肿者更易软骨损伤，其余分级间差异无统计学意义。

汪睿等[6]，黄竞敏等[7]研究半月板损伤与 OA 严重程度及治疗进展中发现，半月板突出与半月板根部尤其是内测后跟部撕裂密切相关，因软骨接触面减少导致应力增加，加速了 KOA 的发展。关节软骨呈曲面广泛附着于骨性关节面上，不同部位厚度不同，无固定的解剖位置因此可重复性差，本研究为了要测量的重复性好，病例组扫描体位获得相同的定位像，以胫股骨内外侧髁正中矢状面为标志，记录软骨病变在该层面向内或向外第几层，提高可重复性。软骨厚度前后对比发现 1 年前软骨厚度均大于现在软骨厚度，通过 Spearman 分析，关节软骨厚度前后对比结果显示，胫骨内外侧髁关节软骨厚度的改变较明显，并且与 MR 信号呈负相关，提示胫骨内外侧髁关节软骨的磨损早于股骨关节面，并早期体现为 MR 信号的异常。随着时间推移软骨厚度逐渐变薄，成分改变，信号改变也会发生演变，将来关节软骨内可能会出现异常高信号，本研究 120 例中有 17 例 T1WI 上出现异常高信号。

MRI 生理成像技术定量监测软骨病变进程，使 MR 对关节软骨损伤的诊断更加早期、准确，不同成像方法针对软骨早期退行变的不同生化成分改变的敏感度、特异度也不同[8-9]，各种生理成像方法临床应用较少均尚处于研究阶段需要大量的临床及实验研究数据来证实。高丽香等[10]对膝关节软骨在 OA 定量成像的 MRI 和 CT 新技术研究进展中有报道 T2mapping 主要关注软骨胶原网络，dGEMRIC 重点检测 GAG 浓度变化，这两者容易在临床中实践，但是 T1rho 或钠离子成像技术需要其它专用设备和硬件设施或超高场强，关节软骨的生理 MRI 可以作为对常规 MRI 序列显示软骨早期形态改变的补充。3D FFE 序列和微 CT 也有很多优势，方便于纵向研究，具有高分辨率、3D 成像等，但都存在一定的局限性，其扫描时间较长，耐受性差，因此限制了其可行性及临床中广泛推广[11-12]。

本研究的优势与不足：本研究将重点放在相对健康人群身上，以确保从其它异常中获得最小的偏差。国内外文献报道膝关节退行性改变 MRI 临床分期中，研究已发生软骨退行性变及形态学已发生改变的病例，而本研究选取 KL 分级(0～1) 级患者作为实验组，发现软骨早期信号异常与软骨形态学改变显著相关，本研究预测软骨出现异常信号部位将来可能会发生软骨形态学改变从而发展为 OA，指导临床早发现早诊断早治疗。