T2 mapping与DWI成像技术在诊断髌软骨损伤中的应用

李春意，李春艳

1.黄淮学院体育学院，河南 驻马店 463000；2.驻马店市第二中医院，河南 驻马店 463000

膝关节是人体负荷较大的关节之一，格斗、马步、长跑等需于屈膝状态下完成的持续运动会显著增加膝关节损伤发生风险，其中髌软骨损伤较为常见，约占所有膝关节损伤的32%左右[1,2]。同时，相关研究证实，运动员髌软骨损伤的发生率显著高于普通人群，与高强度关节负荷有关[3]。及早准确诊断、评估损伤程度至关重要。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)T2 mapping序列主要是利用梯度回波(gradient echo，GRE)脉冲序列采集图像，可敏感性呈现关节软骨的胶原纤维各向异性与含水量的变化[4,5]。磁共振弥散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)属于软骨生理成像技术，可提供软骨骨内代谢和生化信息，从而评价关节软骨基质成分变化[6,7]。目前多数报道仅分析两者单独在髌软骨损伤中应用的报道，但关于T2 mapping与DWI成像技术联合诊断髌软骨损伤、评估损伤分级的价值仍缺乏大量循证依据验证。为此，本研究对此进行探讨，旨在为临床诊治提供相关数据支持。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2018年7月至2020年12月驻马店市第二中医院收治的55例髌软骨损伤患者作为研究对象，年龄18～30岁，平均年龄(23.78±3.06)岁，体质量指数(BMI)18～25 kg/m2，平均体质量指数(21.17±2.05)kg/m2。纳入标准：均为马拉松运动员，跑龄>3年，跑步频率≥3次/周，时长≥30 min/次，跑步距离≥10 km/次；均经关节镜检查证实为髌软骨损伤；患者均知情本研究，自愿签订知情承诺书。排除标准：伴有髌骨骨折、膝关节骨折者；既往有膝关节创伤史、外科手术史者；伴有MRI检查禁忌者；存在膝关节韧带损伤、半月板损伤者；合并痛风、类风湿性关节炎、髌腱炎等膝关节炎性疾病者。本研究经我院伦理委员会审批通过。

1.2 方法

选择Signa 3.0T MR扫描仪(美国GE公司)进行检查。叮嘱患者于检查前至少静坐休息20 min，尽可能减少膝关节活动。

T2 mapping检查：选用8通道膝关节表面线圈，行冠状面、矢状面及横断面扫描，采用6回波SE序列1次扫描，设置相关参数：TR：2400 ms，TE：15 ms、30 ms、45 ms、60 ms、75 ms、90 ms，层厚：3.0 cm，间隔：0.5 mm，FOV：16 cm×16 cm，矩阵320×512，激励次数2，扫描时间5～6 min。选取T2 mapping伪彩图中骸软骨感兴趣区(ROI)测量T2值，分别测量软骨病变区异常色阶(损伤区)T2值及病变同侧相对正常色阶(对照区)T2值，所有T2值均测量3次，取平均值。

DWI检查：选用8通道膝关节表面线圈进行DWI检查，首先进行常规序列检查：矢状位T1WI：TR：485 ms，TE：17.4 ms；冠状位脂肪抑制T2WI：TR：2216 ms，TE：43.5 ms；矢状位脂肪抑制PDWI：TR：2000 ms，TE：40.9 ms；DWI行轴位扫描，垂直于髌骨后缘：SE/EPI：前后采集，避免搏动伪影，相关参数：TR：3000 ms，TE：65.5 ms，b值：1000 s/mm2，层厚：5 mm，层间距：1.5 mm；FOV：24 cm×24 cm，矩阵160×160，激励次数2，扫描时间24 s，将数据传送至GE工作站进行处理后产生髌软骨DWI伪彩图，经“PuhThallium”设置选取髌软骨体积最大的中间3层等分为上、中、下3个部分，每部分软骨再等分为内、中、外3部分，计算表观弥散系数(ADC)上、中、下3部分的平均值。髌软骨损伤分级评估：以关节镜Outerbridge分级为依据：正常关节软骨为0级；软骨出现表面泡状结构或软化水肿为I级；软骨变薄，呈轻中度纤维化为Ⅱ级；软骨重度纤维化，呈蟹肉样改变为Ⅲ级；软骨损伤深度至骨皮质，软骨下骨质裸露、全层软骨缺损为Ⅳ级。

1.3 观察指标

(1)比较髌软骨损伤区与对照区T2值、ADC值。(2)髌软骨损伤区T2值与ADC值相关性。(3)T2值、ADC值对髌软骨损伤的诊断价值。(4)不同髌软骨损伤分级患者损伤区与对照区T2值、ADC值。(5)T2值、ADC值与髌软骨损伤分级的关系。(6)不同髌软骨损伤分级患者T2 mapping、DWI伪彩图表现。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 髌软骨损伤区与对照区T2值、ADC值

髌软骨损伤区T2值、ADC值高于对照区(P<0.05)。见表1。

表1 髌软骨损伤区与对照区T2值、ADC值比较

2.2 髌软骨损伤区T2值与ADC值相关性

Pearson相关性分析显示，髌软骨损伤区T2值与ADC值呈正相关(r=0.713，P<0.001)。见图1。

图1 髌软骨损伤区T2值与ADC值相关性

2.3 T2值、ADC值对髌软骨损伤的诊断价值

以髌软骨损伤区T2值、ADC值作为阳性数据，对照区T2值、ADC值作为阴性数据，绘制ROC曲线，结果显示，T2值、ADC值诊断髌软骨损伤的AUC分别为0.832、0.761，截断值分别为40.73 ms、17.13×10-4mm2/s；二者联合诊断的AUC为0.931，明显高于两者单独诊断，其诊断敏感度为85.45%，特异度为85.45%。见图2。

2.4 不同髌软骨损伤分级患者损伤区与对照区T2值、ADC值

单因素方差分析显示，不同髌软骨损伤分级患者损伤区T2值、ADC值差异有统计学意义(P<0.05)；髌软骨损伤区T2值、ADC值随髌软骨损伤分级增加呈升高趋势(P<0.05)；不同髌软骨损伤分级患者损伤区T2值、ADC值高于同一损伤分级对照区(P<0.05)。见表2。

表2 不同髌软骨损伤分级患者损伤区与对照区T2值、ADC值比较

2.5 T2值、ADC值与髌软骨损伤分级的关系

Spearman相关性分析，T2值、ADC值与髌软骨损伤分级呈正相关(P<0.05)。见表3。

2.6 不同髌软骨损伤分级患者T2 mapping、DWI伪彩图特征分析

T2 mapping伪彩图显示：Ⅰ级损伤髌软骨内侧损伤区局部呈黄绿色色阶，正常髌软骨呈蓝色色阶；Ⅱ级损伤髌软骨髁间嵴区蓝色色阶局部缺损，不超过软骨厚度的50%，关节积液呈灰色色阶，软骨下骨质见类圆形异常信号；Ⅲ级损伤髌软骨内侧蓝色色阶局部缺损，缺损厚度>50%，临近髌软骨部分呈黄绿色色阶。DWI伪彩图显示：Ⅰ级损伤髌软骨内侧局部信号升高；Ⅱ级损伤髌软骨表面局部缺损，但缺损深度不超过全层厚度的50%，软骨下骨质见类圆形信号增高区；Ⅲ级损伤髌软骨内侧局部缺损，缺损深度超过全层厚度的50%，软骨下骨质见斑片样信号影。

3 讨论

研究表明，全程马拉松运动可能会造成关节生化成分改变，包括蛋白多糖降解、胶原纤维结构破坏等，从而增加关节软骨病变风险[8]。同时，临床实践证实，软骨内蛋白多糖丢失、胶原网架损伤及水含量增加均会导致软骨裂缝形成、表面纤维化、体积减小、变薄等早期形态学改变[9]。因此，积极探索基于上述关节软骨成分改变的影像学检查方式对早期诊断髌软骨损伤具有重要意义。

T2 mapping成像通过采用GRE序列获取一系列T2加权成像，经由工作站重构能够量化分析的T2 mapping伪彩图，可分析计算每个体素T2值，反映内部组织成分的改变情况[10,11]。本研究结果显示，髌软骨损伤区T2值显著高于对照区，与陈思然等[12]报道结果一致。原因在于：T2 mapping成像中T2值主要受水含量、胶原纤维含量、方向及魔角效应的影响，在软骨损伤早期，软骨细胞外基质通透性增加，促使水分子含量增加，蛋白多糖减少，并改变胶原纤维形态与排列方式，为残存的蛋白多糖提供更多伸展空间，造成大量阴离子暴露，软骨内水含量进一步增加，最终导致T2值显著升高[13]。本研究还显示，T2 mapping成像测量T2值对髌软骨损伤具有良好诊断价值，可见T2 mapping成像能作为临床诊断髌软骨损伤的重要手段。同时，本研究发现，T2值与髌软骨损伤分级呈正相关，主要是由于随着软骨损伤加重，软骨内蛋白多糖不断降解甚至全部丢失，导致胶原纤维结构破坏更明显，水含量增加更显著，从而使得T2值随髌软骨损伤分级增加呈逐渐升高趋势[14]。此外，不同髌软骨损伤分级患者T2 mapping伪彩图表现存在显著差异，原理为在T2 mapping成像时通过调节阈值使正常髌软骨呈均匀蓝色色阶，临近关节腔积液为灰色色阶，一旦软骨内出现病变则呈绿色-黄色色阶，通过不同色阶形成鲜明对比，可显示髌软骨缺损程度，为临床评估髌软骨损伤程度提供相关依据。但T2 mapping伪彩图对髌软骨深浅两层的信号分辨率欠佳，需联合其他方式进行共同诊断。

DWI是一种利用水分子布朗运动产生的信号强弱来反映组织性质的成像方法，可通过ADC值定量分析水弥散状况，具有操作简便、结果客观等优势[15,16]。因软骨内水含量增加是软骨损伤最早出现的改变之一，而水分子弥散率对物质水合作用较为敏感，故DWI成像中的水弥散作用为测量软骨内水含量提供了有效途径。曹峰等[17]研究显示，与正常髌软骨相比，髌软骨损伤的ADC值显著升高。在此基础上，本研究经由DWI测量髌软骨损伤区ADC值，发现其ADC值升高明显，且可诊断髌软骨损伤。推测原因，关节软骨弥散能力与软骨内水含量直接相关，正常软骨内大分子基质可限制水自由弥散，但软骨损伤后大分子基质减少，促使水弥散作用增强，从而导致ADC值显著增加，在髌软骨损伤诊断中发挥重要作用[18]。本研究还发现，ADC值与髌软骨损伤分级呈正相关，且不同髌软骨损伤分级DWI表现不一，可能与软骨损伤后水含量增加、蛋白多糖、胶原含量减少，弥散阻力下降，促使ADC值不断升高，图像信号逐渐变强有关。因此，DWI测量ADC值可作为临床诊断髌软骨损伤、评估损伤程度的可靠手段。

此外，本研究表明，T2 mapping测量T2值联合DWI测量ADC值诊断髌软骨损伤的AUC高达0.931，显著高于两者单独诊断，为临床及早准确诊断髌软骨损伤提供新思路、新途径。但本研究受临床实际限制，纳入样本量较少，可能造成数据偏移，需做进一步分析与探讨，以获取更为全面的数据支持。

综上可知，T2 mapping测量T2值联合DWI测量ADC值可作为临床诊断髌软骨损伤、评估损伤程度的可靠途径，能为临床诊治提供相关依据。