李敏， 鄧德茂， 陳夏眉， 孫沛毅， 梁繼軍， 廖海， 韋小梅， 段高雄， 羅芳

·骨骼肌肉影像學(xué)·

DTI技術(shù)定量測量健康成人髕軟骨的初步研究

李敏， 鄧德茂， 陳夏眉， 孫沛毅， 梁繼軍， 廖海， 韋小梅， 段高雄， 羅芳

目的：探討3.0T磁共振擴(kuò)散張量成像(DTI)定量測量正常髕軟骨的可行性。方法：對40例健康青年志愿者的右膝關(guān)節(jié)髕軟骨進(jìn)行DTI掃描，利用Matlab 7.1及Mricron應(yīng)用軟件對圖像進(jìn)行后處理，觀察髕軟骨的DTI表現(xiàn)，并測量其表觀擴(kuò)散系數(shù)(ADC)及各項異性分?jǐn)?shù)(FA)值。 結(jié)果：40例中僅4例圖像質(zhì)量較差。髕軟骨的ADC及FA圖表現(xiàn)均表現(xiàn)為沿髕骨表面走行的稍高信號，其ADC值為(1.428±0.087)×10-3mm2/s，F(xiàn)A值為0.207±0.018。結(jié)論：3.0T磁共振能進(jìn)行髕軟骨DTI，其定量測量參數(shù)能反映髕軟骨的水分子擴(kuò)散特征。

髕骨； 關(guān)節(jié)軟骨； 磁共振成像； 擴(kuò)散張量成像； 表觀擴(kuò)散系數(shù)； 各項異性分?jǐn)?shù)

隨著我國人口老年化，膝關(guān)節(jié)早期骨性關(guān)節(jié)炎的診斷及治療是臨床關(guān)心的熱點及難點[1]。長期以來，臨床一般以關(guān)節(jié)鏡作為關(guān)節(jié)軟骨損傷的金標(biāo)準(zhǔn)，但是當(dāng)關(guān)節(jié)鏡下發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生形態(tài)學(xué)改變時，軟骨的損傷、退變等常常已難以逆轉(zhuǎn)，臨床干預(yù)療效不佳。利用MRI技術(shù)對膝關(guān)節(jié)早期骨性關(guān)節(jié)炎和軟骨退變進(jìn)行檢測一直是臨床關(guān)注的熱點。磁共振DTI能同時檢測膝關(guān)節(jié)軟骨組成及膠原結(jié)構(gòu)細(xì)微變化，具有無創(chuàng)性、可重復(fù)性等優(yōu)點[2,3]。而國內(nèi)關(guān)于髕骨軟骨DTI研究的文獻(xiàn)報道非常少，本研究中選擇健康青年健康志愿者的髕骨進(jìn)行DTI研究，初步建立各相關(guān)參數(shù)的正常參考值，為髕軟骨早期退變的DTI研究奠定基礎(chǔ)。

材料與方法

1.一般資料

隨機(jī)選取2013年2月-2015年2月在我院行健康體檢的成年志愿者40例，男21例，女19例，年齡23～30歲，平均(27.0±2.8)歲；身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)為17.14～25.21 kg/m2，平均24.27 kg/m2。病例納入標(biāo)準(zhǔn)：①患者近1個月內(nèi)無反復(fù)膝關(guān)節(jié)疼痛；②在MRI雙回波穩(wěn)態(tài)3D(dual echo steady state，DESS)及T2*mapping成像序列上未見軟骨退行性病變的征象；③患者活動時無膝關(guān)節(jié)活動障礙及骨摩擦感；④所有患者檢查前靜坐30 min后再進(jìn)行檢查，排除運(yùn)動對結(jié)果造成干擾；⑤所有研究對象均知情同意，并簽署了知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有膝關(guān)節(jié)外傷史、手術(shù)史；②膝關(guān)節(jié)有其它疾病，如髕骨對合不良、膝關(guān)節(jié)腫瘤、類風(fēng)濕性病變、缺血性骨壞死和發(fā)育異常等；③有磁共振檢查禁忌證者。

2.儀器和方法

使用Siemens Viro 3.0T MR成像儀和8通道膝關(guān)節(jié)線圈。患者取仰臥位，膝關(guān)節(jié)微屈15°～20°，受檢右側(cè)膝關(guān)節(jié)置于磁場中心，對側(cè)膝關(guān)節(jié)盡量遠(yuǎn)離受檢部位。固定受檢膝關(guān)節(jié)，盡量減少運(yùn)動偽影；掃描中心線位于髕骨下緣，分別行橫軸面3D-DESS、T2*-mapping序列及DTI掃描。DESS序列掃描參數(shù)：TR 14.1 ms，TE 5.0 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，視野18 cm×18 cm，平面內(nèi)分辨率0.8×0.7 mm2，帶寬250 Hz/Px，激發(fā)角25°。T2*-mapping參數(shù)：TR 445 ms，TEs 4.36、11.90、19.44、26.98和34.52 ms，層厚3 mm，層間距0.6 mm，視野16 cm×16 cm，激發(fā)角度60°，層面內(nèi)分辨率0.4 mm×0.4 mm，帶寬260 Hz/Px。DTI序列采用單次激發(fā)自旋回波-回波平面序列(spin echo-echo plane image，SE-EPI)，掃描參數(shù)：TR 5200 ms，TE 77 ms，層厚3.0 mm，層間距0 mm，激勵次數(shù)8，視野18 cm×18 cm，平面內(nèi)分辨率1.6 mm×1.6 mm，擴(kuò)散敏感梯度場方向6個，b=0、600 s/mm2，帶寬1488 Hz/Px，掃描時間15分23秒。

圖1 男，23歲。a) 3D-DESS圖像，髕軟骨顯示清晰，形態(tài)完整，未見形態(tài)及信號異常； b) T2*-mapping圖，顯示髕軟骨由深層到淺層的偽彩色階變化柔和、均勻； c) 經(jīng)匹配校準(zhǔn)后3D-DESS與ADC融合圖像，顯示髕軟骨的偽彩圖色階均勻，未見異常色階顯示； d) 經(jīng)匹配校準(zhǔn)后3D-DESS與FA融合圖像，顯示髕軟骨的偽彩圖色階均勻，未見異常色階顯示； e) 在融合圖像上在髕軟骨內(nèi)勾畫ROI。

3.圖像后處理

將掃描后圖像導(dǎo)入Matlab 7.1 應(yīng)用軟件進(jìn)行校準(zhǔn)配對；將匹配校對好的圖像導(dǎo)入Mricron應(yīng)用軟件，以3D-DESS圖像作為解剖圖，分別融合ADC圖及FA圖，并進(jìn)行測量。測量方法：以髕骨中心層面為基準(zhǔn)層面，以髕骨嵴為中心，分割髕軟骨內(nèi)外份，并分別在髕軟骨內(nèi)外份均勻選取3個感興趣區(qū)，共勾劃6個軟骨感興趣區(qū)(圖1)；由軟件計算給出相應(yīng)的FA值及ADC值；應(yīng)用同樣方法分別測量并記錄髕骨下1/2及上1/2中心層面上髕軟骨的FA及ADC值。每位志愿者膝關(guān)節(jié)髕軟骨ADC及FA最終值取上述3個區(qū)域測量的均值。

4.統(tǒng)計學(xué)方法

使用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差形式表示。

結(jié) 果

40例膝關(guān)節(jié)經(jīng)MRI掃描及后處理后，DTI圖像均校準(zhǔn)良好(圖1)。FA及ADC圖上髕軟骨表現(xiàn)為沿低信號髕骨骨皮質(zhì)表面走行的稍高信號。40例患者的髕軟骨ADC及FA值測量結(jié)果的散點圖見圖2、3。髕軟骨ADC均值為(1.428±0.087)×10-3mm2/s(圖2)，F(xiàn)A均值為0.207±0.018；ADC和FA所有測量值圍繞均值呈簇狀分布，離群值較少。

討 論

關(guān)節(jié)軟骨，包括膝關(guān)節(jié)軟骨，都是由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，細(xì)胞外基質(zhì)主要包括水、蛋白多糖及膠原纖維構(gòu)成。關(guān)節(jié)軟骨幾乎不含血管成分，軟骨的營養(yǎng)及代謝幾乎全由分子擴(kuò)散來完成。這也是DWI及DTI技術(shù)應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨退變的優(yōu)勢所在[4]。

目前，較常應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)軟骨成像的序列有MRI雙回波穩(wěn)態(tài)(3D-DESS)序列、T1ρ成像技術(shù)、T2弛豫時間圖(T2relaxation time mapping,T2mapping)、超短回波成像(ultra-short echo time,UTE)等。其中3D-DESS為雙回波采集的SSFP序列，該序列同時采集了穩(wěn)態(tài)進(jìn)動快速成像(fast imaging with steady state precession，F(xiàn)ISP)和翻轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)自由進(jìn)動成像(PSIF)信號，信號噪聲比(signal to noise，SNR)較高，T2權(quán)重較重，關(guān)節(jié)液呈很高信號，透明軟骨呈中等高信號，形成較好的對比；這種對比差異非常有利于關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)學(xué)觀察，并與關(guān)節(jié)鏡所見有非常好的一致性[5-6]。本研究應(yīng)用3D-DESS掃描圖像作為關(guān)節(jié)軟骨解剖圖，以其為基礎(chǔ)進(jìn)行圖像融合，測量效果較好，值得臨床進(jìn)一步推廣。但是3D-DESS序列偏重于探查軟骨形態(tài)學(xué)的改變；當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生缺損時，病情發(fā)展往往不可逆，不利于軟骨退變的早期發(fā)現(xiàn)及治療。UTE技術(shù)作為傳統(tǒng)MRI軟骨成像技術(shù)的補(bǔ)充，在評價軟骨深層和鈣化層完整性方面起著重要作用[7-8]。T1ρ成像技術(shù)主要基于自旋鎖定(spin-lock，SL)技術(shù)，用于評價處于脈沖磁場中組織的自旋弛豫值，主要用于檢測細(xì)胞外基質(zhì)單位體積內(nèi)蛋白多糖的含量。但是部分學(xué)者認(rèn)為只有在高磁場環(huán)境下(比如7.0T)，T1ρ成像技術(shù)所獲的測量值才與蛋白多糖的含量相關(guān)[9]。目前，臨床應(yīng)用最多的3.0T及1.5T超導(dǎo)磁體環(huán)境下，T1ρ成像技術(shù)能否直接反映蛋白多糖的含量變化，仍然需要進(jìn)一步研究。T2-mapping廣泛應(yīng)用于測量關(guān)節(jié)軟骨膠原蛋白結(jié)構(gòu)的變化，T2*與T2有相似效果，而T2*-mapping因采用擾相GRE序列，具有SNR值低、采集時間短的優(yōu)勢，更利于獲得3D高分辨率圖像。T2-mapping著重探查膝關(guān)節(jié)膠原纖維結(jié)構(gòu)變化，但是膝關(guān)節(jié)軟骨損傷往往同時伴有軟骨結(jié)構(gòu)及軟骨成分變化，T2-mapping難以準(zhǔn)確、全面地反映膝關(guān)節(jié)軟骨的早期損傷。

因此，磁共振DTI是能同時檢測膝關(guān)節(jié)軟骨組成及膠原結(jié)構(gòu)細(xì)微變化的技術(shù)，具有無創(chuàng)、可重復(fù)性好等優(yōu)點，在檢測早期膝關(guān)節(jié)軟骨退變中優(yōu)勢明顯[10]。

DTI的主要參數(shù)有表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)及各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)。ADC是對組織中水分子擴(kuò)散速度的快慢進(jìn)行量化描述的參數(shù)，不具有方向性。在關(guān)節(jié)軟骨ADC值的測量中，主要影響因素是蛋白多糖，隨著關(guān)節(jié)軟骨的退變，蛋白多糖分子減少，關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)水分子擴(kuò)散將加快，則ADC值升高。FA值則是通過準(zhǔn)確反映小分子沿著膠原網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)散情況，從而間接反映膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的完整性。當(dāng)膠原纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞時，F(xiàn)A值將降低[10-11]。Raya等[4]使用7.0T MR機(jī)對10例OA患者及16例健康成人進(jìn)行DTI檢查，在分割軟骨后計算出MD、FA及T2值，結(jié)果表明兩組平均MD值和FA值的差異有統(tǒng)計學(xué)意義，MD最優(yōu)閾值是1.2×10-3mm2/s，F(xiàn)A最優(yōu)閾值為0.25。研究表明DTI活體髕骨成像具有可行性及良好的可重復(fù)性。

本研究將膝關(guān)節(jié)髕軟骨作為研究部位，原因如下：①膝關(guān)節(jié)髕股關(guān)節(jié)面軟骨退變，是大部分非外傷所致軟骨損傷、退變的最常見部位。該部位可以作為觀察早期膝關(guān)節(jié)退變的適宜位置，為下一步研究作準(zhǔn)備；②髕軟骨厚度較厚且位置相對表淺，早期動物實驗及后期病理取材、分析相對容易，更為重要的是髕軟骨MRI掃描及測量相對簡單，不易受體位及掃描參數(shù)的影響。 為了測量準(zhǔn)確及全面，我們分別測量的是髕骨中間層面、上1/2中心層面及下1/2中心層面的FA及ADC值，多點測量可以提高測量的準(zhǔn)確性。更為重要的是，筆者選取的是髕軟骨中心部位，這些部位髕軟骨較厚，圖像測量受部分容積效應(yīng)的干擾少，圖像匹配及測量相對容易，保證了測量值的準(zhǔn)確性。Filidoro等[11]應(yīng)用9.4T磁共振儀對正常人膝關(guān)節(jié)軟骨的MD、FA及特征向量進(jìn)行測量，并于電子顯微鏡所見進(jìn)行對照，其測量結(jié)果顯示膝關(guān)節(jié)軟骨的ADC值在軟骨表面層最低，約1.8×10-3～1.4×10-3mm2/s，隨著深度增加，ADC值逐漸下降到0.9×10-3～0.6×10-3mm2/s；FA值以表面最低(0.1～0.3)，隨深度增加FA值逐漸升高，達(dá)0.35～0.55[12-14]。本研究得出的髕軟骨FA值為0.207±0.018，ADC值為(1.428±0.087)×10-3mm2/s，與上述測量結(jié)果基本一致。國內(nèi)學(xué)者侯進(jìn)等[12]使用3.0T MR測量的正常膝關(guān)節(jié)軟骨(股骨內(nèi)外髁及髕股關(guān)節(jié)股骨面)的ADC及FA值分別為(1.968±0.445)×10-3mm2/s及0.511±0.101，與本組測量數(shù)據(jù)有一定差異，這可能與DTI掃描參數(shù)、測量部位及方法不同有關(guān)。另外部分學(xué)者在膝關(guān)節(jié)軟骨DTI時，將軟骨分為淺層及深層，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。筆者認(rèn)為應(yīng)用3.0T MR測量膝關(guān)節(jié)軟骨時分層測量的意義不大：一方面由于膝關(guān)節(jié)軟骨菲薄，平均僅3.0～4.0 mm，選擇ROI進(jìn)行測量時，已經(jīng)需要操作者非常仔細(xì)才能準(zhǔn)確勾劃，因此再人為分層測量，將不可避免的增加測量的難度及準(zhǔn)確性；另一方面人為勾劃分層測量關(guān)節(jié)軟骨與關(guān)節(jié)軟骨本身分層無直接關(guān)系，即使技術(shù)上能準(zhǔn)確測量DTI數(shù)據(jù)，也不能說明關(guān)節(jié)軟骨各層的病理生理變化。

本次研究中，影響圖像質(zhì)量的關(guān)鍵還是圖像匹配問題。由于膝關(guān)節(jié)軟骨相對菲薄，西門子AW4.2工作站自動匹配圖像多不能達(dá)到解剖圖及DTI圖像的良好融合、匹配。解剖圖上勾畫的感興趣區(qū)，并不在DTI圖像相應(yīng)位置上，造成數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確及重復(fù)性差。本研究應(yīng)用Matlab 7.1及Mricron軟件對圖像進(jìn)行后處理，圖像匹配質(zhì)量明顯提高，值得臨床進(jìn)一步研究推廣。

另外，Siemens Viro 3.0T MR膝關(guān)節(jié)DTI測量的分辨率仍然有待提高。本研究采用的DTI序列的平面分辨率為1.6 mm×1.6 mm，將所測ADC及FA值繪制散點圖進(jìn)行分析，可見測量數(shù)據(jù)圍繞均值呈簇狀分布，離群值較少，說明該分辨率對于正常軟骨的顯示效果較為滿意。但是膝關(guān)節(jié)退變患者，關(guān)節(jié)軟骨存在不同程度的變薄。因此，進(jìn)一步提高DTI平面內(nèi)分辨率仍然是重點和難點，需要進(jìn)一步研究。

本次研究的創(chuàng)新性及不足：膝關(guān)節(jié)軟骨DTI研究在國內(nèi)幾乎是空白，本研究應(yīng)用配置相對常見的3.0T MR儀，采用DTI技術(shù)對正常膝關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行測量，并優(yōu)化了DTI掃描參數(shù)，取得了較為可靠的DTI數(shù)據(jù)，為正常膝關(guān)節(jié)DTI進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。但本次研究的樣本量仍然不足，而且本次研究的樣本中受試者的年齡段主要集中于23～30歲，今后應(yīng)擴(kuò)大樣本量、增加各個年齡段的受試者進(jìn)行更深入的研究。

總之，DTI技術(shù)應(yīng)用于髕軟骨的定量測量是可行的，能間接反映髕軟骨的成分及膠原纖維結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，可作為髕軟骨早期退變的診斷、監(jiān)測及評價治療效果的重要方法，值得進(jìn)一步研究。

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Preliminary study of diffusion tensor imaging in quantitative measurement of normal adult patella cartilage

LI Min,DENG De-mao,CHEN Xia-mei,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of Guangxi University of Chinese Medicine,Nanning 530023,China

Objective:To study the feasibility of quantitative measurement of normal adult patella cartilage using diffusion tensor imaging (DTI) at 3.0T MR system.Methods:40 healthy young volunteers were included in this study.Each of the right patellar cartilage was scanned by DTI sequence,and the image data were post-processed using the Matlab 7.1 and Mricron software,the values of apparent diffusion coefficient (ADC) and fractional anisotropy (FA) of patella cartilage were measured.Results:On patella cartilage images of 40 cases,there were only 4 cases with poor image quality.On ADC and FA images,the patella cartilages all showed relative high signal intensity along the surface of the patella.The values of ADC were (1.428±0.087)×10-3mm2/s,the values of FA were 0.207±0.018.Conclusion:Patella cartilage can be clearly showed by diffusion tensor imaging (DTI) at 3.0T MR system;DTI quantitative measurement can precisely reflect water molecules diffusion characteristics in normal adult patella cartilage.

Patella； Articular cartilage； Magnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Apparent diffusion coefficient； Fractional anisotropy

30023 南寧，廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科

李敏(1982-)，女，四川眉山人，碩士研究生，主治醫(yī)師，主要從事骨關(guān)節(jié)DWI及DTI研究工作。

鄧德茂，E-mail：demaodeng@163.com

廣西自然科學(xué)基金資助項目(2014GXNSFAA118257)

R445.2； R681.3

A

1000-0313(2016)12-1227-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.12.027

2016-04-28

2016-06-20)