韓曉蕊， 洪郭駒， 趙曼， 劉斯?jié)櫍?冷曉明

·骨骼肌肉影像學·

磁共振T1ρ和T2-mapping定量技術對股骨頭壞死軟骨變性的對照研究

韓曉蕊， 洪郭駒， 趙曼， 劉斯?jié)櫍?冷曉明

目的：分析T1ρ和T2-mapping定量MRI技術在股骨頭壞死軟骨變性中的診斷價值。方法：對24例健康志愿者(對照組)及47例股骨頭壞死(ARCO Ⅰ～Ⅲ期)初治患者行MRI掃描，掃描序列包括常規(guī)MRI、多回波回復梯度回波(MERGE)、T1ρ及T2-mapping。測量定量參數(shù)T1ρ及T2-mapping值，并采用Pearson相關分析評估兩者之間的相關性，采用受試者工作特征曲線(ROC)對兩者的診斷效能進行評價。結果：股骨頭壞死組的T1ρ和T2-mapping值明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義(t=-4.51、-3.77，P<0.01)。T1ρ與T2-mapping值呈正相關關系(r=0.381，P<0.01)。T1ρ的ROC下最大面積為0.822，相應的敏感度和特異度分別為72.34%和70.83%，特異度明顯高于T2-mapping(58.33%)。結論：磁共振T1ρ及T2-mapping成像技術均可用于股骨頭壞死患者軟骨變性的定量診斷，T1ρ的診斷價值稍高于T2-mapping。

磁共振成像； T1ρ成像； T2-mapping； 軟骨； 股骨頭壞死

股骨頭壞死是骨科的常見病、疑難病之一，其特點是發(fā)病年齡較輕，當病變進展到終末期，人工關節(jié)置換成為唯一的選擇[1]，這將嚴重影響年輕患者的生活質量。因此，臨床上對這類患者的保髖治療方案進行了廣泛研究。但目前關于股骨頭壞死保髖治療的研究多致力于軟骨下骨的病變，關節(jié)軟骨的改變常被忽略，而關節(jié)軟骨的狀況對治療方法的選擇及預后判斷有重要作用。一般認為，關節(jié)軟骨病變系骨結構塌陷破壞后所致[2]，但對早期骨壞死是否引起關節(jié)軟骨的變化卻鮮有關注。傳統(tǒng)MRI檢查方法只能檢測到軟骨出現(xiàn)不可逆損傷時出現(xiàn)的形態(tài)變化，并無定量分析能力。MRI功能成像可從微觀分子水平對軟骨的生化成分進行量化分析，為軟骨病變的早期診斷提供可靠的影像學依據(jù)。本研究主要通過T1ρ和T2-mapping成像技術定量檢測股骨頭壞死后軟骨變性的情況，并對兩者的診斷價值進行評估，旨在為臨床治療方案的選擇提供參考。

材料與方法

1.研究對象

將2013年2月-2015年2月在我院經臨床及影像資料證實為股骨頭壞死的47例患者納入本研究。其中男26例，女21例，年齡16～58歲，中位年齡42歲。另將24例健康志愿者作為對照組納入本研究，其中男13例，女11例，年齡19～60歲，中位年齡41歲。本研究經醫(yī)院倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。納入標準：①參照Mont等[3]提出的診斷標準及國際骨循環(huán)研究會(Association Reasearch Circulation Osseous，ARCO)的分期標準[4]，選擇股骨頭壞死ARCO Ⅰ～Ⅲ期的患者；②均為非創(chuàng)傷性股骨頭壞死者，且在治療前均行X線和MRI檢查。排除標準：①軟骨與周圍結構辨別困難的ARCO Ⅳ期及Ⅲ期晚期患者；②創(chuàng)傷性股骨頭壞死者；③檢查前接受過有創(chuàng)檢查及治療者。

圖1 股骨頭壞死患者。a) 軟骨分角度測值模式圖，分別測量正中持重線及正負30°三處軟骨的定量參數(shù)，取其平均值作為最后的值； b) 實際測量圖，按照圖a的方法進行實際測量。

2.檢查方法

使用GE HDxt 3.0T磁共振儀和體部相控陣線圈，患者取仰臥位，雙髖同時掃描。掃描序列包括常規(guī)MRI序列、冠狀面多回波回復梯度回波(multiple echo recalled gradient-echo，MERGE)、T1ρ及T2-mapping序列，常規(guī)MRI序列包括軸位及冠狀面脂肪抑制T2WI、矢狀面T1WI、冠狀面LAVA FLEX。T1ρ序列的掃描參數(shù)：TR shortest，TE 1.3 ms，視野350 mm×320 mm，層厚4 mm，層間距0.5 mm，翻轉角20°，自旋鎖定頻率300 Hz ，自旋鎖定時間0、10、40和80 ms，激勵次數(shù)2。T2-mapping序列的掃描參數(shù)：TR 560 ms，TE 2.6 ms，視野350 mm×320 mm，層厚4 mm，層間距0.5 mm，翻轉角20°，自旋鎖定頻率256 Hz ，自旋鎖定時間0、10、40和80 ms，激勵次數(shù)2。MERGE序列的掃描參數(shù)：TR 405 ms，TE 10 ms，視野350 mm×320 mm，層厚4 mm，層間距0.5 mm。

采用GE AW4.5工作站進行后處理。T1ρ和T2-Mapping圖像的后處理步驟基本相同，具體如下：①設置參數(shù)，生成相應的T1ρ及T2-Mapping偽彩圖；②將偽彩圖和MERGE圖像相擬合，得到更清晰的偽彩圖；③計算定量參數(shù)T1ρ及T2-Mapping值。ROI為自由形狀，面積取4～6 mm2，避開股骨頭圓韌帶，選取股骨頭中心持重線-30°～30°之間的3處軟骨進行測量[5]，取其平均值；ROI應盡量最大程度包括股骨頭的軟骨部分，III期晚期患者應盡量選擇靠近股骨頭一側進行測量；盡量減少軟骨下皮質骨及髖臼軟骨的干擾(圖1)。所有數(shù)據(jù)由2位影像科醫(yī)師獨立測量。

由2位影像科副主任醫(yī)師根據(jù)ARCO分期標準分別閱片，意見不一致時協(xié)商取得一致意見。ARCO分期標準[4]：Ⅰ期為X線檢查為陰性，MRI檢查可發(fā)現(xiàn)病灶；Ⅱ期為X線檢查有陽性發(fā)現(xiàn)，但股骨頭無塌陷，髖臼未見異常；Ⅲ期的早期可見新月征，晚期表現(xiàn)為股骨頭塌陷。

3.統(tǒng)計學分析

使用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學分析。采用Pearson相關分析觀察T1ρ及T2-mapping值之間的相關性，并對兩者進行ROC曲線分析，股骨頭壞死組及對照組的T1ρ和T2-mapping值的比較采用兩獨立樣本t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

47例股骨頭壞死患者中，ARCO分期Ⅰ期6例，Ⅱ期13例，Ⅲ期28例(其中早期18例，晚期10例)。

對照組和股骨頭壞死組的T1ρ及T2-mapping值及統(tǒng)計分析結果見表1、圖2～4。兩個參數(shù)在兩組間的差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

表1 兩組T1ρ及T2-mapping值及比較結果

Person相關分析對照組與各ARCO分期的T1ρ及T2mapping值呈正相關，其相關系數(shù)r=0.381，相關系數(shù)有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。

對T1ρ及T2-mapping分別進行ROC曲線分析(圖5)，結果顯示：T1ρ的曲線下面積為0.822(四分位數(shù)間距0.713～0.903)，當診斷界值取40.58時，診斷敏感度和特異度分別為72.34%和70.83%；T2-mapping的曲線下面積為0.791(四分位數(shù)間距0.678～0.879)，當取診斷界值取19.88時，診斷敏感度和特異度分別為72.34%和58.33%。得出T1ρ的診斷效能高于T2-mapping。

討 論

關節(jié)軟骨是一種由富含膠原、蛋白多糖的細胞外基質和軟骨細胞構成的結締組織，它能夠潤滑關節(jié)，并且最大限度地吸收和緩沖應力作用。但是其內缺乏血b) ARCO Ⅰ期，關節(jié)軟骨色階分布欠均，邊界清晰，表面毛糙； c) ARCO Ⅱ期，關節(jié)軟骨色階不均勻，邊界模糊，表面不光整； d) ARCO Ⅲ期，關節(jié)軟骨變薄，色階分布明顯不均勻，邊界欠清，表面不光整。

圖2 髖關節(jié)脂肪抑制T2WI，顯示隨著ARCO分期進展，關節(jié)軟骨逐漸變薄。a) 對照組； b) Ⅰ期； c) Ⅱ期； d) Ⅲ期。 圖3 髖關節(jié)T1ρ圖。a) 對照組，關節(jié)軟骨色階分布均勻，邊界清晰光整； b) ARCO Ⅰ期，關節(jié)軟骨色階分布欠均，邊界清晰，表面毛糙； c) ARCO Ⅱ期，關節(jié)軟骨色階不均勻，邊界模糊，表面不光整； d) ARCO Ⅲ期，關節(jié)軟骨變薄，色階分布明顯不均勻，邊界欠清，表面不光整。 圖4 髖關節(jié)T2-mapping圖。a) 對照組，關節(jié)軟骨色階分布均勻，邊界清晰光整；

管和神經，營養(yǎng)成分的供應僅靠彌散運動來獲取，一旦受損將很難恢復，因此早期發(fā)現(xiàn)軟骨病變并采取預防保護措施對患者的病情至關重要。在解剖學上，軟骨、軟骨下皮質骨及軟骨下小梁骨是組織結構上緊密相鄰、功能上相互協(xié)同的單元體[1-2]。當股骨頭小梁骨發(fā)生壞死時，邏輯上會使相鄰的軟骨下皮質骨和軟骨易于遭受機械性及代謝性損傷。因此，研究股骨頭壞死過程中關節(jié)軟骨的變化對于臨床治療方案的選擇及患者的預后有重要意義。然而如何對關節(jié)軟骨進行準確評估在臨床和科研方面仍是一道難題，本研究旨在從影像學角度利用MRI定量技術(T1ρ和T2-mapping)來檢測壞死股骨頭的關節(jié)軟骨損傷情況。

T1ρ和T2-mapping成像是近年來成為研究熱點的磁共振新技術，可以通過定量參數(shù)來間接反映關節(jié)軟骨內生化成分的改變，為軟骨損傷發(fā)生形態(tài)學改變之前的早期診斷提供了可能[5-6]。T1ρ值為一時間常數(shù)，用于評估運動受限的水分子與周圍大分子之間的低頻流動信息。生理狀態(tài)下，關節(jié)軟骨細胞外基質中的大分子限制了水分子的運動，當細胞外基質發(fā)生病變時，如蛋白多糖丟失等，可以通過T1ρ弛豫時間探測出來[7-8]。有文獻報道，T1ρ可能受到生物組織內多個因素的影響[9]。既往亦有研究顯示，T1ρ成像技術主要對蛋白多糖的檢測具有較高敏感性和特異性[10-11]。T2-mapping也稱為T2弛豫時間，主要是通過組織的橫向磁化衰減來量化分析不同的組織結構[12]。有研究表明，T2-mapping對軟骨中膠原網絡結構的水合作用、定位和完整性有較高的敏感性[13]。但由于各向異性的固體基質內水分的流動受限等原因產生的魔角效應，以及時間、負載及體位等因素均會影響T2-mapping值的穩(wěn)定性[14-15]。基于此，本研究主要測量股骨頭正中持重線-30°到30°扇形區(qū)域內關節(jié)軟骨的T2-mapping值，并于固定時間段(20:00～23:00)進行檢查，同時要求患者檢查前靜坐半小時，以此來減少魔角效應及力學因素等對T2-mapping值的影響。除此之外，本研究還采用了MERGE序列，該序列具有信噪比及空間分辨率較高、磁敏感偽影較小、組織間對比較好等優(yōu)點[16]。因此，本研究將T1ρ及T2-mapping圖像與MERGE圖像進行擬合，旨在提高圖像的空間分辨率及組織間對比，減少化學位移偽影及圖像變形，獲得更高質量的T1ρ及T2-mapping圖像。

本研究結果表明，T1ρ及T2-mapping成像均可用于定量評估壞死股骨頭的關節(jié)軟骨變性情況，為股骨頭壞死患者關節(jié)軟骨病變的早期診斷及臨床治療方案的選擇提供參考。T1ρ及T2-mapping值呈正相關(P<0.01)，其原因可能是蛋白多糖與水分子的關系密切及股骨頭壞死軟骨變性機制比較復雜所致，其生化成分的改變并非孤立的，而是一個相互作用的過程，兩者從不同的側面間接反映出股骨頭關節(jié)軟骨變性組織化學成分的變化，同時兩者的不同空間分布上的差異可能提供互補信息，將兩者結合可提高對軟骨變性或損傷的早期診斷能力。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)T1ρ的診斷價值較T2-mapping高：①ROC曲線顯示，T1ρ的曲線下面積大于T2-mapping，且相應的敏感度及特異度也高于T2-mapping；②從表1中可以看出，T1ρ值較T2-mapping值的分布范圍更大，可認為T1ρ較T2-mapping敏感；③如前文所述，T2-mapping值相對不穩(wěn)定，多種因素均可導致T2-mapping值的變化；④由于自旋鎖定技術在T1ρ定量分析技術的應用，降低了偶極間相互作用，因而與T2加權成像相比，T1ρ成像過程中對膠原纖維的依賴性小，同時提高了對蛋白多糖的敏感性。有研究提出， 蛋白多糖的丟失可能是發(fā)生軟骨損傷的起始環(huán)節(jié)，而此時膠原纖維的含量和結構尚未發(fā)生變化[6]。

圖5 T1ρ及T2-mapping的ROC曲線，T1ρ的曲線下面積大于T2-mapping。

目前，關于關節(jié)軟骨定量分析的成像序列尚不成熟，本研究還存在一定的局限性：①髖關節(jié)軟骨成像較難清晰分割股骨和髖臼軟骨層，尤其是部分Ⅲ期晚期病例發(fā)生關節(jié)面塌陷、關節(jié)軟骨變薄，此時應選擇靠近股骨頭的位置測量，盡量減少軟骨下皮質骨及髖臼軟骨的干擾；②本研究的樣本量較小，且有病理證實的僅為部分行全髖置換的III期患者，而Ⅰ、Ⅱ期患者缺乏病理學證實；③如前文所述，T1ρ及T2-mapping成像技術仍存在一些局限性及不足之處，這就需要結合其它技術來全面觀察關節(jié)軟骨的變化。聯(lián)合多種磁共振成像技術對軟骨變性進行大樣本研究是下一步研究的重點。

總之，T1ρ及T2-mapping可從不同側面反映股骨頭壞死關節(jié)軟骨的變性損傷情況，有望為股骨頭壞死患者關節(jié)軟骨變性損傷的早期診斷提供可能，且T1ρ較T2-mapping有更高的診斷價值。

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Quantitative MRI techniques of T1ρand T2-mapping in detecting cartilage injury following osteonecrosis of femoral head:a correlative study

HAN Xiao-rui,HONG Guo-ju,ZHAO Man,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou 510405,China

Objectives:To study the diagnostic value of quantitative MRI techniques of T1ρ and T2-mapping in detecting cartilage damage of femoral head osteonecrosis.Methods:Twenty-four healthy volunteers (control group) and forty-seven newly diagnosed patients with osteonecrosis of femoral head (ARCO stage Ⅰ～Ⅲ) underwent conventional,MERGE,T1ρ and T2-mapping MRI examinations.The quantitative parameters values of T1ρ and T2mapping were measured,and the correlation between T1ρ and T2-mapping was analyzed by Pearson correlation analysis,and their diagnosis efficacy was evaluated by receiver operating characteristic curve (ROC).Results:The T1ρ and T2mapping values of the patient group were higher than those of control group with statistically significant difference (P=4.51 and -3.77,respectively;P<0.01).The values of T1ρ showed positive correlation with T2mapping (r=0.381,P<0.01).The maximum area under the ROC of T1ρ was 0.822,and the corresponding sensitivity and specificity were 72.34% and 70.83% respectively,its specificity was higher than that of T2-mapping (58.33%).Conclusion:Both T1ρ and T2-mapping MRI techniques can be used for quantitative diagnosis of the cartilage injury in patients with of femoral head osteonecrosis,the diagnostic performance of T1ρ is better than T2-mapping.

Magnetic resonance imaging； T1ρ； T2-mapping； Femoral head osteonecrosis； Cartilage

510000 廣州，廣州市第一人民醫(yī)院(韓曉蕊)；510405

廣州，廣州中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院(洪郭駒、冷曉明)；510080 廣州，廣東藥科大學附屬第一醫(yī)院(趙曼)；510630 廣州，暨南大學附屬第一醫(yī)院(劉斯?jié)?

韓曉蕊(1990-)，女，山西呂梁人，住院醫(yī)師，醫(yī)學碩士，主要從事影像診斷和研究工作。

冷曉明，E-mail：359551056@qq.com

廣東省科技計劃項目(2014A020212594)

R445.2；R681.3；R681.7

A

1000-0313(2017)08-0866-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.08.018

2017-01-11

2017-02-26)