表1(Table 1)
软骨损伤是膝关节骨性关节炎最常见的早期改变，表现为软骨变性、磨损，软骨下骨硬化、增生，最终导致关节肿胀、疼痛，甚至行走困难；加之关节软骨自身修复能力有限，对软骨损伤的治疗方式主要为外科手术修复，因此早期诊断膝关节软骨损伤对于临床治疗和康复尤为重要[1]。磁共振成像(MRI)相较其他检查方式具有极高的软组织分辨率，能够较为清楚地显示膝关节各解剖结构的形态和信号变化；然而在诸多成像序列中，对软骨损伤尤其早期轻度损伤评价目前尚有争议[2]，三维选择性水激发序列(three dimensional water-selective excitation, 3D-WATS)采用1331的二项式脉冲进行激发，脂肪抑制效果较饱和脉冲更为彻底，在周围神经系统尤其神经根成像应用较为广泛[3]。本研究利用该序列对膝关节进行各向同性采集，结合PDWI和T2-mapping序列，与关节镜进行对比，探讨其在软骨损伤诊断中的应用价值。
1 资料与方法 1.1 临床资料收集2019年1-11月因功能障碍和关节疼痛，临床怀疑膝关节软骨损伤，来重庆医科大学附属第二医院行MRI检查患者60例(均为单侧成像)，男性28例，女性32例，年龄(47.4±6.7)岁，所有患者未行任何膝关节相关治疗，并在MR成像后1周内行关节镜检查证实软骨损伤。本研究通过本院医学伦理委员会审查批准[2018科伦审第(981)号]，患者或者法定监护人签署知情同意书。
1.2 检查方法采用3.0T超导磁共振成像仪(Achieva TX，Phillips)，双通道通用表面柔性线圈；患者取仰卧位头先进，下肢自然伸直，定位线置于髌骨下缘；所有患者行轴位T2WI和标准矢状位T1WI、T2WI、PDWI、T2-mapping及3D-WATS序列成像，具体成像参数见表 1。
| 成像序列 | TR/ms | TE/ms | 层厚/mm | FOV/mm | 矩阵 |
| TRA-T2WI | 2300 | 65 | 4 | 140×140 | 268×265 |
| SAG-T1WI | 650 | 20 | 4 | 160×160 | 320×256 |
| SAG-T2WI | 2200 | 65 | 4 | 160×160 | 268×265 |
| SAG-PDWI | 3950 | 30 | 4 | 160×160 | 268×260 |
| T2-mapping | 1925 | & | 4 | 160×160 | 384×384 |
| 3D-WATS | 20 | 4.3 | * | 160×160 | * |
| & ：T2-mapping回波时间为20、40、60、80、100 ms；*：3D-WATS体素：1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm | |||||
1.3 图像评价
T2-mapping图像在EWS(extended work station)工作站生成参数图和伪彩图，依次测量髌骨、股骨内、外髁，胫骨内、外髁软骨和可疑软骨损伤处T2值；PDWI、T2-mapping和3D-WATS序列成像图像由2位放射科10年以上工作经验高年资医师共同判断有无软骨损伤，诊断标准以国际软骨修复协会(International Cartilage Repair Society, ICRS)分级将软骨损伤分为4期：Ⅰ期关节软骨表面肿胀毛糙，或局部点片状的不规则信号；Ⅱ期软骨有轻度缺损，小于全层厚度的50%；Ⅲ期病变软骨缺损超过全层厚度的50%，未累及软骨下骨组织；Ⅳ期关节面软骨全层缺损。若判断不一致时，以协商一致得出结论为准。
1.4 统计学分析应用SPSS 22.0统计学软件，3种MRI序列对软骨损伤的诊断阳性数以计数资料的卡方检验分析，MRI分期结果与关节镜检查的一致性采用Spearman相关分析，检验水准α=0.05。
2 结果 2.1 3种序列对软骨损伤的诊断效能以关节镜检轻度损伤(Ⅰ、Ⅱ期)为阳性，3D-WATS序列发现软骨损伤敏感性94.7%、特异性95.4%，T2-mapping序列敏感性81.6%、特异性90.0%，PDWI序列敏感性55.2%、特异性77.2%；PDWI序列对Ⅰ期损伤漏诊较多(表 2)，3种序列比较，对膝关节软骨损伤的诊断效能差异有统计学意义(AUC依次为0.974、0.934和0.842；P=0.000)。见图 1。
| 序列 | 敏感性(%) | 特异性(%) | 真阳性/例 | 假阳性/例 | 真阴性/例 | 假阴性/例 | AUC |
| 3D-WATS | 94.7 | 95.4 | 36 | 1 | 21 | 2 | 0.974 |
| T2-mapping | 81.6 | 90.9 | 31 | 2 | 20 | 7 | 0.934 |
| PDWI | 55.2 | 77.2 | 21 | 5 | 17 | 17 | 0.842 |
| 敏感性、特异性为轻度损伤(Ⅰ、Ⅱ期)占比；以关节镜证实为标准，3种序列的真阳性：χ2=176，P＜0.05 | |||||||
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| A：矢状位T1WI；B：矢状位T2-mapping伪彩图像；C：同一位置3D-WATS，D：关节镜检显示Ⅲ期软骨损伤 箭头示软骨损伤处 图 1 股骨内髁软骨损伤的矢状位T1、T2-mapping、3D-WATS和关节镜观察 |
2.2 T2值与软骨损伤分期的相关性分析
正常股骨内外髁、胫骨内外髁和髌骨软骨T2值依次为(41.26±1.03)、(40.37±3.18)、(40.16±1.39)、(39.47±2.18)ms和(39.07±1.15)ms；轻度损伤T2值为(43.07±4.36)ms，Ⅰ、Ⅱ期T2值之间有部分重叠，中重度损伤T2值为(56.14±5.22)ms，轻度损伤和中重度损伤T2值差异有统计学意义(P<0.05)。
2.3 3种序列对软骨损伤分期的一致性判断对照关节镜检查结果，3D-WATS序列软骨损伤分期与其一致性最好(rho=1.00, P=0.00)，T2-mapping序列次之(rho=0.80, P=0.20)，PDWI序列一致性最差(rho=0.20, P=0.80), 见表 3；3D-WATS序列对细微软骨损伤的显示明显优于PDWI。见图 2。
| 成像序列 | Ⅰ期 | Ⅱ期 | Ⅲ期 | Ⅳ期 | 合计 | 与关节镜相关性 |
| 3D-WATS | 19 | 18 | 13 | 8 | 58 | rho1=1.00, P1=0.00 |
| T2-mapping | 16 | 17 | 12 | 8 | 53 | rho2=0.80, P2=0.20 |
| PDWI | 11 | 15 | 17 | 8 | 51 | rho3=0.20, P3=0.80 |
| 关节镜 | 20 | 18 | 14 | 8 | 60 | |
| rho1，2，3分别为3种序列对软骨损伤分期与关节镜相关性 | ||||||
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| A：矢状位T1WI图像；B：矢状位PDWI均未显示软骨损伤；C：3D-WATS可清晰显示软骨损伤；D：关节镜检显示软骨Ⅰ期损伤 箭头示软骨损伤处 图 2 股骨外髁软骨轻度损伤的矢状位T1WI、PDWI、3D-WATS和关节镜观察 |
3 讨论
关节软骨由少量软骨细胞和大量大分子胶原、蛋白多糖聚合物等的细胞外基质组成，这些物质在磁共振成像过程中几乎不产生信号，决定其信号强度主要是其中水含量[4]；另外，膝关节最常见的病变为半月板损伤，因此各种指南对膝关节成像的推荐层厚为3~5 mm，加之关节软骨厚度仅1~5 mm，使得常规序列对软骨显示较为困难。本研究常规2D序列T1WI、T2WI和PDWI均采用4 mm层厚，对膝关节半月板、韧带和骨性结构显示较好，然而对软骨损伤诊断效能明显偏低，尤其对于轻中度的软骨损伤漏诊较多，对照关节镜结果，PDWI敏感性仅为55.2%，特异性为77.2%；究其原因，一方面是空间分辨率偏低遗漏细微损伤，二是部分容积效应掩盖损伤的信号改变所致。
研究表明软骨早期损伤首先是细胞外基质的合成与分解失去平衡, 一方面胶原退变导致纤维的形态、排列发生改变，增加了对水的通透性[5]，另一方面蛋白多糖合成受到抑制，蛋白多糖的减少使其周围空间变大，导致水的含量进一步增加；这种改变在磁共振T2WI上必然表现为信号增高，所以相当长一段时间T2-mapping成为评估早期软骨损伤的重要方法[6-7]；黄山等[8]还用T2-mapping来分析运动前后软骨横向弛豫时间的差异。然而回顾并综合文献发现，不同的设备测量T2值有差异，甚至相同的设备测量的T2值不尽相同，孙兆男等[9]在GE Signa 3.0T MR上测量股骨内外髁、胫骨内外平台和髌骨T2值依次为(40.58±7.52)、(39.76±7.39)、(38.37±7.68)、(38.91±7.78)ms和(36.88±7.16)ms；而曹学胜等[10]在西门子某型3.0 T MR上测量股骨内外髁、胫骨内外髁T2值依次为(39.58±1.62)、(38.25±2.06)、(36.11±1.08)ms和(36.84±2.72)ms。本研究在Philips Achieva 3.0T MR上测量，采用5个回波的TSE序列，结果与吴玢潼等[11]研究较为接近。造成这种差异的原因主要是横向弛豫不仅与组织周围化学环境有关，还受磁场均匀度影响，甚至使用不同线圈都会影响采集到的信号强度，因此在不同设备上测量软骨的T2值略有差异；但相同层厚采集T2-mapping在早期软骨损伤的判断上，其诊断效能强于PDWI序列，本研究在关节镜确诊发现轻度损伤中，T2-mapping敏感性为81.6%，特异性为90.9%，一方面是在伪彩图上更容易发现较小的信号改变，另一方面其结果是定量参数，可以避免不同观测者之间的主观误差；因此，T2-mapping在软骨定量分析研究方面不建议进行多中心的相互比较，但作为临床诊断用序列，可成为常规解剖成像的有益补充，尤其在怀疑早期软骨损伤的病患；中重度损伤形成的软骨缺损被关节液填充，此时测量T2值的ROI包含液体成分，能不能真正代表软骨还值得进一步商榷，因此本研究并未将T2值的测量结果作为软骨损伤的最后诊断标准。
早期损伤引起的水分增加、蛋白多糖合成减少以及胶原纤维支架排列方式的改变都会削弱软骨的抗压负重能力, 病变进展必然导致形态学改变，诸如软骨表面毛躁、裂缝形成等，这种细微改变需要较高的空间分辨率采集才能发现[12]；文献[13-14]报道比较几种序列结果显示，不管是可变聚焦角的快速自旋回波，还是结合饱和压脂的扰相梯度回波，基于3D的采集方式对软骨的诊断效能均高于2D采集。本研究采用的3D-WATS用1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm体素，不仅保证了各向同性便于后续进行多方位重组观察，也兼顾了采集时间不至于太长而出现运动伪影；另一方面该序列在图像加权接近质子密度，对软骨显示为高信号而水为中等信号；因此3D-WATS不仅在信号强度上对轻中度软骨损伤的显示优于二维采集的PDWI和T2-mapping，也避免了同样是三维采集的偏T2权重序列如3D-TSE、3D-VISTA等不易区分关节间隙液体高信号和软骨轻微损伤造成的信号增高[15-16]；另一方面，由于负重等因素，早期软骨损伤多发生于股骨外侧髁，3D-WATS高分辨成像还避免了二维采集的PDWI和T2-mapping因为容积效应而遗漏细微损伤；本研究结果也证明，对轻度软骨损伤的诊断，3D-WATS效能明显高于常规PDWI和T2-mapping，在关节镜发现轻度病例中，3D-WATS真阳性有36例，敏感性为94.7%，特异性为95.4%，ROC曲线下面积0.974。
采集时间过长是3D-WATS的固有缺点，尤其是在体素较小时。本研究采用1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm体素，同时结合相位和层面方向两倍加速的SENSE技术，将成像时间控制在4 min左右，尽量避免运动伪影产生。随着技术的进步，磁共振成像在软骨方面的新序列不断涌现，如T1rho、零TE等，在这些新技术广泛开展之前，本研究将3D-WATS结合PDWI和T2-mapping，并对照关节镜结果，证实3D-WATS可敏感发现软骨早期损伤，具有较大的临床价值，可作为磁共振膝关节成像的常规序列。作为单中心，特定设备的成像序列，本研究在样本量和普适性上还存在不足。未来期望能收集更多病例，增加其他设备类似序列比较，以进一步推广选择性水激发技术在早期软骨损伤的应用。
| [1] |
BRITTBERG M, WINALSKI C S. Evaluation of cartilage injuries and repair[J]. J Bone Joint Surg Am, 2003, 85-A(Suppl 2): 58-69. DOI:10.2106/00004623-200300002-00008 |
| [2] |
KUDO H, INAOKA T, KITAMURA N, et al. Clinical value of routine use of thin-section 3D MRI using 3D FSE sequences with a variable flip angle technique for internal derangements of the knee joint at 3T[J]. Magn Reson Imaging, 2013, 31(8): 1309-1317. DOI:10.1016/j.mri.2013.02.003 |
| [3] |
KIKUCHI T, FUJⅡ H, FUJITA A, et al. Visualization of the greater and lesser occipital nerves on three-dimensional double-echo steady-state with water excitation sequence[J]. Jpn J Radiol, 2020, 38(8): 753-760. DOI:10.1007/s11604-020-00969-7 |
| [4] |
TAO H Y, CHEN S. A new technique for MRI imaging of articular cartilage injury and degeneration[J]. Radiol Pract, 2012, 27(9): 1024-1028. |
| [5] |
CREMA M D, ROEMER F W, MARRA M D, et al. Articular cartilage in the knee: current MR imaging techniques and applications in clinical practice and research[J]. Radiographics, 2011, 31(1): 37-61. DOI:10.1148/rg.311105084 |
| [6] |
KANG Y, CHOI J A. T2 mapping of articular cartilage of the glenohumeral joint at 3.0 T in healthy volunteers: a feasibility study[J]. Skeletal Radiol, 2016, 45(7): 915-920. DOI:10.1007/s00256-016-2398-3 |
| [7] |
JURAS V, BOHNDORF K, HEULE R, et al. A comparison of multi-echo spin-echo and triple-echo steady-state T2 mapping for in vivo evaluation of articular cartilage[J]. Eur Radiol, 2016, 26(6): 1905-1912. DOI:10.1007/s00330-015-3979-6 |
| [8] |
黄山, 郑穗生, 陈其春, 等. T2 mapping定量分析运动对健康成人膝关节软骨的影响[J]. 实用放射学杂志, 2016, 32(2): 243-246, 265. HUANG S, ZHENG S S, CHEN Q C, et al. Quantitative analysis of the effect of exercise on knee cartilage response in healthy adults using T2 mapping[J]. J Pract Radiol, 2016, 32(2): 243-246, 265. DOI:10.3969/j.issn.1002-1671.2016.02.020 |
| [9] |
孙兆男, 王旭超, 徐敏, 等. 磁共振T2 mapping成像评价膝关节骨关节炎软骨损伤的应用价值[J]. 磁共振成像, 2019, 10(9): 680-684. SUN Z N, WANG X C, XU M, et al. Application value of magnetic resonance T2 mapping imaging in evaluation of knee osteoarthritis cartilage injury[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2019, 10(9): 680-684. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2019.09.008 |
| [10] |
曹学胜, 魏景欣. 早期膝关节软骨损伤诊断中磁共振T2-mapping成像的价值[J]. 现代医用影像学, 2019, 28(9): 2014-2015. CAO X S, WEI J X. The value of T2 mapping in the diagnosis of early cartilage injury of knee joint[J]. Mod Med Imageolo, 2019, 28(9): 2014-2015. |
| [11] |
吴玢潼. 1.5T磁共振T2mapping在膝关节髌软骨损伤诊断中的应用[J]. 锦州医科大学学报, 2019, 40(3): 83-84, 120-121. WU F T. Application of 1.5T magnetic resonance T2mapping in diagnosis of patellar cartilage injury of knee joint[J]. J Jinzhou Med Univ, 2019, 40(3): 83-84, 120-121. DOI:10.13847/j.cnki.lnmu.2019.03.026 |
| [12] |
KIJOWSKI R, ROSAS H, SAMSONOV A, et al. Knee imaging: Rapid three-dimensional fast spin-echo using compressed sensing[J]. J Magn Reson Imaging, 2017, 45(6): 1712-1722. DOI:10.1002/jmri.25507 |
| [13] |
石琴, 张贵军. 不同MRI序列对膝关节软骨损伤诊断敏感度及特异度分析[J]. 医学影像学杂志, 2019, 29(5): 884-887. SHI Q, ZHANG Z J. Sensitivity and specificity of different MRI sequences in diagnosis of articular cartilage injury of knee joint[J]. J Med Imaging, 2019, 29(5): 884-887. |
| [14] |
罗惠慈, 李庆标. 膝关节软骨损伤在1.5T磁共振3D-FS-SPGR序列下的成像研究[J]. 现代医用影像学, 2019, 28(6): 1238-1240. LUO H C, LI Q B. Imaging study of knee joint cartilage injury under 1.5T magnetic resonance 3D-FS-SPGR sequence[J]. Mod Med Imageolo, 2019, 28(6): 1238-1240. |
| [15] |
KOHL S, MEIER S, AHMAD S S, et al. Accuracy of cartilage-specific 3-Tesla 3D-DESS magnetic resonance imaging in the diagnosis of chondral lesions: comparison with knee arthroscopy[J]. J Orthop Surg Res, 2015, 10: 191. DOI:10.1186/s13018-015-0326-1 |
| [16] |
WATANABE Y, IKEGAMI R, OSUKA A. The usefulness of dynamically balanced FFE WATS-MR imaging with kinematic display for studying pediatric gastrointestinal disease[J]. Pediatr Surg Int, 2005, 21(11): 868-872. DOI:10.1007/s00383-005-1532-4 |
