T2 mapping、T2*WI序列在髋关节骨关节炎中的应用

T2 mapping、T2*WI序列在髋关节骨关节炎中的应用

庞嘉琦

哈尔滨市第一医院  150001

【摘要】目的骨关节炎（Osteoarthritis,OA）是一种累及关节软骨及非软骨组织的骨关节高发病，具有症状进行性加重的特点，严重影响患者生活质量，早期诊断及治疗成为临床工作亟待解决的问题。T2 mapping作为一项磁共振的新技术，可以针对损伤组织中各成分含量的改变进行定量分析，从而检测出早期OA的软骨变性。三维梯度回波T2*加权脂肪抑脂(three-dimensional Gradient recalled echo T2*weighted imaging fat suppression,3D GRE T2*WI fs)是在GRE T2*WI基础上研发的扫描序列，扫描时间较常规PD抑脂像节省了65秒的时间，可大范围、无间隔连续薄层扫描。本研究旨在评估T2 mapping及3D GRE T2*WI抑脂像在髋关节OA诊断中的应用价值及其临床意义。

【关键词】骨关节炎，软骨，T2 mapping，GRE T2*WI

[Abstract]Osteoarthritis (OA) is a high incidence disease of osteoarticular involving cartilage and non-cartilaginous tissues, with the characteristic of progressive aggravation of symptoms, which seriously affects the life quality of OA patients. Early diagnosis and treatment has become a pressing problem in clinical work. T2 mapping is a new MRI technique which can quantitatively analyze the content changes of various components in the injured tissue, and shows the changes of early OA cartilage composition.Three-dimensional Gradient recalled echo T2*weighted imaging fat suppression(3D GRE T2*WI fs) is a sequence developed by GRE T2*WI, featuring shorter scanning time, wider coverage, and continuous thin-layer observation. The aims of this project was to evaluate the application value and clinical significance of T2 mapping and 3D GRE T2*WI fat suppression imaging in the diagnosis of hip OA .

OA是最常见的退行性骨关节疾病，影响全球超过25%的18岁以上人口。现阶段，我国人口老龄化程度加速，我国约有2.6亿60岁及以上老年人口，约为全国总人口数的18.7%[1]。OA已经成为影响晚年生活质量的重要因素之一，早期临床诊断并干预成为重点及难点。OA的致病因素较为复杂，其中包括衰老、遗传、超重和关节外伤等，该病的致残率可高达50%左右。OA好发于膝及髋等负重多、活动度大的关节，关节软骨及非软骨组织的损伤与修复是其特征[2-3]。髋关节OA的病程发展到一定阶段临床症状才会出现，可能导致疼痛、功能受限甚至残疾[4]。目前，常规使用的成像技术分辨率有限，对较早期OA的软骨变性可能不敏感。T2 mapping是一种MRI新技术，能定量分析损伤组织中各种成分含量的改变，揭示软骨水含量的变化和胶原组织的完整性，可以作为检测早期OA软骨成分改变的磁共振序列。3D GRE T2*WI fs是在GRE T2*基础上研发的扫描序列，较普通GRE T2*WI序列具有更高的分辨率，更快的扫描时间和更大的扫描范围。本文以髋关节为例评估T2 mapping及3D GRE T2*WI fs在软骨损伤中的变化规律及对于OA诊断的价值，予以临床工作更为有力的依据。实验过程如下。

1 资料和方法

1.1一般资料

回顾性分析2020年5月至2021年5月于哈尔滨市第一医院行髋关节MRI扫描的113例受试者的图像资料，排除不符合入组条件者23例，最终90例受试者纳入研究，其中观察组60例（左髋28例,右髋32例，平均年龄56.4±10.5岁），对照组30例（左髋15例,右髋15例，平均年龄24.0±4.2岁）。

1.2方法

入组标准：（1）观察组：按照美国风湿病学会提出的OA诊断标准，诊断为OA的髋关节不适患者,髋关节OA诊断标准如表1所示。（2）对照组：无髋部疼痛的健康志愿者。排除标准：（1）观察组：超重，肿瘤史，髋关节的感染史，外伤史，手术史，服用药物影响关节软骨，存在磁共振扫描禁忌症，图像不适合诊断。（2）对照组：髋关节外伤史，手术史，感染史，近期剧烈运动史，专业运动员，存在磁共振扫描禁忌症，图像不适合诊断。本研究已取得哈尔滨市第一医院伦理委员会批准，所有受试者均已签署知情同意书。

表1. 髋关节OA诊断标准

Tab1. Diagnostic criteria for hip joint OA

注：符合诊断标准中1+2+3条或1+3+4条，即可诊断髋关节OA

1.3 仪器和方法

使用GE Silent 3.0T磁共振仪对两组受试者行髋关节MRI常规序列、3D GRE T2* fs冠状位及T2 mapping冠状位扫描，常规序列包括 PD fs矢状位，T1 FSE冠状位，T2 FSE fs横轴位和PD fs冠状位。各扫描参数见表2。选择体部相控阵表面线圈，受试者取仰卧位，脚先进方式。扫描前详细告知受试者相关事宜并做好准备工作，所有受试者在扫描前禁止一切剧烈运动并在扫描等待区休息至少30分钟，以减少关节负荷对T2测量值的影响。

1.4图像分析

所得图像由两名经验丰富、具有高级职称，并对临床信息不知情的磁共振医师独立分析，若二者意见不一致，则通过讨论达成一致。传输扫描图像至后处理工作站评估软骨病变，融合为T2 mapping伪彩图并测量T2值，对照组T2 mapping伪彩图如图1，髋关节软骨光滑连续，形态规整，厚薄均匀，色阶呈均匀的蓝、绿色。观察组T2 mapping伪彩图如图2，OA患者的髋关节软骨表面毛糙，厚薄不一，软骨形态欠连续，存在软骨缺损区域，可见点、片状黄、红色异常信号改变。因回波数为2的T2 mapping伪彩图显示髋关节软骨信噪比最高，所以均在此回波数的伪彩图上观察髋关节软骨的形态、信号并测量T2值。将髋关节软骨按照曲面周长平均分为三个区带，分别为内侧带、中央带及外侧带，软骨区带划分如图3。本文采用Recht分级评价髋关节软骨损伤程度，Recht分级标准见表3，将Recht分级中的Ⅰ~Ⅱ级归为轻度，Ⅲ~Ⅳ归为重度。选择的感兴趣区(Region of interest，ROI)为正圆形，其面积为10mm2，在髋关节软骨每一区带各放置一个ROI测量并记录其T2值，每一个ROI均测量三次取T2平均值。因MRI成像较难清晰分割股骨和髋臼的软骨层，尤其是重度OA患者的软骨存在缺损或剥脱，所以ROI应避免将关节积液、盂唇旁囊肿及软骨下骨等非软骨组织纳入其中[5]。

图1. 对照组T2 mapping伪彩图.对照组显示关节软骨形态规整，表面光滑连续，色阶呈现均匀的蓝、绿色。

Figure 1. T2 mapping pseudo-color map of control group.In the control group,T2 mapping pseudo-color map show the articular cartilage with regular morphology,smooth surface and uniform signal，the color gradation is uniform blue and green.

图2. 观察组T2 mapping伪彩图.观察组显示软骨毛糙、厚度不均，存在软骨缺损，见斑点状黄、红色信号。

Figure 2. T2 mapping pseudo-color map of observation group.In the observation group, T2 mapping pseudo-color reveals coarse and uneven cartilage thickness, cartilage defect, with spotted yellow and red signals.

图3. 髋关节软骨的区带划分示意图. 以右髋关节为例，蓝色代表内侧带，黄色代表中央带，红色代表外侧带，左髋关节软骨的区带划分与右侧镜面相反。

Figure 3. Schematic diagram of zonal pision of hip joint cartilage.Take the right hip joint for example,blue represents the inside band, yellow represents the central band, red represents the outside band,The zonal pision of the left hip joint cartilage is specular opposite to the right.

表3. Recht分级

Tab 3. Recht Classification

1.5统计分析

统计分析采用SPSS 22.0软件，计量资料采用均数±标准差描述，组间比较采用方差分析，P<0.05有统计学差异。分类资料采用构成比描述，比较用卡方检验，P<0.05有统计学差异。

2结果

2.1 观察组和对照组各区域T2值比较

本研究共纳入90个髋关节，270个软骨区带。所得数据如表4所示，观察组和对照组之间的髋关节内侧带、中央带平均T2值均大于对照组。

表4. 观察组和对照组各区域软骨T2值比较(ms，x±s)

Tab 4. Comparison of T2 values in observation and control group (ms，x±s)

2.1正常人与不同程度骨关节炎患者髋关节软骨T2值的比较

观察组按照Recht分级标准，将Recht分级为Ⅰ~Ⅱ级归为髋关节软骨损伤轻度组，Ⅲ~Ⅳ级归为重度组。所得数据如表5所示。经检验，正常、轻度和重度组之间的髋关节内侧带、髋关节中央带和髋关节外侧带各区带平均T2值的有差异，两两比较发现，轻度与重度的髋关节内侧带、髋关节中央带和髋关节外侧带各区带平均T2值均高于正常组，而轻度与重度组平均T2值之间没有差异。

表5. 正常及不同程度髋关节OA的软骨各区带T2值比较(ms，x±s)

Table 5. Comparison of cartilage T2 value of different bands with normal and different degrees of OA(ms，x±s)

注：方差不齐使用 Welch F 检验；字母不同表示差异有统计学意义

2.3 T2 mapping、3D GRE T2*WI fs与常规序列PD fs检出率比较

因T2 mapping、GRE T2*WI fs及PD fs对所有11例重度OA检出率均为100%，无统计学意义。所以将T2 mapping、GRE T2*WI fs及PD fs对轻度OA检出率进行统计学比较。T2 mapping、GRE T2*WI fs及PD fs对于轻度OA检出率比较如表-6所示。结果显示T2 mapping对于轻度OA检出率为100.00%（49/49），GRE T2*WI fs为85.71%（42/49）, PD fs为67.35%（33/49）, 三组间差异有统计学意义（X2=19.895，P<0.05），经两两比较，T2 mappig对于轻度OA检出率明显高于3D GRE T2*WI fs和PD fs，3D GRE T2*WI fs对于轻度OA检出率明显高于PD fs。T2 mapping、3D GRE T2*WI fs与常规序列PD fs两两比较如图4，图5及图6。

表6. T2 mapping、3D GRE T2*WI fs与PD fs对轻度OA的检出率比较

Table 6. Comparison of positive lesion detection rate of T2 mapping, 3D GRE T2*WI fs and PD fs in mild OA

注：两两比较，不同字母表示差异有统计学意义

AB

图4. 46岁女性OA患者的右髋关节，(A) T2 mapping伪彩图，箭头所指软骨中央带见点状黄色信号，提示软骨损伤，(B) 3D GRE T2* fs，同一位置未发现异常。

Figure4. The right hip joint of a 46-year-old female OA patient,(A) T2 mapping pseudo-color,punctate yellow signals are seen in the inside band of the cartilage at the arrow, revealling cartilage injury,(B) 3D GRE T2* fs,no abnormal finding in the same palce.

CD

图5. 69岁男性OA患者的右髋关节，(C) T2 mapping伪彩图，箭头所指软骨中央带见点状红、黄色信号改变，提示存在软骨退变。(D) PD fs，同一位置未见异常。

Figure 5. The right hip joint of a 69-year-old male patient with OA,(C) T2 mapping pseudo-color, punctate red and yello signals are seen in the central band of the cartilage at the arrow, revealling cartilage injury.(D) PD fs, no abnormal finding in the same palce.

EF

图6. 61岁女性OA患者的右髋关节，(E) 3D GRE T2* fs，箭头所示软骨内侧带软骨斑片状缺损，信号不均匀；(F) PD fs,同一位置未见异常。

Figure 6. The right hip joint of a 61-year-old female OA patient,(E) 3D T2* GRE fs，patchy defect in the inside band cartilage, signal is not uniform at the arrow;(F) PD fs, no abnormal finding in the same palce. 

3讨论

OA的病理改变涉及关节软骨和非软骨组织，以中老年患者多见，该病的致残率可高达50%左右。随着人口老龄化的进程，OA已经成为影响老年人生活质量的重要因素之一，早期诊断并干预成为临床工作的重点及难点。OA好发于负重度大活动度多的关节，一般病程较长，最终将导致关节结构的破坏[6]。髋关节是OA较常累及的部位之一，病情进展到一定程度时才会出现临床症状。疼痛及功能受限是OA较常见的临床表现，发展至重度OA时可能会导致残疾。常规的影像检查手段分辨率比较有限，可能对微小的软骨损伤不敏感。X线是OA较常见的筛查方法，不能直接显示软骨组织的形态及密度，只能通过识别软骨下骨的变化间接评价，普通的X线扫描技术较难识别早期软骨退变或损伤。关节镜是检测软骨损伤的金标准，属于有创操作，检查视野较局限，对医师的专业技术要求较高，不适合轻度OA的诊断和随访。近年来，磁共振定量技术发展迅速，实现了对软骨成分变化进行定量分析，满足了对软骨损伤无创评价的要求[7]。关节软骨早期变化特点体现为水分子之间以及水与周围大分子之间相互作用导致的水含量和胶原纤维方向的变化，磁共振T2 mapping技术对这种改变较为敏感。水和胶原蛋白含量、胶原蛋白纤维的方向共同影响T2值的变化，即发生变性软骨的T2值延长。既往的体内外研究表明，OA患者软骨的T2值明显升高，可以将软骨T2值变化特点作为评估软骨退变的早期指标之一[8]。

3.1 T2 mapping对骨关节炎软骨变性的研究

本研究发现髋关节OA患者各测量区带软骨平均T2值均高于正常人(P<0.05)，与Li等人[9]得到的OA软骨T2值变化特点一致，证明OA软骨退行性变延长了软骨的T2值。T2 mapping可以通过测量胶原蛋白的减少和水含量的增加来延长T2值，T2值的增加反映了软骨组织成分的变化，可发现形态改变前的关节软骨较早期损伤，敏感性较高

[10]，提示在临床工作中可通过T2 mapping测量软骨T2值来定量判断较早期OA的发生。本研究发现轻度与重度OA组之间软骨平均T2值无显著差异，可能是由于T2值主要反映软骨各生化成分的变化，而重度OA已发展至软骨下骨，此时软骨成分变化的程度已经不如早期明显[11]。

3.2 3D GRE T2*WI fs对骨关节炎软骨变性的研究

本研究结果显示3D GRE T2*WI fs对于轻度OA检出率明显高于PD fs。3D GRE T2*WI fs共124层的连续薄层、无间隔的扫描可提高对软骨损伤的检出能力；更大范围的覆盖，提高了其空间分辨率和信噪比，增加了图像细节的显示能力，能更加全面和清晰的观察关节软骨；可以进行多角度、任意平面的重建和分析，能更加清晰地观察软骨损伤的范围、形态及信号改变，适合OA的随诊和治疗后复查。脂肪信号受到抑脂，软骨呈明显高信号，骨髓呈明显低信号，增加了软骨与周围组织的对比。3D GRE T2*WI fs较常规PD fs节省了65秒的扫描时间，提高了患者的舒适度，可减少患者运动伪影并增加扫描效率。

综上所述，髋关节OA软骨退变的特点是关节软骨T2值升高，此种改变可以通过观察T2 mapping伪彩图直接发现，也可以通过测量其T2值定量显示。本研究证实T2 mapping可测量髋关节软骨T2值的改变，评估损伤程度及提示早期病变，指导临床进行早期干预或尽早治疗，减慢病程进展，改善预后，动态监测OA的发展。3D GRE T2*WI fs与常规序列PD fs相比提高了轻度OA病例的检出能力，可以实现更高的分辨率及更快的扫描时间。

3.3 局限性

首先，本研究样本量较小，有必要在更大的患者样本中更全面地评估来证实本研究的结果；其次，多种因素均可能影响软骨T2测量值，有文献报道，性别也是独立因素之一；本研究未按照性别分组，今后可将性别作为单一变量进行研究；本研究未结合OA诊断的金标准，在未来工作中可以结合关节镜的证实，将诊断准确性进一步提高。

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