正常青年人动态负荷下膝关节软骨磁共振T2时间的定量研究

李智慧 周海宇 奚小冰 李元超 陆 勇 杜联军 丁晓毅 严福华

随着MR技术的发展，关节软骨的生理性功能成像越来越受到关注。其中T2 mapping成像序列是近年来研究的热点之一。有研究表明T2 mapping成像对关节软骨内的水含量[1]和胶原纤维[2]十分敏感。目前的大部分研究是观察非负荷或非定量负荷状态下的软骨，这主要是常规磁共振无法实现应力位成像。本次研究拟采用自主开发的、可适应高磁场环境的下肢动态负荷加压装置，对正常中国青年人进行定量动态负荷，并对负荷前后的膝软骨T2时间进行比较，以此来分析磁共振T2 mapping成像反映软骨基质生理变化的敏感度，并验证下肢负荷装置的有效性。

方 法

1.一般资料

本次研究方案通过了医院伦理委员会审查，所有受试者均知情同意并签署相关文件。入选者筛选条件如下：无磁共振检查禁忌证，无外伤史，无关节炎病史和家族史，无下肢手术史，无膝关节疼痛等临床症状，汉族青年。受试对象共13人，其中6例男性，7例女性，平均年龄24.08±0.86岁（23～26岁），身体质量指数（BMI）平均为19.57±1.41kg/m2（17.15～21.72kg/m2）。

2.下肢动态负荷试验

采用自行开发设计，全部采用非铁磁材料制作的人体下肢关节加载装置。该装置采用气动加压原理（图1），以人工横纹肌装备实施下肢加压，受试者肩部和腰部固定，以基于Labview平台开发的负荷工控软件实现场外控制，设计垂直载荷为0～500N。

为了模拟正常人行走状态下膝关节软骨受力状况，本实验采用在高场MR条件下进行定量动态负荷加压。在MR机架上安装动态载荷加压装置，连接膝关节线圈，取仰卧位，固定受试者上半身以保证下肢负荷不因肢体位移而导致力学载荷流失。在完成MR扫描后，进行下肢动态负荷加压。考虑到人体承受能力，本实验对体重＞60kg者，施加压力为体重的50%，体重≤60kg者，所施压力载荷为300N。负荷形态为正弦波，周期5s，加压时间为20min。停止加压装置，再次进行MR序列成像。

采用GE Signa 3.0T磁共振成像系统，膝关节专用线圈（Quadknee），采用8回波T2 mapping序列，矢状位成像。参数：TR=1000ms，TE=8.9～71.0ms，层厚5mm，层间距2mm，FOV16cm×16cm，NEX=1，分辨率为320×192矩阵。

T2时间测定：将MR T2 mapping序列扫描的图像输入GE AW4.4工作站（版本functool 9.4.05a），应用functool软件进行后处理，得到膝关节软骨T2值的空间分布伪彩图，调节色阶范围在适当范围（10～80ms）。利用T2 mapping序列所得的图像进行T2值的测量，选择大小一致的ROI分别测量膝关节股骨内侧髁、外侧髁，胫骨内侧髁、外侧髁、髌软骨的负荷区的T2时间值，每处软骨在不同部位均测量3次取平均值。分别计算并记录股骨内外侧髁软骨面、胫骨内外侧平台软骨和髌软骨的T2时间均值。

3.统计学分析

采用SPSS16.0软件进行统计分析，对同一软骨区动态负荷前后的T2时间进行配对t检验，对不同区域软骨T2时间变化差异进行单因素方差分析，以P<0.05为有统计学意义。

结 果

MR图像分析：13例受试者中，男性6例，女性7例；受试者平均年龄为24.08±0.86岁；受试者在完成本实验后的随访中无任何异常情况。负荷前后软骨T2 mapping上表现：软骨在常规序列上光滑连续，未见异常信号；在T2 mapping图像上表层和深层表现为绿色，中间呈浅橘色，光滑连续的信号带（图2）。

图1 动态加压装置工作原理与实验图。

图2 负荷前后股骨内侧髁和胫骨平台内侧软骨T2 mapping图比较: 负荷前软骨表层和深层表现为绿色,中间呈浅橘色、光滑连续信号带,负荷区T2值约为33.67ms、36.92ms（A）；负荷后软骨表现为光滑连续的绿色信号带，中间区域T2值上升，但总体软骨T2值无显著变化, 负荷区T2值约为40.70ms、39.86ms（B）。

膝关节关节各部位软骨负荷前后的T2时间分别为：髌软骨区44.52±3.63ms，43.69±3.48ms（t=1.23，P=0.242）；胫骨内侧平台区40.43±7.7ms，39.76±5.41ms（t=-0.41，P=0.687）；胫骨外侧平台区36.05±5.65ms，36.98±5.53ms（t=0.64，P=0.537）；股骨内侧髁区43.30±8.18ms，48.62±6.48ms（t=1.94，P=0.085）；股骨外侧髁区41.55±5.18ms，46.50±6.99ms（t=1.88，P=0.077）。负荷前后的膝关节软骨各个分区的T2时间无显著变化。不同区域软骨T2时间变化值比较结果：P=0.22，不同区域软骨T2时间变化差异无显著差异（表1）。

表1 正常青年人负荷前后关节软骨的T2值变化（均数±标准差，单位ms）

讨 论

1.正常关节软骨的生化组成成分及其作用

关节软骨是一种特殊的结缔组织，由软骨细胞和软骨基质组成，没有血管、神经和淋巴管，营养主要来自滑液和软骨下血管。软骨基质主要由水、胶原纤维和蛋白多糖组成。水分约占软骨湿重的65%～80%。胶原占软骨干重的60%～80%，在软骨内形成网架结构，赋予软骨一定的形态和硬度。蛋白多糖被胶原网架包绕，占软骨干重的20%～40%，蛋白多糖带大量负电荷，吸附大量水分，使软骨内产生膨胀压。关节软骨可分为四层：浅表层、过渡层、放射层和钙化层，各层中细胞的形状与大小、胶原纤维的粗细与走向、蛋白多糖的浓度和水分的含量均不相同。这些组织结构赋予了关节软骨的主要生理功能有均匀传递载荷、减少接触应力、缓冲震荡等。

2.T2 mapping成像原理及其与软骨基质的关系以及相关应用研究

T2弛豫时间通过描述组织横向磁化衰减来反映组织的特异性，通过测量不同回波时间的磁共振信号强度，并由方程S(t)=S0exp(-t/T2)计算得到T2值。研究表明该序列对组织内的含水量和胶原结构十分敏感。影响T2时间的因素有软骨基质内水含量、关节软骨胶原结构、关节软骨生物力学、魔角效应等[3]。由于关节软骨各层内水含量、胶原纤维的方向和组织结构差异，T2时间也会不同。有研究表明[1]膝关节软骨T2值从钙化层10ms升至浅表层达60ms。有关动物实验研究[4]显示狗肘关节软骨T2值接近于人的软骨T2值，T2 mapping序列可有助于提高对犬OA疾病的诊断并且具有较好的可重复性。Wei等[5]结果表明前交叉韧带断裂的兔子骨关节炎模型软骨T2值明显升高，并且T2值与组织学分级有很好的相关性，T2 mapping在评估前交叉韧带断裂兔子软骨损伤具有可靠性和可行性。有研究[6]对正常人和早期膝关节软骨损伤的病人进行对照研究，结果发现早期软骨损伤病人的T2值明显升高，T2 mapping可对早期的软骨损伤具有较高的临床诊断价值。Mamisch等[7]研究结果显示T2 mapping可对非负荷状态下的正常软骨组织和修复软骨进行鉴别和评估。研究者[8]对膝关节软骨损伤病人进行常规序列MR检查和增加一个矢状位T2 mapping序列MR检查对照研究，并用关节镜作为检查软骨损伤的标准，结果表明增加T2 mapping序列的MR检查提高了对软骨损伤的敏感性。

3.软骨负荷前后T2时间的分析研究

T2值反映了关节软骨中的水含量，在软骨大体形态变化前其内部大分子的改变都会造成其水含量的相应变化。T2 mapping技术对组织含水及生化结构非常敏感，软骨胶原蛋白多糖中结合水质子促进了T2值衰减，使软骨在T2加权上信号减低，所以软骨的基质改变能在T2 mapping上反映出来[9]。为了研究软骨动态负荷前后软骨基质成分变化情况，本实验采用自行开发的人体下肢关节力学负荷装置，对志愿者的膝关节进行定量动态负荷加压。结果显示正常青年定量动态负荷前后膝关节软骨的T2时间值无显著差异；不同区域软骨T2时间变化亦无显著差异。国外研究报道[10]研究者对22位正常志愿者膝关节静态负荷50%体重后，股骨内侧髁软骨T2值明显降低。胫骨平台内外侧软骨T2值也明显降低。MR生物力学负荷后可以检测静态负荷过程中软骨T2值的变化。研究者[11]对20例正常成年志愿者人跑步运动30min前后进行T2 mapping成像，与运动前相比，除胫骨外侧髁软骨外，其他膝关节各部分的软骨运动后T2值都明显降低。运动后，胫股关节内侧软骨和髌股关节软骨T2值降低的最显著。国内相关研究[12]显示正常人跑步运动后膝关节软骨T2时间值降低。

4.本研究的局限性及其结果分析

本实验的结果显示，中国正常青年人定量动态负荷前后膝关节软骨的T2时间值无显著差异；不同区域软骨T2时间差异无统计学意义。而国内外前人的研究结果显示跑步运动前后或非定量负荷后正常人膝关节负荷后膝关节软骨的T2时间降低。鉴于此，分析本实验结果的可能原因有：①正常人在步态运动时膝关节最大轴向所受的力约是体重的2.3～7.1倍[13]。而本实验对受试者所施加的定量动态负荷仅为体重的一半。可能由于负荷的原因造成此研究结果为阴性；②由于人体站立或在平躺仰卧位时，膝关节的连动作用，以及关节周围韧带、肌肉、半月板等组织对所施加力缓冲作用，可能作用于膝关节软骨的力达不到实验预设值；③加压装置和固定装置的原因：本实验所采用的自主设计的动态加载装置及固定装置，可能随着加载时间的延长、固定装置的松动等原因造成所施加的压力不能完全作用于人体；④软骨本身具有较高的承载作用，可能由于软骨在一定压力值承受范围内关节软骨内的基质成分变化不明显；⑤本研究样本量较少，软骨T2值的变化情况有待进一步大样本的统计分析。

总之，与静息状态相比，本研究正常人膝关节软骨在承载一定量的动态负荷后软骨T2时间无显著差异，这可能与多方面因素有关。另外本实验所采用的自行设计的动态加压装置适合在高磁场条件下完成加压及磁共振检查，有一定的临床推广意义。

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