DTI评估髌股关节软骨轻度损伤：与关节镜对照

李 敏，邓德茂*，伏春华，马立恒，孙沛毅，李莎莎， 廖 海，韦小梅，段高雄，罗 芳，陈文福(.广西中医药大学第一附属医院放射科，.骨科，广西 南宁 500； .广东药学院附属第一医院影像医学科，广东 广州 50080)

DTI评估髌股关节软骨轻度损伤：与关节镜对照

李 敏1，邓德茂1*，伏春华2，马立恒3，孙沛毅1，李莎莎1， 廖 海1，韦小梅1，段高雄1，罗 芳1，陈文福1
(1.广西中医药大学第一附属医院放射科，2.骨科，广西 南宁 530023； 3.广东药学院附属第一医院影像医学科，广东 广州 510080)

目的 探讨DTI评估髌股关节软骨轻度损伤的价值。方法 回顾性分析82例常规MR诊断髌股关节软骨正常或轻度损伤患者的DTI及关节镜检查资料。根据关节镜检查结果，将其中40例Outerbridge分级Ⅰ、Ⅱ级者纳入髌股关节软骨轻度损伤组，33例无髌股关节软骨损伤者纳入对照组，排除9例Outerbridge分级为Ⅲ、Ⅳ级者。对比分析2组髌股关节软骨DTI表现，并与关节镜结果对照。结果 髌股关节软骨轻度损伤组40例关节镜检查共发现62处软骨轻度损伤；其中通过ADC及伪彩图可显示49处(49/62，79.03%)，FA伪彩图可显示51处(51/62，82.25%)。髌股关节软骨轻度损伤ADC及FA伪彩图表现为软骨色阶不均匀，内见红色或粉色色阶。与对照组正常软骨比较，髌股关节软骨轻度损伤组软骨损伤区ADC值明显增高，FA值明显降低(P均<0.05)。结论 DTI可显示及量化髌股关节软骨的轻度损伤，为早期软骨损伤的诊治提供有价值的参考信息。

扩散张量成像；髌股关节；软骨损伤；关节镜

近年来，临床因运动或外伤所致膝关节软骨损伤日益常见[1]。DTI主要基于分子在磁场中弥散运动的差异成像。膝关节软骨内不含血管结构，软骨细胞的营养及代谢几乎完全依靠分子弥散完成，为DTI技术应用于关节软骨的优势[2]。目前关节软骨损伤的DTI研究较少，且关节镜Outerbridge分级Ⅰ、Ⅱ级的软骨损伤较轻微，形态学变化不明显，极易误、漏诊[3]。本研究回顾性分析轻度损伤髌股关节软骨的DTI表现，并与关节镜结果对照，探讨DTI对Outerbridge Ⅰ、Ⅱ级软骨损伤的诊断价值。

1 资料与方法

1.1一般资料 收集我院2015年1月—2016年6月间常规MR诊断髌股关节软骨正常或轻度损伤的患者82例，其中男57例，女25例，年龄16～44岁，中位年龄26.5岁。纳入标准：①常规MR诊断髌股关节软骨正常或轻度损伤，且患者可耐受DTI检查；②均于DTI扫描后1周内接受关节镜手术；③MR扫描前未对软骨损伤进行治疗。排除标准：①髌骨及股骨骨折；②既往有膝关节手术史；③患有其他膝关节疾病，如膝关节肿瘤、类风湿、缺血性骨坏死、发育异常等；④有MR检查禁忌证。本研究经我院医学伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。

根据关节镜检查结果，将髌股关节软骨损伤Outerbridge分级为Ⅰ、Ⅱ级者纳入髌股关节软骨轻度损伤组，无髌股关节软骨损伤者纳入对照组。髌股关节软骨轻度损伤组共40例，男29例，女11例，年龄25～45岁，中位年龄28.5岁，平均体质指数(body mass index， BMI)为(28.19±3.07)kg/m2。髌股关节软骨轻度损伤组中，12例为前交叉韧带损伤，12例为半月板撕裂，8例为胫骨平台骨折，3例为后交叉韧带损伤，3例为股骨外髁外侧面软骨损伤，1例为股骨内髁外侧面软骨损伤，1例为髌股关节发育不良并脱位。对照组共33例，男24例，女9例，年龄16～46岁，中位年龄25岁，平均BMI为(25.99±2.81)kg/m2。对照组中，12例为半月板撕裂，8例为前交叉韧带损伤，5例为胫骨平台骨折，3例为后交叉韧带损伤，3例为盘状半月板合并撕裂，2例为滑膜皱襞增厚。9例关节镜检查显示髌股关节软骨损伤Outerbridge分级为Ⅲ、Ⅳ级者不纳入研究。

1.2MR检查 采用Siemens Viro 3.0T MR扫描仪，8通道膝关节线圈。患者检查前静坐30 min，检查时取仰卧位，足先进，膝关节微屈约15°，受检膝关节位于磁场中心，扫描中心线位于髌骨下缘。先行矢状位T1WI及轴位脂肪抑制T2WI、三维MR双回波稳态(three-dimensional dual echo steady state， 3D-DESS)、T2*弛豫时间图(T2*relaxation time mapping, T2*mapping)序列扫描。扫描参数：T1WI，TR 400 ms，TE 8.8 ms，层厚3.5 mm，层间距0.7 mm；T2WI脂肪抑制序列，TR 3 920 ms，TE 72 ms，层厚3.5 mm，层间距0.7 mm；3D-DESS，TR 14.1 ms；TE 5 ms，层厚 3 mm，层间距 0.6 mm，FOV 180 mm×180 mm，带宽250 Hz/Px，翻转角25°；T2*mapping，TR 445 ms，TE分别为4.36、11.90、19.44、26.98、34.52 ms，层厚3 mm，层间距0.6 mm，FOV 160 mm×160 mm，带宽260 Hz/Px，翻转角60°。DTI采用单次激发自旋回波-回波平面(spin echo-echo plane image， SE-EPI)序列，扫描参数：TR 5 200 ms，TE 77 ms，层厚3 mm，层间距 0，NEX 8，b值0、600 s/mm2，带宽1488 Hz/Px，扩散敏感梯度场施方向6个；扫描时间8 min 51 s。

1.3关节镜检查 采用Stryker 1088iHD成像系统。术前常规复习MRI资料，以选择适合的穿刺点。观察各部位软骨、韧带及半月板情况，记录膝关节损伤(重点观察并记录软骨损伤)部位及程度。

1.4图像分析 由2名从事骨关节影像诊断10年以上的副主任医师完成DTI图像后处理与分析，意见不一致时经协商决定。将原始图像数据转化为DII格式，通过Matlab 12.0软件进行校准配对；将匹配校对好的图像导入Mricron软件，以3D-DESS为解剖图，分别融合ADC图及FA图，并进行测量。以关节镜结果为标准，在DTI图像中定位膝关节软骨损伤部位，测量FA值及ADC值。正常软骨FA值及ADC值测量以髌骨或滑车中心层面为基准层面，并以该层面髌骨脊或滑车最低点为中心，分别测量并记录髌骨或滑车下1/2及上1/2中心层面的髌软骨FA及ADC值，对每一患者每一关节面(髌骨或滑车面)取18个测量点，共1 188个测量点。FA及ADC值取2名医师测量值的平均值。

1.5统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。计量资料以±s表示，髌股关节软骨轻度损伤组与对照组患者年龄比较采用Wilcoxon秩和检验，性别比较采用Fisher精确概率检验，组间BMI、FA及ADC值比较采用两独立样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

髌股关节软骨轻度损伤组与对照组患者性别 (P=0.176)、年龄(P=0.218)及BMI(t=1.428，P=0.153)差异均无统计学意义。

2.1关节镜结果 对照组正常关节软骨光整，无关节软骨变软及表面缺损(图1)。髌股关节软骨轻度损伤组40例患者共发现62处软骨损伤。Outerbridge Ⅰ级损伤主要表现为软骨变软，表面纤维化；Outerbridge Ⅱ级损伤主要表现为软骨破损，但软骨缺损小于全层的50%。见图2。

2.2DTI与关节镜结果对照 对照组髌股关节软骨ADC及FA伪彩图表现为沿骨性关节面走行的均匀色阶，呈均匀黄色或蓝色(图1)。髌股关节软骨轻度损伤组62处软骨损伤中，通过ADC及FA伪彩图分别可显示49处(49/62，79.03%)及51处(51/62，82.25%)；ADC及FA伪彩图表现为软骨色阶不均匀，内见红色或粉色色阶(图2)。与对照组正常软骨相比，髌股关节软骨轻度损伤组软骨损伤区ADC值明显增加，FA值明显降低，差异均有统计学意义 (P均<0.01)，见表1。

表1 髌股关节软骨轻度损伤组与对照组ADC及FA值比较(±s)

表1 髌股关节软骨轻度损伤组与对照组ADC及FA值比较(±s)

组别ADC值(×10-3mm2/s)FA值轻度损伤组(n=62)1．65±0．220．30±0．06对照组(n=33)1．37±0．070．40±0．08t值20．32-7．70P值<0．01<0．01

3 讨论

软骨损伤后软骨细胞继发死亡，软骨细胞死亡与软骨基质降解、软骨胶原结构网络破坏相伴[4-6]。这种软骨复合体生化结构的变化早于形态学的变化。目前可显示软骨损伤的MR序列较多[3-4，7-10]。三维快速扰相梯度回波(three dimensional spoiled gradient recalled acquisition in steady-state， 3D-SPGR)及3D-DESS序列均可全面显示膝关节软骨，有助于对软骨缺损的诊断[3,8]。但Outerbridge分级为Ⅰ、Ⅱ级的软骨损伤，其软骨本身形态学变化较小(软骨变软或者表面轻度纤维化)，3D-SPGR及3D-DESS序列MR检查仍存在不同程度的盲区。Na成像、T1ρ成像、磁化转移成像、T2图有利于反映软骨生化结构的变化，但目前T2图、磁化转移成像表现主要取决于软骨基质内水及软骨内蛋白多糖(proteoglycan， PG)的相对含量[9-11]。

图1 患者男，30岁，对照组滑车软骨 A、B.3D-DESS(A)及T2*mapping(B)图像示股骨滑车软骨形态完整，未见形态及信号异常，T2*mapping图像色阶均匀，未见异常色阶； C、D.经Mricron软件处理后获得的3D-DESS序列与ADC、FA序列融合的伪彩图，伪彩图色阶均匀，无异常色阶； E.关节镜检查图像，滑车软骨光整，无损伤(箭头)，髌股关节间隙内见增厚的滑膜皱襞(箭)

图2 患者男，35岁，股骨滑车软骨轻度损伤 A.3D-DESS图像示髌股关节软骨毛糙，局部软骨破损(箭)；关节腔内可见游离体(箭头)； B.T2 mapping图示滑车软骨色阶欠均匀，软骨破损区可见红色色阶(箭)； C.Mricron软件处理后ADC伪彩图示股骨滑车色阶不均匀，3D-DESS稍高信号区可见红色色阶(箭)； D.Mricron软件处理后FA伪彩图示股骨滑车广泛性色阶增加，3D-DESS稍高信号区可见粉红色色阶(箭)； E.关节镜检查图像，股骨滑车毛糙，表面纤维化，髌股关节广泛性软骨变软(Outerbridge Ⅰ级)，局部破损(Outerbridge Ⅱ级，箭)

DTI技术主要基于分子弥散成像。理论上，DTI对软骨结构显示可达到微米级，可显示关节软骨微观结构(PG蛋白分子直径约10 μm，胶原纤维直径约0.2 μm)。关节软骨早期损伤时，DTI对细微软骨损伤更为敏感。ADC及FA值可用于对软骨PG及胶原纤维网络进行评估[12-13]。但采用3.0T MR扫描仪进行关节软骨DTI扫描仍然存在一些问题。首先，DTI采用EPI序列，EPI图像存在变形，而关节软骨菲薄，变形的功能图像难以与解剖图融合。本研究应用Matlab 12.0及Mricron软件对原始DTI图像进行匹配校正，获得了较为满意的DTI融合图像。其次，DTI参数设置在临床实际应用需要大量的研究进行优化及论证，如理论上扩散敏感梯度场施方向越多，DTI图像分辨率越高，但实际应用中随着扩散敏感梯度场施方向增多，扫描时间将大幅延长，运动伪影增加，DTI图像质量降低。

本研究显示，Outerbridge分级为Ⅰ、Ⅱ级的软骨损伤的ADC及FA伪彩图表现为软骨色阶不均匀，内见红色或者粉色色阶，软骨损伤部分ADC值明显增高，而FA值明显下降，与既往研究[2，13-14]结果一致。ADC值增高的原因为ADC值是各方向扩散张量总和的平均值，在软骨中主要取决于单位体积PG含量，而软骨PG是糖胺聚糖与核心蛋白以糖苷键共价结合形成的复杂大分子，糖胺聚糖聚合成的大分子结构内羟基、硫酸根带有负电荷，吸附集聚阳离子(主要是Na+)，从而产生渗透压，使水分进入软骨；软骨损伤时单位体积内PG含量降低，软骨内小分子(水分子，Li-、Na+及CF3CO2-)弥散运动增加，导致ADC增加。FA值由扩散张量的各向异性成分与整个扩散张量之比决定，在软骨中主要取决于软骨胶原纤维网的完整性；正常软骨中由于胶原纤维网网络的存在，以水分子为代表的小分子更易沿网络结构向四周弥散，当软骨损伤时胶原纤维结构破坏，网络结构减少影响小分子弥散运动，从而导致FA值降低。

本研究共62处髌股关节软骨轻度损伤，通过ADC伪彩图可显示其中49处(49/62，79.03%)，FA伪彩图可显示其中51处(51/62，82.25%)，存在漏诊病例，其可能的原因包括：①DTI图像虽然经后处理软件进行校准，降低了图像变形的程度，但图像变形仍然存在；②关节软骨菲薄，正常髌股关节软骨平均厚度约4.0～5.0 mm，EPI图像与软骨匹配不准导致后期处理时将关节软骨周围结构(如关节积液、关节滑膜)划入感兴趣区，造成误差；③关节镜为关节软骨损伤的金标准，但其结果受操作者主观因素影响，尤其对Outerbridge Ⅰ级关节软骨损伤，完全靠操作者探针加压判断损伤程度，可能产生误诊；④DTI图像的采集及数据后处理对操作人员要求高，扫描过程必须严谨、细致，否则易对结果产生偏差。

本研究的局限性：①DTI对膝关节软骨的分辨率仍然有待进一步提高；②研究对象为Outerbridge Ⅰ、Ⅱ级软骨损伤患者；Outerbridge分级为Ⅲ、Ⅳ级者由于软骨缺损区面积相对较大、较深，常规MR对其显示效果较好，DTI优势不明显而未纳入研究；③髌股关节软骨损伤只是膝关节损伤的一部分，将DTI序列进一步优化并应用于整个膝关节软骨的监测还有待进一步深入研究。

总之，DTI对Outerbridge分级为Ⅰ、Ⅱ级的髌股关节软骨损伤具有较好的显示能力，髌股关节软骨损伤区ADC值增高且FA值降低。

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DTI evaluation of mild articular cartilage injury in patellofemoral joint: Comparison with arthroscopy

LIMin1,DENGDemao1*,FUChunhua2,MALiheng3,SUNPeiyi1,LIShasha1,LIAOHai1,WEIXiaomei1,DUANGaoxiong1,LUOFang1,CHENWenfu1
(1.DepartmentofRadiology, 2.DepartmentofOrthopaedic,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiChineseMedicineUniversity,Nanning530023，China； 3.DepartmentofMedicalImaging,theFirstAffiliatedHospitalofGuangdongPharmaceuticalUniversity,Guangzhou510080，China)

Objective To evaluate the value of DTI in mild articular cartilage injury in patellofemoral joint. Methods The DTI and arthroscopy data of 82 patients wih routine MRI diagnosed as mild articular cartilage injury were analyzed retrospectively. According to the results of arthroscopy, 40 cases of mild articular cartilage injury with Outerbridge classification Ⅰ or Ⅱ were divided into experimental group, and 33 cases with normal patellofemoral articular cartilage were divided into control group. There were 8 articular cartilage injury patients with Outerbridge classification Ⅲ or Ⅳ in patello-femoral join were excluded. The DTI data were analyzed compared with arthroscopy. Results Arthroscopy detected 62 lesions of cartilage injury in experimental group. Totally 49 lesions (49/62， 79.03%) were detected by ADC pseudocolor image and 51 lesions (51/62， 82.25%) were detected by FA pseudocolor image. The DTI pseudocolor images of articular cartilage injury showed uneven levels. The red or pink levels can been observed. Compared with the control group, ADC value increased and FA value decreased significantly in experimental group (bothP<0.05). Conclusion DTI can clearly display and detect mild articular cartilage injury in patellofemoral joint, which provide valuable information for early cartilaginous injury.

Diffusion tensor imaging; Patellofemoral joint; Cartilage injury; Arthroscopy

广西省自然科学基金(2014GXNSFAA118257)。

李敏(1982—)，男，四川眉山人，硕士，主治医师。研究方向：关节软骨功能成像。E-mail: hanbin21042332@126.com

邓德茂，广西中医院大学第一附属医院放射科，530023。E-mail: demaodeng@163.com

2016-09-21

2017-04-03

10.13929/j.1003-3289.201609096

R684; R445.2

A

1003-3289(2017)07-1071-05