T1 rho和T2 mapping序列观察运动对膝关节半月板的损伤

陈 蒙,邱 麟,刘斯润*

(1.苏州大学附属第一医院放射科，江苏 苏州 215006；2.暨南大学附属第一医院影像中心，广东 广州 510630)

半月板的主要功能是传导膝关节压力负荷，增加股胫关节受力一致性，进而减少关节软骨的压力；同时其在关节稳定性、关节润滑、压力吸收及维持关节软骨完整性方面也发挥重要作用[1]。研究[2-3]显示，运动可在一段时间内影响半月板的生化成分和微观形态学，导致半月板变形。关节重复的高强度运动(如跑步)是发生骨关节炎(osteoarthritis, OA)的生物力学危险因素[4]；而长期慢性运动负荷和过度锻炼会导致关节内损伤和变形，进而导致力学压力相关的OA或加速OA的进程。膝关节半月板不同部位在运动中的压力分布不同，变性和损伤发生的可能性存在解剖区域变化和空间的异质性。不同运动对半月板不同部位的影响尚不清楚。T1 rho和T2 mapping成像可定量分析半月板内水含量、胶原蛋白和蛋白多糖(proteoglycan, PG)变化，本研究旨在探讨其研究步行、跑步和楼梯运动对膝关节半月板损伤的价值。

图1 半月板分区T1 rho图像 A.内侧半月板前后角； B.外侧半月板前后角

1 资料与方法

1.1 一般资料 2014年1月—12月募集健康志愿者23名，男11名，女12，年龄20～30岁，中位年龄25岁。纳入标准：①均无膝关节损伤、疼痛或不适，无膝关节手术史；②无MRI扫描的禁忌证(内置起搏器、金属等)。本研究经伦理委员会批准。志愿者均被告知研究目的及流程，并签署知情同意书。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器 采用GE Discovery MR750 3.0T MR扫描仪及原装8通道膝关节线圈。志愿者取仰卧位，下肢伸直平放，分别在30 min休息、步行、跑步和楼梯运动后接受右膝关节MR扫描。每次运动间隔期为1周，且运动前休息30 min，以减少之前日常运动对半月板的影响；扫描时间为清晨，以最大限度降低日常运动对半月板的影响。运动结束到扫描开始的时间控制在1 min内，以减少MR豫弛时间的恢复。扫描参数：矢状位PD FS FSE序列，TR 3 376 ms,TE 30 ms,FOV 14 cm,矩阵384×256,层厚2.5 mm,间距0.5 mm,回波链长度8, NEX 2,带宽31.25；矢状位/轴位 T1 rho序列，TR 6.1 ms,TE Min Full,FOV 14 cm,矩阵288×192,层厚3.0 mm,NEX 1,带宽41.67,自旋锁定频率500.00 Hz,自旋锁定时间0、10、40、80 ms,T1恢复时间1 200 ms；矢状位/轴位T2 mapping序列: TR 2 400 ms,FOV 14 cm,矩阵256×160,层厚2.5 ms，间距0.5 mm, 回波链长度8,NEX 1,带宽83.33。T1 rho和T2 mapping序列的扫描顺序随机进行。

1.2.2 运动方法 步行、跑步在跑步机上进行；楼梯运动中每层楼梯28个台阶，台阶高度和宽度分别为15 cm和28 cm。记录志愿者身高、体质量、体质量指数(body mass index, BMI)及运动距离(km)、速度 (km/h)和消耗能量(kcal)。

1.2.3 图像评估 由2名高年资肌骨放射医师采用双盲法对MR图像进行独立评估。PD FS FSE图像评估有无半月板变性、撕裂；T1 rho和T2 mapping图像传至Sun Advantage Workstation 4.5图像后处理工作站，通过Functool软件与PD FS FSE图像融合生成T1 rho和T2 mapping伪彩图(图1)。在半月板最厚层面勾画2～4 mm2的ROI，取中心点测量T1 rho、T2值，测量时避开骨皮质、软骨及关节液的影响。

1.3 统计学分析 采用SPSS 19.0统计分析软件。计量资料以±s表示，采用随机区组设计资料的方差分析来分析不同运动对膝关节半月板的影响，进一步两两比较采用Bonferroni检验分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

23名志愿者BMI为16.02～24.77 kg/m2，平均(20.29±1.81)kg/m2。步行平均速度为(6.16±0.71)km/h,平均消耗能量(186.27±21.61)kcal；跑步平均速度为(10.39±0.92)km/h,平均消耗能量(313.82±27.29)kcal；楼梯运动平均步频为(111.83±8.24)步/分,平均消耗能量(209.21±20.11)kcal。

所有状态下的PD FS FSE图像志愿者半月板均呈低信号，未见缺损及异常信号。运动后膝关节半月板在T1 rho和T2 mapping伪彩图呈现不同颜色(图2)。不同状态下半月板不同部位T1 rho、T2值比较见表1～3；步行、跑步、楼梯运动较休息状态半月板T1 rho值和T2值降低率见表4。

表1 不同状态下膝关节半月板T1 rho值比较(±s)

表1 不同状态下膝关节半月板T1 rho值比较(±s)

状态内侧半月板前角体部后角外侧半月板前角体部后角休息20．66±1．2920．28±0．9521．22±1．1820．57±1．1619．59±1．2619．88±1．33步行20．54±0．9119．39±1．1820．05±1．1920．38±1．3918．88±1．3419．28±1．28跑步20．48±0．9919．24±1．3219．11±1．5920．38±1．4618．73±1．1819．08±1．21楼梯运动20．18±0．9518．95±0．9919．00±1．4820．22±1．2818．74±1．0019．04±1．49F值1．8579．44522．2630．4134．3732．450P值0．145<0．001<0．0010．7440．0070．071

表2 不同状态下膝关节半月板T2值比较(±s)

表2 不同状态下膝关节半月板T2值比较(±s)

状态内侧半月板前角体部后角外侧半月板前角体部后角休息17．47±1．1917．34±1．4817．47±1．4718．60±1．7016．63±1．0617．45±1．24步行17．45±1．4616．35±1．1016．56±1．4718．40±1．5816．22±0．9917．16±1．13跑步17．36±1．7916．10±1．0315．63±1．3918．35±1．5516．03±1．0616．76±1．67楼梯运动17．11±1．5315．65±1．0715．13±1．4818．13±1．6715．74±0．9616．75±1．29F值0．41814．92116．1871．1196．9352．568P值0．740<0．001<0．0010．348<0．0010．062

表3 膝关节半月板T1 rho和T2值不同状态下两两比较结果(P值)

表4 运动状态较休息状态膝关节半月板T1 rho和T2值降低率(%)

3 讨论

膝关节半月板长期承受压力负荷会发生生化成分的改变：细胞内液体流向细胞外间隙，胶原纤维呈不同程度的变形，进而引起PG浓度相对升高。T1 rho值反映活动受限水分子和大分子环境的交互作用,与PG浓度呈负相关[3,5]。T2值反映自由质子能量交换的能力，与胶原纤维和水含量呈正相关[2,5],故胶原纤维变形和水丢失均可引起T2值降低。步行对半月板造成的压力负荷明显少于跑步及楼梯运动。步行和跑步时，膝关节屈曲角度小于楼梯运动，半月板主要承受纵向轴性负荷；楼梯运动时，膝关节屈曲角度大于90°，半月板主要承受纵向轴性负荷和斜向剪切力，尤其是内侧半月板后部。Gilbert等[6]指出步行的接触压力峰值位于内侧半月板中部，但爬楼梯的接触压力峰值位于内侧半月板后部。

运动中内侧半月板较外侧半月板承受更大的压力负荷。研究[7-8]认为早期OA患者内侧半月板易受结构性损害，分析原因可能包括：①内侧半月板易变性低、直径大、厚度薄，因此产生损害的可能性增加[9]；②膝关节内侧部分承重最大，正常状态下膝关节60%～80%的压力负荷经过内侧半月板传导[10]；③股骨外侧髁前后轴呈矢状走形，而内侧髁前后轴与矢状位呈22°夹角，膝关节屈曲时股骨外侧髁较内侧髁高，当股胫关节面承受来自上方的负荷时膝关节有内翻的受力，因此内侧胫骨平台受力增加；④运动中内侧半月板后角承受最大的负荷和摩擦，更易受损伤。多项关于胫骨平台内外侧不同后倾角的研究[11-13]报道均认为内侧的后倾角大于外侧。Walker等[11]认为内侧半月板后角承担最大程度的剪切负荷，尤其膝关节弯曲大于30°时；Erdil等[12-13]研究表明胫骨平台上端关节面与骨干并不垂直，其向后倾斜存在后倾角。股骨髁在轴向负荷时有向后下滑的趋势，使得股胫关节后部承受更多的负荷。张卫国等[13]认为膝关节屈曲30°～45°时股胫负荷面位于胫骨平台中1/3，屈曲60°以上时负荷面后移至胫骨平台后1/3。

图2 不同状态下T2 mapping伪彩图 休息(A)、步行(B)、跑步(C)和楼梯运动(D)后内侧半月板后角呈不同颜色

Rauscher等[14]认为半月板T2值较T1 rho值对鉴别不同程度OA患者与健康人更具价值。Subburaj等[2]认为评估半月板运动负荷时T1 rho值较T2值更敏感。T2值对水分子及胶原纤维浓度、定向和各向异性的交互作用很敏感。半月板内Ⅰ型胶原蛋白浓度较高，约为15%～25%,但PG含量较低，约为1%～2%。半月板内胶原纤维浓度较高可解释T2值与半月板关系密切。Son等[15]研究报道，T1 rho值和T2值均与水分子浓度相关，与半月板骨关节炎的力学性能呈中度相关，但与黏多糖或胶原纤维浓度相关性较低。

本研究局限性：①受试者数量少，需进一步增加样本量；②本研究在人体内进行，缺乏病理金标准进行对照。

[1] Hunter DJ. Insights from imaging on the epidemiology and pathophysiology of osteoarthritis. Radiol Clin North Am, 2009,47(4):539.

[2] Subburaj K, Kumar D, Souza RB, et al. The acute effect of running on knee articular cartilage and meniscus magnetic resonance relaxation times in young healthy adults. Am J Sports Med, 2012,40(9):2134-2141.

[3] Zarins ZA, Bolbos RI, Pialat JB, et al. Cartilage and meniscus assessment using T1 rho and T2 measurements in healthy subjects and patients with osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage, 2010,18(11):1408-1416.

[4] Jackson BD, Wluka AE, Teichtahl AJ, et al. Reviewing knee osteoarthritis—a biomechanical perspective. J Sci and Med Sport, 2004,7(3):347-357.

[5] Souza RB, Stehling C, Wyman BT, et al. The effects of acute loading on T1 rho and T2 relaxation times of tibiofemoral articular cartilage. Osteoarthritis Cartilage, 2010,18(12):1557-1563.

[6] Gilbert S, Chen T, Hutchinson ID, et al. Dynamic contact mechanics on the tibial plateau of the human knee during activities of daily living. J Biomech, 2014,47(9):2006-2012.

[7] Raynauld JP, Martel-pelletier J, Berthiaume MJ, et al. Quantitative magnetic resonance imaging evaluation of knee osteoarthritis progression over two years and correlation with clinical symptoms and radiographic changes. Arthritis Rheum, 2004,50(2):476-87.

[8] 曹明明，张军.定量T2-mapping评价半月板退变与膝关节骨性关节炎的相关性.中国医学影像技术,2012,28(6):1204-1207.

[9] Kornick J, Trefelner E, McCarthy S, et al. Meniscal abnormalities in the asymptomatic population at MR imaging. Radiology, 1990,177(2):463-465.

[10] Cerejo R, Dunlop DD, Cahue S, et al. The influence of alignment on risk of knee osteoarthritis progression according to baseline stage of disease. Arthritis Rheum, 2002,46(10):2632-2636.

[11] Walker PS, Arno S, Bell C, et al. Function of the medial meniscus in force transmission and stability. J Biomech, 2015,48(8):1383-8.

[12] Erdil M, Yildiz F, Kuyucu E, et al. The effect of sagittal plane deformities after tibial plateau fractures to functions and instability of knee joint. Acta Chir Orthop Traumatol Ceah, 2016,83(1):43-46.

[13] 张卫国,高卫东,张世华,等.胫骨平台后内侧骨折的创伤基质及生物力学研究.中医正骨,2009,21(1):15-18.

[14] Rauscher I, Stahl R, Cheng J, et al. Meniscal measurements of T1 rho and T2 at MR imaging in healthy subjects and patients with osteoarthritis. Radiology, 2008,249(2):591-600.

[15] Son M, Goodman SB, Chen W, et al, Levenston ME. Regional variation in T1ρ and T2 times in osteoarthritic human menisci: Correlation with mechanical properties and matrix composition. Osteoarthritis Cartilage, 2013,21(6):796-805.

《中国医学影像技术》投稿要求(二)

9第一作者书写格式为：姓名(出生年-)，性别，籍贯，学位，职称，研究方向和E-mail。尚未毕业者学位写为“在读××”，如“在读硕士”、“在读博士”。投稿时，简介中需注明第一作者联系电话。

10通信作者通常为稿件所涉及研究工作的负责人，通信作者简介包括其姓名、单位、邮编和E-mail。

11摘要研究论著和综述性论文均须附中、英文摘要，英文在前，中文在后；经验交流和短篇报道不设摘要。摘要应以第三人称撰写，不宜超过350个汉字，不宜使用“我们”、“作者”等词作为主语。研究论著类论文的摘要应按结构式摘要的特征撰写，包括目的(Objective)、方法(Methods)、结果(Results)、结论(Conclusion)四项。综述性论文的摘要应按指示性摘要的特征撰写，简要叙述文章内容，无须按"四项式"编写。摘要应具有独立性和自明性，并且拥有与文献同等量的主要信息，在有限的字数内向读者提供尽可能多的定性或定量的信息，充分反映该研究的创新之处。英文摘要在300个实词左右，内容和形式要求与中文摘要基本对应。

12关键词中文关键词应以《医学主题词注释字顺表(2002年版)》为准，以标引能表达全文主题概念的叙词2～5个，尽量少用自由词。英文关键词应与中文对应，以《医学主题词注释字顺表(2002年版)》及《Mesh》内所列的主题词为准，每个英文关键词第一个词的首字母大写，各关键词之间用分号隔开。

13正文标题层次如：1 资料与方法(或材料与方法)，1.1 资料(或材料)，1.2 方法，2 结果，3 讨论，一般不超过三级标题，文内连序号为圈码，如①、②、③……表示。

14医学名词应注意规范、标准、前后统一，尽量少用缩略语，原词过长且在文中多次出现(2次以上)者，可于括号内写出全称并加注简称，以后用简称。医学名词术语，以全国科学技术名词审定委员会审定公布的医学名词为准。