磁共振形态和功能成像技术评估家兔膝关节软骨缺损修复的价值*

许 华，曾自三，丁 浩

（广西医科大学第一附属医院放射科，南宁 530021）

由于关节软骨的自体修复能力有限，软骨缺损不能得到及时修复，长期进展易导致关节软骨退行性变，发展为骨性关节炎，最终导致残疾[1]。随着软骨修复及再生技术的发展与丰富，并取得一定的疗效[2-3]，寻求监测软骨修复过程，评估临床疗效的技术需求日益增加。作为一项无创、可重复及多序列技术，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI）在评估关节软骨的结构与功能上敏感性高。国际软骨修复协会（international cartilage regeneration and joint preservation society，ICRS）将常规磁共振序列[T1WI、T2WI、质子加权序列（PDWI）]作为评估软骨的标准序列[4]，随着3.0T 高场强磁共振的广泛应用及多序列软骨成像技术的开发，功能磁共振及3D 磁共振软骨成像研究日益丰富，并成为研究热点。T2 加权双稳态3D 成像序列（3D-T2-DESS）和T1 加权三维梯度回波容积内插屏气呼吸序列（3D-T1-VIBE）在软骨形态学评估上具有更高的软组织分辨率，3D成像的各向同性特性可以对软骨进行三维重建。功能磁共振成像评估软骨组织的生化指标，更准确的提供软骨修复过程中的生化信息。有研究表明，家兔小范围软骨缺损能自主修复[5]，本研究通过建立新西兰大白兔双侧股骨内侧髁关节软骨全层缺损模型，比较不同形态磁共振序列监测软骨修复效果；连续观察功能磁共振测值变化，总结功能磁共振在评估软骨修复中的价值。现将结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 动物模型制备 6～10个月龄健康新西兰大白兔15只，雌雄不限，体重2.0～2.5 kg（广西医科大学实验动物中心）。术前8 h禁食禁饮，经耳缘静脉注射戊巴比妥钠1 mL/kg（3 g/100 mL）麻醉。双侧膝关节髌骨外侧脱位，经髌骨内侧旁皮肤切口暴露膝关节，用钻头在股骨内侧髁制作全层软骨缺损（直径5 mm，深3 mm），术前术后预防性使用抗生素（青霉素2×105U/kg，四川省精华动物药业有限公司，四川）。

1.2 术后磁共振评估 术后2～8 周，每周固定5 只行膝关节定量磁共振扫描，第8 周15 只行形态磁共振检查。使用西门子Prisam 3.0T磁共振，采用8通道小动物专用线圈（苏州众志医疗有限公司，江苏）线圈结构：相控阵结构。取头先进、仰卧位。扫描序列如下：（1）3D-T1-VIBE-WE-SAG，TR：13.60 ms，TE：6.79 ms，Average：1，FOV：60，矩阵：256×256，层厚：0.2 mm，层数：144；（2）3D-T2-DESS-WESAG，TR：37.0 ms，TE：21.0 ms，Average：1，FOV：60，矩阵：256×256，层厚：0.2 mm，层数：144；（3）PDWI-TSE-SAG-FS，TR：3 000.0 ms，TE：13.0 ms，Average：6，FOV：60，矩阵：192×192，层厚：1.0 mm，层数：22；（4）T1 mapping，TR：15.0 ms，TE：2.24 ms，Average：1，FOV：60，矩阵：192×192，层厚：3.0 mm，层数：22；（5）T2 mapping，TR：1 000.0 ms，TE：13.8 ms、27.6 ms、41.4 ms、55.2 ms、69.0 ms，Average：1，FOV：60，矩阵：192×192，层厚：3.0 mm，层数：22；（6）T2* mapping，TR：445.0 ms，TE：4.36 ms、11.90 ms、19.44 ms、26.98 ms、34.52 ms，Average：1，FOV：60，矩阵：192×192，层厚：3.0 mm，层数：22。扫描时间约23 min每只膝关节。MR评分采用国际软骨修复协会(ICRS)推荐软骨修复磁共振评分（the magnetic resonance observation of cartilage repair tissue，MOCART2.0）[6]。

1.3 大体评估 术后8 周完成MRI 检查后注射过量戊巴比妥钠处死兔子，解剖分离双侧股骨远端。根据ICRS大体评分标准[7]对各样本软骨修复评分。

1.4 病理学评分 软骨标本经中性福尔马林固定、EDTA 脱钙、石蜡包埋后连续矢状切片，并经苏木精－伊红（HE）、番红O染色。采用Wakitani软组织损伤修复组织学评分行病理评分[8]。

1.5 统计学方法 采用SPSS20.0 统计软件进行数据分析，计量资料以均数±标准差（）表示，两组均数比较采用t检验或配对t检验，多组间比较采用单因素方差分析，进一步两组间比较行SNK-q检验，相关性分析采用Pearson 相关性分析。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 15 只大白兔3.0T 磁共振各序列MOCART 评分情况 剔除1 只于术后3 d 死亡，1 只左侧膝关节严重粘连样本，其余纳入统计分析，磁共振评分见表1。

2.2 3D-T1-VIBE 与3D-T2-DESS 序列相关性分析及总体评分比较 术后第8 周磁共振图像见图1，3D-T1-VIBE 与3D-T2-DESS 序列总体MOCART 评分具有较好的相关性（r=0.722，P＜0.01）。然而，相关性并不代表一致性，两者总体评分比较，差异有统计学意义（P=0.017），见表2。

表1 15只大白兔3.0T磁共振各序列MOCART评分情况 分，

表1 15只大白兔3.0T磁共振各序列MOCART评分情况 分，

图1 术后8周3D-T1-VIBE与3D-T2-DESS磁共振图像

表2 3D-T1-VIBE序列与3D-T2-DESS序列MOCART评分比较 分，

表2 3D-T1-VIBE序列与3D-T2-DESS序列MOCART评分比较 分，

2.3 形态MRI 与大体、病理相关性比较 PDWI、3D-T1-VIBE 和3D-T2-DESS 的MOCART 评分分别于ICRS大体及Wakitani组织病理评分比较，见表3。不同序列的磁共振图像上均能明显的观察软骨缺损修复区域以及修复软骨的形态、信号，且与大体和组织病理相关性好，见图2。

图2 形态磁共振成像与大体、组织病理对照

表3 磁共振MOCART评分与组织病理、大体评分相关性

2.4 功能MRI 各时段方差分析及两两比较2～8 周各时间段T1 mapping 值比较，差异无统计学意义，且T1 值与复查时间相关性差（P＞0.05）。T2 mapping与T2*mapping各时间段比较，差异均具有统计学意义（P＜0.05），进一步两两分析显示，T2 值：第2、第3 周，第3、第4、第5 周，第4、第5、第6、第7 周，第4、第6、第7、第8周比较，差异无统计学意义（P＞0.05）；T2*值：第2、第3 周，第3、第4 周，第4、第5周，第6、第7、第8 周比较，差异无统计学意义（P＞0.05），其余时点之间比较，差异有统计学意义（P＜0.05），见表4、图3。同时，与复查时间具有明显相关性（T2 值与复查时间r=-0.787，P＜0.01；T2*值与复查时间r=-0.84，P＜0.01）。

表4 功能磁共振测值统计描述 分，

表4 功能磁共振测值统计描述 分，

与第2周比较，aP＜0.05；与第3周比较，bP＜0.05；与第4周比较，cP＜0.05；与第5周比较，dP＜0.05。

图3 功能磁共振测值随时间变化情况

3 讨论

MRI 能无创观察软骨病变，因此，在骨性关节炎（OA）和关节软骨损伤诊断上应用广泛[9]。近年来，磁共振硬件、软件以及相控阵线圈的不断革新，新兴的磁共振序列具有更好的成像效果。

3D 序列图像伪影少，信噪比高，且采用容积扫描，能够清晰显示关节软骨及其修复组织[10]。本研究中两个3D 序列（3D-T1-VIBE 与3D-T2-DESS）用于软骨的形态学评估具有较好的相关性，然而两者差异具有显著性。分析具体评分显示，两序列在修复体积、边缘整合、表面光滑及软骨下骨改变的评分上，差异无统计学意义（P＞0.05），但在软骨信号均一性、强度及骨缺损或增生3项评分上，却有明显差异（P＜0.05）。两序列在软骨单纯的形态成像上结果相似，但在软骨与周围组织信号对比度上，3DT2-DESS序列有更强的对比性。比较3种形态学磁共振（PDWI、T1-VIBE、T2-DESS）评分与大体、组织病理相关性发现，PDWI的相关性较差，考虑由于家兔膝关节软骨层厚较薄，相关研究表明大约为0.44 mm[11]，2D 序列不足以显示其细微结构。3DT1-VIBE 和3D-T2-DESS 在软骨成像上明显优于PDWI，由于其各向同性特点，后处理重建时，可以得到任意方向的重建图像，从而多方位评估软骨修复情况。

定量磁共振技术能够早于形态变化反应关节软骨内部成分变化情况，从而更早评估关节软骨修复情况。有研究表明，原始T1值与软骨基质中的水分子有关，软骨的破坏导致的细胞外基质的变化可以反应在T1测值中[12]。然而本研究发现，软骨缺损的修复前期（8周）原始T1值变化无意义，考虑软骨修复前期，T1 值的评估稳定性差，单纯依靠软骨基质中水含量来评估软骨修复情况不可靠。但有更进一步的研究表明钆延迟增强磁共振成像的T1 值评估软骨修复效果显著[13-14]。因为钆增强后的T1值不仅仅反应水分子，更主要的反应软骨基质中氨基多糖含量[15]。因此原始T1 值不能单独作为软骨修复评估的可靠指标，还应结合增强扫描。T2、T2*mapping 与软骨中的胶原含量、胶原网排布及水含量有关[16]。本实验结果显示，T2 和T2*值随时间变化明显，但T2 mapping应间隔1～3周，T2*mapping应间隔1周检查。

综上所述，3D-T1-VIBE和3D-T2-DESS序列具有良好的形态学成像效果，评估软骨缺损修复准确性高。T2、T2*mapping评估软骨的生化指标敏感，适合用于监测软骨修复情况。