膝关节骨性关节炎（osteoarthritis，OA)是常见的慢性进行性骨关节病，严重者可以致残^[1]。因此，在临床对早期关节软骨损伤的诊断具有非常重要的意义^[2]。传统X射线及CT成像对OA软骨退变的诊断无能为力，只能间接通过观察关节间隙变窄的判断软骨的受损情况，当出现关节间隙变窄、骨赘形成时，已是OA晚期。关节镜虽然是诊断关节软骨病损的金标准，但其为一种有创手段，且不能诊断软骨形态未发生改变之前的早期退变^[3]。随着近年来磁共振生理成像技术的不断发展，在关节软骨出现形态学改变之前便可以敏感地检测到在关节软骨生化成分、组织学特点和生物力学结构等方面的变化。如T2-mapping可以反映软骨内部的水含量、胶原含量及排列方式的变化^[4]；扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）主要反映水分子自由扩散的程度及水分子扩散的各向异性分数（fractional anisotropy，FA）值^[5]。笔者旨在通过制作羊膝关节早期退变的动物模型，进行羊膝关节软骨常规及MR生理成像扫描，观察常规MRI、T2-mapping、DTI表现，并进行MRI定量分析，探讨羊膝关节软骨早期退变模型MRI变化规律，为关节软骨早期退变MRI定量诊断的临床应用提供实验数据及依据。

1　材料与方法

1.1　动物选择分组及造模

       选择健康羊25只，随机分为A、B、C、D、E共5组，每组5只。A组作为对照组，B、C、D、E组所有羊均分别于第1、4、7 d进行三次注药（每次0.3 ml)。造模过程：用速眠新(0.05 ml/kg）对实验羊进行麻醉，侧卧位，头部微仰，羊左膝备皮，碘伏消毒三遍，在CT引导下使用一次性穿刺针从髌骨外侧进入关节腔内，注射0.3 ml木瓜蛋白酶溶液（稀释液为0.05 mol的磷酸缓冲液PBS，pH值为6.5)。右膝关节不作为实验依据仅用作对比观察。每次造模麻醉清醒后正常饲养，如不能及时苏醒使用苏三醒解救药(0.75 ml/kg)催醒。

1.2　MRI检查及扫描方法

       A组在饲养后1周，B、C、D、E组分别于造模完成后24 h、1周、3周、5周麻醉后对各组双膝关节进行软骨常规MRI、T2-mapping、DTI扫描。常规扫描序列包括：矢状位FSE-T1WI (TR 226 ms，TE 20 ms)、矢状位FSE-fs-T2WI (TR 2477 ms，TE 110 ms)、冠状位FSE-fs-PDWI (TR 2408 ms，TE 48 ms)、冠状位FSE-T1WI (TR 311 ms，TE 13 ms)、横轴位FSE-fs- T2WI (TR 3120 ms，TE 148 ms)，以上序列FOV均为14 mm×14 mm，矩阵为256×192，层厚2.0 mm，层间距0.8 mm，激励次数4次，总扫描时长10 min。

       MRI生理成像扫描：T2-mapping用多回波FSE序列，扫描参数为：TR 1534 ms，TE 10.4 ms或20.7 ms、31.1 ms、41.5 ms、51.8 ms、62.2 ms、72.6 ms、82.9 ms，层厚1.8 mm，层间距0.8 mm，FOV 15 mm×18 mm，矩阵192×192，NEX为2，扫描时间。DTI进行轴为扫描总扫描时间7.2 min，FOV 12 cm×12 cm，矩阵192×192，TR 8000 ms，TE 92.3 ms，翻转角为90°，层厚1.9 mm，层间距2 mm，NEX为2。

1.3　图像后处理

       每组实验羊在扫描完成后将原始图像的数据传至AW 4.6工作站。通过Functool软件，得到T2及DTI重建的伪彩图。将阈值调整到尽可能大的范围，防止无法覆盖所测T2值。选取T2-mapping图像及DTI图像中髌骨后部内侧软骨的最厚处作为感兴趣区（region of interest，ROI)。放大合适倍数后画出ROI，测量三次，每次测量面积为1 mm²，记录并计算其平均T2值、ADC值及FA值。

1.4　统计学方法

       建立实验数据库，应用统计学软件SPSS 23.0进行录入数据和统计学分析，采集各组数据，MRI不同组之间的数据进行Levene方差齐性检验，正态分布的定量资料以均数±标准差(±s)表示，多组间比较采用方差分析，两两比较采用LSD法，P<0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1　各组羊膝关节髌后软骨T2-mapping表现及软骨T2值测量

       A组：软骨连续厚度均匀，关节间隙正常，呈均匀一致的蓝绿色色阶，信号保持一致。B组：软骨较完整，连续性尚可，局部正常软骨其内可见点状或片状黄色色阶；C组：软骨连续性欠佳，软骨厚度变薄，关节间隙稍变窄，局部信号混杂，软骨内可见不规则形状黄色色阶；D组：部分软骨变薄或有连续性中断，关节间隙变窄，软骨内可见片状红黄色色阶，软骨边缘信号不均匀；E组：软骨明显变薄，部分或全部缺如，关节间隙变窄严重，软骨内大面积红黄色色阶，软骨内信号混杂不均匀。

       T2值（表1，表2；图1）测量，结果显示：B、C、D、E各组T2值较A组T2值增加(P<0.001)。A、B、C、D、E 5组间相互比较：C组和D组之间无差异(P=0.434)，其余各组两两比较均有差异(P<0.01)。

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图1  髌软骨T2值随实验周期改变线图
图2  髌软骨ADC值随实验周期改变线图
图3  髌软骨FA值随实验周期改变线图
Fig. 1  T2 of the patellar cartilage.
Fig. 2  ADC of the patellar cartilage.
Fig. 3  FA of the patellar cartilage.

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表1  各组实验羊膝关节髌后软骨T2值，ADC值，FA值(±s)
Tab. 1  T2, ADC and FA of the patellar cartilage of sheep (±s)

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表2  髌后软骨T2值各组比较(P值)
Tab. 2  T2 of the patellar cartilage were compared (P value)

2.2　各组羊膝关节髌后软骨ADC、FA值测量、DTI表现及病理对照表现

       B、C、D、E各组髌后软骨ADC值较A组髌后软骨ADC值增加(P<0.001)。B、C、D、E各组髌后软骨FA值较A组髌后软骨FA值减少(P<0.001)。ADC值（表1，表3；图2)：B、C、D、E组呈上升趋势，五组间两两比较均有差异(P<0.01)。FA值（表1，表4；图3)：B组和D组，B组和E组，D组和E组之间无差异(P>0.05)。

       A组：呈绿色色阶，边缘光滑完整，厚度均匀，关节间隙正常，而软骨下骨质呈蓝绿色色阶，关节液呈红色色阶，软骨与之分界较清楚（图4)；B组：髌后软骨完整、厚度正常，软骨内见点片状或斑片状红黄色色阶；C组：髌骨软骨连续性尚可，厚度不均匀，关节间隙稍变窄，软骨内见不规则形状黄色混杂色阶（图5)；D组：髌后软骨连续性差，软骨厚度变薄，关节间隙狭窄，软骨内见大片状，分布不均匀的红黄色阶；E组：髌骨软骨显著变薄，部分或全部缺失，关节间隙明显变窄，关节腔内大量积液，髌骨边缘骨赘形成，软骨内见混杂红黄色阶（图6)。

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图4  A组DTI伪彩图及病理表现：软骨边缘光滑完整，厚度均匀，边界清楚
图5  C组DTI伪彩图及病理表现：软骨边缘连续性尚可，厚度欠均匀，边界模糊
图6  E组DTI伪彩图及病理表现：髌骨软骨显著变薄，部分或全部缺失，骨赘形成
Fig. 4  DTI color map and pathology: cartilage smooth, uniform thickness, clear boundary.
Fig. 5  DTI color map and pathology: cartilage is continuous, thickness is uneven,boundary is fuzzy.
Fig. 6  DTI color map and pathology: cartilage thins, some or all of it is missing, and osteophytes form.

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表3  髌软骨ADC值(×10⁹)各组间比较(P值)
Tab. 3  ADC of the patellar cartilage were compared (P value)

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表4  髌软骨FA值各组间比较(P值)
Tab. 4  FA of the patellar cartilage were compared (P value)

3　讨论

3.1　T2-mapping对膝关节骨性关节炎的实验研究

       国内一些学者研究表明，关节软骨损伤早期T2弛豫时间升高，且随着软骨退变程度的加深T2值增高^[6,7]。Chou等^[8]通过对大鼠膝关节软骨含水量的分析发现T2值与关节软骨的相对含水量之间呈强正相关，意味着关节软骨的实际含水量的百分比可以通过T2值的测量来估计，从而早期诊断OA。樊子健等^[9]通过临床实验指出：T2-mapping同关节软骨损伤分级是有相关性的，T2-mapping序列可以发现无明显形态学改变的膝关节软骨早期损伤，为临床早期诊治提供重要参考依据。同时国内也有一些研究证明T2-mapping成像能够诊断早期OA^[10,11]，而随着软骨慢性损伤程度的加重，T2值逐渐增高，可以很好的区分早晚期OA^[12]。王鹤翔等^[13]研究表明T2值随软骨退变程度加重而增加，但是在早期关节软骨退变上，T2值不能作为判断程度的依据，而在中晚期关节软骨改变中T2值对损伤程度敏感。Ukai等^[14]研究发现T2值在关节镜下Outerbridge分级中发现T2值可以诊断关节软骨损伤，在的损伤的早期无法判别损伤程度，损伤中晚期T2值逐渐升高，且有统计学意义。

       本研究结果显示，各组造模羊随着造模药物的作用时间延长，关节软骨损伤程度逐步加重。T2值在整体5个实验周期表现敏感可以作为判断程度的依据，但1周(C组）和3周(D组）的T2值无差异，有可能是C组和D组的软骨损伤程度在分级中属于一个组别，也有可能C组和D组属于不同组别T2值不能判断其程度，这也是我们之后要仔细探究的疑惑。客观条件上可能由于本动物实验课题羊膝关节软骨与人有差别，或者是数据测量方法造成的。T2-mapping成像技术仍存在一些问题：如T2值易受磁场均一性、磁化率改变、魔角效应、化学位移及部分容积效应等的影响。总而言之T2- mapping可以通过关节软骨内水的含量评价关节软骨损伤是可以肯定的^[15]。

3.2　DTI对膝关节骨性关节炎的实验研究

       DTI成像近年来也被用于评估软骨损伤^[16]。DTI成像获得的表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）反映了蛋白多糖和水含量，ADC值增加表示软骨蛋白多糖和胶原蛋白的消耗，两者都被认为反映了膝关节软骨退化。而FA反映了胶原纤维排列的变化，研究发现DTI成像是检测水分子在纤维组织中的分散方式，而水分子的分散只发生在胶原纤维排列的方向上，说明水分子运动的方向与纤维的排列方向一致。因此，DTI成像可用于评估关节软骨胶原纤维结构排列的方向。Meder等^[17]在进行DTI成像之前，用胰蛋白酶作用牛膝关节软骨，发现胰蛋白酶处理后的关节软骨ADC值高于未经处理的关节软骨。据报道胰蛋白酶作用人关节软骨后ADC值也会升高，因此，ADC被认为是评价蛋白多糖体积的有用方法。很少有报道表明FA对评估软骨损伤有用，有些学者认为FA没有反映蛋白多糖的体积，因为蛋白酶的作用几乎没有影响它。而侯进等^[18]在研究中发现，当膝关节软骨病变发展到缺损时，关节软骨胶原结构的紊乱，胶原纤维走向出现异常，降低了软骨内水分子的各向异性，则FA值出现进行性下降。赵丹丹等^[19]使用DTI对不同年龄的人ADC、FA进行比较，结果显示随着年龄的增加，关节软骨退变严重，ADC值表现出逐步上升，FA值逐渐下降，这是由于正常膝关节软骨中，ECM中胶原网格和蛋白聚糖（proteoglycan，PG)能够限制水分子的移动，致ADC值较低。当关节软骨慢性损伤时，软骨PG和胶原的消耗，对水分子活动限制削弱，导致关节软骨内水分子运动增强，ADC值增大^[20,21]，同时由于关节软骨胶原结构的紊乱，胶原纤维走向出现异常，减弱了对PG的限制，降低了对水各向异性限制，因此FA值出现进行性下降。

       本研究结果显示，造模开始ADC值立刻升高，并在之后的周期中呈现出上升趋势且各组之间有差异，笔者认为ADC值可以诊断关节软骨损伤，并且随着损伤程度加重，ADC值较敏感。FA值在造模开始时立刻下降但随着损伤程度的加重，FA值在初始的三个实验周期内表现出逐步下降，之后维持在较低的水平并没有明显变化。因此本实验推断FA值在早期软骨损伤程度的判断上有一定作用，但还需要进一步研究探讨，暂且不能作为判断软骨损伤的程度的依据。本研究结果与以上学者的研究结论有些不同，这可能与DTI扫描参数、测量部位及方法不同有关，或者是因为本研究没有引入其分级的标准。实验表明DTI是可以成为早期诊断、监测OA病情发生发展的有效检查手段之一。

3.3　结论

       本研究结果显示：T2-mapping和DTI生理成像都可以在羊膝关节软骨早期改变的诊断中做出贡献。T2值和DTI在整个实验周期中表现敏感，其可以用来早期评估软骨退变严重程度。FA值仅可区分正常软骨与退变软骨，但在本研究中FA值在1周之后的实验周期内无明显变化，因此其在评估羊膝关节软骨退变程度上还有待于进一步的探索。

3.4　不足与展望

       本研究对T2-mapping和DTI在羊关节软骨不同退变时期进行了研究，以及是否可以进行损伤程度的判断进行了初步的探索，本研究还有许多不足之处，第一，测量的兴趣区仅限于髌后软骨，之后会增加胫骨内外侧平台，股骨内外髁四个兴趣区，增加实验数据；第二，实验仅仅在影像学上进行了研究，没有与软骨病理组织学、软骨生化成分进行相关分析，这是下一步研究内容；第三，由于动物造模周期短、关节软骨损伤程度分级难度大，没有结合关节软骨分级进行探讨，这也是我们下一步的改进方向。