骨关节炎（osteoarthritis, OA）是全球范围内最常见的一种关节疾患。目前，全世界共有3.55亿骨关节炎患者，而中国骨关节炎患者总数已超过1.5亿^[1]，骨关节炎的核心病变是关节软骨退变。

       关节软骨成像是近年来全球研究者关注的热点问题，传统的X线平片和CT均无法直接显示膝关节软骨，只能间接观察关节间隙狭窄的程度来判断软骨的受损情况。因此，用于膝关节OA的早期诊断和严重度评估时不够敏感^[2,3]。MRI具有高组织分辨率、多参数、多序列、多方位成像和无创性等优点，具有传统影像学手段无法比拟的优势，是目前惟一能活体直接显示关节软骨的手段。

       本研究通过与病理学对照，研究膝关节胫骨平台软骨退变T2值、T2-mapping伪彩图表现，旨在探讨其评估关节软骨退变的临床应用价值。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       选取2010年3月至2010年12月因膝关节OA在我院行全膝关节置换术的20例患者（男3例，女17例，年龄45~73岁，中位年龄65岁）共31个膝关节，所有患者均在手术前24 h内行MRI检查，随后行病变侧全膝关节置换术，切除标本送病理科进行检查。10个不完整胫骨平台骨块及3个MRI图像质量较差共计13个膝关节被排除，共有18个膝关节胫骨平台纳入研究；18个膝关节中再排除软骨标本制作中切片质量差的10个软骨亚区，共获取98个软骨亚区（标本），将病理学表现与MRI对照。

1.2　检查方法

       所有检查采用GE HDx 3.0 T超导型MR仪（GE Medical System，Milwakee，USA），扫描使用3.0 T专用Quad Knee线圈。扫描前尽量减少膝关节活动和承重，嘱受试者静坐休息至少30 min。关节处于伸直状态，与主磁场(B0)尽量保持平行，以减小"魔角效应"对结果的影响。MRI序列及参数：(1)常规扫描：采用矢状面和冠状面，SE T1WI，TR 420.0~520.0 ms，TE 10.0~15.0 ms；压脂快速自旋回波质子加权成像（FS FSE PDWI），TR 2180.0 ms，TE 17.5 ms。层厚3.0 mm，层间距1 mm。FOV 16 cm×16 cm，激励次数2，扫描时间4~5 min。(2)三维压脂扰相梯度回波(3D FS-SPGR)序列扫描：采用矢状面扫描，TR 11.3 ms，TE 1.7 ms，反转角30° ，层厚1.0 mm，FOV 16 cm×16 cm，激励次数1，扫描时间7~8 min。(3) T2弛豫时间测量及T2-mapping成像：采用矢状面扫描，8回波SE序列一次扫描，TR 1000.0 ms，TE分别为9.0、18.0、27.0、36.0、45.0、54.0、63.0、72.0 ms，层厚3.0 mm，层间距1.0 mm。FOV 16 cm×16 cm，激励次数2，带宽（Bw） 31.25 Hz，扫描时间7~8 min。

1.3　图像后处理

       将图像数据输入图像后处理工作站（GE ADW 4.3），应用Functool软件对关节软骨进行图像后处理。在工作站上设置生成参数：用"Puh Thallium"显示T2伪彩图[L：0 ms，H：(240.0±10.0) ms]，可信度（confidence level）取95%。利用所得的8个自旋回波MR图像自动生成T2灰度图，再利用伪彩编码技术转化成伪彩图（图1）。在选定的层面内，对每个软骨亚区（感兴趣区，ROI）测量3次T2值，取其均值为该亚区软骨的T2值。

点击查看大图

图1  Mankin病理学分级软骨退变结果对应的T2-mapping伪彩图。A：4区为正常软骨，5区为Ⅰ级退变，6区为Ⅱ级退变。B：1区为IV级退变，2区为III级退变，3区为Ⅱ级退变
图2  膝关节软骨标本与MRI定位对照图。A：软骨标本的定位线示意图。B：左边为冠状面、右边为矢状面的MRI定位线示意图
图3  组织学Mankin分级图片（HE ×40）。A：为图1A 4区软骨的病理图片，正常软骨，软骨表面未见不规则；B：为图1A 5区软骨的病理图片，I级退变，软骨表面轻微的波浪状改变；C：为图1B 3区软骨，II级退变，软骨表面呈明显的波浪状改变；D：为图1B 2区软骨，III级退变，软骨表面明显退变，过渡带中等破坏；E：为图1B 1区软骨，Ⅳ级退变，明显的软骨结构破坏累及放射层
Fig. 1  Histological Mankin’s grade of cartilage degeneration corresponding with T2-mapping artificial color images. A: Part 4 defines normal cartilage, part 5 grade Ⅰ degeneration, part 6 grade Ⅱ degeneration. B: Part 1 defines grade IV degeneration, part 2 grade III degeneration, part 3 grade Ⅱ degeneration.
Fig. 2  The diagram of location on MRI images contrast knee articular cartilage specimens. A: The position line of cartilage specimens. B: The position line on MRI: the left is coronal, the right is Sagittal.
Fig. 3  Histological images on Mankin’s grading (HE×40). A: Fig 1 Normal cartilage of zone 4 with no surface irregularities. B: Fig 1 Cartilage of zone 5 with gradeⅠdegeneration and mild surface fibrillation. C: Fig 1 B Cartilage of zone 3 with grade Ⅱ degeneration and significant surface fibrillation. D: Fig1B Cartilage of zone 2 with grade III degeneration and moderate transitional zone degeneration. E: Fig 1B Cartilage of zone 1 with grade Ⅳ degeneration , significant structural degeneration and involved radial zone.

1.4　胫骨外侧平台标本处理

       获取全膝关节置换术后的离体标本，含完整胫骨平台关节软骨和软骨下骨组织。参照MR图像，在PDWI矢状面与冠状面上选择中心层面，先在PACS系统上进行交互参考，在矢状面和冠状面层面上分别选取关节软骨的兴趣区层面并画定位线，测量定位线到关节边缘的垂直距离A和B，在标本上以2条交互垂直的定位线确定需测量的软骨层面（图2A，图2B），并确定关节标本的软骨亚区。T2-mapping与PDWI在矢状面上使用相同的定位像，保证MRI选取的关节软骨区域与病理标本两者层面完全对应。离体标本行HE染色待观察。

1.5　标本组织学评估

       HE染色切片观察关节软骨的形态，组织学分级根据简单化Mankin分级标准^[4]：0级，软骨表面未见不规则；Ⅰ级，软骨表面轻微的波浪状改变。Ⅱ级，软骨表面明显的波浪状改变；Ⅲ级，软骨表面明显退变，过渡带中等破坏；Ⅳ级，明显的软骨结构破坏累及放射层。

1.6　统计学方法

       采用SPSS 1 7.0统计软件进行统计处理。根据组织学简单化Mankin分级标准把不同退变程度的软骨T2值分5组输入数据库。数据正态性分布用Shaprio-Wilk检验(w检验)，方差齐性检验用Levene检验。满足正态分布且方差齐的组间用LSD法进行两两比较。

2　结果

       18个胫骨平台共获98个软骨亚区，病理结果：(1)正常软骨：11个亚区，软骨表面未见不规则（图3A，对应图1A中4区软骨的相应区域）。(2)Ⅰ级退变：15个亚区，软骨表面轻微的波浪状改变（图3B，对应图1A中5区软骨的相应区域）。(3)Ⅱ级退变：41个亚区，软骨表面呈明显的波浪状改变（图3C，对应图1B中3区软骨的相应区域）。(4)III级退变：22个亚区，软骨表面明显退变，过渡带中等破坏（图3D，对应图1B中2区软骨的相应区域）。(5)IV级退变：9个亚区，明显的软骨结构破坏累及放射层（图3E，对应图1B中1区软骨的相应区域）。

       按照病理学Mankin分级发现不同程度的OA退变有不同的属性，从组织学获得的定量和定性数据以及所对应的T2值变化见表1。0级（正常）与Ⅱ级、Ⅰ级与Ⅱ级、Ⅲ级与Ⅳ级两两比较，软骨之间T2值差异无统计学意义(P>0.05)，其余各组两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)。总体上，值得注意的是T2值的变化可以非常明显的区分软骨组织结构的退变情况，从深层结构破坏(Ⅲ、Ⅳ级)到轻度的表面退变(Ⅰ级)以及正常软骨之间T2值有显著的变化(P<0.05)。T2值随软骨退变程度的增加而明显升高，但是软骨退变Ⅱ级较Ⅰ级的T2值轻度降低，并且Ⅱ级与Ⅰ级及正常软骨(0级)之间T2值差异均无统计学意义(P值均>0.05)。而Ⅲ、Ⅳ级退变软骨较正常、Ⅰ级及Ⅱ级退变软骨T2值明显升高(P值均<0.05)，Ⅲ、Ⅳ级退变软骨两者之间T2值差异无统计学意义。T2值的标准差随着软骨退变的加重而不断增大。

       T2-mapping伪彩图上正常膝关节软骨表现：信号、厚度均匀、连续（图1A中4区软骨）。膝关节软骨退变表现：(1)局灶性软骨色阶升高（图1A中6区软骨）。(2)全层普遍性软骨色阶升高（图1A中5区软骨及图1B中1、2区软骨），(3)软骨色阶增高，色阶不均匀，部分见软骨缺损（图1B中3区软骨）。T2-mapping伪彩图信号改变可以敏感的发现软骨退变，但无法区分软骨的退变程度。

点击查看表格

表1  18个胫骨平台的98个软骨亚区（标本）病理Mankin分级与T2值对照
Tab. 1  The comparison of histological Mankin’s grade and T2 value of 98 cartilage subregions (specimens) in 18 tibial plateau

3　讨论

       T2-mapping采用多回波自旋回波序列，对采集数据进行非线型计算和伪彩编码，是软骨T2值的空间分布图，由公式SIi, j (TE) = SI0i, j×exp(—TE/T2i, j)计算^[5]；式中SIi, j (TE)为第i排第j列的像素在TE时刻的信号强度(SI)，TE为回波时间，SI0i, j代表该像素在初始时刻（t=0）的信号强度，T2i, j是该像素的T2值。骨关节炎的早期改变是关节软骨Ⅱ型胶原退变和水分增加，使其T2值延长^[6]。有学者认为T2值改变主要与软骨胶原含量^[7]及胶原排列方向有关^[8] ，T2值对软骨胶原基质结构的改变极为敏感，成为研究软骨生化结构的影像标志^[9]。关节软骨的T2值反映了骨关节炎的发病机理，与软骨的组织学等级有着明显的相关性^[10]，并且关节软骨T2值在骨关节炎时明显升高^[11]。正如先前国内外研究表明关节软骨退变是OA早期主要的病理生理变化，软骨T2值定量测定可以敏感反映出关节软骨形态轮廓无明显改变之前的软骨内生化成分的改变^[12,13]，能提供客观、定量指标去监测疾病进展，指导临床治疗。

       本研究结果可以有力的证明T2值可以区分正常和各级退变软骨，这与先前的研究结果相符^{[10,11,12,13]}。笔者发现以组织学评估为标准，T2值随软骨退变程度的增加而明显升高，但是软骨退变Ⅱ级较Ⅰ级的T2值轻度降低，并且Ⅱ级与Ⅰ级及正常软骨(0级)之间T2值无统计学差异，与前人研究相符^[10]。这些结果可以这样解释：早期软骨退变主要是软骨肿胀、含水量增加和胶原纤维各向异性的改变，然后软骨表面骨架崩解，胶原含量减少并伴随水的丢失，所以在Ⅱ级退变时T2值略降低^[10,14]。而Ⅲ、Ⅳ级退变软骨较正常、Ⅰ级及Ⅱ级退变软骨T2值明显升高，而Ⅲ、Ⅳ级退变软骨两者之间T2值差异无统计学意义。说明随着退变的加重整体上T2值在增加，但是重度软骨退变(Ⅲ、Ⅳ级)之间T2值变化并不明显。此外，笔者发现T2值的标准差随着OA病变的进展而不断增大。说明伴随着软骨的退变加重其软骨内成分和结构异质性增高，与前人研究相似^[15,16]。前人发现在T2值和组织学及偏光镜资料之间有很好的定性联系，而且组织学和偏光镜两者数据相互支持，显示随着软骨的退变，胶原网络的破坏与丢失加重；来源于组织学资料的T2值将给予更多的关于OA退变的详细资料，尤其是在解释OA初始阶段的发病机理方面将会有更大的帮助^[10]。

       T2-mapping伪彩图信号改变可以发现软骨退变，但无法区分各级软骨的退变程度。缩小阈值及改变其他参数设置等有可能分辨不同程度的软骨退变，并评估退变的范围，具体结论尚有待于进一步研究。

       总之，关节软骨的T2值与软骨退变程度有着明显的相关性，随着软骨退变程度加重而明显升高，是发现早期软骨退变的敏感方法，尤其是对软骨损伤或退变的预防和治疗发挥着重要作用^[17]。在评估早期膝关节OA方面有巨大的临床应用价值。T2-mapping伪彩图信号改变可以敏感的发现软骨退变，但无法区分软骨的退变程度。