趙丹丹，李紅*，秦灝，張永學(xué)，李娜，劉玥

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DTI在正常成人髕骨軟骨的初步應(yīng)用及臨床意義

趙丹丹1，李紅1*，秦灝2，張永學(xué)1，李娜1，劉玥1

［摘要］目的 探討擴(kuò)散張量成像技術(shù)（diffusion tensor imaging， DTI）在正常成人髕骨軟骨的初步應(yīng)用并探討其臨床意義。材料與方法 采用Philips Achieva 3.0 T超導(dǎo)型MR掃描儀對(duì)114例健康成年志愿者的右膝關(guān)節(jié)髕骨軟骨進(jìn)行三維雙回波穩(wěn)態(tài)序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）及DTI掃描，獲得不同圖像后測(cè)量表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient， ADC）、各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy， FA）值。結(jié)果 隨著年齡的增長(zhǎng)，髕骨軟骨的FA值逐漸下降，而ADC值逐漸增加（P＜0.05）。相關(guān)性分析表明，年齡與FA值呈負(fù)相關(guān)（r=-0.8321，P=0.027＜0.05），年齡與ADC值呈正相關(guān)性（r=0.698，P=0.015＜0.05）。結(jié)論DTI可探查髕骨軟骨成分及膠原纖維結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，且重復(fù)性及準(zhǔn)確性良好，可為髕骨軟骨病變?cè)缙谠\斷、監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展及評(píng)價(jià)治療效果提供一種重要的方法。

［關(guān)鍵詞］磁共振成像；擴(kuò)散張量成像技術(shù)；髕骨；關(guān)節(jié)軟骨

作者單位：1. 三峽大學(xué)仁和醫(yī)院放射科，宜昌443001 2. 宜昌市中心醫(yī)院放射科，宜昌443003

接受日期：2016-01-04

趙丹丹， 李紅， 秦灝， 等. DTI在正常成人髕骨軟骨的初步應(yīng)用及臨床意義.磁共振成像， 2016， 7（2）:131–135

2Department of Radiology， Yichang central hospital， Yichang 443003， China

*Correspondence to: Li H， E-mail: 10488850@qq.com

Received 7 Dec 2015， Accepted 4 Jan 2016

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of 2012 annual talent research fund project of China Three Gorges University （No. KJ2012A015）

隨著我國(guó)人口老齡化，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthrisis， OA）日益常見(jiàn)。OA發(fā)展到中晚期，常常表現(xiàn)軟骨剝脫，軟骨下骨裸露，進(jìn)而造成關(guān)節(jié)強(qiáng)直，是一種不可逆的病理生理過(guò)程，臨床治療效果差，因此，OA早期診斷是臨床關(guān)注的重點(diǎn)及難點(diǎn)。X線平片被廣泛用于OA的分級(jí)，但X線和CT均不能直接顯示關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)。MRI則是目前公認(rèn)的評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)軟骨的首選影像學(xué)檢查方法，但MRI常規(guī)技術(shù)偏重于探查形態(tài)學(xué)的改變，難以反映出早期骨性關(guān)節(jié)炎的病理變化，因此在觀察早期軟骨退變?nèi)燥@不足［1］。磁共振擴(kuò)散張量成像技術(shù)（diffusion tensor imaging， DTI）是在擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging， DWI）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的MRI功能成像新技術(shù)，利用多種參數(shù)和數(shù)據(jù)處理，從量和方向上反映成像體素內(nèi)擴(kuò)散的變化，可以定向定量地評(píng)價(jià)組織彌散各向異性［2］。目前國(guó)內(nèi)外很少有關(guān)髕骨軟骨的DTI研究報(bào)道，本研究選擇正常成人健康志愿者的髕骨進(jìn)行DTI研究分析，初步建立正常的參數(shù)表，為髕骨的臨床研究奠定基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1一般資料

隨機(jī)選取2013年2月至2015年2月在三峽大學(xué)仁和醫(yī)院行健康體檢的成年志愿者114例，其中男性63例，女性51例，年齡21～57歲，平均（42.3±10.4）歲。按年齡段分為20～29歲（30例）、30～39歲（27例）、40～49歲（33例）、50歲以上（24例）共4組；所有患者檢查前均靜坐半小時(shí)，排除運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）膝關(guān)節(jié)無(wú)外傷及疾病史；（2）體格檢查并無(wú)膝關(guān)節(jié)發(fā)育畸形；（3）常規(guī)MRI成像序列下［T1WI、T2WI 及三維雙回波穩(wěn)態(tài)序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）等］，未見(jiàn)膝關(guān)節(jié)其它病變者，如膝關(guān)節(jié)腫瘤、類(lèi)風(fēng)濕、缺血性骨壞死、滑膜病變等；（4）所有研究對(duì)象均知情并簽署知情同意書(shū)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）病例經(jīng)臨床表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)室檢查及影像學(xué)表現(xiàn)診斷為骨性關(guān)節(jié)炎者，診斷標(biāo)準(zhǔn)為WOMAC骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)評(píng)分［3］；（2）患者有MRI檢查禁忌。

1.2儀器與方法

采用荷蘭Philips公司生產(chǎn)的Achieva 3.0 T超導(dǎo)型MR掃描儀。采用膝關(guān)節(jié)表面線圈，患者取仰臥位，膝關(guān)節(jié)微屈15℃～20℃，受檢膝關(guān)節(jié)置于磁場(chǎng)中心，不受檢膝關(guān)節(jié)盡量遠(yuǎn)離受檢部位。注意固定受檢膝關(guān)節(jié)，避免運(yùn)動(dòng)偽影；MRI掃描中心線髕骨下緣，行3D-DESS及DTI掃描。DTI序列采用梯度回波序列；D E S S序列掃描參數(shù)為：TR=14.1 ms，TE=5.0 ms，層厚=3 mm，層間距=0.6 mm，F(xiàn)OV=180 mm，平面內(nèi)分辨率= 0.8 mm×0.7 mm，帶寬=250 Hz/Px，激發(fā)角度=25°；DTI掃描參數(shù)：TR=5100 ms，TE=51 ms，層厚=3.0 mm，層間距=0 mm，NEX=8，F(xiàn)OV= 180 mm，平面內(nèi)分辨率=1.6 mm×1.6 mm× 3.0 mm，擴(kuò)散敏感梯度方向=6個(gè)，b值=0、600 s/mm2，帶寬=1488 Hz/Px，掃描時(shí)間15 min 23 s。

圖像后處理：將掃描后的圖像信息傳至Philips工作站對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，以3DDESS為解剖圖，融合DTI圖像，圖像融合時(shí)注意采用手動(dòng)配對(duì)，盡量減少圖像配對(duì)誤差。以髕骨中心層面為基準(zhǔn)層面，以髕骨脊為中心，分別向內(nèi)外兩個(gè)方向間隔0.5 mm，共勾劃6個(gè)軟骨感興趣區(qū)（region of interest， ROI）；由軟件計(jì)算給出相應(yīng)的各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy， FA）值及表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient， ADC）；若AW4.2工作站圖像配對(duì)較差時(shí)，將配對(duì)較差的圖像導(dǎo)入Matlab 7.1 應(yīng)用軟件進(jìn)行校準(zhǔn)配對(duì)，并測(cè)量相應(yīng)的FA值及ADC值。應(yīng)用同樣方法分別測(cè)量并記錄髕骨下1/2及上1/2中心層面的髕軟骨FA及ADC值。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件包統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)量資料以均數(shù) ± 標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。在資料滿足正態(tài)性和方差齊性條件下，組間比較采用單因素One-Way ANOVA方差分析，兩組間比較采用LSD-t檢驗(yàn)，成組設(shè)計(jì)定量資料采用t檢驗(yàn)；如不滿足正態(tài)性和方差齊性，組間比較則采用Kruskal-wallis秩和檢驗(yàn)，成組設(shè)計(jì)定量資料采用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。應(yīng)用Pearson等級(jí)相關(guān)進(jìn)行相關(guān)分析，α=0.05為檢驗(yàn)水準(zhǔn)，以P＜0.05為統(tǒng)計(jì)學(xué)有顯著性差異。

2　結(jié)果

2.1不同年齡組髕骨軟骨總體FA及ADC值

髕骨軟骨總體FA及ADC測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，具體測(cè)量圖像見(jiàn)圖1。統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果表明，該定量資料均滿足正態(tài)性和方差齊性（FFA=45.68，P=0.017＜0.05；FADC=25.59，P=0.024＜0.05），各年齡組間FA及ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。隨著年齡的增長(zhǎng)，不同年齡組FA值明顯下降，而ADC值逐漸升高（P＜0.05）。

2.2不同性別髕骨軟骨總體FA及ADC值

統(tǒng)計(jì)分析表明，該定量資料均滿足正態(tài)性和方差齊性（FFA=52.84，P=0.029＜0.05；FADC=23.42，P=0.033＜0.05），不同性別間FA及ADC值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表2。

2.3年齡與FA及ADC值的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，年齡與FA值呈負(fù)相關(guān)（r=–0.8321，P=0.027＜0.05），年齡與ADC值呈正相關(guān)性（r=0.698，P=0.015＜0.05）。

圖1　男，23歲志愿者。A：3D-DESS圖像， 髕軟骨清晰顯示，軟骨形態(tài)完整，未見(jiàn)形態(tài)及信號(hào)異常；B：FA偽彩圖；C：ADC偽彩圖；D：FA及ADC測(cè)量值Fig. 1 A 23 year-old male volunteer. A: As 3D-DESS shows， patella cartilage is morphological integrity and clear， the morphological and signal is normal； B: Pseudocolor images of FA； C: Pseudocolor images of ADC； D: The volunteer’s FA and ADC values.

表1　各年齡組間髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 1 Comparison of FA and ADC mean values of the patella cartilage between age groups（±s）

表1　各年齡組間髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 1 Comparison of FA and ADC mean values of the patella cartilage between age groups（±s）

Note: vs the 20– group，#P＜0.05； vs the 30– group，▲P＜0.05； vs the 40– group，★P＜0.05.

Age（year）　Cases（n）　FA value（ms）　ADC value （×10-3mm2/s）20–　30　0.309±0.10　1.429±0.13 30–　27　0.233±0.06#　1.805±0.21#40–　33　0.150±0.02#　1.916±0.72#▲＞50　24　0.102±0.04#▲★　1.942±0.45#▲

3　討論

3.1DTI的原理及臨床應(yīng)用

DTI的原理是利用受激發(fā)的原子核在非均勻磁場(chǎng)中擴(kuò)散導(dǎo)致失相位帶來(lái)的信號(hào)丟失效應(yīng)，并施加多個(gè)方向的敏感梯度場(chǎng)，測(cè)量不同方向上信號(hào)的衰減量，并對(duì)水分子擴(kuò)散特征進(jìn)行量化，可全面反映軟骨的細(xì)微變化［4-5］。ADC值用于描述不同方向的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的速度和范圍，ADC值越大，說(shuō)明水分子的擴(kuò)散能力越強(qiáng)；ADC值越小，說(shuō)明水分子的擴(kuò)散能力越弱，而部分FA則表示水分子各向異性成分占整個(gè)擴(kuò)散張量的百分比，范圍為0～1，F(xiàn)A的值越大，表示擴(kuò)散的各向異性越強(qiáng)［6］。

表2　不同性別髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 2Comparisons of FA and ADC mean values of the patella cartilage in different sex groups （±s）

表2　不同性別髕骨軟骨總體FA及ADC值的比較（±s）Tab. 2Comparisons of FA and ADC mean values of the patella cartilage in different sex groups （±s）

Sex　 Cases（n）FA value（ms）　ADC value （×10–3mm2/s）Female　 51　 0.211±0.03　1.762±0.16 Male　 63　 0.228±0.05　1.696±0.28

目前，應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)軟骨成像的技術(shù)還有：常規(guī)MRI方法（包括T1WI、T2WI）、三維快速擾相梯度回波序列（3D-spoiIed gradient recalled acquisition in steady-state， 3D-SPGR）、三維雙回波穩(wěn)態(tài)序列（3D dual-echo steady state， 3D-DESS）、T2弛豫時(shí)間圖（T2relaxation time mapping， T2mapping）、T1ρ成像（T1ρimaging）等技術(shù)。其中常規(guī)MRI方法、3D-SPGR及3D-DESS能較好顯示關(guān)節(jié)軟骨，與關(guān)節(jié)鏡結(jié)果具有良好一致性［7-8］，但是上述序列偏重于探查軟骨形態(tài)學(xué)的改變，難以反映出早期骨性關(guān)節(jié)炎的病理變化［9］。關(guān)節(jié)軟骨是由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，細(xì)胞外基質(zhì)主要包括水、蛋白多糖（proteoglycan， PG）及膠原纖維，膠原纖維絕大部分是由Ⅱ型膠原構(gòu)成［10］。T2mapping主要用于檢測(cè)細(xì)胞外基質(zhì)單位體積內(nèi)PG的含量，對(duì)軟骨纖維結(jié)構(gòu)依賴較少［11］；T1ρ imaging則著重探查關(guān)節(jié)軟骨膠原纖維結(jié)構(gòu)變化［12］。膝關(guān)節(jié)軟骨損傷往往同時(shí)伴有軟骨結(jié)構(gòu)及軟骨成分變化，因此上述單一技術(shù)均難以準(zhǔn)確、全面反映膝關(guān)節(jié)軟骨早期損傷。從DWI技術(shù)中發(fā)展起來(lái)的DTI技術(shù)可獲得FA值，可觀察到透明軟骨膠原細(xì)微結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)早期軟骨損傷均有較高的特異性及敏感性［13］。關(guān)節(jié)軟骨在MR分層的重要原因是水分子各向異性彌散導(dǎo)致的“魔角效應(yīng)”，而DTI技術(shù)是對(duì)水分子各向異性彌散的量化技術(shù)，因此沒(méi)有“魔角效應(yīng)”。研究發(fā)現(xiàn)［5］，DTI測(cè)定的本征向量對(duì)層次結(jié)構(gòu)分辨及纖維走形的判斷與電鏡具有高度的一致性，ADC從表層到深層逐漸下降，而FA在深層最高，中間層最低，表層較高。Raya JG等［13］以7 T MR-DTI技術(shù)檢查10例OA患者及16例健康成人，結(jié)果顯示兩組平均ADC值和FA值均有顯著差異，表明了DTI活體髕骨成像的可行性及良好的可重復(fù)性。侯進(jìn)［14］應(yīng)用3.0 T MR-DTI技術(shù)測(cè)量正常人、不同級(jí)別的OA患者膝關(guān)節(jié)軟骨的FA及ADC值，發(fā)現(xiàn)不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)病變組軟骨FA及ADC值均存在明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，DTI可定量檢測(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨不同層次及病變程度的差異，是檢測(cè)早期OA的有效方法。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)髕骨軟骨的DTI研究報(bào)道極少，應(yīng)用DTI技術(shù)對(duì)正常成人髕骨進(jìn)行研究分析，建立正常的參數(shù)表具有重要的臨床參考價(jià)值。

3.2DTI對(duì)正常成人髕骨軟骨的測(cè)量

本研究結(jié)果顯示，隨著年齡的增長(zhǎng)，髕骨軟骨的FA值逐漸下降，而ADC值逐漸增加；相關(guān)性分析表明，年齡與FA值呈負(fù)相關(guān)，與ADC值呈正相關(guān)。生理狀態(tài)下，髕骨軟骨細(xì)胞外基質(zhì)可限制一定水分子的自由擴(kuò)散，但是隨著年齡的增長(zhǎng)，關(guān)節(jié)軟骨面逐漸出現(xiàn)磨損、軟化和變薄，因?yàn)榛|(zhì)中的PG大小與聚集下降、膠原蛋白的降解及軟骨內(nèi)水分的大量增加導(dǎo)致水分子的自由擴(kuò)散限制下降，水分子的擴(kuò)散加速，因此表現(xiàn)為ADC值逐漸增加［15］。

FA值反映膠原纖維結(jié)構(gòu)排列的一致性和完整性，組織結(jié)構(gòu)排列越規(guī)律，水分子擴(kuò)散各向異性越強(qiáng)，F(xiàn)A值越高。相關(guān)研究表明［16］，PG在空間任何方向的彌散情況趨于一致，它的空間彌散主要取決于單位體積軟骨內(nèi)PG分子數(shù)量，而不依賴膠原纖維網(wǎng)絡(luò)；在細(xì)胞外基質(zhì)中，水分子的彌散更容易沿著膠原纖維構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，其它細(xì)胞外小分子（包括的彌散方式也與水分子運(yùn)動(dòng)趨于一致，并不依賴于小分子本身的特質(zhì)［17］。隨著年齡的增長(zhǎng)，膠原分子通過(guò)非酶性糖基化反應(yīng)膠原交聯(lián)增加，同時(shí)軟骨細(xì)胞合成PGs的能力下降，基質(zhì)中膠原纖維直徑逐漸增大，增大的膠原纖維缺乏柔韌性，硬度增高［17］。由于關(guān)節(jié)軟骨膠原網(wǎng)結(jié)構(gòu)的紊亂，膠原纖維走向出現(xiàn)異常，減弱了對(duì)PG的限制，降低了對(duì)水各向異性限制，因此FA值出現(xiàn)進(jìn)行性下降。

綜上所述，DTI顯示髕骨軟骨有如下優(yōu)點(diǎn)：空間分別率高，可探查軟骨成分及膠原纖維結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，且重復(fù)性及準(zhǔn)確性良好，同時(shí)DTI也為髕骨軟骨病變?cè)缙谠\斷、監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展及評(píng)價(jià)治療效果提供了一種重要的參考方法和嶄新的窗口，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。在本研究中也存在著不足之處，如研究樣本量相對(duì)較少，這需要繼續(xù)擴(kuò)大樣本量深入研究，以得出更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn) ［References］

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Initial application and clinical significance of DTI in normal adult patella cartilage

ZHAO Dan-dan1， LI Hong1*， QIN Hao2， ZHANG Yong-xue1， LI Na1， LIU Yue11Department of Radiology， Renhe hospital of three gorges university， Yichang 443001，China

Key wordsMagnetic resonance imaging； Diffusion tensor imaging； Patella；Articular cartilage

AbstractObjective: To study the initial application of diffusion tensor imaging （DTI） in normal adult patella cartilage and discuss its clinical significance. Materials and Methods: One hundred and fourteen healthy normal adult volunteers were underwent MRI with 3.0 T MR system （Achieva 3.0 T， Philips）， the right patella cartilage was scanned by 3D-DESS and DTI. Different images were obtained， while the ADC and FA values of patella cartilage were measured. Results: The values of ADC were gradually decreased with age， but the ADC values were increased obviously （P＜0.05）. Statistically significant negative correlations were observed between FA value and age （r=-0.8321， P=0.027＜0.05）， and positive correlations were observed between ADC value and age （r=0.698， P=0.015＜0.05）. Conclusion: DTI can reflect the imperceptible changes in patella cartilage composition and the collagen fiber structure. DTI can be used for detecting early diagnosis， monitoring progression and evaluating prognosis in patella cartilage disease for its good repeatability and accuracy.

基金項(xiàng)目：三峽大學(xué)2012年度人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（編號(hào)：KJ2012A015）

通訊作者：李紅，E-mail：10488850@qq.com

收稿日期：2015-12-07

中圖分類(lèi)號(hào)：R445.2；R684.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.12015/issn.1674-8034.2016.02.009