磁共振DTI 及T2 mapping 在急性前交叉韧带损伤并软骨损伤中的应用价值

李文文 陈军

急性前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤常同时合并膝关节软骨损伤，目前国内外学者对于同时发生的软骨损伤的关注较少。研究表明［1］，软骨损伤是导致创伤性关节炎（posttraumatic arthritis，PTA）及远期骨性关节炎（osteoarthritis，OA）的主要原因。因此，准确评估关节软骨的受损情况，将有助于临床采取及时有效的干预措施，减少或避免远期OA 的发生，对于病情的康复治疗及预后判定有重要意义。

在ACL 和关节软骨的MRI 定量研究中扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）和 T2mapping成像技术备受关注。本研究拟采用 DTI 及 T2mapping 技术分别定量评估ACL 和膝关节软骨损伤，并以关节镜结果作为金标准，与常规MRI 检查作比较，以证实其准确实用性，为临床治疗方案的确立提供量化依据。

资料与方法

1.研究对象

连续收集 2018 年 9 月～2019 年 5 月期间的我院患者 36 例（共计 40 例膝关节，其中 4 例为双膝）作为研究对象，其中男 27 例，女 9 例，年龄17～50 岁，平均（36±9.2）岁。所有患者均先后接受膝关节MR 扫描及关节镜检查，检查前签署知情同意书。纳入标准：（1）急性膝关节外伤史（小于2周）；（2）临床体格检查高度怀疑急性 ACL 损伤；（3）MR 检查与关节镜检查的间隔时间不超过2周。剔除标准：（1）大于等于55 岁或存在膝关节退变因素的高危人群；（2）既往明确有膝关节病变或膝关节手术史；（3）MRI 检查禁忌者。

选取正常人群35 例（共计35 例膝关节）作为参照组，其中男 16 例，女 19 例，年龄 20～48 岁，平均（32±5.8）岁。所有人群均接受膝关节 MR 扫描并签署知情同意书。

2.扫描方法

采用 GE Discovery MR 750 Plus 3.0 T 超导磁共振扫描仪，8 通道膝关节表面线圈进行膝关节常规 MR、DTI 及 T2mapping 扫描。受检者取仰卧位，膝自然伸直。常规 MR 包括： 斜矢状位 FSE T1WI、FRFSE PDWI、冠状位和横轴位 FRFSE T2WI序列。DTI 参数：采用32 个方向梯度磁场的轴位扫描，b 值 400 s/mm2，TE 90 ms，TR 2500 ms，层厚2.9 mm，层间距 0 mm，视野 180 mm×180 mm，矩阵 128×128，激励次数 4，扫描时间 4 min。T2mapping 参数：采用 8 回波 FSE 矢状位扫描，TE 8～64.1 ms，TR 800 ms，层厚 3.0 mm，层间距 0.6 mm，视野 180 mm×180 mm，矩阵 320×256，激励次数2，扫描时间 6 min。

3.图像后处理与分析方法

由两名影像诊断经验丰富的医师进行双盲阅片，独立测量、分析并达成统一结果，所有测量均在GE AW 4.6 后处理工作站完成。运用Functool软件分别对DTI、T2mapping 图像进行自动校正，随即生成该序列伪彩图。

将DTI 图像与横轴位FSE PDWI 图像融合成解剖定位图。根据解剖定位图手动选取兴趣区（region of interest，ROI），ROI沿ACL走行区放置并避开其他结构，测量该区域的各向异性值（fractional anisotropy，FA）和表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）值。以每例 ACL 损伤者对应参照组的相同区域再次进行测量。所有测量均重复进行3 次，取平均值。手动设置解剖定位图上ACL 的起止端为ROI，对走行于两ROI 之间的纤维束进行扩散张量纤维束成像（diffusion tensor tractography, DTT）（图 1、2）。

通过T2mapping 伪彩图，观测膝关节软骨的色阶变化（重点观测三个区域： 股骨外侧髁前中部、胫骨平台后外侧以及ACL 胫骨附着区）。手动选取关节软骨的ROI，ROI 尽量包括软骨全层并避开其他结构，测量该区域的T2值。以每一例软骨损伤者对应参照组的相同区域再次进行测量。所有测量均重复进行3 次并取其平均值（图3）。

4.统计学分析

以关节镜检查结果为金标准，使用SPSS 20.0统计学软件进行数据整理及分析。ACL 损伤区域和参照组的ADC 值、FA 值的比较采用两独立样本t 检验，P＜0.05 为差异具有统计学意义。关节软骨损伤区域和参照组的T2值的比较采用两独立样本t 检验，P＜0.05 为差异具有统计学意义。分别计算常规 MRI 与 DTI、T2mapping 对 ACL 损伤合并膝关节软骨损伤诊断的敏感度、特异度、准确度及Kappa 值，采用Mc-Nemar 统计法的双尾精确表比较两组序列之间的差异，P＜0.05 为差异具有统计学意义。

结 果

1.病例统计结果

共收集膝关节病例40 例，经关节镜最终确诊为ACL 损伤者 30 例，其中包括 ACL 完全断裂 7例； 同时合并关节软骨损伤的膝关节病例为12例，共计29 个区域软骨，包括胫骨平台后外侧10例、 股骨外侧髁前中部11 例、ACL 胫骨附着区2例及其他区域软骨6 例，其中“对吻性损伤”占比约83.3%，且与7 例ACL 完全断裂者同时存在；ACL 胫骨附着区软骨损伤占比约6.9%。

图1 ACL 完全断裂，右膝外伤伴撕裂感及关节错动感。a)横轴位 FSE PDWI 示 ACL 局部信号增高；b)横轴位 FA 伪彩图示ROI 的 FA 值 为 0.132；c)横 轴 位ADC 图示 ROI 的 ADC 值为 1.98×10 -3 mm2/s；d)、e)DTT 图 示 ACL连续性中断、断端纤维束排列紊乱 图2 ACL 部分断裂，右膝外伤 1 周，关节剧烈疼痛伴伸直 、 屈 曲受 限 。a)～c)DTT 图 示ACL 纤维束排列杂乱、股骨端仅有少量纤维束相连 图3 股骨外侧髁骨软骨挫伤（与图2 同一患者）。矢状位 T2 mapping 伪彩图示股骨外侧髁前中部软骨局部变薄且信号混杂不均，色阶部分呈橙色，ROI 的 T2 值 为60.17 ms

2.损伤与正常组之间的数据分析

30 例 ACL 损伤区、 参照组的平均 FA 值分别为 0.089±0.041、0.180±0.038，损伤组与参照组间有显著性差异（P＜0.001）；30 例 ACL 损伤区、参照组的平均 ADC 值分别为 2.214±0.163（×10-3mm2/s）、2.002±0.320（×10-3mm2/s），损伤组与参照组间有显著性差异（P=0.002）。29 例软骨损伤区、参照组的平均 T2值分别为 46.51±10.58 ms、31.68±2.79 ms，损伤组与参照组间有显著性差异（P＜0.001）。

3.常规 MRI 与 DTI、T2 mapping 序列比较

DTI 对ACL 损伤的敏感度、特异度、精确度及Kappa 值分别为 96.7%、80%、92.5%和 0.793，常规MRI 对 ACL 损伤的敏感度、 特异度、 精确度及Kappa 值分别为 80%、70%、77.5%和 0.455，DTI 各项数据均高于常规MRI，两者之间的差异具有统计学意义（P=0.013）（表 1）。在与关节镜下软骨损伤部位一致的前提下，T2mapping 对关节软骨损伤的敏感度、 特异度、 精确度及 Kappa 值分别为83.3%、92.9%、90%、0.762，常规 MRI 对关节软骨损伤的敏感度、特异度、精确度及Kappa 值分别为66.7%、78.6%、75%、0.432，T2mapping 各项数据均高于常规 MRI，两者间的差异具有显著性（P=0.006）（表 2）。

讨 论

1.本研究的理论基础

常规MRI 难以对ACL 的解剖细节作出有效且准确的评价，故对于ACL 完全撕裂和部分撕裂的鉴别诊断仍存在一定局限。有学者认为MRI 诊断ACL 部分撕裂的敏感度、 特异度及准确度，相对于 ACL 完全撕裂明显降低［2,3］。DTI 技术基于水分子扩散运动存在各向异性的原理，通过运用FA值、ADC 值等特有参数定量评价组织微观结构的病理变化，可精确地评价多种纤维组织的损伤［4-6］。FA 值表示水分子各向异性成分占据整个扩散张量的比例，变化范围为0～1，反映了组织内纤维束走向上水分子的空间位移程度；FA 值越大，表示各向异性程度越高。ADC 值用以衡量水分子在人体组织环境中的扩散运动状态，反映了扩散敏感梯度方向上的水分子位移强度；ADC 值越大，代表组织内水分子扩散运动越强，反之亦然。急性ACL 损伤的病理基础在于ACL 损伤后，产生韧带内水肿、出血，韧带纤维发生断裂，其多肽网架结构受到破坏，最终韧带内水分子大量聚集。通过对比分析本组资料中30 例ACL 损伤区与相应正常部位的平均FA 值、ADC 值，笔者发现ACL 损伤区的 FA 值明显减低，而 ADC 值增高，FA 值及 ADC值的变化差异均具有显著性，其原因归结为急性ACL 损伤后，韧带纤维断裂、断端纤维束紊乱直接导致其内水分子扩散各向异性程度降低，进而导致FA 值的减低；而韧带内水分子聚集，使其扩散程度增加，因此其损伤部位的ADC 值升高。

表1 DTI 与常规MRI 诊断 ACL 损伤的结果比较

表2 T2 mapping 与常规MRI 诊断关节软骨损伤的结果比较

通过研究发现，DTI 对于急性ACL 损伤诊断的敏感度、特异度及精确度均高于较常规MRI，进而验证了DTI 技术的优越性，但同时也出现了2例假阳性及1 例假阴性结果。假阳性组中1 例被误诊为ACL 股骨附着端部分撕裂，MRI 表现为ACL 股骨附着端韧带纤维束欠连续、局部T2WI 信号增高，测得病变区ADC 值升高、FA 值降低，DTT图显示局部纤维束结构紊乱，而关节镜却显示正常，分析误诊原因可能由于股骨髁的部分容积效应造成了类似ACL 撕裂的假象；另1 例被误诊为ACL 挫伤，MRI 表现为 ACL 整体 T2WI 信号偏高，测得 ADC 值、FA 值异常，DTT 图显示纤维束走行欠一致，同时可见膝关节腔大量积液、关节周围软组织挫伤，分析误诊原因可能由于患者偏年轻，未能考虑ACL 退变的影响，而韧带内黏液样变性直接造成了ACL 挫伤的假象，同时关节积液的部分容积效应也间接参与误诊的原因。造成1 例假阴性结果的原因在于关节镜显示ACL 局部有细微撕裂，而由于受到DTI 扫描参数中层厚、层间距及图像信噪比等因素的影响，造成了此次漏诊。因此，为了避免误诊和漏诊，可能需要进一步优化DTI 扫描参数。

早期准确诊断与处理关节软骨损伤，可最大限度维持膝关节稳定性，对于预防远期OA 的发生具有重要指导意义。由于常规MRI 容易受到信噪比、伪影及部分容积效应等因素影响，导致缺乏高分辨率优质图像，故常规MRI 对于软骨损伤的诊断较为局限，更无法对软骨损伤进行更精准地评价。T2mapping 技术的成像原理是采用多回波自旋回波序列，通过计算不同组织的T2弛豫时间来反映组织的信号强度，即该组织成分的T2值。该技术较常规MRI 得到了量化补充。关节软骨损伤的病理机制在于软骨表面胶原结构发生破坏、胶原纤维的排列构象发生改变，使水分子通透性增加，随着蛋白多糖的分解丢失，软骨的负重能力下降，继而导致软骨表面出现纤维化、形成裂缝，随后软骨变薄、甚至剥脱。关节软骨中水分子、蛋白多糖、 胶原的含量及排列方式均直接影响着软骨的T2值。当发生软骨损伤后，由于胶原结构的改变、破坏，蛋白多糖丢失，水分子通透性增加，使其内水含量增加，直接导致了损伤区T2值的增高［7,8］。

本组资料显示29 例关节软骨损伤区的平均T2值高于对照组，且两者间差异具有显著性。同时T2mapping 诊断软骨损伤的敏感度、特异度及精确度均高于常规MRI，进而证实了T2mapping 技术对于评估关节软骨损伤的敏感性和准确性。本研究中，T2mapping 诊断关节软骨损伤存在2 例假阳性及2 例假阴性结果，其中2 例假阳性组均被误诊为股骨髁软骨挫伤，原因可能是关节腔内积液、积血或邻近结构的部分容积效应导致T2mapping伪彩图软骨色阶不均，局部T2值发生了变化，造成了类似软骨挫伤的假象； 但也不能排除关节镜检查的局限性，如关节镜存在观察盲区、关节镜对于评估Outerbridge 标准分级-Ⅰ级的软骨损伤存在一定漏诊等［9］均可能影响本次评估结果。因此，在需进一步完善T2mapping 扫描参数的前提下，若单纯依靠关节镜作为“金标准”评估软骨Ⅰ级损伤，并不十分准确，有时需要结合MRI 综合判断。本研究中，T2mapping 图像造成2 例假阴性结果的原因可能是受到了扫描层厚等因素的影响，忽略软骨局部的细微损伤，造成漏诊；或由于ACL 损伤，导致膝关节不稳定，产生的软骨损伤为MRI与关节镜检查间期所造成。

既往文献资料表明［10,11］，MRI 检查中可发 现60%~80%的ACL 撕裂同时存在膝关节软骨损伤。本研究中，合并软骨损伤的病例占所有ACL 损伤病例数比例为40%，与报道的数据存在差异，分析原因可能与研究采集的病例数相对不足有关。在暴力外旋外翻作用下，急性ACL 断裂常导致股骨外侧髁前中部与胫骨平台后外侧关节面的 “对吻性损伤（kissing lesion）［12,13］”，且发生率高，ACL 完全断裂者几乎均有发生，二者可同时或相继进行，表明“对吻性损伤”的出现概率及程度与ACL 的损伤程度可能存在正比关系［14］。本研究中，“对吻性损伤” 占比达83.3%，且均与本例数中ACL 完全断裂同时存在，在一定程度上验证了上述观点。崔国庆等［15］认为，儿童和青少年的ACL 胶原纤维与胫骨嵴骨膜相连，故当ACL 受到暴力作用时，胫骨附着部软骨易受损伤，甚至发生撕脱性骨折，而成年人发生胫骨嵴损伤相对少见。本研究中仅2例出现ACL 胫骨附着部软骨损伤，虽均为青年，但由于病例数较少，其相互关系还有待进一步验证。

2.与国内外相关研究的比较

目前国内外不少学者对于ACL 的研究热点主要集中在定量评价ACL 及ACL 重组方面，对于同时发生的关节软骨损伤的报道相对较少。Delin等在 2013 年首次采用 DTI 观测 ACL，证实 DTI 能准确诊断ACL 损伤，但该项研究没能具体深入地展开［16］。随后几年内又陆续出现了有关 DTI 定量评价正常ACL 及ACL 重建术后移植物的研究报道［17-20］，进一步证实了 DTI 评价 ACL 的价值及可行性。对于关节软骨，近年来也有相关定量研究。2011 年，Mosher 等［21］认为在定量分析关节软骨的形态和成分方面，T2mapping 和T1ρ 成像技术体现十足的优越性。2014 年，Koller 等［22］的实验证实，T2mapping 成像技术对于观测关节软骨成分变化的敏感性高，利于精准评价形态学改变之前的关节软骨生化特性研究，对于OA 患者关节软骨的评价体现重要价值。本研究首次联合应用DTI 及T2mapping 技术综合评估急性ACL 损伤合并关节软骨损伤，较常规MRI 得到了量化补充。同时通过应用DTT 技术追踪ACL 的纤维走向，为临床提供了直观可靠的影像学依据，其准确实用性得到了提升，为今后的进一步研究探讨提供了参考依据。本研究中，DTI、T2mapping 技术诊断的敏感度、特异度及精确度均高于常规MRI，且与关节镜结果保持高度一致，进而证实本研究技术准确且实用。

3.本实验的局限性

本研究尚存在以下局限：（1）本研究样本量较小，在一定程度上限制了本研究数据的扩充和拓展。例如，DTI 与T2mapping 之间没有进行分层分析。（2）纳入对象年龄跨度较大，未按照年龄进行分组，年龄所导致的因素［23］可能对 ACL 的 FA 值、ADC 值及关节软骨T2值的变化造成影响。因此，本次研究的进一步完善需加大样本量并分组分析以深入探讨。另外，纳入者的性别差异较明显，职业因素未纳入考虑，可能会对本研究样本测量值造成影响［24,25］。当然，由于纳入对象之间存在个体差异，也会对分组研究造成影响。（3）本研究中样本的评估为两位观察者统一的结果，没有独立分析每位观察者的评估结果。（4）现有相关研究报道相对甚少，同时MR 设备不尽相同，对于DTI 扫描参数的设置并未完全统一。本研究DTI 图像质量略显不足，DTT 对于韧带细微结构的显示有待提高。

本研究表明，DTI、T2mapping 技术有利于ACL及关节软骨的定量客观评价。DTI、T2mapping 技术应用于急性ACL 损伤合并膝关节软骨损伤的诊断能进行量化评估，对临床的治疗有积极的指导作用，为今后的科研提供了参考。