T2 mapping技术及其在膝关节半月板中的应用进展

冯晓仪 综述 李康倩，李树强，杨侃荣，赵继泉，审校

1.广东医科大学，广东 湛江 524000；2.佛山市第二人民医院影像中心，广东 佛山 528000

膝关节半月板对减震、关节稳定和关节润滑具有重要作用。随着体育运动事业的发展及老年化人口的增多，创伤性半月板损伤或退变成为临床常见的骨关节疾病，其造成的后果可能会加速膝关节软骨病变。膝关节中任何单个结构的损伤都会影响关节的整体功能，并继发生物力学的改变，最终进展为膝骨性关节炎[1]，导致膝关节疼痛和功能障碍，给患者身心健康带来负面影响[2]。由于半月板大部分区域无血管结构，只有10%～30%的内侧半月板和10%～25%的外侧半月板接受直接供血[3-4]，因此，半月板病损后自身修复能力有限，在疾病发展的最终阶段将导致不可逆损伤，严重者只能行膝关节置换术来改善生活质量。因此，对半月板的病变早期准确诊断并进行积极的干预治疗具有重要临床价值。

磁共振成像具有较高的软组织分辨率，是目前检查半月板最佳的影像学成像工具，能反映已发生形态结构改变的半月板病变，对诊断半月板撕裂的敏感性和特异性较高，但是对于诊断半月板早期病损及半月板术后修复愈合状态的准确率较低[5]。相比之下，T2 mapping技术是一项磁共振生理成像技术，通过测量T2弛豫时间从分子水平无创性检测半月板中胶原蛋白的水含量，组成和胶原纤维各向异性变化来评估半月板的生理及病理状态，对半月板早期病损及修复愈合状态的定量分析有很好的参考价值。

1 T2 mapping技术的概述

T2 mapping技术常用的扫描序列包括spin echo(SE)，multi-echo SE，fast spin echo(FSE)，and T2-prepared 3D spoiled gradient recalled(SPGR)。PAI等[6]研究发现SE及FSE序列对于图像信噪比、清晰度等相对理想，大部分厂家使用FSE序列获得T2 mapping图像。该技术的基本原理是利用多回波自旋回波序列，采取同一TR时间和多个不同的TE时间进行扫描，获得原始T2WI图像，根据公式SIij(t)=SI0ije(-t/T2ij)[7-8]计算得出T2 mapping图，图像经过伪彩编码技术自动生成T2 mapping伪彩图，后选择感兴趣区域(ROI)即可测量组织的T2值，对获得的T2值进行分析来判断组织是否存在病变。

T2 mapping定量技术近五年已成为国内外学者研究的热点。该技术可以用于全身的各个系统、部位的成像。目前其广泛应用于骨关节系统方面，特别是应用于膝关节软骨及半月板方面，研究学者认为通过测定T2值可以间接评估半月板组织各向异性、胶原纤维浓度和蛋白多糖基质中的水分含量，能够在半月板形态学改变前发现其生化成分的变化，从而为诊断半月板早期损伤及追踪术后病情愈合状况等方面提供重要依据并指导临床治疗，以防止发生不可逆性改变[9-11]。

2 半月板与T2 mapping的相关性

2.1半月板的解剖和功能 半月板是由两个新月形纤维软骨组成的结构，覆盖在胫骨内侧和外侧，前后端分别附着在胫骨平台中间部非关节面的部位。外侧半月板近似“C”形，占胫骨平台外侧的75%～93%；内侧半月板呈“O”形，覆盖胫骨平台内侧的51%～74%[4]。在横断面上，正常半月板呈楔形，外周厚中间薄，平面朝向胫骨，凹面朝向股骨。半月板的周缘底部附着在关节囊上，环向半月板基质纤维形成韧带，将半月板的前角和后角连接到胫骨髁间棘前方和后方[12]。内侧半月板牢固附着于内侧副韧带上，活动度较小，因此外伤时容易损伤，但外侧半月板没有固定在韧带上，只有周边附着到关节囊上，因此相对内侧半月板活动度较好。毛细血管渗透到半月板的外围边界，可达其宽度的30%。半月板前后角是神经分布最多的区域，大多数神经纤维都沿着血管的路径分布。半月板内侧的三分之二没有神经或血管，损伤后难以修复自愈。半月板是由胶原纤维、蛋白多糖和水组成的大分子框架，其中98%为Ⅰ型胶原纤维，蛋白多糖含量较少，仅占1%。健康半月板内大多数胶原纤维编织紧密，呈环状排列，但放射状、穿孔状和浅层胶原纤维的取向较不规则。胶原基质中含有大量亲水性蛋白多糖分子，其重要的作用是抵抗拉伸力、压缩力和剪切应力。当膝关节负荷时，半月板受到压缩，此时，健康的胶原基质可抵抗压力强度防止半月板受挤压，避免造成半月板损伤。因此，半月板的主要功能是向关节软骨及关节面下大面积传递载荷，分散压力，在动态运动时减震，稳定关节[13]。

2.2 半月板结构与T2值的关系 健康半月板基质中胶原纤维结构完整，排列紧密有序，水分子很大程度上被排列有序的胶原纤维基质束缚在适当的位置，导致质子快速去相位，T2弛豫时间相对低[14]。相关研究表明，正常成人半月板T2值存在区域性差异，半月板T2值浅层高于深层，外周高于内侧[15]，造成此原因可能是半月板浅层所受的压力大于深层，导致具有抗压作用的蛋白多糖组成的不同而引起的。TSAI等[16]认为外周T2值最高，反映其内血管丰富、内侧弛豫时间短，可能与环状纤维含量丰富有关。总体来说，T2弛豫时间取决于半月板组织各向异性、胶原纤维浓度和蛋白多糖基质中的水分含量[17]。当胶原纤维结构杂乱无章，水分子运动不受约束，游离水含量增多，T2值升高[18]。水分含量是蛋白多糖基质膨胀压力和胶原纤维蛋白网络的约束张力之间的平衡结果，是反映早期半月板损伤的良好生物标志物。T2 mapping技术可通过测定半月板的T2弛豫时间来评估水分含量，从而反映胶原纤维的取向及结构的完整性。

3 T2 mapping技术在半月板中的临床应用

3.1 诊断早期半月板损伤 膝关节是人体最复杂，负重最多的关节。半月板损伤在临床中常见，其重要的原因包括随年龄增长所致的半月板慢性退变，或与体育运动和事故相关的半月板急性损伤。常规磁共振检查对半月板损伤的分级标准采用国际公认Stoller[19]分级法：0级，为正常的半月板，呈均匀低信号，半月板形态规则；Ⅰ级，半月板内见圆点状、斑点状高信号影，但不与关节面相连；Ⅱ级，半月板内有线状高信号影，延伸至半月板的关节囊缘，但未累及到半月板关节面边缘；Ⅲ级，半月板内高信号影延伸至关节面。虽然磁共振能直观观察半月板的形态及信号的改变，对膝关节损伤评估具有很大的优势，但是目前也有大量的研究证实半月板出现Ⅱ级信号不一定代表撕裂，出现Ⅲ级信号也不一定代表撕裂，其对诊断半月板撕裂亦存在漏诊及误诊的可能[20]，误诊常见的原因包括半月板纤毛化、韧带干扰(膝横韧带、后交叉韧带前方的Humphry韧带和后方Wrisberg韧带)、部分容积效应等；漏诊常常是由于半月板前角假性肥大或一些特殊类型的撕裂[21]。因此，利用一种相对更精确的手段量化评估半月板的损伤程度，对明确临床治疗方案具有重要的指导意义。T2 mapping成像能够通过测定T2值评估半月板损伤程度。SUBBURAJ等[22]研究通过测定健康人跑步30 min后膝关节半月板T2值短期内的变化，证实了跑步后半月板区域T2弛豫时间缩短，以股骨髁部中心承重区的变化明显。这表明运动会扰乱半月板胶原基质的结构(胶原纤维的变形和取向变化)和组成(基质内的水分子的释放)，导致T2值降低，提示T2值可反映半月板基质结构组成受载荷的影响，对指导生活中运动方式有一定意义，防止运动过度造成半月板的损伤。STEHLING等[23]对马拉松运动员运动前后半月板的T2弛豫时间作对比，结果显示马拉松运动员在长达数小时运动后，半月板形态无发生明显的改变，但是T2值显著升高，这表明长跑运动后的半月板在形态学改变之前已有生化成分的变化，提示潜在的组织损伤，因此，T2值被认为评估早期半月板损伤基质生化改变的重要参考指标。符大勇等[24]研究结果表明T2 mapping通过测定T2值，发现有临床症状患者半月板的T2值高于正常半月板，说明患者半月板损伤后T2值会升高。分析数据结果证实T2 mapping较常规序列对诊断半月板变性与撕裂具有较高的特异性及敏感度，特别是半月板撕裂的患者，由于关节液进入裂隙导致T2值明显升高。然而，T2值受众多因素的影响如年龄、性别、体质量等[25]，因此T2 mapping技术成像对于诊断半月板正常与变性、变性与撕裂是否有一个明确的最佳阈值，至今依然是众多学者研究的内容，期待早日会有所突破。

3.2 评估半月板术后修复愈合状态 磁共振检查被认为是无创性诊断半月板撕裂的理想检查手段，具有较高的敏感性及特异性，但是对于半月板修复术后再撕裂及瘢痕增生的评估存在争议性。ΜIAO等[26]对半月板撕裂术后二次关节镜检查证实完全愈合的38个半月板进行了磁共振检查评估，发现63%的半月板均出现了类似于半月板损伤或撕裂的T2高信号。这种信号改变在半月板修复后可持续多年存在[27-28]。STEENBRUGGE等[29]解释了半月板修复术后磁共振表现为持续高信号主要是由于手术区局部水肿，纤维疤痕组织增生所致。这一发现使得常规磁共振难以对半月板手术后愈合情况作出准确评估，给临床诊断工作带来困扰。近年来，关于T2 mapping技术的相关研究已经开始应用于评估半月板术后的愈合情况。T2 mapping伪彩图可从视觉上评估半月板原发性损伤T2高信号线与伪彩图上半月板异常彩色线(也叫彩色半月板撕裂线)的差异。YAΜASAKI等[11]研究通过对半月板撕裂患者手术前后进行常规磁共振、T2 mapping扫描，比较T2 mapping彩色半月板撕裂线与常规磁共振上显示原发性撕裂的高信号线的位置长度的差异性；并对比手术前后彩色半月板撕裂线T2值的变化。结果发现T2 mapping显示半月板修复区的彩色半月板撕裂线可以区分愈合和未完全/未愈合的半月板；同时也证实了半月板术后愈合的彩色半月板撕裂线处的T2值较未完全愈合的明显缩短，尤其是减少了22.3 ms，该值是提示半月板愈合的分界值。与常规磁共振相比，T2 mapping可以从视觉上评估及数值上定量分析半月板术后修复愈合的情况，具有较高的敏感性和特异性。因为目前国内外学者对这一方面的研究尚未深入，国内相关报道甚少，所以对这一方面探讨仍需要广大研究者深入探讨应用，冀望早日成为评估半月板术后愈合情况的理想检查手段。

3.3 预测骨性关节炎发生风险 骨性关节炎(OA)是一种异质性和多因素的疾病，主要特征是透明关节软骨的进行性丢失，最常受影响的是膝关节[30]。OA发病机制与关节软骨的生物力学及生化成分变化有关。其发生和发展不仅与关节软骨等单一组织的疾病有关，还与关节的其他组织(包括软骨下骨、滑膜、关节囊和半月板)的疾病有关。几十年来，半月板在OA发展中的作用一直受到学者的广泛关注，因为它的结构类似于透明软骨。相关研究证实半月板损伤不仅是OA的放射学征象——高达91%的有症状的膝关节骨性关节炎(KOA)患者同时存在半月板撕裂[31]，半月板撕裂是KOA发生和发展的最大危险因素之一[32-34]。OA早期改变包括软骨及半月板内蛋白聚糖的丢失，胶原网络结构的受损以及水含量的增加，因此，客观评估半月板组织的质量和成分是至关重要的，特别是在有发生OA风险的患者中。T2 mapping技术是对KOA半月板早期病变研究中最常用的定量磁共振技术。基于生化组织成分的特性，在半月板形态改变之前，T2 mapping技术可以通过测定T2值定量分析揭示细胞外基质的组成及生化成分的变化。T2值增加表明半月板胶原纤维网络结构受损和基质中水分含量减少，提示组织的退变[35]。该技术通过对早期半月板损伤的及时诊断，有利于临床早期的干预治疗，避免疾病晚期不可逆性损伤。曹明明等[36]学者通过利用定量T2 mapping技术评价半月板退变与KOA之间的关系，结果表明T2值评价半月板退变与OA之间呈正相关。BAUΜ等[37]研究表明有膝关节疼痛症状、OA危险因素(如超重/肥胖)的受试者半月板T2值明显高于正常志愿者。VAN TIEL等[38]通过体外实验，证明了KOA患者半月板T2值与组织学退变程度有很强的相关性。以上研究表明，T2值可能是早期半月板损伤一个可靠的生物标志物，T2mapping可作为KOA早期诊断和监测疗效的有效的无创性成像工具。

4 结语

T2 mapping技术成像是目前应用较广泛的磁共振定量成像技术，在半月板方面应用也相对较多。其作为一种分子成像技术，能够在形态学未改变之前发现组织生化成分的变化、非侵入性定量评估半月板早期病变及术后愈合情况。此外，由于该技术对场强要求相对较低，且不需要使用外源性造影剂，使得该技术操作方便，应用性强。局限性在于T2值的测量结果易受魔角效应、磁场均匀性、部分容积效应等影响，使正常组织出现假阳性。尽管如此，该技术的应用利大于弊，特别是对于评估半月板修复术后愈合情况，常规磁共振无法作出明确的判断，而T2 mapping技术的出现可以弥补上述不足。T2mapping技术的发展具有广阔的前景，仍然需要广大学者共同的努力，亟待日后为临床诊断治疗工作带来更多的获益。