合成MRI定量技术在半月板损伤中的应用价值

陈露露 王志强 王巍

半月板损伤是临床较常见的膝关节病变之一，常以关节活动受限、关节肿痛等为主要表现，可发生多种并发症，如骨关节炎、肌肉萎缩等。及早诊断和治疗半月板损伤，是患者预后得以改善的关键[1]。目前，MRI常规平扫是检查半月板损伤的普遍方法，但其仅能显示出现明显信号和形态学改变的结构损伤，难以对损伤进行定量分析；T1mapping、T2mapping、T2*mapping等技术是常用的膝关节损伤的定量评价方法，但由于扫描时长较长，可能引起组织温度升高，临床应用受限[2]。作为近年来开发的新技术，合成MRI定量技术一次扫描可获得T1WI、质子密度（proton density,PD）加权像、T2WI、短时反转恢复序列（short-T1 inversion recovery,STIR）、T1mapping、T2mapping及PD mapping[3]等多个常规形态学图像及功能定量图像，效率大大提高，已被应用于脑转移瘤、多发性硬化、胶质瘤、膝关节软骨损伤、椎间盘退变和前列腺癌等多种疾病的辅助诊断，并体现出良好的诊断价值[4]。本研究探讨合成MRI定量技术在半月板损伤中的临床应用价值，以期为客观评估半月板损伤提供新的技术支持。

1 对象和方法

1.1 对象 收集2021年10月—2022年1月温州市中西医结合医院关节外科拟诊为半月板损伤患者共53例，纳入标准：近期有膝关节外伤、疼痛史，临床怀疑有半月板损伤；BMI 18.5～23.9 kg/m2。排除标准：以往有骨折手术、肿瘤、类风湿性关节炎等病史；体内有金属物植入、幽闭恐惧症等MRI检查禁忌证者；图像质量不佳；半月板发育异常者，如盘状半月板等。最终入选50例，其中男17例，女33例；患者年龄30～68（52.0±1.6）岁；左膝28例，右膝22例。本研究经本院医学伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 MRI检查方法 采用GE SIGNA Architect 3.0 T磁共振扫描仪，16通道膝关节线圈，足先进，膝盖自然伸直，中心线对髌骨下缘，沙袋固定。为避免运动对扫描数据的影响，所有患者均静坐30 min后进行常规膝关节平扫及MR集合序列（magnetic resonance image compilation,MAGIC）扫描。常规平扫采用快速自旋回波序列。T1WI：重复时间534 ms，回波时间11 ms，激励次数1，视野160 mm×160 mm，矩阵大小420×320，翻转角 125，层厚 4 mm；PDWI：重复时间 4 462 ms，回波时间42 ms，激励次数1，视野160 mm×160 mm，矩阵大小360×260，翻转角111，层厚4 mm；T2WI-fs：重复时间3 950 ms，回波时间42 ms，激励次数1，视野160 mm×160 mm，矩阵360×260，翻转角111，层厚4 mm，分别行矢状位、冠状位和轴位扫描。矢状位MAGIC采用多延迟多回波序列，重复时间4 000 ms，回波时间93.67、20.81、12.13 ms，激励次数1，视野180 mm×180 mm，矩阵320×256，翻转角90，层厚4 mm。所有采集图像均传入GE后处理工作站。

1.3 半月板Stoller分级和分组 患者膝关节平扫图像均由2位资深放射科医师分别读片，根据Stoller分级法进行分级，当意见不一致时，讨论后达成统一意见。正常半月板，呈均匀低信号，形态规则，为0级；半月板内见圆点状、斑点状高信号影，但不与关节面相连，为Ⅰ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，为Ⅱ级；半月板内高信号影延伸至关节面，为Ⅲ级。Ⅰ、Ⅱ级信号定性为半月板变性，Ⅲ级信号为半月板撕裂。正常半月板根据解剖结构分为内侧前角组、内侧后角组、外侧前角组和外侧后角组。损伤半月板分为变性组及撕裂组。

1.4 合成图像处理与分析 所得图像通过MAGIC（version100.0.0.）软件得到 T1mapping、T2mapping及PD mapping图谱。同由2名资深放射科医师在合成矢状位PDWI图像最大范围显示半月板的层面，分别在半月板内侧前角、内侧后角、外侧前角、外侧后角勾画3个感兴趣区（ROI）（图1），测得纵向弛豫时间（T1）、横向弛豫时间（T2）和PD值，测量时避开关节液及关节软骨等区域。重复测量3次，取平均值。损伤半月板选取损伤部分的最大层面，按同样规则绘制ROI，测量3次，取平均值。

图1 半月板感兴趣区示意图（a：正常半月板后角；b：损伤半月板后角）

1.5 统计学处理 使用SPSS 25.0统计软件。计量资料符合正态分布的以表示，不符合的以M（P25，P75）表示。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient,ICC）评价两位医师间定量测量结果的一致性。采用Kruskal-WallisH检验比较正常半月板4组间及正常、损伤半月板间定量参数的差异。采用ROC曲线评估定量参数诊断半月板损伤的阈值及效能。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 合成MRI定量图谱分析 50例患者单侧膝关节共纳入197个半月板角（另3个测量数据异常），其中正常半月板角136个，变性半月板角48个，撕裂半月板角13个。对比半月板PDWI图像，T1mapping、T2mapping伪彩图显示蓝绿色或红色色阶，提示半月板变性或撕裂，PD mapping伪彩图色阶变化不大。正常半月板T1mapping、T2mapping伪彩图大多表现为相对均匀的深蓝色。见图2、3（插页）。

图2 59岁女性内侧后角半月板的合成PDWI图像及定量图（a：矢状位PDWI图，箭头示线样高信号灶延伸至关节面，呈三级损伤；b：T1 mapping伪彩图；c：T2 mapping伪彩图；d：PD mapping伪彩图）

图3 31岁女性外侧前角半月板的合成PDWI图像及定量图（a：矢状位PDWI图，箭头示点片状高信号，呈二级损伤；b：T1 mapping伪彩图；c：T2 mapping伪彩图，箭头示损伤，呈淡蓝色色阶；d：PD mapping伪彩图）

2.2 定量参数测量值一致性的评价 2位医师测量定量参数的一致性都较好，其中T1的ICC值为0.989（95%CI：0.985～0.991）、T2为 0.958（95%CI：0.945～0.968）、PD的ICC值为 0.952（95%CI：0.936～0.963）。

2.3 正常半月板4组间定量参数值的比较 正常半月板4组间T2值比较有统计学差异（P＜0.05），内侧后角组低于外侧前角组和外侧后角组（均P＜0.05）。其余参数各组比较无统计学差异。见表2。

表2 正常半月板4组间T1、T2、PD值的比较

2.4 正常组、变性组及撕裂组定量参数值的比较 变性组及撕裂组T1、T2值均高于正常组（均P＜0.05），撕裂组T1、T2值高于变性组，但差异无统计学意义；各组PD值比较差异无统计学意义，见表3。

表3 半月板正常组、变性组及撕裂组定量参数值的比较

2.5 定量参数值诊断半月板损伤的效能分析 利用T1、T2值评估半月板损伤的阈值及效能。当T1、T2分别取920和39 ms时，诊断半月板损伤的AUC分别为0.718和0.987，灵敏度分别为73.8%、100.0%，特异度分别68.9%、95.1%，T2值诊断效能优于T1值。见图3。

图3 T1、T2值鉴别半月板损伤的ROC曲线

3 讨论

合成MRI定量技术是一种多模态定量MRI技术，它是多层面激发、多回波、多饱和延迟的快速自旋回波序列，通过计算可以得出多种定量图及多个对比加权图像，对磁场敏感效应低，且无需增加额外扫描时间[5-6]。国内外许多研究证实：合成MRI定量技术在膝关节成像中具有临床应用可行性[7-9]，为本研究分析半月板损伤定量参数变化提供了理论依据半月板是一种月牙状的纤维软骨，大部分由水分子、胶原纤维和少量蛋白多糖组成。各参数中，T2值大小主要与自由水的含量和胶原纤维的排列有关[10]。本研究结果显示：4组正常半月板仅T2值比较有统计学差异，且内侧后角组T2值比外侧前、角组和外侧后角组低，推测内侧后角是主要承重区，胶原纤维容易发生形变、水分子丢失导致。徐菲等[11]对踝关节正常软骨承重区及非承重区行T2mapping发现：承重区T2值小于非承重区，与本研究结果相似。陈鹏翅等[12]对18～29岁健康成人正常半月板的研究发现：内、外侧半月板前、后角T2值不存在差异，可能是因为该研究纳入受试者年龄偏小；本研究受试者年龄段偏大，多为中老年，且跨度较大。但年龄对半月板承重区T2值改变的影响还需进一步研究。T1值大小主要受含水量和蛋白多糖含量的影响[13]。随半月板退变加剧，T1、T2升高；当半月板发生变性后，细胞外基质中的胶原蛋白不断被破坏分解，水分子运动增多,导致T1、T2升高；与变性相比，撕裂后的半月板胶原纤维含量进一步减少，关节腔积液更容易进入撕裂的半月板间隙[14]，与本研究结果相同。但T1、T2值在撕裂组和变性组间无统计学差异，这除了与样本量少有关外，也可能是常规MRI中半月板有时形成类Ⅲ级信号而被误判所致。误判主要有以下几个原因：半月板变性毛刷样改变可达关节面；粘液样变性导致含水量增加，容易形成条状高信号；周围韧带如膝横韧带、板骨韧带等附着在外侧半月板前角形成类Ⅲ级信号；部分容积效应使半月板与周围软骨形成截断影[15]。PD值主要通过游离水含量的变化来间接反映软骨病理状态[16]，在膝关节中的研究尚少。本研究发现：正常与损伤半月板中PD值均无统计学差异。陈逸群等[17]认为T1值能更早地监测蛋白多糖含量与细胞外基质含水量的变化，Sharafi等[18]认为T1值对诊断早期关节软骨损伤的敏感性更高，但本研究结果显示T2值的效能更高，原因可能是半月板中蛋白多糖含量远低于关节软骨。

合成MRI定量技术目前尚存在局限性，如不能抑制关节流体，会造成一定的信号干扰；合成序列回波时间为固定值；第1个回波时间过大（93.67 ms），不适用于短回波时间的半月板，造成测量值整体偏高[19]。同时本研究也存在不足，如样本量偏少，年龄跨度较大，患者年龄段未细分，无健康对照组，研究仅采用影像主观判断，未行关节镜及病理学检查等。

综上所述，本研究应用合成MRI定量技术初步研究并比较了正常及损伤半月板定量参数值，一次扫描可获得多形态学和定量参数信息；其量化参数能够为膝关节半月板发生形态学变化前提供客观依据，在膝关节半月板研究中具可行性。未来可加大样本量展开多方向研究。