磁共振成像对膝关节透明软骨病变的基础及临床应用研究

【摘要】： 第一部分膝关节软骨MRI序列对比研究 研究目的 通过对一组青年志愿者膝关节的MRI检查,探讨MRI显示膝关节软骨的最佳序列。 材料与方法 1.研究对象 选取青年志愿者20例,其中男10例,女10例。无膝关节疼痛症状及其他病史。 2.MR扫描技术 使用GE(GE Signa EXCITE HD;GE healthcare,USA)3.0T超导磁共振成像仪。在常规序列扫描的基础上进行膝关节3D-FS-SPGR、FS-GRE、FS-FSE序列矢状位扫描。 3.影像分析方法 所有图像均传输到AW4.3工作站及PACS系统进行处理分析。 所有图像由两位膝关节放射学专家共同阅片,在AW4.3工作站上应用GE公司配置的自带软件分别对3D-FS-SPGR、FS-GRE、FS-FSE序列关节软骨及关节软骨周围的软骨下骨、肌肉、滑液及背景信号进行测量。感兴趣区面积一般设定在4mm~2,每个固定部位重复测量三次,取其平均值。然后通过计算公式分别计算出软骨、软骨下骨、肌肉及滑液的信噪比(SNR)、信噪比效率,并分别计算出软骨与周围组织的对比噪声比(CNR)。 4.统计学分析 采用SPSS13.0统计包进行统计分析。 对3D-FS-SPGR序列、FS-GRE序列、FS-FSE序列所显示的软骨、肌肉、滑液及软骨下骨SNR、SNR效率以及软骨与其他组织的CNR进行统计学分析,方差齐性则采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较各组间的差异,P≤0.05,组间比较存在统计学意义,均数间两两比较采用LSD法;方差不齐,采用非参数秩和检验(Krustal-wallis test)进行比较分析,P≤0.05被认为组间有统计学差异,然后采取多重比较Dunnett's T3法进行两两组间比较。 结果 1.正常膝关节软骨MR成像敏感序列比较 1.1正常膝关节软骨及相邻组织在三种序列上SNR及SNR效率分析 关节软骨SNR:三种序列SNR测量比较,P=0.000,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,结果P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明3D-FS-SPGR序列关节软骨的信噪比最高,FS-FSE序列关节软骨信噪比最低; 软骨下骨SNR:三种序列SNR测量比较,P=0.000,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明FS-FSE序列软骨下骨信噪比最低,而FS-GRE序列软骨下骨信噪比最高; 肌肉SNR:三种序列SNR测量比较,P=0.000,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明3D-FS-SPGR序列肌肉信噪比最高,FS-FSE序列肌肉信噪比最低; 滑液SNR:三种序列SNR测量比较,P=0.000,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05;而3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列之间不存在统计学差异,P＞0.05。说明FS-FSE序列滑液信噪比最高,而FS-GRE序列及3D-FS-SPGR序列滑液信噪比差别不大。 FS-FSE序列显示滑液明显敏感于其他两序列,而3D-FS-SPGR序列在显示软骨方面强于其他两种序列。 关节软骨SNR效率:三种序列SNR效率测量比较,P=0.085,方差齐性,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明关节软骨在3D-FS-SPGR序列上SNR效率最高,在FS-FSE序列上SNR效率最低; 软骨下骨SNR效率:三种序列SNR效率测量比较,P=0.000,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明软骨下骨在FS-FSE序列上SNR效率最低,在FS-GRE序列上SNR效率最高; 肌肉SNR效率:三种序列SNR测量比较,P=0.000,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05,而3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列之间不存在统计学差异,P＞0.05。说明肌肉在FS-FSE序列上SNR效率最低,在3D-FS-SPGR序列及FS-GRE序列上相似,没有明显差别; 滑液SNR效率:三种序列SNR效率测量比较,P=0.006,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明滑液在FS-FSE序列上SNR效率最高,在3D-FS-SPGR序列SNR效率最低。 由于3D-FS-SPGR序列采集时间长,其各组织SNR效率均会降低。软骨SNR效率在3D-FS-SPGR序列上还是高于其他两序列;滑液SNR效率在3D-FS-SPGR序列上最低,在FS-FSE序列上最高;肌肉SNR效率在3D-FS-SPGR序列上与FS-GRE序列相近;软骨下骨SNR效率在3D-FS-SPGR序列上介于三序列中间。 1.2正常膝关节软骨与相邻组织对比噪声比分析 软骨/软骨下骨CNR:三种序列CNR测量比较,P=0.052,方差齐性,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明在3D-FS-SPGR序列上软骨/软骨下骨CNR最高,而在FS-FSE序列上其对比噪声比最低: 软骨/肌肉CNR:三种序列CNR测量比较,P=0.309,方差齐性,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05;而3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列之间未见明显统计学差异,P＞0.05。说明FS-GRE序列上软骨/肌肉对比噪声比最低,而在3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列上未见明显差异; 软骨/滑液CNR:三种序列CNR测量比较,P=0.005,方差不齐,采用非参数秩和检验进行比较分析,P＜0.05,组间测量值差异有统计学意义,组间比较3D-FS-SPGR序列与FS-FSE序列、3D-FS-SPGR序列与FS-GRE序列及FS-GRE序列与FS-FSE序列之间存在统计学差异,P＜0.05。说明在FS-FSE序列上软骨/滑液CNR最高,而在FS-GRE序列上最低。 3D-FS-SPGR序列软骨/骨CNR最高,FSE序列在软骨/骨CNR最低;而FSE序列软骨/滑液CNR最高,GRE序列软骨/滑液CNR最低。 结论 在FS-FSE、FS-GRE和3D-FS-SPGR序列上,关节软骨显示为高信号,其中3D-FS-SPGR序列软骨SNR最高,软骨与周围组织的CNR最高,是显示关节软骨的最佳序列。 第二部分膝关节软骨MR解剖与人体标本对照研究 研究目的 1.旨在利用膝关节尸体标本解剖与MR成像敏感序列进行关节软骨厚度测量并对照分析两种测量方法所得软骨厚度的差异; 2.对膝关节软骨标本特殊染色,分析软骨组织主要成分含量在关节软骨不同位置的差异。 3.利用3T MR新技术3D-FS-SPGR序列及T2~*GRE多回波序列分别对正常人膝关节软骨厚度及T2~*弛豫时间进行测量,初步确定正常人软骨厚度和T2~*弛豫时间正常值范围。 1材料 1.1标本组:选用国人青壮年中等身材无明显关节病变的成年男尸膝关节标本2例(新鲜冷藏),充分解冻的状况下均按常规序列进行MR扫描并进行FS-FSE、FS-GRE、3D-FS-SPGR序列矢状位扫描。复冻后按解剖部位进行矢状位解剖,解剖层厚2cm。 1.2对照组:20例,同第一部分。 2实验仪器 2.1 MR仪器及扫描参数 使用GE(GE signa VH/I;GE healthcare,Milwaukee,WI,USA)3.0T超导磁共振成像仪。对标本及正常组进行FS-FSE序列、FS-GRE序列及FS-SPGR序列扫描,扫描参数同第一部分。同时对正常组进行T2~*-GRE多回波序列扫描,扫描参数:TR100ms,TE3.6/8.9/14.1/19.4/24.6/29.8/35.1/40.3/45.6/50.8/56.1/61.3/66.6/71.8/77.4/82.3ms,35度翻转角,层厚4.0mm,层间隔0.5mm,FOV:16×16,矩阵:192×160,NEX:1,采集时间:4:46s左右。 3尸体解剖、取材及组织染色 3.1尸体解剖及取材 膝关节以伸直位置于零下三十度状态中,将其取出由解剖教研室专业技术员用电锯进行矢状位解剖,层厚约2cm,解剖完成后立即用清水将标本表面污垢清除,以干布吸水,保持剖面相对干燥,进行照相。用游标卡尺测量固定解剖部位软骨的厚度,最后由专人对关节软骨进行取材,以备组织学分析使用。 3.2组织学准备 将关节软骨取材送至病理科,经中性甲醛液固定,石蜡包埋切片后进行维多利亚蓝-丽春红复合特殊染色,染色后在显微镜下观察软骨基质内胶原纤维的情况。 4.图像处理及分析 在AW4.3工作站上应用GE公司配置的自带软件对3D-FS-SPGR序列进行重建并对关节软骨厚度进行测量,同时对T2~*GRE多回波序列重建出反映软骨弛豫时间的T2~*map图并在固定位置测量软骨的T2~*弛豫时间。 5.膝关节标本解剖与MR成像并软骨对照分析 解剖后膝关节标本进行干燥处理并照相,然后用游标卡尺对软骨固定部位进行测量,并在3D-FS-SPGR序列上于相同部位进行测量,分析并比较关节软骨厚度在解剖与MR成像上的差异性。 6统计学分析 采用SPSS13.0统计包进行统计分析。 正常人关节软骨厚度及T2~*弛豫时间测量结果分析,所有数据均以(均数±标准差)表示。 结果: 1.软骨组织学结果 在镜下观察发现,接近软骨膜的基质丽春红染色较明显,而位于软骨深部的基质红色不明显,但对碱性染料(如维多利亚蓝)有较强的亲和力,不同软骨可有不同的胶原分布模式,表明软骨内纤维的分布方向适应与抵抗软骨通常承受的张力。如在关节软骨内的纤维分布呈现为一系列的哥特式拱形构造模式,有些软骨中可见纤维横向穿越软骨,在软骨的两侧边缘以拱形的方式与软骨膜连接。 2.软骨解剖测量与MR测量对照 通过2标本解剖与MR成像对照,两种方法测量的软骨厚度差异性很小,说明在3D-FS-SPGR序列上的测量结果大体反映了关节软骨解剖厚度。 3.通过对正常人关节软骨厚度及T2~*弛豫时间值分别进行测量,得出一组正常人的测量值范围。 结论 1.通过膝关节标本解剖与MR成像测量及对比分析,FS-SPGR序列能够相对真实地反映关节软骨的形态及厚度; 2.通过膝关节软骨的病理特殊染色,我们发现关节软骨在表层胶原纤维含量相对较多,软骨细胞及其周围基质相对较少,而在关节软骨深层,其胶原纤维含量相对较少,而软骨及软骨周围基质相对较多,说明关节软骨组织成分的分布与软骨的功能相一致。 3.通过对膝关节正常组软骨厚度测量及T2~*弛豫时间测量,初步得出正常人关节软骨厚度及T2~*弛豫时间正常值范围。 第三部分MR成像在膝关节软骨病变的临床应用研究 研究目的 1.利用3D-FS-SPGR序列对膝关节OA各期软骨厚度进行测量,与正常组进行对比分析,评价OA软骨厚度随病变进展其厚度的改变; 2.利用软骨敏感序列对病变显示并与关节镜对照,通过各序列对软骨病变显示的特异性、敏感性等指标评价其在软骨病变诊断实际应用中的优越性; 3.利用T2~*GRE多回波序列对膝关节OA各期软骨弛豫时间进行测量,与正常组软骨T2~*弛豫时间测量值对比,评价OA患者病变进程与T2~*弛豫时间变化的相关性;同时对急性损伤组T2~*弛豫时间进行分析,评价早期软骨损伤T2~*弛豫时间的改变。 4.利用T2~*GRE多回波序列对膝关节软骨病变弛豫时间进行测量,评价软骨病变的进程;同时对急性损伤进行评价,目的是通过T2~*弛豫时间值伪彩图能够发现软骨损伤的隐匿性病变。 材料与方法 研究对象 1病变组:入选标准:选取2006年6月～2008年1月在南方医院就诊具有膝关节疼痛及功能障碍等症状的患者,MR检查未进行关节镜检查,无膝关节手术病史;如有外伤病史,X线需排除明显膝部骨折症状。外伤患者以外伤时间周期进行分期,2个月内划入急性损伤期,2个月后划入慢性损伤期。因慢性期创伤性OA与退变性OA发病机理一致,所以在分组过程中将两者一并考虑。 按照上述标准,有62例患者纳入本研究并进行关节软骨厚度测量,男27例,女35,年龄19～65岁,平均年龄36.8岁。 62例中有36例MR检查后行关节镜检查,男19例,女17例,年龄21-61岁,平均年龄43.5岁。 62例中有56例同时进行T2~*弛豫时间值测量,男25例,女31例,平均年龄36.4岁。 2.病例入选标准及分期 我们结合WOMAC骨关节炎指数评分及K-L放射学诊断标准将膝关节OA患者分为轻、中、重三组。 3.按软骨损伤程度分级 Ⅰ级:软骨完整;Ⅱ级:局限性软骨缺失无骨暴露;Ⅲ级:软骨破坏有骨暴露,软骨下骨完整无异常信号;Ⅳ级:软骨全层缺失,关节面下骨内有异常信号。 这种分期以软骨损伤程度进行分期,有助于关节镜检查与MR检查所得结果进行对照,区别于上述以临床症状所进行的分组。 仪器 同第二部分 图像处理及分析 图像处理及测量同第一部分 软骨病变损伤程度的诊断:术前由3位具有膝关节病变诊断经验的放射科教授分别对各显示软骨的序列进行阅片,然后再共同阅片。根据各序列中透明软骨影像表现做出诊断并对软骨病变进行分级。关节镜分级由临床关节镜专家分级,影像分级与关节镜分级采用双盲法。 统计学分析 采用SPSS13.0统计包进行统计分析。 3D-FS-SPGR序列测量软骨厚度及T2~*GRE多回波序列测量软骨T2~*弛豫时间值,分析比较正常组与病变各组之间的差异性。方差齐性则采用单因素方差分析(One-way ANOVA)分别比较各组间的差异,P≤0.05进行均数间两两比较的LSD法;方差不齐,采用非参数秩和检验(Krustal-wallis test)进行比较分析,P≤0.05被认为组间有统计学差异,然后采取多重比较Dunnett's T3法进行两两组间比较。 同时考虑到体重(kg)、身高(m)、BMI(体重/身高~2,kg/m~2)、年龄及性别对关节软骨厚度及软骨弛豫时间测量的影响,在病变组与对照组之间同时采用了非参数相关性检验(Spearman's检验)来分析相关因素对关节软骨的影响,P≤0.05被认为有统计学差异。 软骨损伤程度的分析:以关节镜为金标准,利用敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及kappa系数等指标进行统计分析。 结果 1.OA病变各组与正常组关节软骨厚度测量结果对比 通过对膝关节OA病变各组软骨厚度的测量并与正常组对比,轻度OA组关节软骨区域其厚度与正常组之间不存在统计学差异,而重度OA组大部分软骨区域其软骨厚度与正常组比较存在统计学差异。另外,软骨厚度的改变可能受到多方面因素的影响,如性别、年龄、体重及BMI等与软骨厚度改变之间存在负相关。 2.OA病变各组T2~*弛豫时间测量与正常组对比 通过对膝关节OA病变各组软骨T2~*弛豫时间测量并与正常组对比,轻度OA组大部分关节软骨区域其T2~*弛豫时间测量与正常组之间存在统计学差异,而重度OA组大部分软骨区域其T2~*弛豫时间测量其与正常组比较基本不存在统计学差异。软骨T2~*弛豫时间变化与年龄、体重及身高之间存在关联,T2~*弛豫时间变化可能受到多方面的影响。 3.软骨病变在三种序列上的影像表现 在MR各序列中,FS-FSE序列软骨缺损处积液为明显的高信号,正常软骨亦呈明显的高信号;FS-3D-SPGR序列上软骨缺损处积液呈低信号,周围正常软骨呈高信号,软骨缺损处或软骨内部损伤处呈低信号;FS-GRE序列软骨缺损处液体呈低信号,其周围正常软骨呈高信号,软骨损伤处呈稍低信号或与正常软骨相似的信号。 4.FS-GRE、FS-FSE及3D-FS-SPGR序列对关节软骨病变的评价 在MR各序列图像中,36名患者共288个软骨面中,关节镜检查共发现21名患者32处不同程度的病变。3D-FS-SPGR序列显示软骨病变效果最好,其病变敏感度99.2%,特异度94.4%,均高于FS-GRE序列、FS-FSE序列。3D-FS-SPGR序列的kappa值0.937＞0.75,其在显示软骨病变方面与关节镜发现病变方面有极好的一致性。 5.T2~*弛豫时间对关节软骨病变的评价 利用T2~*弛豫时间测量及T2~* map图像对关节软骨病变进行分析是本论文研究的另一个重点。通过对关节软骨OA病变T2~*弛豫时间值测量研究发现:膝关节OA患者其关节软骨T2~*弛豫时间测量值因发病时间长短、发病轻重程度不同而不同。在OA患者早期常发现其软骨信号可见局限增高的现象,而在中晚期,其软骨信号与周围正常软骨信号一致或者低于周围正常软骨信号。在急性损伤期软骨信号在损伤处呈高T2~*弛豫时间值,而在损伤慢性期软骨T2~*弛豫时间降低至周围正常软骨水平或低于周围正常软骨水平。 结论 3.1通过关节软骨OA组与对照组厚度测量对比分析:发现关节软骨负重面大部分区域随着OA病情的加重,其软骨厚度变薄,软骨厚度改变除OA病变严重程度影响外,可能还受到体重、年龄及性别等因素的影响。 3.2通过三种序列对软骨病变诊断并与关节镜对照,发现3D-FS-SPGR序列对病变的特异性及敏感性均高于其他两序列,而且3D-FS-SPGR表现了与关节镜病变诊断较高的一致性。 3.3通过关节软骨OA组与对照组T2~*弛豫时间测量对比分析:发现关节软骨在正常组与OA组之间存在差异性。这种差异主要发生在轻度OA病变组与正常组之间,说明OA病变早期关节软骨形态改变不大,而主要是软骨组织结构及成分的改变。 3.4通过关节软骨急性损伤与对照组T2~*弛豫时间测量对比分析:本组损伤病变以股骨内侧髁软骨负重面及髌骨病变为主。同时T2~*弛豫时间测量能够发现关节镜所不能发现的一些早期病变或软骨内在性病变。