关节软骨病损的磁共振成像及其与组织学的对照研究

【摘要】  　　［目的］探讨MRI对关节软骨各期病变的敏感成像序列并评价MRI对早期软骨病变的诊断价值。［方法］通过1例新鲜截肢人和4例正常猪膝关节的T2W1、PDWI、GE、STIR、3D FSFSPGR等序列的成像研究，选定最佳的序列用于6例猪骨性关节炎（Osteoarthritis,OA）模型膝关节扫描，以MRI图像为标准切取标本染色，图像与染色图片对照以评价MR对关节软骨的诊断价值。［结果］5种序列的组织分辨力、病变检出率以3D FSFSPGR序列最高分别达67.9％和93.7％；蛋白多糖（proteoglycan,PG）和胶原纤维（collagen fibers，CF）主要分布在关节软骨的深层组织。以MRI图像为标准切取的各级软骨标本之间染色浓度，PG呈递减关系，CF呈递增关系。［结论］在5种序列中，3D FSFSPGR是理想的关节软骨成像序列；MR不仅对中晚期软骨病变有良好显示，对早期软骨病变也能作出正确诊断。

【关键词】  磁共振 关节软骨 组织学 3DFSFSPGR

　　Control study on MRI of articular cartilage erosion and its histological expression∥

　　ZHU Baolin,QI Jianhong,ZHANG Jingjian,et al.

　　Department of Orthopaedics,the Affiliated Hospital of Taishan Medical College,Taian,Shangdong 271000,China
   
　　Abstract：［Objective］To Study the sensitive sequence of MR for all stages of articular cartilage erosion and to evaluate the effect of MR on the correct diagnosis in the early stage of articular cartilage.［Method］One human fresh amputated knee joint and 4 normal pig knee joints were used to study and select the best sequence by T2WI,PDWI,GE,STIR,3D FSFSPGR sequences and 6 pig oatcoarthritis（OA）model knee joints were studied by the selected best sequence,MRI was compared with correspont histological evidence to evaluate the effect of MR on the correct diagnosis of OA cartilage.［Result］The best results of tissue resolution and diagnosis rate were seen in 3D FSFSPGR of all five sequences respectively 67.9% and 93.7%,of proteogly(PG) and collagen fiber(CF) mainly distributed in the deep cantilage.Dyeing of PG in diffent cantilage erosion was decreased while CF increasing.［Conclusion］3D FSFSPGR is a favorable scan sequence to examine the OA changes of articular cartilage.MRI could show the pathological changes including early stage and have good veracity to the early pathological changes of OA cartilage.
   
　　Key words：MR;  articular cartilage;  histology;  3D FSFSPGR

　　软骨退变是OA的基础，早期发现并预防关节软骨的退变十分重要。随着磁共振技术发展，应用敏感的成像序列能否发现早期软骨病变?为此，作者设计本实验以探索MRI早期诊断关节软骨病变的有关问题，并通过与组织学比较，评价MRI的诊断价值。

　　1  材料与方法

　　1.1  实验设备与材料
   
　　美国GE公司1.5 T超导型永磁体MRI扫描仪SIGNA，膝线圈。即用型SABC免疫组化试剂盒；一抗，Rabbit AntiCollagen TypeⅡ型，武汉博士德生物工程有限公司。
   
　　1.2  标本来源
   
　　外伤性股部截肢膝关节1例，来自泰山医学院附属医院骨科。对照组猪2头膝关节4例，模型组猪3头6例关节，均雄性，来自中国人民解放军某师养殖场，2组同一种系同样1个月龄，体重均约35 kg。

　　1.3  截肢膝关节处理
   
　　关节囊切开向下翻转髌骨，暴露股骨髁，用直径4 mm钻头沿矢状径分别磨除股骨外髁软骨1、2、3、4 mm深度，制作软骨缺损模型。
   
　　1.4  OA模型动物的建立
   
　　猪膝关节内侧切口，切断前交叉韧带，切除部分内侧半月板后，缝合切口。手术组单独饲养，任其活动。正常对照组未行手术处理。6周后宰杀所有实验动物，得到具备不同软骨病变期的OA模型动物。
   
　　1.5  成像序列研究
   
　　对照组膝关节分别行快速自旋回波T2加权（FSE T2W1）、质子密度加权（PDWl）、梯度回波（GE）、短反转时间的反转恢复序列（STIR）、三维脂肪抑制快速扰相梯度回波（3D FSFSPGR）等序列检查矢状位、冠状位，图像用以评价关节组织分辨率。截肢膝关节使用同样序列扫描，将图像与标本对照计算病变软骨病灶检出率。综合两者结果选定OA模型检查使用序列。由2位从事MRI专业诊断副主任医师按照Recht〔1〕标准进行图像评定。MRI图像组织分辨力评估按照朱宝林〔2〕标准（表1）。
   
　　表1  各序列扫描数（略）

　　注：Flip翻转角，Thick层厚；SP间隔；Fov视野；Matrix矩阵

　　1.6  标本取材与组织学染色
   
　　标本取材依据MRI上软骨病变分级定点取材，并以MRI为标准。标本经4％多聚甲醛固定1 d，用5％EDTA脱钙2周后包埋。垂直于关节软骨切片（4 um），行苏木素-伊红（ＨE）、甲苯胺蓝和番红0染色。附于赖氨酸涂片上的实验组组织切片，按SABC法进行Ⅱ型胶原的免疫组织化学染色。
   
　　1.7  图像分析及统计学处理
   
　　HE染色总体观察关节软骨的形态。甲苯胺蓝和番红0染色切片，使用Photoshop7.0.1软件测量显色区5区域灰度值定量分析。免疫组化染色切片，使用医学图像工作站在100倍放大图像上选取5个视野定标后计算Ⅱ型胶原所占该视野面积，取平均数定量分析。应用SPSS 10.0统计学软件，组织分辨力和病变检出率资料采用x2检验。关节软骨甲苯胺蓝、番红0染色灰度、Ⅱ型胶原纤维染色面积结果采用方差分析两两比较的t检验计算P值。
   
　　2  结果
   
　　2.1  不同MRI序列的组织分辨力
   
　　对照组T2WI、PDWI、GE、STIR序列各选取60个图像，3D FSFSPGR选取矢状位128个图象作为评价指标。T2WI、PDWI少数图像能够观察到软骨分层现象，组织对比度尚可，判断软骨内部信号较困难。GE软骨分层一般，内部信号显现尚好，关节软骨轮廓因关节液较亮而分辨不清。STIR因信号比低、图像较灰，软骨周围组织显现清楚，软骨信号强度一般。3D FSFSPGR图像较灰，软骨显得明亮，分层良好，周围组织显现一般，较多图像能分清3层结构，内部信号显现良好，由于连续扫描，各图像之间连续性好（图1）。各序列组织分辨力见表2。
   
　　表2  5种扫描序列MRI图像组织分辨力评估（略）

　　注：3D FS-FSPGR序列与其他序列分辨力两两比较x2检验均P＜0.01

　　2.2  不同MRI序列的病变检出率
   
　　截肢膝关节T2WI、PDWI、GE、STIR各选取42个图像，3DFSFSPGR选取矢状位48个图像做为评价指标。以人体标本为准，评价MRI对软骨病变的检出率（图2）。各序列病变检出率见表3。
   
　　表3  5种扫描序列病变检出率（略）

　　注：3D FS-FSPGR序列与其他序列病变检出率两两比较x2检验均P＜0.01

　　2.3  模型组3D FSFSPGR序列检查
   
　　180个图像中共检查到软骨病变Ⅰ级92个，Ⅱ级141个，Ⅲ级115个，Ⅳ级34个，关节软骨相对于周围组织低信号显得明亮。在关节负重区大部分软骨显示为3层结构，非负重区软骨则较多显示为一或二层结构。负重区软骨主要为Ⅱ级病变，软骨厚度变薄，软骨内信号强度降低；同时可看到Ⅲ级软骨退变，软骨明显变薄，信号强度降低，软骨下骨亦表现异常低信号；在Ⅱ级病变边缘多见到Ⅰ级病变，表现为软骨轮廓尚规整，但出现厚度均匀变薄或轻度信号强度下降；Ⅳ级病变区可看到软骨全层缺损，表现软骨断裂征，周围软骨信号强度降低，软骨下骨出现异常低信号（图3）。
   
　　2.4  病理结果
   
　　随着软骨病变的加重，软骨细胞逐渐减少，出现细胞皱缩和胞核、核浆比例变小，细胞基质增多，染色变浅。PG和CF主要分布在关节软骨的深层组织，在表层组织中含量较少。各级软骨病变之间染色浓度PG呈递减关系（灰度值变化见表4）（图4～7），CF呈递增关系（表5）。
   
　　表4  关节软骨番红O染色平均灰度值（略）

　　方差分析t检验0和Ⅰ比较t=4.887,P＞0.05;Ⅰ和Ⅱ比较t=0.140,P＞0.05;Ⅱ和Ⅲ比较t=4.583,P＜0.05

　　表5  关节软骨Ⅱ型胶原纤维免疫组化染色面积比（略）

　　方差分析t检验0和Ⅰ比较t=2.917,P＞0.05;0和Ⅱ比较t=4.515,P＜0.05;Ⅰ和Ⅱ比较t=4.990,P＜0.05;Ⅱ和Ⅲ比较t=1.153,P＞0.05

　　3  讨论
   
　　3D FSFSPGR序列的优势在于：3D扫描可获得连续的薄层图像而少丢失信息，FS可使脂肪信号下降，软骨信号更加清楚。FSPGR以快速梯度回波序列为基础利用了横向磁化的信息。3D FSFSPGR采用薄层扫描来减弱部分容积效应，对于小的软骨缺损具有较高的灵敏度，能够探及深度为1 mm的软骨缺损，可用于早期诊断关节软骨病变〔2〕。
   
　　CF具有T2效应，PG具有固水作用〔3〕。本研究显示，随着OA软骨退变的加重，PG的含量逐渐减少；CF在软骨的中、深层由于组织的代偿性增生修复，含量增多，但是其性质发生了变化。在软骨的表层组织中，CF的含量虽然也有增多，其占整个软骨体积的绝对百分比却减少了。在0和Ⅰ级软骨比较中可以看出CF含量的变化无明显统计学意义，说明两者之间的改变不明显。而在0和Ⅱ、Ⅰ和Ⅱ级之间，CF的含量变化均具有明显统计学意义，说明主要在早期和中期软骨病变中CF的含量和质量发生了变化，是病变发展较快的时期，提示早期诊治软骨病变的重要性。在早期，CF虽然变性，但是含量上却无明显缺失，这与晚期病变形成了鲜明的对比。晚期病变中，CF增生，与原有的Ⅱ型胶原纤维不同。其特点表现为虽然中、深层含量增多，但表层含量的明显下降使得Ⅱ和Ⅲ级、甚至0和Ⅲ级之间无明显统计学意义。在整个软骨中，PG的含量表现为绝对性的减少，在0和Ⅰ级以及Ⅱ和Ⅲ级之间均表现出明显差异，说明PG的丢失在软骨发生病变的初期即较明显。PG和CF在不同层次中的含量不同以及变性共同导致了软骨的分层现象和分层的变化。而MRI图像与上述分子生物学改变是一致的。
   
　　在以往研究中，主要是MRI技术的研究，且多集中在多种序列的比较性研究当中〔4～6〕。本研究中，作者根据软骨MRI表现分级，再根据表现取材，进行切片组织学观察，发现组织学表现不同，其MRI表现亦不相同。软骨基质变化越明显，PG减少越多，CF相对增生，而MRI分级越高。各个标本之间的染色镜下结构具有较好的对比性，尤其是CF和PG的改变能够解释出软骨的基本病变，而此种组织学改变，能显示不同的图像，具有很好的相关性。MRI图像能准确的记录关节软骨的分子生物学和组织学变化，所以对关节软骨疾病的诊断具有很高的价值，尤其是在对软骨的早期病变的临床诊断中，MRI扫描同样具有良好的准确性和广阔的应用前景。
   
　　（本文附图见加页3）（略）

【参考文献】
  　〔1〕 Recht MP,Kramer J,Marcelis S,et al.Abnormalities of articular cartilage in the knee［J］.Radiology,1993,187:473478.

　　〔2〕 朱宝林，亓建洪，张经健.关节软骨病损的磁共振成像及其大体标本的对照研究［J］.中国矫形外科杂志，2005,13（8）:598601.

　　〔3〕 Liess C,Lusse S,Karger N,et al.Detection of changes in cartilage water content using MRI T2mapping in vivo［J］.Osteoarthritis Cartilage,2002,10:907917.

　　〔4〕 Loeuille D,Dlivier P,Wartrin A,et al.The biochemical content of articular cartilage:an original MRI approach［J］.Biorheology,2002,39:269-276.

　　〔5〕 Hohe J,Faber S,Muchlbauer R,et al.Threedimensional analysis and visualization of regional MR signal intensity distribution of articular cartilage［J］.Med Eng Phys,2002,24:219227.

　　〔6〕 Disler DG,Recht MP,Mc cauley TR.MR imaging of articular cartilage［J］.Skeletal Radiol,2000,29:367.


　△本课题为山东省卫生厅计划课题项目（No.1997CA1CDA1）

作者单位：泰山医学院附属医院骨科，山东泰安 271000；山东省千佛山医院磁共振室