正常兔膝关节的三维UTE动态增强MRI实验研究

马立恒，陈应明，张朝晖，孙海兴

·实验研究·

正常兔膝关节的三维UTE动态增强MRI实验研究

马立恒，陈应明，张朝晖，孙海兴

目的探讨三维超短回波时间(UTE)双回波脉冲序列在主要含短T2成分组织的动态增强MRI中的应用。方法采用随机数字对照表对6只新西兰大白兔的6个膝关节行MR平扫及UTE动态增强检查。分析正常兔的髌韧带、股骨下段或胫骨上段骨皮质、髓腔的动态增强特点，并与病理结果对照。采用t检验比较未成年兔与成年兔骨皮质的中央管计数。结果正常兔髌韧带的UTE动态增强信号强度-时间曲线表现为缓慢上升型。未成年兔骨皮质动态增强曲线表现为缓慢上升至峰值时，稍有下降后维持于较高水平；成年兔骨皮质UTE动态增强特点表现为速升速降型。成年兔与未成年兔髓腔的UTE动态增强特点均表现为速升缓降型，组织内对比剂浓度持续较高水平。骨皮质的动态增强曲线差异与组织学所见基本匹配。结论三维UTE双回波脉冲序列成像可用于主要含短T2成分组织的动态增强检查。

膝关节；磁共振成像；动态增强磁共振成像；超短回波时间；脉冲序列

近年来，短T2成分的成像方法在肌骨系统中应用越来越受到关注，其原理是通过缩短采集时间窗、降低T2窗位、缩小T2窗宽，采集传统MR成像系统表现为低或无信号组织或成分的信号。已有较多文献报道了短T2成分成像的研究成果[1-7]，但利用这类成像序列对主要含短T2成分的组织进行定量或半定量研究的文献报道不多。本研究用三维超短回波时间(UTE)双回波脉冲序列对6只新西兰大白兔膝关节的主要含短T2成分的组织行动态增强磁共振成像，探讨该序列在主要含短T2成分组织的动态增强磁共振成像中的应用。

材料与方法

1.实验动物

于广东省实验动物中心购进新西兰大白兔6只，雌雄不限，合格证号：NO.0031922，NO.0031883。体重2.0～3.5 kg，2～4月龄4只，15、16月龄各1只。所有实验兔在中山大学实验动物中心标准兔舍以标准兔饲料及卫生水饲养。本实验遵循中山大学关于保护和使用实验动物的相关规定。

6只新西兰大白兔共选6个膝关节，采用随机数字对照表决定左右膝，其中4只选左膝，2只选右膝。实验前，对其膝关节行X线片检查，观察股骨下段骺线闭合情况。本实验中，骺线未闭合者定义为未成年兔，骺线闭合者定义为成年兔。

将实验兔固定后，用静脉输液针穿刺耳缘静脉，注射3%戊巴比妥钠溶液进行麻醉，剂量1.5 mL/kg体重，注射完毕后，用5 mL生理盐水冲洗静脉通道。为防止凝血所致的输液通道阻塞，再用浓度为125 U/mL的肝素2～5 mL冲洗静脉通道。

麻醉成功后，使实验兔侧卧，受检侧肢体在上，将Flex-M表面线圈固定于受检侧膝关节(包胫骨上段)，对其行MR平扫，扫描序列：常规矢状面T1WI、T2WI、T2WI压脂序列及三维超短回波时间双回波脉冲序列。平扫结束后，立即行3D-UTE动态增强检查。动态扫描设置15个动态序列，连续扫描15～20次，共采集15个点。经静脉给药前先行第一个动态扫描；之后，在经静脉给药的同时，启动其余的14个动态扫描。每个动态扫描的持续时间约为55 s，总体扫描时间为850～900 s。增强扫描选用对比剂马根维显(钆喷酸葡胺注射液，浓度469.01 mg/mL)，剂量为0.1 mL/kg体重，人工匀速推注，于5～8 s完成。推注完毕后，用5 mL生理盐水冲洗注射通道。

3.检查设备与方法

采用Philips Intera Achieva 1.5T MR成像仪，Flex-M表面线圈。常规T1WI：TR 500～650 ms，TE 17 ms，层厚3 mm，视野80 mm×80 mm×20 mm，矩阵68×66，采集体素1.18 mm×1.21 mm×3.0 mm，重组体素0.31 mm×0.31 mm×3.0 mm。常规T2WI及T2WI压制序列：TR 2500 ms，TE 80 ms，层厚3 mm，视野100 mm×100 mm×39 mm，矩阵124×105，采集体素0.81 mm×0.95 mm×3.0 mm，重组体素0.28 mm×0.28 mm×3.0 mm。总扫描时间142 s。动态三维超短回波时间双回波脉冲序列：TR 7.9 ms，TE1 0.08 ms，TE2 4.6 ms，视野80 mm×80 mm×80 mm，采集体素1.2 mm×1.2 mm×1.2 mm，重组体素0.3 mm×0.3 mm×0.3 mm，重建矩阵288，层数288层，角密度75%，翻转角8°，轨道延迟时间1 μs，2 μs。共扫描15～20个动态，每个动态扫描持续时间约55 s，总扫描时间为850～900 s。

4.图像后处理方法

扫描结束后，在高级查看环境下，用用户-界面灌注后处理软件包Basic-T1perfusion软件打开动态扫描数据，在Echo1系列图上[6-7]，以正中矢状面为参考平面，手工描绘兴趣区，生成兴趣区的动态信息并保存之。相关动态信息包括动态的数值结果、动态曲线结果、参考平面原始图像及实时计算参数图。兴趣区设置于髌韧带、股骨下段或胫骨上段骨皮质及骨髓腔内，平均面积分别约2.4、3.8、3.1和12.3 mm2。

5.组织学处理

分娩是一个很自然的生理过程,但是分娩阵痛使产妇们的阴道分娩顺应性大大下降。有研究提示,大约98%的孕妇对自然分娩有恐惧感,约82%的孕妇对住院有心理负担,尤其是对分娩疼痛的恐惧使越来越多的产妇选择剖宫产[2]。另外,在产妇进行分娩时,会产生恐惧、紧张等不良情绪,使产妇出现心率加快、子宫收缩乏力、产后出血增多、产程延长等影响自然分娩[2.3]。因此营造轻松的环境,在最艰难、最痛苦的时刻,有专业导乐师及亲人陪伴,不断受到支持鼓励,疼痛的减轻,产程的缩短,是促进自然分娩的关键。

成像结束后用过量的3%戊巴比妥钠溶液处死实验兔，将成像侧后肢于髋关节处离断，并浸泡于10%福尔马林缓冲液中。3 d后，用10%的甲酸脱钙4周，石蜡包埋所有脱钙样本。将膝关节标本于正中矢状面剖开，以MR动态后处理所保存的参考平面原始图像上的兴趣区为参照层面，对石蜡包埋的标本进行定位，分别对股骨或胫骨及髌韧带的相应平面做横断方向切片并行HE染色，每层切片厚度为5 μm，观察其组织学特点。对未成年兔及成年兔骨皮质内哈氏系统中央管的数量进行计数，计数每个低倍(10×10)视野下显示屏上哈氏系统中央管的数量，分别计数30个低倍视野。

6.统计学分析

采用SPSS 13.0统计分析软件，计数结果采用两个样本均数的t检验进行统计学分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

结果

1.正常髌韧带的UTE动态增强表现

正常兔髌韧带的UTE动态增强曲线表现为缓慢上升型(图1)。

干骺端未闭合的未成年兔骨皮质动态增强曲线表现为缓慢上升至峰值时，曲线稍有下降后维持于较高水平(图2)。干骺端已闭合的成年兔骨皮质表现为速升速降型(图3)。

2.正常髓腔的UTE动态增强表现

成年兔与未成年兔骨髓腔的UTE动态增强特点均表现为速升缓降型，强化峰值持续于较高水平(图4a、b)。

3.病理结果

髌韧带的组织学切片：髌韧带主要由胶原纤维组成，血管分布稀疏(图5)。

骨皮质的组织学切片：骨皮质的HE染色组织学切片上，每个低倍(10×10)视野下显示屏上未成年兔骨皮质内哈氏系统统中央管管径相差较悬殊，含较多粗大中央管。成年兔骨皮质内中央管管径较一致，粗大中央管较少，计数较未成年兔多(图6、7)。

4.统计学结果

图1 正常兔髌韧带。a)UTE动态增强扫描示髌韧带的兴趣区(箭)；b)髌韧带的UTE动态增强曲线表现为缓慢上升型。图2 干骺端未闭合的未成年兔。a)UTE动态增强扫描示股骨下段骺线尚未闭合(箭)；b)骨皮质UTE动态增强曲线表现为缓慢上升至峰值时，曲线稍有下降后维持于较高水平。图3 干骺端已闭合的成年兔。a)股骨下段骺线已闭合(箭)；b)骨皮质UTE动态增强曲线表现为速升速降型。图4 成年兔与未成年兔骨髓腔的UTE动态增强曲线。a)股骨下段髓腔内的兴趣区(箭)；b)股骨下段髓腔内UTE动态增强曲线表现为速升缓降型，组织内对比剂浓度持续于较高水平。

讨论

Henkelman等[8]认为，组织的T2值小于10 ms为短T2值。生物组织中许多质子的T2弛豫时间小于1 ms。韧带的平均T2值约4～10 ms，骨皮质的平均T2值约0.4～0.5 ms。含多数短T2成分组织的T2值较低，传统的MR成像序列进入信号接收模式前，其横向弛豫时间常已恢复至0而使这些组织表现为低或无信号。随着MR成像新技术的飞跃发展，开发了许多短T2成分的成像方法，使临床MR成像系统不但能采集到短T2成分的信号，甚至可能将短T2成分的不同组织区别开来，扩展了MR成像视野。超短回波时间脉冲序列的TE值介于0.008～0.500 ms，可在主要含短T2成分组织的横向弛豫时间衰减到0之前采集到其信号，为实现进一步定量研究奠定基础。本研究采用三维超短回波时间双回波脉冲序列成像，回波时间短至0.08 ms，可采集到主要含短T2成分组织的信号，在形态学成像的基础上，将该序列创新性地应用于主要含短T2成分组织的动态增强磁共振研究。

实验结果显示，正常髌韧带的UTE动态增强曲线表现线表现为缓慢上升至峰值时，曲线稍有下降后维持于较高水平。成年兔骨皮质动态增强特点表现为速升速降型；未成年兔骨皮质动态曲线的强化斜率较成年兔骨皮质动态曲线强化斜率小，对比剂廓清较成年兔缓慢。结合相应的组织学特点，笔者认为，成年兔骨皮质哈氏系统中央管计数较多，血供丰富，可解释其一过性速升、速降型动态曲线。幼年兔的哈氏系统中央管数量较成年兔少，且管径大小悬殊，各管腔内血流动力学差异较大，对比剂滞留的时间较长，可符合其动态曲线特点。总之，本实验中，骨皮质的UTE动态增强磁共振成像特点基本符合相应的组织学特点。

骨骼系统通过成骨细胞的成骨作用与破骨细胞的破骨作用不断塑形。骨的脱矿物作用是一个复杂的过程，包括微循环血流的改变及骨细胞代谢和骨基质结构的改变[9-10]。目前，关于骨质疏松和骨血流灌注减少的关系的文献报道多数集中于研究骨髓的血流灌注与骨质疏松关系[11]。笔者认为，UTE脉冲序列可直接用于骨皮质的血流灌注研究，检测早期骨质疏松骨皮质的血流动力学改变，同时，因其为三维成像，可实现对研究实体兴趣区的任意选取，便于多兴趣区采样，使研究结果更可靠。

图5 镜下见髌韧带由胶原纤维组成，血管分布稀疏(HE，×100)。图6 镜下见幼年兔骨皮质血管数量较少(HE，×100)。图7 镜下见成年兔骨皮质血管数量较多(HE，×100)。

UTE脉冲序列能特异性的鉴别肌腱起止点的钙化与非钙化的纤维软骨成份，将这些成份与纤维结缔组织和骨组织区别开来[12]。因此在UTE脉冲序列上，直观地区别各种组织成分后，结合UTE动态增强MRI可显示累及肌腱起止点病变(如网球和高尔夫肘、血清阴性脊椎关节病等)的早期血流动力学改变。

因为纳入的样本量有限，本研究结果还需进一步的后续研究证实。研究中，每个动态增强点的采集时间为55 s，时间分辨力不高，因此，其动态曲线反映的主要是再灌注信息。另外，数据采集时噪声较大，图像信噪比还有待提高。

总之，三维超短回波时间双回波脉冲序列成像可用于主要含短T2成分组织的动态增强检查，并可反映组织的血供特点，为进一步研究早期韧带、肌腱病变和某些早期骨皮质病变提供了一种新的检查方法。

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Theexperimentalstudyofthe3D-UTEdynamicenhancedMRIinthenormalrabbitkneejoint

MA Li-heng,CHEN Ying-ming,ZHANG Zhao-hui,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 510080,P.R.China

Objective：To investigate the application of 3D-ultrashort TE (3D-UTE)sequence in the dynamic enhanced MRI of the tissues containing majority of short T2components.MethodsPlain scan and dynamic enhanced MRI with 3D ultrashort TE double echo pulse sequence were performed on 6 knee joints of 6 New Zealand white rabbits according to random digital comparison table.The characteristics of the dynamic enhanced MRI of the patellar ligament,the cortical bone and the bone marrow of the lower segment of the femur and the upper segment of tibia were investigated and compared with the histologic findings.To compare the central canal count of young and adult rabbits with t test.ResultsThe signal intensity-time curves of the dynamic enhanced MRI of the patellar ligament of the normal rabbits appeared as gradual slope of enhancement.The dynamic curve of the bone cortex of the young rabbits appeared as gradual slope of enhancement and slow washout pattern.The dynamic curve of the bone cortex of the adult rabbits appeared as fast increase of enhancement and fast washout pattern.The dynamic curve of the bone marrow of both young and adult rabbit appeared as fast increase of enhancement and gradual washout pattern.The contrast materials in the tissue persisted in high concentration.The dynamic characteristics of the bone cortex were in accordance with the histologic findings.Conclusion3D UTE pulse sequence can be used in the dynamic enhanced MRI of the tissues containing majority of short T2components.

Knee joint；Magnetic resonance imaging；Dynamic enhanced magnetic resonance imaging；Ultrashort echo time；Pulse sequence

510080 广州，广东药学院附属第一医院医学影像科(马立恒)；510080 广州，中山大学附属第一医院医学影像科(陈应明、张朝晖、孙海兴)

马立恒(1969-)，女，上海人，博士研究生，主治医师，主要从事骨骼肌肉系统的影像诊断工作。

R445.2

A

1000-0313(2014)07-0766-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2014.07.009

2014-04-23

2014-05-16)