学术论著 60 d头低位卧床对人体膝关节软骨磁共振T2值的影响3顾 华1,刘 跃2,潘振宇1,万玉民2,王双坤1,王红晖2,申 皓3,郭晓娟1,郭佑民1,翟仁友1,李莹辉2(1.北京朝阳医院,北京100020; 2.中国航天员科研训练中心航天细胞分子生物学实验室100094; 3.通用电气(中国)医 疗集团 北京100176)摘要:目的 基于MR T2map技术研究60 d模拟失重条件对人体膝关节软骨T2值的影响。方法7名健 康男性头低位- 6卧床60 d,应用1. 5 T磁共振扫描仪进行卧床前后膝关节矢状位多回波多层面序列 扫描,使用profile软件测量实验前后膝关节非承重、 承重软骨,髌软骨的T2弛豫时间,采用配对t检验 比较实验前后软骨T2值改变。结果 卧床实验前后软骨T2值具有相同的空间分布形态。60 d模拟失重 条件下胫骨内外侧髁承重软骨、 股骨非承重软骨卧床后软骨深部T2值有降低趋势,近表面T2值有升高 趋势,但是只在胫骨外侧髁承重软骨距骨软骨下骨质0. 3处、 胫骨内侧髁承重软骨距骨软骨下骨质0. 0, 0. 1处、 股骨非承重软骨距骨软骨下骨质0. 0处T2值降低有统计学差异(P0. 05) ,表明测试方法一致性较好(表1)。2. 2 头低位卧床对膝关节软骨的影响 卧床前后膝关节软骨T2值空间分布相似(图1)。实验前后T2值配对t检验显示股骨非承重 软骨,胫骨内外髁承重软骨深部卧床后T2值降低,差异有统计学意义(P0. 05) ;胫骨内髁承重 软骨中部卧床后T2值升高,差异有统计学意义P0. 05) (表2,图13)。表1 卧床前后两次模具M R扫描的T2值(m s) (xs, n=7) Table1 T2value (m s) of phantom s before and after bed rest(xs, n=7)MnCl2solutions(mmol/L)mean T2value(ms)before bed restafter bed rest0. 49238. 061. 339. 172. 60. 24664. 944. 165. 402. 20. 123103. 736. 9103. 226. 019第2期 顾 华,等. 60 d头低位卧床对人体膝关节软骨磁共振T2值的影响表2 7例受试者卧床前后膝关节软骨平均T2值3(xs, n=7) Table 2 M ean T2value of articular in 7 subjects before and after bed rest3(xs, n=7)items T2value(ms)before bed restafter bed restt Pfemur 0. 039. 93. 035. 643. 44. 1150. 006lateral tibia 0. 330. 703. 4525. 442. 802. 9280. 026medial tibia 0. 043. 313. 4836. 933. 632. 9390. 026medial tibia 0. 138. 463. 2134. 332. 622. 4710. 048medial tibia 0. 430. 462. 6932. 932. 48- 2. 6710. 037medial tibia 0. 530. 293. 8934. 492. 77- 2. 7850. 032Note:3The positive results are listed in this table.non2weight2bearing of femur at normalized distance of 0. 0;weight2bearing of lateral tibia at normalized distance of 0. 3;weight2bearing ofmedial tibia at normalized distance of 0. 0, 0. 1, 0. 4,0. 5图1 胫骨内外髁承重软骨、 股骨非承重软骨前部卧床前后T2值空间分布曲线 Fig. 1 The curve of T2profile before and after bed rest in tibial weight2bearing and femoral cartilage The curves show mean T2relaxation ti me as a function of normalized distance from subchondral bone(0. 0) to the articular surface (1. 0) forweight2bearing lateral tibial cartilage (1a) , medial tibial cartilage (1b) and non2weight2bearing of femur(1c). Al2 though there is no difference in pattern of spatial variation cartilage T2before and after bed rest, there is a trend toward decrease in mean T2at deep of cartilage and increase in mean T2at surface of cartilage. There are statistically significant decrease(P0. 05) in T2of tibial cartilage in the deep zone at nor malized distance of 0. 3 ( lateral condyle) , 0. 0 and 0. 1(medial condyle) , 0. 0 (non2weight2bearingof femur) , statistically significant increase(P0. 05) in T2ofmedial tibial cartilage at nor malized distance of 0. 4, 0. 5 after bed rest, respectively图2 卧床实验前膝关节软骨T2map Fig. 2 T2map of articular cartilage before bed rest Figure 2. Representative the mixmap of the sagittal sourceMR image and T2mapsof the femorotibial joints in a 302year2oldmale volunteer before bed rest . 2(a) : the lateral condyle of femorotibial joint . 2(b) : the medial condyle of femorotibial joint . 2 (c) : the patellofemoral joint .The arrows show the position of T2profile3 讨论空间微重力环境下可以发生骨丢失和肌萎缩,但承重关节的软骨组织是否在空间微重力环境下发生改变尚不清楚。关节软骨的胶原纤维、蛋白多糖形成复杂的网络结构,维持软骨内的流体静压,能最大限度地承受力学负荷9 。由于关节软骨无血液供应,它的营养完全来自滑膜分泌的液体。其液体中的营养成分依靠关节面之间的适当压力扩散进入软骨,另外软骨损伤后很难自我修复10 。所以,适当的活动和应力负荷对于维持关节软骨的正常功能具有重要意义6 。在空29 航天医学与医学工程 第23卷图3 与图2同一受试者卧床实验后膝关节软骨T2map Fig. 3 T2map of articular cartilage from the same volunteer of Fig. 2 after bed rest Figure3. 3(a) : the lateral condyle of femorotibial joint . 3(b) : the medial condyle of femorotibial joint . 3(c) : the patellofemo2 ral joint .There was no difference in T2value ofweight2bearing femoral cartilage and patella cartilage before and after bed rest间微重力的特殊环境下由于承重软骨失去必要运 动和应力负荷刺激,可能引起关节软骨营养、 代 谢、 生物合成等障碍,造成软骨生化和生物力学特 性改变。Haapala和Jortikka等324 采用关节固定的动物模型研究固定后关节软骨变化,发现关节固定 一段时间后软骨蛋白聚糖含量下降,同时Jortik2ka3 发现固定侧软骨内水含量增加。LeRoux11研究一侧关节固定4周的动物模型后,发现固定 侧和非固定侧肢体关节软骨生物力学特性改变。 大部分文献认为单侧肢体固定后关节软骨内胶原 纤维含量没有改变,但是Haapala等4 证实胶原纤维的交叉连接( collagen crosslinking)减少。Hinterwimmer等5研究20例人体关节(术后或骨 折)固定数周后,不仅发生肌肉萎缩,骨密度减 少,而且各部分软骨厚度减少。与Hinterwimmer 不同, Hudelmaier等6 发现只有髌软骨明显变薄。虽然各研究结果存在差异,但是一致的结论是较 长时间肢体固定影响关节软骨代谢导致生物力学 特性改变。基于这些结果,研究者们推测完全或 部分肢体固定一段时间后,使软骨对机械损伤更 敏感,并且长期太空飞行可能增加航天员患关节 关节炎的风险226 。但是未获得实际数据。3. 1 T2弛豫时间( T2值)反映软骨结构特点 本研究模具T2值测量表明2次MR I扫描T2 值没有显著差异,说明T2值测量具有很好的重复 性。本结果表明健康男性软骨T2值的空间分布与文献报道一致12。基于胶原纤维方向膝关节软骨呈现分层结构:钙化软骨层、 放射层、 过渡层和表层,胶原纤维高度有序的排列对软骨抵御剪 切力和应力非常重要,使软骨T2值具有特定空间 分布,即软骨从接近软骨下骨质(距软骨下骨质0 0. 1)的T2值较高,放射层深部(距软骨下骨质0. 20. 4) T2值最低,过渡层的外层(距软骨下骨 质0. 8 - 1. 0) T2值最高。表层厚度只有200m,T2map不能显示此层结构。破坏这种高度有序网 络结构可导致软骨生物力学特性丧失,测量软骨T2值可以在软骨形态学改变以前发现胶原纤维 破坏和水增加。3. 2 模拟失重效应对膝关节软骨的影响 本次研究采用- 6 头低位卧床60 d人体实 验,模拟太空飞行时的失重效应,应用MR无创手 段,通过定量检测实验前后膝关节软骨T2弛豫时 间,间接反映模拟失重生物学效应对人体膝关节 软骨生化含量的影响。结果显示虽然卧床后胫骨 内外侧髁承重软骨、 股骨非承重软骨深部T2值有降低趋势,近表面T2值有升高的趋势,但是只在 个别区域有统计学差异。推测软骨T2值改变的 原因是承重软骨水含量或胶原纤维方向改变。但 是需要进一步行模拟失重条件下组织病理学与T2map的相关性研究证实。 本研究证实卧床前后膝关节软骨T2值空间 分布相似。尽管卧床实验后部分软骨的个别区域T2值发生改变,但是