Сравнительный анализ показателей времени Т2-релаксации суставного хряща коленного сустава при обследовании здоровых добровольцев на магнитно-резонансных томографах с индукцией магнитного поля 1,5 и 3 Тесла

Суставной хрящ состоит из клеток (хондроцитов) и внеклеточного матрикса, включающего протеогликаны, жидкость и коллагеновые волокна, которые составляют около 2/3 веса суставного хряща взрослого человека [1]. Коллагеновые волокна отличаются по своему расположению в зависимости от зоны суставного хряща: в глубокой зоне хряща коллагеновые волокна наиболее упорядочены и расположены перпендикулярно суставной поверхности, в промежуточной зоне отличаются преимущественно случайным расположением волокон, а в поверхностной зоне они наиболее тонкие и ориентированы параллельно суставной поверхности хряща [2]. Протеогликаны в суставном хряще сжаты коллагеновым каркасом, а вода составляет от 60 до 80% массы хрящевой ткани, что определяет основные механические свойства хряща: прочность и эластичность [3]. Так как жидкость в суставном хряще находится в связанном с коллагеновыми волокнами и протеогликанами состоянии, количество ее молекул в разных зонах суставного хряща отличается, что подтверждается не только гистологически, но и с помощью магнитно-резонансной томографии [4].

Магнитно-резонансная томография коленного сустава на сегодняшний день считается наиболее информативным неинвазивным методом оценки состояния суставного хряща, позволяющим выявить изменение его сигнальных характеристик (как признака дегенеративных изменений и структурного повреждения хряща) и определить степень разрушения суставного хряща [5].

Цветовое Т2-картирование суставного хряща является современной методикой, дополняющей стандартный протокол магнитно-резонансной томографии коленного сустава с последующей реконструкцией и построением цветных Т2-карт [6]. Количественная характеристика показателей времени Т2-релаксации является неинвазивным маркером хрящевой дегенерации, так как этот параметр зависит от степени гидратации ткани. Вода в суставном хряще связана с коллагеном и протеогликаном, а МР-сигнал от суставного хряща снижен в последовательностях с длинным временем эхо (TE), то есть на Т2-взвешенных изображениях. Таким образом, время Т2-релаксации отражает способность молекул водорода к перемещению и межмолекулярному взаимодействию в суставном хряще и зависит от микроскопической подвижности системы [7].

Однако большинство опубликованных исследований выполнено на одном и том же томографе, а нормативные значения показателей времени Т2-релаксации, в том числе установленные нами ранее для томографа с индукцией магнитного поля 3,0 Тесла, не могут быть экстраполированы на другие типы оборудования [8]. Кроме того, в клинической практике нередко возникают ситуации, когда одного и того же пациента обследуют на разных магнитно-резонансных томографах (в разных лечебных учреждениях, до и после операции, при динамическом наблюдении) и остается открытым вопрос о сопоставимости значений времени Т2-релаксации, полученных при обследовании на магнитно-резонансных томографах с разной индукцией магнитного поля [9].

Цель исследования – провести сравнительный анализ абсолютных значений времени Т2-релаксации суставного хряща коленного сустава, полученных при обследовании одних и тех же здоровых добровольцев на томографах с индукцией магнитного поля 1,5 Тесла и 3,0 Тесла.

Материалы и методы

Проспективное многоцентровое исследование проведено в СПБ ГБУЗ «Клинической ревматологической больнице №25 им. В.А. Насоновой» и «Клинике им. Э.Э. Эйхвальда СЗГМУ им. И.И. Мечникова».

Магнитно-резонансная томография коленных суставов выполнена у 12 добровольцев, из них 7 мужчин (58%) и 5 женщин (42%). Средний возраст обследованных составил 27,33 ± 5,88. Критериями включение в исследование были: возраст 18–36 лет, индекс массы тела менее 24,9 кг/м², отсутствие ферромагнитных металлических имплантатов и электронных устройств в организме (кардиостимулятор, имплантируемый дефибриллятор сердца, кохлеарные и глазные имплантаты), отсутствие травм коленного сустава в предыдущие 12 месяцев, отсутствие интенсивных физических нагрузок в течение 24 часов до исследования, отсутствие в анамнезе воспалительных артропатий, клинических, анамнестических и рентгенологических признаков остеоартрита коленных суставов, отсутствие клаустрофобии.

Магнитно-резонансную томографию коленных суставов проводили у каждого пациента на двух магнитно-резонансных томографах: Siemens Magnetom Altea 1.5 Т и GE Signa Pioneer 3 T с использованием специальных коленных катушек, время между двумя исследованиями составило не более 4 дней. Протоколы сканирования включали последовательности T2 map в аксиальной и сагиттальной плоскостях (таблица 1).

Табл. 1. Параметры сканирования

Параметр	Siemens Magnetom Altea 1.5 Т	Siemens Magnetom Altea 1.5 Т	GE Signa Pioneer 3 T	GE Signa Pioneer 3 T
Последовательность	Т2 map ax	T2 map sag	Т2 map ax	T2 map sag
Время повторения (мс)	1310	2080	1352	1144
Время эхо (мс)	13.8, 27.6, 41.4, 55.2, 69	13.8, 27.6, 41.4, 55.2, 69	7, 14.1, 21.1, 28.2, 35.2, 42.2, 49.3, 56.3	6.8, 13.7, 20.5, 27.4, 34.2, 41, 47.9, 54.7
Число срезов	10	25	10	25
Толщина среза (мм)	3	3	3	3
Поле обзора (мм)	160	160	160	160
Время сканирования (мин:с)	2:20	4:28	4:42	9:35

Сканирование проводилось в положении лежа на спине, центр коленной катушки располагался на одной линии с нижним краем надколенника. Чтобы минимизировать артефакты магического угла, длинную ось коленного сустава располагали параллельно длинной оси стола.

Коленный сустав был разделен на 14 сегментов [10]. Надколенник разделили на медиальный (MP) и латеральный сегменты (MP), границей между которыми была медиальная граница латерального мыщелка бедренной кости в аксиальной плоскости, которая также разделила медиальные и латеральные мыщелки бедренной и большеберцовой костей (Рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображение сегментации надколенника и бедренной кости.

Медиальный (MF) и латеральный (LF) мыщелки бедренной кости были разделены на 3 сегмента: передний (MFa и LFa), располагающийся между передне-верхним краем костнохрящевого соединения и передним краем переднего рога мениска, центральный (MFc и LFc), локализующийся между передним краем переднего рога мениска и задним краем заднего рога мениска, и задний (MFp и LFp), располагающийся между задним краем заднего рога мениска и задне-верхним краем костно-хрящевого соединения (Рис. 2).

Рис. 2. Схематичное изображение сегментации мыщелков бедренной кости.

Медиальный (MT) и латеральный (LT) мыщелки большеберцовой кости разделили на три равные сегмента: передний (MTa и LTa), центральный (MTc и LTc) и задний (MTp и LTp)

(Рис. 3).

Рис. 3. Схематичное изображение сегментации мыщелков большеберцовой кости.

Для измерения времени T2-релаксации область интереса (ROI) располагали в базальной, промежуточной и поверхностной зонах суставного хряща в центральных частях каждого сегмента (Рис. 4).

Рис. 4. Схема измерений времени Т2-релаксации в трех зонах центрального сегмента мыщелка бедренной кости (femoral condyle).

Полученные данные регистрировали в виде электронных таблиц, анализ которых выполняли в MS Office Excel 2016 (Microsoft, США) и в программе StatTech v. 4.8.0 (ООО "Статтех", Россия). Количественные показатели оценивали на предмет соответствия нормальному распределению с помощью критерия Шапиро-Уилка. Количественные показатели, выборочное распределение которых соответствовало нормальному, описывались с помощью средних арифметических величин (M) и стандартных отклонений (SD). В качестве меры репрезентативности для средних значений указывались границы 95% доверительного интервала (95% ДИ). В случае отсутствия нормального распределения количественные данные описывались с помощью медианы (Me) и нижнего и верхнего квартилей (Q1 – Q3). Сравнение двух групп по количественному показателю, распределение которого в каждой из групп соответствовало нормальному, при условии равенства дисперсий выполнялось с помощью t-критерия Стьюдента, при неравных дисперсиях – с помощью t-критерия Уэлча. Сравнение двух групп по количественному показателю, распределение которого отличалось от нормального, выполнялось с помощью U-критерия Манна-Уитни. Различия считались статистически значимыми при p < 0,05.

Результаты

Количественные показатели времени Т2-релаксации были выше при обследовании на магнитно-резонансном томографе с индукцией магнитного поля 3 T в большинстве зон и сегментов суставного хряща коленного сустава, а именно в MP, LP, MFa, LFa (базальная и промежуточная зоны), MFc, MFp (базальная и промежуточная зоны), MTa, MTc, MTp, LFc (базальная и промежуточная зоны), LFp (базальная и промежуточная зоны), LTa, LTc (базальная и промежуточная зоны), LTp (базальная и промежуточная зоны). В LFa (поверхностная зона), MFp (поверхностная зона), LFc (поверхностная зона), LFp (поверхностная зона), LTc (поверхностная зона) количественные показатели времени Т2-релаксации были выше при обследовании на магнитно-резонансном томографе Siemens Magnetom Altea 1.5 Т. В некоторых из вышеприведенных сегментов различия показателей были статистически значимыми (таблица 2).

Табл. 2. Сравнение времени Т2-релаксации (в мс) хряща коленного сустава при обследовании на томографах с магнитной индукцией 1,5 и 3 T

Сегмент сустава		1.5 T	3.0 T	p-value
MP	Промежуточная зона (MPm)	21,57 ± 8,96	30,29 ± 3,55	0,034
LP	Базальная зона (LPd)	15,00 [13,00; 25,00]	26,00 [25,00; 27,50]	0,021
MFa	Базальная зона (MFad)	26,00 ± 16,15	45,29 ± 6,24	0,012
LFa	Базальная зона (LFad)	22,71 ± 8,67	40,71 ± 3,09	0,001
MFp	Базальная зона (MFpd)	26,57 ± 7,93	35,86 ± 3,44	0,015
	Поверхностная зона (MFpm)	53,00 [43,00; 53,50]	34,00 [32,50; 36,00]	0,009
MTa	Базальная зона (MTad)	13,43 ± 2,44	32,29 ± 3,90	<0,001
	Промежуточная зона (MTam)	22,71 ± 9,05	34,57 ± 3,64	0,013
MTc	Базальная зона (MTcd)	12,00 [11,00; 13,50]	25,00 [25,00; 26,00]	0,001
	Промежуточная зона (MTcm)	21,57 ± 8,28	29,14 ± 2,12	0,037
MTp	Базальная зона (MTpd)	16,00 [10,50; 17,50]	26,00 [25,50; 31,00]	0,002

	Промежуточная зона (MTpm) Поверхностная зона (MTps)	19,00 ± 10,03	32,43 ± 7,21	0,014
		30,86 ± 6,54	40,14 ± 8,19	0,037
LFc	Базальная зона (LFcd)	18,00 [11,50; 21,50]	30,00 [26,50; 31,50]	0,025
LTa	Базальная зона (LTad)	11,00 [10,50; 12,50]	25,00 [25,00; 26,00]	0,002
LTa	Промежуточная зона (LTam)	19,00 [15,50; 21,50]	26,00 [25,50; 31,00]	0,002
LTc	Базальная зона (LTcd)	15,00 [13,00; 16,00]	25,00 [25,00; 25,00]	0,001
	Промежуточная зона (LTcm)	23,57 ± 5,97	29,71 ± 4,31	0,047
LTp	Базальная зона (LTpd)	14,00 [11,00; 16,00]	25,00 [25,00; 26,50]	0,001

Как следует из таблицы, разброс количественных показателей времени Т2-релаксации практически во всех зонах и сегментах суставного хряща коленного сустава был меньше при обследовании на магнитно-резонансном томографе GE Signa Pioneer 3.0 T. При этом абсолютные значения, полученные при обследовании на томографе 3,0 Тл, в среднем на 3050% превышали соответствующие значения на 1,5 Тл.

Пример измерений времени Т2-релаксации суставного хряща на двух магнитнорезонансных томографах у одного и того же пациента приведен на рис. 5.

Рис. 5. Т2-карты суставного хряща коленного сустава 28-летнего добровольца, полученные при обследовании на 1,5 и 3 Т МРТ.

Помимо абсолютных значений были рассчитаны относительные показатели времени Т2-релаксации в разных слоях и сегментах суставного хряща коленного сустава, а именно соотношения показателей времени Т2-релаксации промежуточного слоя к базальному, поверхностного к промежуточному, поверхностного к базальному. Расчеты были произведены отдельно для каждого магнитно-резонансного томографа с последующей оценкой разницы между двумя значениями. Наиболее стабильные соотношения, демонстрирующие расхождение не более 15% между двумя магнитно-резонансными томографами, представлены на рис. 6.

Рис. 6. Стабильные соотношения времени Т2-релаксации в различных слоях и сегментах суставного хряща коленного сустава.

Для количественной характеристики стабильных отношений между разными слоями были определены средние значения и диапазоны наиболее воспроизводимых соотношений времени Т2-релаксации (таблица 3).

Табл. 3. Средние значения и диапазоны стабильных соотношений времени Т2-релаксации между разными слоями суставного хряща коленного сустава

Соотношение	Среднее (1,5 Т)	Диапазон (1,5 Т)	Среднее (3 Т)	Диапазон (3 Т)
Промежуточный/ Базальный слой	1,233	1,19-1,28	1,219	1,19-1,25
Поверхностный/ Промежуточный слой	1,259	1,11-1,45	1,166	1,09-1,31

Обсуждение

Возраст и вес оказывают значимое влияние на дегенерацию суставного хряща коленного сустава [11,12]. Subburaj с соавторами (2012) показали, что высокоинтенсивная физическая нагрузка может приводить к деформации и дезориентации коллагеновых волокон в суставном хряще, что приводит к изменениям количественных показателей времени Т2-релаксации суставного хряща [13], поэтому критерия включения строго контролировались, чтобы исключить влияние этих факторов на полученные результаты.

В нашей работе были измерены и сопоставлены количественные показатели времени Т2-релаксации в базальной, промежуточной и поверхностной зонах суставного хряща в 14 сегментах коленного сустава у каждого из добровольцев при обследовании на магнитнорезонансных томографах Siemens Magnetom Altea 1.5 Т и GE Signa Pioneer 3.0 T. Полученные нами данные показали более высокие значения времени Т2-релаксации в поверхностной зоне суставного хряща по сравнению с базальной, что согласуется с морфологическими особенностями хрящевой ткани и коррелирует с данными Wirth и соавт. (2016) [14]. Исключение составляют количественные показатели времени Т2-релаксации в задних отделах медиального мыщелка бедренной кости (MFp), что может быть связано с рядом технических и анатомических факторов и согласуется с нашими предыдущими данными [8,15].

При сравнении качества изображений цветового Т2-картирования суставного хряща, полученных при обследовании одного и того же пациента на магнитно-резонансных томографах Siemens Magnetom Altea 1.5 Т и GE Signa Pioneer 3 T, наблюдалось более четкое и детализированное отображение зон суставного хряща при Т2-картировании на магнитнорезонансном томографе с индукцией магнитного поля 3 Тесла, что может способствовать повышению точности диагностики и оценки состояния суставного хряща коленного сустава (Рис. 5). Несмотря на то, что выполнение исследования с использованием методики цветового Т2-картирования на магнитно-резонансном томографе GE Signa Pioneer 3 T обеспечивает более высокое отношение сигнал/шум, получаемые изображения могут быть более восприимчивыми к артефактам, что также может влиять на качество изображений [16].

В нашем исследовании количественные показатели времени Т2-релаксации в большинстве зон и сегментов суставного хряща коленного сустава были выше при обследовании на магнитно-резонансном томографе с индукцией магнитного поля 3 Tесла, чем при обследовании на магнитно-резонансном томографе с индукцией магнитного поля 1,5 Tесла (таблица 2), что не соотносится с результатами, полученными в исследовании Mars и соавт. (2018) [17]. Это может быть связано с рядом причин, одной из которых могут быть различия в выборке пациентов. В исследование Mars и соавт. были включены как симптоматические пациенты с признаками остеоартрита коленных суставов, так и здоровые добровольцы разного пола и возраста, в то время как в нашем исследовании участвовали исключительно молодые добровольцы (средний возраст 27,3 года) без клинических и рентгенологических признаков остеоартрита коленных суставов, травм и других сопутствующих состояний. Учитывая высокую чувствительность методики Т2-картирования к биохимическому составу и микроструктуре хрящевой ткани, такие различия в выборках могли существенно повлиять на результаты исследования [18]. Кроме того, наблюдались существенные различия в технических характеристиках используемых магнитнорезонансных томографов и параметров сканирования. Прежде всего, следует отметить, что в исследовании Mars и соавт. использовались томографы одного и того же производителя (Siemens), в то время как в нашем исследовании сравнивались данные, полученные на томографах разных производителей: Siemens и General Electric. Известно, что параметры последовательностей, профиль B1-поля, используемые катушки и особенности постобработки могут оказывать значительное влияние на точность и воспроизводимость измерений времени Т2-релаксации [19]. Также важным различием между исследованиями является методика измерений количественных показателей времени Т2-релаксации суставного хряща. В исследовании Mars и соавт. суставной хрящ медиального и латерального мыщелков бедренной кости разделили на три сегмента (передний, средний и задний), в каждом из которых устанавливали область интереса (ROI) без дополнительного разделения хряща на слои (всего было выполнено 6 измерений), тогда как в нашем исследовании применялась более детализированная стратификация суставного хряща, включающая выделение 14 анатомических сегментов с последующей установкой области интереса в каждом из трех слоев хряща (всего было выполнено 42 измерения). Такой подход позволил нам более точно отразить зональные особенности структуры суставного хряща коленного сустава.

Необходимо также отметить, что разброс количественных показателей времени Т2-релаксации практически во всех зонах и сегментах суставного хряща коленного сустава был меньше при обследовании на магнитно-резонансном томографе GE Signa Pioneer 3 T (таблица 2), что может свидетельствовать о большей точности и воспроизводимости получаемых данных.

Таким образом, с учетом влияния множества факторов — от характеристик МР-томографов, параметров импульсных последовательностей и неоднородности В1-поля до методических подходов к сегментации и постобработке — можно сделать вывод об ограниченной диагностической ценности абсолютных значений времени Т2-релаксации. Это особенно важно в контексте нашего предыдущего исследования, где были установлены нормативные значения времени Т2-релаксации суставного хряща коленного сустава у здоровых добровольцев [8]. В то же время относительные показатели, основанные на соотношениях времени Т2-релаксации между различными слоями и зонами суставного хряща, демонстрируют большую стабильность и воспроизводимость, следовательно, обладают большей клинической значимостью при оценке ранних биохимических структурных изменений хрящевой ткани.

Построение графика, отражающего динамику наиболее стабильных соотношений (рис. 6), показало, что во многих анатомических сегментах (таких как MP, LP, LFa, MFc, MTp, LFc, LFp, LTa) различия между показателями, полученными при обследовании на 102

магнитно-резонансных томографах с разной индукцией магнитного поля, не превышали 15%, что, по данным литературы, соответствует допустимому уровню методической вариабельности [20].

Проведённый расчёт средних значений и диапазонов стабильных соотношений позволил выделить ориентировочные нормативные показатели для здорового суставного хряща. Наиболее воспроизводимыми оказались соотношения показателей времени Т2-релаксации промежуточного слоя к базальному (~1,22) и поверхностного слоя к промежуточному (~1,17), с диапазоном варьирования 1,10–1,30. Полученные результаты позволяют рассматривать относительные показатели времени Т2-релаксации как более надежные критерии оценки состояния суставного хряща по сравнению с абсолютными значениями.

К ограничениям настоящего исследования следует отнести сравнительно небольшую выборку, а также отсутствие анализа морфологических МРТ-последовательностей (таких как PD FS) для оценки состояния суставного хряща.

Заключение

Абсолютные значения времени Т2-релаксации, измеренные у одного и того же пациента на разных магнитно-резонансных томографах, существенно отличаются. Такие параметры, как индукция магнитного поля, профиль B1-поля, используемые импульсные последовательности, тип катушек и особенности программной постобработки оказывают значительное влияние на полученные результаты. Таким образом, абсолютные значения времени Т2-релаксации обладают ограниченной диагностической ценностью и могут быть использованы преимущественно для оценки времени Т2-релаксации в динамике при повторных обследованиях на одном и том же оборудовании.

Ведущую роль в интерпретации результатов Т2-картирования следует отводить относительным показателям времени Т2-релаксации, а именно различиям между слоями и сегментами суставного хряща коленного сустава. Проведенный сравнительный анализ показал, что соотношения показателей времени Т2-релаксации между слоями демонстрируют высокую стабильность при обследовании на томографах с разной магнитной индукцией.

Методика Т2-картирования суставного хряща на магнитно-резонансном томографе GE Signa Pioneer 3 T предпочтительна для диагностики остеоартрита коленного сустава благодаря меньшему разбросу количественных показателей и более высокой воспроизводимости результатов.

Вклад авторов. Д.В. Мячин: сбор и статистическая обработка материала, написание исходного текста; Е.В. Розенгауз: научное руководство, проверка и корректировка исходного текста; И.Э. Ицкович: научное руководство, первичный анализ материала; А.Л. Бурулев: концепция исследования. Все авторы прочитали и согласились с версией рукописи, представленной для публикации.

Финансирование. Это исследование не получило внешнего финансирования.

Декларация об этике. Исследование было проведено в соответствии с Хельсинкской декларацией и одобрено Локальным Этическим комитетом ФГБОУ ВО СЗГМУ им. И.И. Мечникова Минздрава России (протокол №10 от 11.10.2023 г.).

Заявление об информированном согласии. Информированное согласие было получено от всех субъектов, участвующих в исследовании.