第一章胶原酶消化猪髌软骨模型T2 mapping成像与定量分析目的：采用Ⅱ型胶原酶针对性消化离体猪髌骨软骨的胶原成分,模拟早期骨性关节炎软骨内胶原含量的相关变化。定量分析T2 mapping技术检测关节软骨退变中胶原含量变化的能力,并探讨其机制和意义。材料和方法：实验材料：新鲜家猪髌骨20个,随机分为4组。配制100mg/100ml、 150mg/100ml、200mg/100ml三种浓度的Ⅱ型胶原酶溶液。实验方法：4组20个家猪髌骨分别经浓度100mg/100ml、150mg/100ml、 200mg/100m的Ⅱ型胶原酶(酶处理组)和无酶PBS缓冲液(对照组)浸泡处理4小时。MRI扫描：处理后的髌骨均行T2WI和T2mapping成像。其中,T2 mapping扫描采用5回波SE序列,TR/TE=1368ms/10,20,30,40,50ms。图像后处理与T2值测量：将T2WI和T2 mapping图像数据导入Image J软件。选取髌骨中间层面,先在T2WI图像上沿软骨边缘分别手动勾画髌骨软骨浅层、深层和全层作为感兴趣区(ROI)。将ROI保存,然后再在T2 mapping图上复制已保存的ROI,分别计算出软骨浅层、深层和全层的T2值。病理学检查与光密度值测量：凿取对照组和各处理组的猪髌骨中央区域软骨。采用Van Gieson染色法对软骨标本进行染色,并测定各组软骨染色后的平均光密度。统计学分析：采用单因素方差分析比较不同组软骨的相应层之间的T2值以及各组软骨标本平均光密度值,P<0.05为差异有显著性意义。采用Pearson直线相关分析来分析各组的软骨全层T2值与平均光密度值。结果：大体病理示各组髌骨软骨与处理前相比,软骨表面均无明显变化,仅150处理组和200处理组软骨表面颜色稍显发暗。统计学分析表明,各处理组与对照组比较,在软骨浅层与全层T2值以及软骨平均光密度值上的差异有显著性意义(P<0.05)。各处理组之间相互比较,在软骨浅层T2值上和软骨平均光密度值上任何两处理组间差异均有显著性意义；而在软骨全层T2值两两比较上,只有100mg/100ml处理组和150mg/100ml处理组两组间差异无显著性意义(P>0.05)。软骨全层T2值与软骨平均光密度的相关分析显示,两者之间呈高度负相关(r=-0.837)。结论：通过T2mapping成像技术定量检测不同浓度Ⅱ型胶原酶处理过的离体猪髌骨,并采用Pearson相关分析来探讨T2值与软骨Van Gieson染色后所测得平均光密度值(代表软骨的胶原含量)间的关系。结果表明：T2mapping技术能够准确地对早期骨性关节炎退变软骨内胶原含量的变化做出定量分析。这有利于临床对骨性关节炎病情的判断,以及对治疗效果的评价,具有良好的临床应用前景。第二章猪膝关节早期骨性关节炎模型的建立目的：探索采用小型猪并以手术方式建立可满足功能性MRI研究的早期KOA动物模型。材料和方法：动物的准备：12头雄性西藏小型猪,10-12月龄,体重33-36kg。随机分成4组,每组3只。手术建模方法：实验动物麻醉满意后,右侧卧并固定于手术台。自左膝外侧作切口至关节腔,推开髌骨、髌韧带,屈曲膝关节,暴露前交叉韧带并切断。再完整切除外侧半月板。右侧膝关节不予处理做为空白对照侧。MRI检查：4组实验猪于术后分别饲养2、4、6、8周后处死。自髋关节离断双侧后腿后,于2小时内分别完成手术侧和对照侧膝关节MRI扫描。MRI机为Philips Achieva 3.0T TX扫描仪。采用12通道SENSE膝关节表面线圈。先行3D WATS序列扫描。TR/TE=20ms/4.9ms。然后分别行T1ρ和T2 mapping成像。T1ρ成像采用3D稳态梯度回波序列。扫描参数：自旋锁定频率(spin-lock pulse amplitude) 500Hz,自旋锁定时间(Time of spin lock)分别为1,10,20,30,40 ms; TR/TE= 5.9/3.0ms。T2 mapping成像采用5回波快速自旋回波序列,扫描参数：TR/TE=1368ms/10,20,30,40,50ms,翻转角90°。将T1ρ成像数据调入工作站的IDL后处理软件,以生成T1ρ弛豫时间图(T1p relaxation map)。组织学检查：用骨凿凿取手术侧膝关节股骨外侧髁及胫骨平台外侧之切除半月板对应处关节面软骨。软骨标本切片行番红O染色。观察指标：①术后动物饮食量、活动及伤口愈合情况。②观察各组3D WATS序列图像、T1ρ弛豫时间图及T2 mapping图上的软骨显示情况并测量软骨厚度,看是否能够满足磁共振成像研究的需要。③解剖双侧猪膝关节。肉眼下参照对照侧观察手术侧股胫关节软骨,尤其是股骨外侧髁及胫骨平台外侧软骨的情况。④光学显微镜下观察,以OARSI分级标准评估关节软骨的组织学改变并分级。结果：所有12头猪的手术创口均一期愈合,未出现感染表现。亦未出现动物死亡。各组膝关节3D WATS序列图像,以及T1p弛豫时间图和T2 mapping图像上均能良好显示软骨。所测猪膝关节软骨厚度在1.0-1.3mm间。完全能够满足功能性MRI研究的需要。大体病理观察示术后4周组术侧半月板切除对应处之股骨外侧髁及胫骨平台外侧软骨局部稍泛黄并呈光泽度及透明度略下降改变。但软骨表面仍光整,未出现明显磨蚀征像。组织学检查示软骨表层出现纤维化,并细胞数减少或消失。番红O染色示软骨上1/3失染,OARSI分级为1.5～2.5级。这表明,术后4周组软骨最符合早期KOA软骨改变。结论：采用有着更大软骨厚度(1mm以上)的大型动物-猪来建模才能更好地满足功能性MRI对软骨成像的需要。以手术方式建立的早期KOA模型稳定可控。组织病理学表明,按OARSI分级标准,术后4周组的猪膝关节软骨退变(OARSI分级为1.5～2.5级)最符合早期OA改变,是较理想的早期KOA在体功能性MRI相关研究模型平台。第三章猪早期骨性关节炎的T1p和T2 mapping成像目的：从不同于以往研究的,以手术造模方式建立的猪在体早期KOA模型的角度,同时评价Tlp和T2 mapping成像技术在诊断早期KOA软骨退变上各自的能力。材料和方法：动物的准备：西藏小型猪3只,10-12月龄,体重33-36kg,均为雄性。手术建模：实验动物麻醉满意后,固定于手术台。自左膝关节外侧入路进入关节腔。切断前交叉韧带并完整切除外侧半月板。右侧膝关节不予处理做为空白对照侧。术后饲养4周。MRI检查：4周后处死动物。自髋关节离断双侧后腿后,于2小时内分别完成手术侧和对照侧膝关节MRI矢状位扫描。采用12通道SENSE膝关节表面线圈。扫描序列分别为3D WATS序列、T1p成像和T2 mapping成像。先行3DWATS序列扫描。TR/TE=20 ms/4.9 ms。然后分别行T1p和T2 mapping成像。T1p成像采用3D稳态梯度回波序列。扫描参数：自旋锁定频率500Hz,自旋锁定时间分别为1,10,20,30,40 ms:TR/TE= 5.9/3.0ms。T2 mapping成像采用5回波快速自旋回波序列,扫描参数：TR/TE=1368ms/10,20,30,40,50ms,翻转角90°。将T1p成像数据调入工作站的IDL后处理软件,以生成T1p弛豫时间图。T1p和T2值测量：将所有图像数据导入Image J软件。取猪手术侧和对照侧膝关节的股骨外侧髁及胫骨平台外侧之切除半月板对应处矢状面。先在3DWATS图像上沿软骨边缘手动勾画出感兴趣区(ROI)。将ROI保存,然后分别在对应层面的Tip弛豫时间图和T2 Mapping图上复制已保存的ROI,并测量出T1p值和T2值。组织学检查：凿取股骨外侧髁及胫骨平台外侧之切除半月板对应处关节面软骨。行番红O染色。以OARSI分级标准评估关节软骨的组织学改变。统计学分析：手术侧与对照侧膝关节软骨T1p值和T2值之间比较采用配对t检验,P<0.05为差异有显著性意义。结果：按OARSI分级标准,术后4周的猪膝关节软骨为1.5～2.5级,符合早期OA改变。经配对t检验,手术侧膝关节软骨T1p值和T2值均显著高于对照侧软骨。相比于对照侧膝关节软骨T1ρ值均值,术侧膝关节软骨T1ρ值均值升高32.94%；而相比于对照侧膝关节软骨T2值均值,术侧膝关节软骨T2值均值升高17.52%。结论：从猪的在体早期KOA模型的角度来同时研究T1p和T2 mapping成像在KOA早期诊断上的能力。术侧与对照侧膝关节软骨T1p值和T2值配对t检验结果表明,T1p成像和T2 mapping成像都具备诊断早期KOA软骨异常的能力。在诊断早期KOA上,T1p成像较之T2 mapping成像更为敏感。第四章猪骨性关节炎软骨的T1p值和T2值与蛋白多糖和胶原含量的相关分析目的：以不同于以往研究的更符合临床实际的方法,即采用手术方式建立猪在体膝骨性关节炎动物模型,然后对术后持续退变的关节软骨进行T1p和T2mapping成像,来研究退变软骨的Tlp值和T2值与软骨细胞外间隙中蛋白多糖含量和胶原含量之间的相关关系。材料和方法：动物的选择与分组：雄性西藏小型猪12只,10-12月龄,体重33-36kg,随机分为4组,每组3只。KOA动物模型的制备：实验动物麻醉满意后,固定于手术台。自左膝关节外侧入路进入关节腔。切断前交叉韧带并完整切除外侧半月板。右侧膝关节不予处理做为空白对照侧。术后4组实验猪分别饲养2、4、6、8周。MRI检查：4组实验猪在饲养至预定周数后处死。自髋关节离断双侧后腿后,于2小时内分别完成手术侧膝关节MRI矢状位扫描。扫描序列分别为3DWATS序列、T1p成像和T2 mapping成像。Tlp成像采用3D稳态梯度回波序列。自旋锁定时间(Time of spin lock)分别为1,10,20,30,40 ms。T2 mapping成像采用5回波快速自旋回波序列,TR/TE=1368ms/10,20,30,40,50ms。图像后处理及T1ρ和T2值测量：将所有图像数据导入Image J软件。取猪手术侧膝关节的股骨外侧髁及胫骨平台外侧之切除半月板对应处矢状面。先在3D WATS图像上沿软骨边缘手动勾画出感兴趣区(ROI)。将ROI保存,然后分别在对应层面的T1ρ弛豫时间图和T2 Mapping图上复制已保存的ROI,并测量出T1ρ值和T2值。病理学检查及OD值测量：分别凿取股骨外侧髁及胫骨平台外侧之切除半月板对应处关节面软骨。分别取3张组织切片按同样步骤和条件进行番红O染色和Van Gieson染色。分别测量染色图片中自软骨表面至软骨与骨交界之间部分的平均光密度(OD)值,以此来表示蛋白多糖含量或胶原含量。统计学分析：绘制各组软骨T1ρ值、T2值与番红O染色OD值或Van Gieson染色OD值之间的散点图。采用Pearson相关分析来分别分析T1ρ值与番红O染色OD值或Van Gieson染色OD值,及T2值与番红O染色OD值或Van Gieson染色OD值之间的相关关系。P<0.05为统计有显著性意义。结果：各组手术侧软骨所测T1ρ值的平均值为71.765±8.794 ms,所测T2值的平均值为52.078±9.846 ms,番红O染色后所测OD值的平均值为0.3457±0.1165,Van Gieson染色后所测OD值的平均值为0.2036±0.0955。T1ρ值与番红O染色OD值的回归方程决定系数R2=0.793(P<0.001),T2值与番红O染色OD值的回归方程决定系数R2=0.576 (P<0.001); T1p值与Van Gieson染色OD值的回归方程决定系数R2=0.689(P<0.001),T2值与Van Gieson染色OD值的回归方程决定系数R2=0.734(P<0.001)。结论：采用猪并以手术方式建立活体KOA动物模型。在关节软骨退变的不同阶段同时进行T1ρ和T2mapping成像。然后分析T1ρ值、T2值与蛋白多糖(PG)含量、胶原含量(分别以软骨番红O染色和Van Gieson染色后所测OD值代表)之间的相关关系。这一研究方法完全不同于以往的任何研究,更加接近临床的实际情况。研究结果表明：退变软骨T1ρ值和T2值的变化均与退变软骨中蛋白多糖含量和胶原含量的变化呈相关关系。在检测蛋白多糖含量的变化上,T1ρ要比T2 mapping成像更为敏感；而在检测胶原含量的变化上,T2 mapping要比T1ρ成像更敏感。