張曉貝，樊天佑，邱衛(wèi)東

（上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬市中醫(yī)醫(yī)院骨傷科，上海 200070）

膝關(guān)節(jié)軟骨的影像學(xué)檢查進(jìn)展

張曉貝，樊天佑，邱衛(wèi)東

（上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬市中醫(yī)醫(yī)院骨傷科，上海 200070）

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨變性及丟失和關(guān)節(jié)邊緣及軟骨下骨骨質(zhì)增生為特征的慢性膝關(guān)節(jié)炎。KOA的發(fā)病機(jī)制尚不明確，與遺傳、生物力學(xué)、軟骨退化、軟骨下骨改變和肌肉軟組織損傷等因素有關(guān)。隨著科技的進(jìn)步，關(guān)節(jié)軟骨的檢查方法也不斷發(fā)展，本文就膝關(guān)節(jié)軟骨的影像學(xué)檢查進(jìn)展從X線、CT、MRI 3方面進(jìn)行綜述。

膝；骨關(guān)節(jié)炎；軟骨；診斷顯像

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨變性及丟失和關(guān)節(jié)邊緣及軟骨下骨骨質(zhì)增生為特征的慢性關(guān)節(jié)炎［1］。中老年人發(fā)病率較高，有調(diào)查顯示我國六大行政區(qū)六城市40歲及以上人群KOA的X線檢出率為28.7%［2］。KOA的發(fā)病機(jī)制尚不明確，但與遺傳、生物力學(xué)、軟骨退化、軟骨下骨改變和肌肉軟組織損傷等因素有關(guān)［3-7］。目前，對炎性因子、生物力學(xué)、軟骨下骨等的研究已較為深入［5-7］，同時對軟骨的組成及功能的研究也有進(jìn)展［8］，但對軟骨形態(tài)學(xué)的研究較少。隨著影像學(xué)檢查技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始對膝關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)學(xué)進(jìn)行全面的研究，并探索其與KOA之間的關(guān)系。本文將主要對膝關(guān)節(jié)軟骨的影像學(xué)檢查進(jìn)行討論，現(xiàn)進(jìn)行綜述。

1 X線成像對關(guān)節(jié)軟骨的顯示

普通X線片無法顯示關(guān)節(jié)軟骨，但Mollenhauer等［9］使用X射線衍射增強(qiáng)成像（diffraction enhanced X-ray imaging，DEI）觀察到了軟骨。DEI利用同步光束經(jīng)過一個雙晶體單色器硅333，穿過被測物品后，再經(jīng)過一個晶體硅333分析儀發(fā)生衍射而成像。DEI可觀察軟骨的大體形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，即早期軟骨退變時就能觀察到軟骨的變化。Li等［10］利用DEI技術(shù)對人膝關(guān)節(jié)軟骨退變進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)DEI對膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)面分級情況比外側(cè)有更高的精確度。Muehleman等［11-12］利用銀和鎢X線管代替了同步加速器，發(fā)現(xiàn)DEI技術(shù)可檢測KOA軟骨病變各階段組織病理學(xué)的變化。Toshiyuki等［13］使用了X線暗場成像（dark field imaging，DFI）也可觀察到股骨遠(yuǎn)端內(nèi)外側(cè)髁的軟骨形態(tài)。DFI是用單色的硅440瞄準(zhǔn)儀使入射光束形成一個角度，光束穿過關(guān)節(jié)，經(jīng)過Laue幾何晶體硅440分析儀處理后投射在一個2D成像設(shè)備上。DFI直接使用X線進(jìn)行檢測，并不需要像DEI那樣需要使用同步輻射光源，因此DFI更適用于臨床。

新型的X線成像技術(shù)為我們提供了觀察軟骨的途徑，我們可以觀測到軟骨的形態(tài)、完整性、早期病變時的結(jié)構(gòu)學(xué)改變，甚至是軟骨的定量。但其技術(shù)設(shè)備有限制、成像時間長、光源不可移動，目前多數(shù)用于基礎(chǔ)研究，并不能作為臨床軟骨損傷診斷與分級的主要檢測手段。

2 CT關(guān)節(jié)造影（Computed Tomography arthrography，CTa）對關(guān)節(jié)軟骨的顯示

CTa是一種定量測量關(guān)節(jié)軟骨的非創(chuàng)傷性方法，對軟骨完整性檢查的敏感性和特異性都較高［14］。Siebelt等［15］采用非造影CT（non-contrast CT，ncCT）、CTa、離子對比劑平均分配Micro-CT（equilibrium partitioning of an Ionic contrast agent via microcomputed tomography，EPIC-mCT）分別掃描尸體膝關(guān)節(jié)軟骨，比較3種方法對軟骨中硫酸氨基葡萄糖（sulphated glycosaminoglycan，sGAG）含量和細(xì)胞外基質(zhì)（extra-cellular matrix，ECM）結(jié)構(gòu)的敏感性和準(zhǔn)確性。為了使空氣/軟骨、軟骨/骨皮質(zhì)有最好的分隔，使用了20%碘溶液進(jìn)行造影。后期使用三維重建及相關(guān)分析軟件，定量軟骨的厚度及sGAG的含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在測量sGAG方面，CTa與EPIC-mCT的參考值非常接近。Borges等［16］使用磷鎢酸造影增強(qiáng)Micro-CT（phosphotungstic acid contrast enhanced micro-computed tomography，PTA-CT）掃描患有KOA的小鼠膝關(guān)節(jié)，計算軟骨厚度并對軟骨病理學(xué)進(jìn)行評分。PTACT的優(yōu)點(diǎn)在于不受sGAG分布變化的影響且成像時間<10 h（8 h進(jìn)行PTA染色，1 h用于掃描和重建，30 min進(jìn)行圖像自動分析）。但磷鎢酸有毒，不能進(jìn)行臨床體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，且軟骨的周圍組織也易被PTA染色從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以上方法都只用于尸體關(guān)節(jié)或動物模型的軟骨形態(tài)及成分的研究。Tiel等［17-18］對全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前患者的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CTa、對比增強(qiáng)Micro-CT（contrast-enhanced microCT，CE-mCT）掃描，發(fā)現(xiàn)CTa可以準(zhǔn)確地測量人體膝關(guān)節(jié)軟骨的sGAG含量，且KOA患者內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)軟骨量明顯低于外側(cè)脛股關(guān)節(jié)，內(nèi)側(cè)髁后方與外側(cè)脛股關(guān)節(jié)前方的軟骨保留較多。van Tiel等［19］發(fā)現(xiàn)低輻射劑量（8.13 mGy）的CTa很難區(qū)分出sGAG含量空間分布的不同，若要定量評估軟骨不同區(qū)域sGAG需使用較大輻射劑量（81.33 mGy）的CTa。臨床上CTa使用對比劑多為碘對比劑。Bansal等［20］對比了3種對比劑（釓噴酸葡胺注射液、碘克沙酸葡胺鈉注射液、CA4+）對膝關(guān)節(jié)軟骨顯影的區(qū)別，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽離子對比劑比陰離子對比劑有更高的吸收率。隨著相位對比成像（phase contrast imaging，PCI）技術(shù)的發(fā)展，Coan等［21］使用晶體分析成像CT（analyzer-based imaging CT，ABI-CT）對離體的人膝關(guān)節(jié)正常軟骨和KOA軟骨進(jìn)行定量檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ABI對軟骨組織結(jié)構(gòu)檢測的精確度有很大的提高。

上述CT掃描技術(shù)中，EPIC-mCT對sGAG很敏感，可以很好的檢測sGAG的分布，但同時需要手動分割、重建，不可避免的會出現(xiàn)人為誤差［22］。目前CTa在KOA軟骨檢查方面的應(yīng)用較少，原因有以下幾個方面：①注入對比劑后，有感染、過敏及肝腎功能損傷的可能；②如果要觀察軟骨內(nèi)sGAG的具體分布需要較大輻射劑量，對人體的損害也較大；③CTa成像依賴于平衡之前的擴(kuò)散過程，這可受到sGAG和碘電場吸引力的影響。目前CTa用于人體研究基本集中于股骨、脛骨不同區(qū)域的軟骨量或有MRI禁忌證者的軟骨檢查。

3MRI對關(guān)節(jié)軟骨的顯示

MRI可直接觀察到軟骨，對其形態(tài)學(xué)檢查有較高的準(zhǔn)確性、特異性和敏感性。目前，常用于軟骨成像的技術(shù)包括：T2mapping，T2*mapping、超短回波時間（UTE）-T2*mapping、T1ρ成像等［23］，國內(nèi)多數(shù)采用T2mapping成像來測量軟骨。

T2mapping測得的T2值可作為治療方法的評估標(biāo)準(zhǔn)，軟骨的厚度及體積可以通過相關(guān)軟件來量化［24-26］。由于膝關(guān)節(jié)軟骨組織局部的變化，多數(shù)以氫離子為依賴的MRI序列不能自動的進(jìn)行3D重建。針對此問題，Hani等［27］使用多核MRI（23Na、1H）通過3D梯度回波序列和多回波合并成像（multiple-echo data image combination，MEDIC）序列同時掃描膝關(guān)節(jié)采集數(shù)據(jù)，其中包含了成像中低強(qiáng)度和不同強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過圖像處理技術(shù)可形成3D模型并自動分割。Borthakur［28］等分別使用鈉MRI和質(zhì)子MRI的快速梯度回波序列和自旋回波序列掃描經(jīng)過不同濃度胰蛋白酶浸泡30 min后的牛髕骨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鈉MRI對于關(guān)節(jié)軟骨中蛋白多糖微小的變化有很高的敏感性和特異性，而質(zhì)子MRI的T1WI、T2WI均對軟骨中蛋白多糖的微小改變不敏感。

Bekkers等［29］使用軟骨釓延遲增強(qiáng)MRI（delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）在對比劑注入膝關(guān)節(jié)后進(jìn)行掃描，分別測得軟骨六個分區(qū)的dGEMRIC指數(shù)（T1gd），T1gd經(jīng)過軟件計算后可以量化，從而判斷軟骨量是否有變化。Rehnitz等［30］運(yùn)用T2mapping、dGEMRIC、化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（chemical-exchange saturation-transfer，CEST）技術(shù)分別對健康人、軟骨損傷患者、微創(chuàng)修復(fù)1年后的患者膝關(guān)節(jié)進(jìn)行成像，結(jié)果顯示CEST不僅能顯示軟骨的形態(tài)還可測算軟骨的生化成分，可區(qū)分出正常軟骨與受損軟骨，但在軟骨微創(chuàng)手術(shù)修復(fù)后，CEST容易混淆正常與受損軟骨。李潤根等［31］對60例（60膝）經(jīng)關(guān)節(jié)鏡證實(shí)的膝關(guān)節(jié)軟骨損傷患者的MRI資料進(jìn)行回顧性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低場強(qiáng)MRI對診斷2～4級膝關(guān)節(jié)軟骨損傷（Noyes MRI評分）與關(guān)節(jié)鏡無差異，對1級診斷有所差異。

綜上所述，隨著科技的發(fā)展，測量關(guān)節(jié)軟骨的方法也在不斷發(fā)展，從新型X線技術(shù)到CTa，再到MRI。新型X線的設(shè)備要求較高，一般醫(yī)院難以滿足。CTa屬于有創(chuàng)檢查，現(xiàn)僅作為MRI禁忌證患者的替代檢查方法。MRI檢查方便、簡單、無創(chuàng)、客觀，是目前檢查、測量、評估軟骨的主要方法。

［1］胥少汀，葛寶豐，徐印坎.實(shí)用骨科學(xué)［M］.北京：人民軍醫(yī)出版社，2004：1677.

［2］李寧華，薛慶云，張毅，等.中國六城市中老年人群X線膝骨關(guān)節(jié)炎流行病學(xué)分析［J］.實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志，2008，24（16）：2887-2888.

［3］張啟棟，郭萬首.膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎生物力學(xué)的研究進(jìn)展［J］.中日友好醫(yī)院學(xué)報，2014，28（4）：236-238.

［4］Chapman K，Valdes AM.Genetic factors in OA pathogenesis［J］. Bone，2012，51：258-264.

［5］樂意，金榮疆，陽楊，等.從下肢生物力學(xué)來解析膝骨關(guān)節(jié)炎［J］.中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2013，19（6）：505-509.

［6］Song J，Jin EH，Kim D，et al.MicroRNA-222 regulates MMP-13 via targeting HDAC-4 during osteoarthritis pathogenesis［J］.Bba Clinical，2015：79-89.

［8］Brody LT.Knee osteoarthritis：clinical connections to articular cartilage structure and function［J］.Phys Ther Sport，2014，29：1-16.

［9］Mollenhauer J，Aurich ME，Zhong Z，et al.Diffraction-enhanced X-ray imaging of articular cartilage［J］.Osteoarthritis Cartilage，2002，10：163-171.

［10］Li J，Wilson N，Zelazny A，et al.Assessment of diffraction-enhanced synchrotron imaging for cartilage degeneration of the human knee joint［J］.Clin Anat，2013，26：621-629.

［11］Muehleman C，F(xiàn)ogarty D，Reinhart B，et al.In-laboratory diffraction-enhanced X-ray imaging for articular cartilage［J］.Clin Anat，2010，23：530-538.

［12］Muehleman C，Li J，Connor D，et al.Diffraction-enhanced imaging of musculoskeletal tissues using a conventional X-ray tube［J］.Acad Radiol，2009，16：918-923.

［13］Kunisada T，Shimao D，Sugiyama H，et al.X-ray dark field imaging of human articular cartilage：possible clinical application to orthopedic surgery［J］.Eur J Radiol，2008，68：S18-S21.

［14］Hontoir F，Nisolle JF，Simon V，et al.A ccuracy of computed tomography arthrography to detect cartilage defects in the ovine knee［J］.Osteoarthritis C artilage，2014，22：S272.

［15］Siebelt M，van Tiel J，Waarsing JH，et al.C linically applied C T arthrography to measure the sulphated glycosaminoglycan content of cartilage［J］.Osteoarthritis C artilage，2011，19：1183-1189.

［16］D as Neves B orges P，F(xiàn)orte A E，Vincent TL，et al.Rapid，automated imaging of mouse articular cartilage by microC T for early detection of osteoarthritis and finite element modelling of joint mechanics［J］.Osteoarthritis C artilage，2014，22：1419-1428.

［17］Tiel JV，Siebelt M，Reijman M，et al.C T arthrography of the human knee to quantitatively measure cartilage biochemical composition：preliminary results of an in-vivo validation study using ex-vivo reference standards for cartilage composition［J］.Osteoarthritis C artilage，2014，22：S276-S277.

［18］Omoumi P，Michoux N，Thienpont E，et al.A natomical distribution of areas of preserved cartilage in advanced femorotibial osteoarthritis using C T arthrography（Part 1）［J］.Osteoarthritis C artilage，2015，23：83-87.

［19］van Tiel J，Siebelt M，Waarsing JH，et al.C T arthrography of the human knee to measure cartilage quality with low radiation dose［J］.Osteoarthritis C artilage，2012，20：678-685.

［20］B ansal PN，Stewart RC，Entezari V，et al.C ontrast agent electrostatic attraction rather than repulsion to glycosaminoglycans affords a greater contrast uptake ratio and improved quantitative C T imaging in cartilage［J］.Osteoarthritis C artilage，2011，19：970-976.

［21］C oan P，B amberg F，D iemoz PC，et al.C haracterization of osteoarthritis and normal human patella cartilage by computed tomography X-ray phase-contrast imaging：a feasibility study［J］.Invest Radiol，2010，45：437-444.

［22］Kotwal N，Li J，Sandy J，et al.Initial application of EPIC-μC T to assess mouse articular cartilage morphology and composition：effects of aging and treadmill running［J］.Osteoarthritis cartilage，2012，20：887-895.

［23］劉艷，萬業(yè)達(dá).3 T MRI關(guān)節(jié)軟骨生化成分成像的研究進(jìn)展［J］.國際醫(yī)學(xué)放射學(xué)雜志，2014，10（5）：453-456.

［24］D ing C，Martel-Pelletier J，Pelletier JP，et al.Two-year prospective longitudinal study exploring the factors associated with change in femoral cartilage volume in a cohort largely without knee radiographic osteoarthritis［J］.Osteoarthritis C artilage，2008，16：443-449.

［25］Mosher TJ，Liu Y，Yorok C M.Functional cartilage MRI T2mapping：evaluating the effect of age and training on knee cartilage response to running［J］.Osteoarthritis C artilage，2010，18：358-364.

［26］Lin W，A lizai H，Joseph GB，et al.Physical activity in relation to knee cartilage T2progression measured with 3 T MRI over a period of 4 years：data from the Osteoarthritis Initiative［J］. Osteoarthritis C artilage，2013，21：1558-1566.

［27］Hani A，Kumar D，Malik A，et al.3Darticular cartilage reconstruction using in vivo multinuclear mr images［J］.Osteoarthritis C artilage，2014，22：S266.

［28］B orthakur A，Shapiro EM，B eers J，et al.Sensitivity of MRI to proteoglycan depletion in cartilage：comparison of sodium and proton MRI［J］.Osteoarthritis C artilage，2000，8：288-293.

［29］B ekkers JE，B artels LW，B enink RJ，et al.D elayed gadolinium enhanced MRI of cartilage（dGEMRIC）can be effectively applied for longitudinal cohort evaluation of articular cartilage regeneration［J］.Osteoarthritis C artilage，2013，21：943-949.

［30］Rehnitz C，Kupfer J，Streich NA，et al.C omparison of biochemical cartilage imaging techniques at 3 T MRI［J］.Osteoarthritis C artilage，2014，22：1732-1742.

［31］李潤根，鄭鑫，趙飛.低場MRI分級診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷［J］.中國介入影像與治療學(xué)，2014，11（3）：161-164.

［32］李智慧，陸勇，蔣梅花，等.正常膝關(guān)節(jié)軟骨MRI T_1ρ序列表現(xiàn)初步研究［J］.生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2014，18（4）：333-337.

［33］A nwer S，Quddus N，Miraj M，et al.Effectiveness of electromyographic biofeedback training on quadriceps strengthening in osteoarthritis of knee［J］.Hong Kong Physiotherapy Journal，2011，29：86-93.

［34］Miyaguchi M，Kobayashi A，Kadoya Y，et al.B iochemical change in joint fluid after isometric quadriceps exercise for patients with osteoarthritis of the knee［J］.Osteoarthritis C artilage，2003，11：252-259.

［35］Knoop J，Steultjens MP，Roorda LD，et al.Improvement in upper leg muscle strength underlies beneficial effects of exercise therapy in knee osteoarthritis：secondary analysis from a randomised controlled trial［J］.Physiotherapy，2012，101：171-177.

2015-05-27）

10.3969/j.issn.1672-0512.2015.06.042

邱衛(wèi)東，E-mail：0497@szy.sh.cn。