李曉芬(綜述)，曾獻軍(審校)

(1.江西省人民醫(yī)院放射科； 2.南昌大學第一附屬醫(yī)院影像科，南昌 330006)

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MR成像在膝關(guān)節(jié)軟骨中的應(yīng)用研究進展

李曉芬1(綜述)，曾獻軍2(審校)

(1.江西省人民醫(yī)院放射科； 2.南昌大學第一附屬醫(yī)院影像科，南昌 330006)

關(guān)鍵詞：膝； 關(guān)節(jié)軟骨； 磁共振成像； X線計算機體層成像

膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜且最容易受損的持重關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)疾病又以骨性關(guān)節(jié)炎(OA)多見。OA多表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)腫痛酸脹，逐漸發(fā)展可引起關(guān)節(jié)疼痛，以至發(fā)生殘疾，嚴重影響患者的日常生活和降低健康標準。關(guān)節(jié)軟骨是維系膝關(guān)節(jié)功能正常運作不可或缺的主要組織成分，由于膝關(guān)節(jié)OA的發(fā)病并不直接危害到患者的生命，所以常常被忽視。一旦缺損，若耽誤了早期的治療，關(guān)節(jié)軟骨損傷進一步發(fā)展，軟骨膠原纖維網(wǎng)架崩解，造成軟骨合成代謝和分解代謝的紊亂，引發(fā)骨關(guān)節(jié)炎[1]。軟骨的鈣化層損傷造成軟骨下骨增生硬化，出現(xiàn)骨刺，引起關(guān)節(jié)間隙變窄，甚至發(fā)生關(guān)節(jié)強直等改變。

目前，分子生物學及顯微外科相關(guān)學科發(fā)展迅速，對軟骨病變的早期診斷及軟骨缺損的早期修復(fù)技術(shù)也日益成熟。隨著OA的發(fā)病率與日俱增，亟需尋求一種能早期、無創(chuàng)傷性的技術(shù)方法來評價關(guān)節(jié)軟骨損傷，因此應(yīng)用MRI掃描來觀察關(guān)節(jié)軟骨病變已成趨勢。T2-mapping成像利用其特殊的新穎MR成像技術(shù)計算獲得關(guān)節(jié)軟骨的T2值，進而發(fā)現(xiàn)那些形態(tài)學上未發(fā)生改變的早期OA的軟骨損傷組織生化成分的變化[2-3]。本文對膝關(guān)節(jié)軟骨的組織學和MRI表現(xiàn)、MRI新成像技術(shù)方法和評價關(guān)節(jié)軟骨病變的診斷價值進行如下綜述。

1關(guān)節(jié)軟骨的組織解剖學與MRI表現(xiàn)

關(guān)節(jié)軟骨是緊密地吸附在關(guān)節(jié)軟骨承重面上的一種特殊組織成分，主要成分有軟骨細胞和其外圍的細胞基質(zhì)，而后者又主要由水、膠原纖維與蛋白多糖組成[4]。這些基質(zhì)成分的生化特性和排列分布決定了關(guān)節(jié)軟骨的穩(wěn)固負重能力。由于各層的膠原纖維排列不一，又將關(guān)節(jié)軟骨分為4層：表層為與關(guān)節(jié)面平行的膠原纖維，即平行層，此層軟骨細胞甚少，膠原纖維相互交織呈網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，成為遏止水分子流動的有效屏障；中間層又稱過渡層，由弓形排列交織的膠原纖維組成；第3層為放射層，此層中軟骨細胞形態(tài)大，含膠原纖維最多，且垂直排列于軟骨關(guān)節(jié)表面；最底層為鈣化層，利用垂直的膠原纖維和軟骨下骨緊密相連[5-6]。正常情況下，蛋白多糖的含量在過渡層中最多，而水分則在表層含量最多。軟骨退變和損傷時，膠原纖維的網(wǎng)狀組成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，蛋白多糖含量減低，軟骨內(nèi)自由水成分增加。退變的關(guān)節(jié)軟骨改變，主要與關(guān)節(jié)軟骨表面蛋白多糖含量和自由水的成分改變有很大的關(guān)系[7]。

關(guān)節(jié)軟骨各成分的不同是MRI成像中信號高低變化的因素[8]。有學者[9-11]研究報道，正常關(guān)節(jié)軟骨在MRI中呈分層改變，但對分幾層及各層信號特點的結(jié)果相差較大。Modl等[12]首先發(fā)現(xiàn)軟骨在SE序列上表現(xiàn)為由外到內(nèi)的低信號、高信號及低信號3層，組織學上分別對應(yīng)于軟骨的切線層、過渡層及鈣化層。有學者[13]指出，關(guān)節(jié)軟骨在快速場回波(FSE)T1WI上分3層：表層為低信號帶，約占總厚度的16%，相當于切線層；中層表現(xiàn)為較高信號帶，約占總厚度的31%，相當于過渡層；深層為低信號帶，約占總厚度的53%，相當于放射帶和鈣化帶。在MRI快速自旋回波序列中，由于軟骨及周圍關(guān)節(jié)液之間的質(zhì)子磁化率差異，兩者之間的對比較強，所以關(guān)節(jié)軟骨顯示較佳；在質(zhì)子密度加權(quán)成像和T2WI上，關(guān)節(jié)積液的高信號和關(guān)節(jié)軟骨的低信號對比差異感也很清楚。GRE序列通常采用脂肪抑制結(jié)合三維成像，軟骨表現(xiàn)為中高信號，關(guān)節(jié)積液為低信號，局部軟骨缺損可表示為高信號內(nèi)的局限低信號區(qū)，從而易于顯示。

總之，常規(guī)序列顯示軟骨的形態(tài)學改變具有敏感性，但由于對比度欠清，軟骨分層顯示不明顯，對軟骨早期的生化成分改變不能很好地反映出來，因此對軟骨生化成分的顯示具有局限性[6]。只有當軟骨病損突破到一定程度時，引起軟骨剝脫和軟骨下骨暴露，才能清晰地顯示。

2關(guān)節(jié)軟骨成像的MRI新技術(shù)

2.1T2-Mapping圖像的定量分析

T2-Mapping圖像是目前評估軟骨成分結(jié)構(gòu)變化及微觀生化較敏感的一項新的軟骨MRI生理成像技術(shù)。T2 橫向磁化時間主要反映關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)膠原纖維含量、軟骨基質(zhì)內(nèi)水和蛋白多糖含量的改變。有研究[14]認為，關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)膠原含量及順序排列的改變決定了T2 值的變化。也有學者[15-16]認為，軟骨基質(zhì)內(nèi)水和蛋白多糖的含量也與T2 值呈相關(guān)性，T2圖可作為一種無創(chuàng)性檢查技術(shù)應(yīng)用于臨床。由于軟骨退變與多種因素有關(guān)，隨著年齡的增長，軟骨逐漸變薄，T2值降低[17]。也有研究[18]證明，運動后較運動前關(guān)節(jié)軟骨表面的T2值降低，雖然影響因素眾多，但是軟骨退變者的T2值均較正常者高。

由于T2圖對場強要求不高，掃描時間較短，成像序列不復(fù)雜，因此臨床開展較多，其能敏感地反映早期軟骨病損的形態(tài)學改變和軟骨微觀的生化成分的變化，較常規(guī)的MRI序列掃描明顯占優(yōu)勢。但不足的是當膠原多糖的走行方向和主磁場呈55°角時，T2 值增加，信號明顯增強，軟骨的MRI分層也最不準確，這也稱為魔角效應(yīng)。國外學者[4]提出，T2 值和關(guān)節(jié)軟骨膠原物質(zhì)及組織關(guān)系更密切。有研究[19]認為，T2弛豫時間主要與關(guān)節(jié)軟骨的水含量和膠原纖維方向有關(guān)，軟骨復(fù)雜的膠原框架導致T2值分布不均，軟骨淺、深層的T2值差異代表了軟骨排列結(jié)構(gòu)的各向異性。

T2-mapping成像是MRI的一種成像技術(shù)，可以幫助評價軟骨基質(zhì)的狀態(tài)。雖然，T2-mapping成像仍存在很多技術(shù)問題，如受化學位移、產(chǎn)生的部分容積效應(yīng)與主磁場成角度后出現(xiàn)的魔角效應(yīng)、對關(guān)節(jié)軟骨病損的特異性低及敏感度高等影響，但是T2值對膠原和水含量變化敏感，對蛋白多糖改變不敏感。

2.2軟骨對比增強延時現(xiàn)象(dGEMRIC)

通過靜脈注入對比劑釓噴酸葡胺(GD-DTPA)，關(guān)節(jié)基質(zhì)環(huán)境中的陰離子則進入組織軟骨內(nèi)，正負電荷失衡導致T1 值減低，在關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)，GD-DTPA不斷擴散并達到均勻狀態(tài)，經(jīng)過1～2 h代謝，采用多次反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描，在T1 加權(quán)圖像上利用軟件處理分析技術(shù)，生成曲線圖并測定該處的T1值，上偽彩形成參數(shù)圖，能對軟骨的生化成分、蛋白缺失進行早期的定量診斷?；诎被暇厶呛胸撔曰鶊F導致含負性基團對比劑的分布減少，因此，T1增強顯像就表現(xiàn)為氨基多糖(GAG)濃度分布的顯像。dGEMRIC技術(shù)可反映軟骨中GAG的含量[20]。骨性關(guān)節(jié)炎模型在行功能磁共振時發(fā)現(xiàn)，退變軟骨T2mapping值增加，dGEMRIC值減少[21]。

dGEMRIC技術(shù)在先髖的顯示與關(guān)節(jié)鏡證實的骨關(guān)節(jié)炎早期關(guān)節(jié)軟骨軟化的對比中，輕度損傷在膝關(guān)節(jié)軟骨中氨基葡聚糖的影響中表現(xiàn)出了重要價值。正常志愿者的軟骨T1值很高，當受損關(guān)節(jié)軟骨退變區(qū)GAG瓦解流失，導致軟骨組織的T1值降低，致使T1圖測量的主要軟骨內(nèi)氨基葡聚糖的含量成分改變。

2.3彌散加權(quán)成像技術(shù)(Diffusion-weighted Imaging，DWI)

DWI的成像基礎(chǔ)是通過對常規(guī)SE自旋序列分別給予梯度脈沖，特點是方向相反、大小相等的脈沖，第一個梯度脈沖使所有質(zhì)子自旋去相位，而后一個使其相位重聚，是目前對水分子擴散運動進行測量與成像的唯一無創(chuàng)性且敏感的成像技術(shù)，本質(zhì)上是用信號增減的方式表現(xiàn)出組織中的水分子擴散運動速度。

在正常關(guān)節(jié)軟骨中水分子被限制在膠原網(wǎng)眼間的空隙內(nèi)，而在骨關(guān)節(jié)炎的早期階段，由于膠原及蛋白多糖崩解，增加了關(guān)節(jié)表面的摩擦作用和對水的通透性，使得水分子得以在關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)自由游動，擴散速度加快，軟骨的ADC值增加，DWI圖像呈低信號。劉斯?jié)櫟萚22]研究顯示，彌散加權(quán)成像對早期骨性關(guān)節(jié)炎軟骨損傷的臨床應(yīng)用有較高的診斷價值。研究結(jié)果還表明：在骨性關(guān)節(jié)炎患者中，髕骨關(guān)節(jié)軟骨的ADC值顯著增高，尤其以內(nèi)側(cè)增高明顯；DWI不足在于軟骨T2馳豫時間短，為了突出軟骨信號需要縮短回波時間，而這樣會造成信噪比增加，出現(xiàn)偽影。

2.423Na譜成像技術(shù)

此項技術(shù)方法大體與dGEMRIC相似，由于23Na原子帶正電荷，當關(guān)節(jié)軟骨損傷出現(xiàn)蛋白多糖瓦解時，可在此區(qū)域出現(xiàn)異常信號改變。所以，局部23Na濃度與固定電荷密度(FCD)的變化呈正相關(guān)性。有文獻[6]報道，骨關(guān)節(jié)炎軟骨的糖胺聚糖降解區(qū)域23Na譜信號強度下降50%以上，由于23Na譜技術(shù)對MRI設(shè)備配置要求很高，且需要配備接收線圈和特殊的傳輸設(shè)備，故該技術(shù)仍處于研究階段。

3小結(jié)與展望

綜上所述，關(guān)節(jié)軟骨MRI成像技術(shù)在形態(tài)學的發(fā)展上已經(jīng)日趨成熟，為了更直觀早期的發(fā)現(xiàn)軟骨病損的微觀生化成分改變，應(yīng)深入探索早期關(guān)節(jié)軟骨損傷的組織生理性成像、軟骨內(nèi)微觀生化結(jié)構(gòu)變化的成像技術(shù)[23]，從分析不同的軟骨基質(zhì)成分、關(guān)節(jié)軟骨組織成分及排列構(gòu)成的改變上體現(xiàn)T2值，軟骨基質(zhì)內(nèi)蛋白多糖的含量變化則通過T1值來反映，兩者均能定量分析評估早期骨性關(guān)節(jié)炎的軟骨退變。目前T1成像及23Na譜成像還處于研究階段，dGEMRI和T2-mapping成像技術(shù)已應(yīng)用于臨床診斷及指導臨床治療。

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(責任編輯：周麗萍)

收稿日期：2015-06-11

中圖分類號：R445.2； R684

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8194(2016)01-0097-03

DOI:10.13764/j.cnki.lcsy.2016.01.036