劉敏英，張丹

(承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院南區(qū)放射科，河北 承德 067000)

0 引言

關節(jié)軟骨是一種覆蓋在關節(jié)表面的透明軟骨，在關節(jié)運動時可起到緩沖、耐磨、潤滑的作用。關節(jié)軟骨損傷因其不會直接危及人類生命，所以往往會被忽視。有研究表明[1]，軟骨損傷是骨性關節(jié)炎的主要原因，使用非侵入性技術評估關節(jié)軟骨的完整性和軟骨修復是診治骨關節(jié)炎的一個關鍵因素。關節(jié)鏡是診斷骨性關節(jié)炎的“金標準”[2]，它可以顯示軟骨表面病變及關節(jié)軟骨的形態(tài)，但由于視野存在限制，無法精確區(qū)分軟骨深層受損程度[3]，并且屬于有創(chuàng)檢查，因此關節(jié)鏡檢查發(fā)現(xiàn)早期關節(jié)軟骨損傷的能力有限，多用于嚴重的關節(jié)軟骨損傷的診治。MRI檢查安全無創(chuàng)，能夠彌補常規(guī)X線、CT檢查在關節(jié)軟骨顯示方面的不足。新興的MRI定量技術如DTI、T2-mapping[4]、T1ρ[5]等能夠對關節(jié)軟骨的生化成分進行可視化分析，在關節(jié)軟骨形態(tài)尚未發(fā)生改變之前對軟骨損傷做出診斷，為后續(xù)臨床治療提供影像支持。本文就擴散張量成像在關節(jié)軟骨損傷中的研究進展進行綜述。

1 關節(jié)軟骨正常結構及損傷機制

關節(jié)軟骨由大量的水(70%)、軟骨細胞外基質(extracellularmatrix，ECM)(27%)和少量的軟骨細胞(3%)組成，不含血管、淋巴管和神經，主要靠滑液來營養(yǎng)。水在關節(jié)面負重時可從軟骨基質中被擠出，起到潤滑作用，減少對關節(jié)面的摩擦。細胞外基質由膠原纖維和蛋白多糖(proteoglycan，PG)組成，膠原不同層之間方向和密度不同，排列成直角相互交織、重疊充當關節(jié)軟骨的基質結構，在維持軟骨形態(tài)方面發(fā)揮作用。蛋白多糖是由蛋白聚糖和氨基糖與透明質酸相連形成的高分子量聚合物，帶負電荷，可以通過吸引金屬陽離子(Na+等)產生的滲透壓作用來吸引水分子，因此ECM具有極低的水滲透性，PG表面負電荷互相排斥，使ECM具有高膨脹力[6]。關節(jié)軟骨的功能不僅依賴其組成成分，還與其分層有關。正常關節(jié)軟骨由淺及深依次為滑動層、移行層、輻射層和鈣化層?；瑒訉虞^薄約占整個軟骨厚度5%，沒有軟骨細胞的膠原纖維編織成網(wǎng)狀與關節(jié)面平行，防止蛋白多糖和其他內部大分子的流失，是抵抗壓力的重要結構；移行層厚度約占25%，該層膠原纖維呈交錯排列，小的軟骨細胞分布在膠原纖維組成的空間框架內，加強軟骨的抗剪切能力；輻射層是構成關節(jié)軟骨的主要部分，厚度約占2/3，這層的膠原纖維最多且與關節(jié)面垂直排列，可以保證軟骨具有良好的抗壓縮能力；鈣化層的主要作用是將軟骨錨定在軟骨下骨[7]。

關節(jié)軟骨損傷可由多種原因引起，關節(jié)軟骨慢性損傷首先發(fā)生于軟骨淺層，表現(xiàn)為軟骨局部變軟?；|金屬蛋白酶(MMPs)、白細胞介素(IL)、腫瘤壞死因子(TNF)等多種生化因子分泌增加，會造成軟骨進一步破壞[8]，軟骨出現(xiàn)裂隙及碎片脫落，刺激軟骨下骨增生硬化產生骨贅加速軟骨破壞，嚴重者引起滑膜、關節(jié)周圍肌肉和韌帶產生病變。

2 DTI基本原理及量化參數(shù)

原子核受激發(fā)后在非均勻磁場中擴散，形成失相位產生信號衰減，DTI技術在至少6個方向上施加敏感梯度磁場來測量各個方向上的信號衰減量，同時對水分子擴散特征進行量化，獲取不同狀態(tài)下組織細微結構解剖變化和功能改變信息[9]。大多數(shù)MRI生物標記物都以PG為靶點，例如鈉譜成像。對于膠原，部分敏感性由T2弛豫時間和磁化轉移得出[10-11]。DTI的優(yōu)勢在于可以同時對PG和膠原進行監(jiān)測，因為細胞外基質不同成分對水分子運動影響不同。DTI目前常用的量化參數(shù)主要有部分各向異性指數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A值)、表觀彌散系數(shù)(average diffusion coefficient，ADC值)。膠原網(wǎng)絡結構有利于水沿著膠原纖維運動，導致水分子運動的各向異性，用FA值來代表，F(xiàn)A值趨向于1時，表示水分子的各向異性最大。ADC值反映不同方向水分子擴散的能力，ADC值越大，水分子擴散能力越強。PG分子為隨機取向，并沒有優(yōu)先的取向，在所有方向上限制水分子運動的能力相同，因此，PG的含量主要影響ADC值變化，對FA值影響很小[12]。軟骨損傷時單位體積內PG含量下降，軟骨內水分子彌散運動增加，ADC值增加；膠原纖維網(wǎng)狀結構破壞，對水分子運動方向影響減弱，F(xiàn)A值減小。

3 DTI在關節(jié)軟骨損傷中的研究現(xiàn)狀

DTI以往多用于中樞神經系統(tǒng)疾病診治，隨著MRI技術不斷發(fā)展與完善，國內外學者逐步嘗試將DTI應用于關節(jié)軟骨損傷診斷方面。Ferizi[13]等通過建立關節(jié)軟骨機械損傷模型以評估DTI在早期檢測軟骨損傷中的敏感性，與以往常用的酶降解模型相比，機械損傷模型能夠更真實地模擬軟骨降解過程。結果顯示在輕度損傷組內平均擴散系數(shù)(MD值)增加，F(xiàn)A值無變化，在重度損傷組內MD值升高，F(xiàn)A值下降，表明由于損傷而激活的分解代謝途徑是導致細胞外基質逐步分解的主要原因，而且膠原損傷發(fā)生的速度要慢于PG的消耗速度。損傷后組織學分級變化與軟骨淺層MD值變化的相關性強于深層，這與safranin-O染色切片中觀察到的軟骨降解模式一致，首先軟骨表面發(fā)生降解，逐漸向軟骨深層擴散。另一方面，F(xiàn)A值變化與組織學分級變化的相關性要弱于MD值，可能是由于組織學分級充分考慮了PG成分改變和細胞死亡，而在較小程度上考慮了膠原損傷情況。

Raya等[14]應用7.0T MRI對健康成人及關節(jié)軟骨損傷患者行DTI檢查，結果顯示兩組FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計學意義，提示DTI在早期軟骨損傷診斷中具有可行性。趙丹丹等[15]通過對114例健康志愿者髕軟骨研究得出年齡與FA值、ADC值具有相關性，且與FA值呈負相關，與ADC值呈正相關。隨著年齡的增長，細胞外基質中的PG大小與聚集下降、負電荷減少、膠原蛋白降解導致對水分子自由擴散限制能力減弱，水分子擴散加速，表現(xiàn)為ADC值增加；基質中膠原纖維直徑增大，硬度增高導致關節(jié)軟骨膠原網(wǎng)絡結構紊亂，膠原纖維走行異常，降低了對水各向異性的限制，表現(xiàn)為FA值逐步下降。侯進等[16]應用3.0T MRI對健康人及不同分級軟骨損傷患者行DTI檢查發(fā)現(xiàn)：隨著骨關節(jié)炎進展，F(xiàn)A值逐漸降低，早期骨性關節(jié)炎ADC值增加明顯，而在中晚期ADC值逐漸降低。骨關節(jié)炎早期軟骨基質中蛋白多糖降解、Ⅱ型膠原退變，膠原網(wǎng)結構斷裂導致軟骨內自由水含量增加，ADC值明顯增加。而在中晚期骨關節(jié)炎，蛋白多糖大量丟失，負電荷減少，對水分子吸引能力減弱，雖然炎性因子介入會引起水向關節(jié)軟骨內轉移，但并不能抵消因蛋白多糖丟失導致的水分減少，并且該時期軟骨損傷區(qū)域內纖維會進行代償性修復，導致ADC值降低。因此，聯(lián)合應用FA值和ADC值評估軟骨損傷會更準確。孫沛毅等[17]研究發(fā)現(xiàn)DTI可定量評估髕股關節(jié)早期軟骨損傷，且較 T2*mapping 敏感。王俊江等[18]將正常成年兔脛骨軟骨從前至后分為5個區(qū)域，結果顯示不同區(qū)域ADC值及FA值差異有統(tǒng)計學意義，提示關節(jié)負重區(qū)與非負重區(qū)軟骨及滑膜細胞外環(huán)境在運動過程中改變不同，負重區(qū)要比非負重區(qū)改變明顯，導致產生更多MMPs，加重退變程度，因此在應用DTI技術分析成年軟骨損傷時要考慮分區(qū)進行。

4 小結

綜上所述，應用DTI技術進行早期軟骨損傷診斷具有良好的可行性。常規(guī)MR序列結合DTI技術能夠為臨床早期診斷、治療關節(jié)軟骨損傷提供重要依據(jù)。然而目前國內外學者多以髕軟骨作為研究對象，對其他部位軟骨研究甚少，我們應進一步研究探索，對不同部位軟骨進行DTI成像研究。