鄭孝眾 周靜 張晏境 姚婉貞 丁建平*

半月板是膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的解剖、生物力學(xué)和功能特征，對維持膝關(guān)節(jié)正常功能至關(guān)重要。傳統(tǒng)MRI 序列檢查時，由于半月板的T2/T2*值較短（5～10 ms），因而采集不到半月板信號，影像表現(xiàn)為低或無信號，造成短T2/T2*組織的結(jié)構(gòu)和生理信息丟失。MRI 超短回波時間（ultrashort echo time，UTE）序列可直接采集短T2/T2*的組織，無論在半月板定性觀察, 還是定量研究方面都具有較大的應(yīng)用價值。本文就UTE 序列在半月板中的研究進展予以綜述。

1 半月板的解剖及功能

半月板是位于膝關(guān)節(jié)股骨和脛骨關(guān)節(jié)面之間的纖維軟骨，橫截面大致呈三角形，內(nèi)側(cè)半月板呈“C”形，外側(cè)半月板呈“O”形。半月板主要由水（65%～70%）、膠原纖維（20%～25%）和蛋白多糖（proteoglycan，PG）（＜1%）組成[1]。膠原纖維是半月板的主要成分，大約98%的膠原纖維為I 型，類似于肌腱和韌帶，對半月板承受應(yīng)力及抗拉強度起主要作用[2]。半月板中存在表面網(wǎng)狀纖維、片狀層、周向纖維、徑向纖維、垂直纖維和周向纖維周圍的網(wǎng)狀纖維6 種纖維組，各組具有不同的膠原走行及成分，共同維持著半月板的機械穩(wěn)定[3]。半月板是一種相對無血管的結(jié)構(gòu)，外周血液供應(yīng)有限，腘動脈的分支是滋養(yǎng)半月板的主要血管，血流灌注僅限于外側(cè)半月板的外周10%～25%和內(nèi)側(cè)半月板的外周10%～30%，其余部分則通過滑膜擴散或機械運動接受營養(yǎng)[4]。因此，根據(jù)半月板血流灌注情況將其分為外1/3區(qū)（紅區(qū)）、中1/3 區(qū)（紅白區(qū)）及內(nèi) 1/3 區(qū)（白區(qū)），這對損傷愈合具有重要意義[5]。半月板的主要功能是傳遞脛股關(guān)節(jié)的負(fù)重及穩(wěn)定關(guān)節(jié)。半月板膠原成分為膝關(guān)節(jié)提供減震作用，其凹形表面限制了膝關(guān)節(jié)過度運動，增加了關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。此外，半月板還有潤滑、營養(yǎng)及本體感覺等功能[1]。

2 UTE 序列概述

傳統(tǒng)回波（快速自旋回波和梯度回波）序列使用相對較長的回波時間，因此短T2/T2*組織在系統(tǒng)開始接受信號前已經(jīng)衰減到或接近于0，影像表現(xiàn)為低或無信號，導(dǎo)致大量信息丟失，難以進行定性及定量研究。UTE 序列采用硬脈沖激發(fā)后直接檢測自由感應(yīng)衰減，但其影像具有梯度回波序列的特征，其回波時間受到射頻線圈發(fā)射與接收開關(guān)時間（0～70 μs）的限制，如果配合專用硬件設(shè)備更可以降至 8 μs，因此可以使短 T2成分成像[6]。二維 UTE（2D UTE）由2 個帶有相反層面選擇梯度的半sinc 函數(shù)射頻脈沖激發(fā)后，立刻采集自由衰減信號，2 個半脈沖的回波信號疊加在一起填充成一條K 空間線；為避免在信號衰減至0 之前未填充至K 空間中心，數(shù)據(jù)直接由K 空間中心開始采集，并呈放射狀填充K空間。在上述2D UTE 序列設(shè)計的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出三維UTE（3D UTE）序列，該序列應(yīng)用短硬脈沖進行激發(fā)，數(shù)據(jù)進行三維放射狀采集，即由K 空間中心向外并呈圓錐形填充[7]。

在人體膝關(guān)節(jié)半月板周圍有多種長T2組織，如脂肪、肌肉等，在采集半月板信號的同時，周圍的長T2信號也被不同程度的采集。因此，在UTE 序列的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了多種包含長T2組織抑制的序列，提高了短T2成分的影像對比度，如脂肪飽和技術(shù)、雙回波減影等[8-10]。另外，UTE 還可結(jié)合 T1ρ、T2/T2* 對組織成分進行研究。UTE 雙成分分析是測量長T2*和短T2*中組織成分的技術(shù)，能夠反映組織內(nèi)不同生化成分的含量[11]。

3 UTE 序列在半月板中的應(yīng)用

3.1 半月板的定性觀察 傳統(tǒng)MR 影像上半月板通常表現(xiàn)為低信號，其周圍存在很多相似的短T2組織結(jié)構(gòu)，如韌帶、肌腱，因此其病變的診斷常常受到影響；而在UTE 序列影像上，正常半月板表現(xiàn)為高信號[12]，半月板撕裂和退變時則信號減低[13]，可以更加直接地觀察病變。Lee 等[14]采用3D UTE 加權(quán)減影的方法觀察膝關(guān)節(jié)中短T2組織的影像信息，使用最佳加權(quán)因子有效抑制長T2組織信號，提高短T2組織對比度，最佳加權(quán)因子通過調(diào)節(jié)UTE 減影影像的信噪比（SNR）和對比噪聲比（CNR）來確定，綜合SNR 和CNR，確定了半月板的最佳加權(quán)因子為1.0，表明UTE 序列可以提供常規(guī)MRI 無法顯示的短T2組織。也有研究者[15]通過3D UTE 雙回波序列對半月板成像進行參數(shù)調(diào)試，結(jié)果顯示通過改變翻轉(zhuǎn)角和將2 次回波影像經(jīng)多平面重組后再相減可增加影像SNR，并且縮短第1 次回波時間可增加影像質(zhì)量。

3.2 半月板 UTE-T2* 和 UTE-T1ρ的測定

3.2.1 UTE-T2*測定 T2*主要用于評估組織含水量和膠原纖維取向，定量測量半月板的T2*值對生化成分的研究具有重要意義。有研究者[16-17]測得半月板的平均 UTE-T2* 值為 4～10 ms；Gatehouse 等[18]研究表明半月板不同區(qū)域的T2*值不同，白區(qū)、紅白區(qū)和紅區(qū)的平均UTE-T2*值分別為（7.8±1.2）ms、（6.5±1.4）ms 和（12.6±1.9）ms，提示不同區(qū)域半月板的生化成分不同，這為進一步研究病變狀態(tài)的半月板提供了參考。

Williams 等[17]首次將 UTE-T2* mapping 技術(shù)與半月板的組織切片進行比較，發(fā)現(xiàn)正常半月板的UTE-T2*值較低，而撕裂或退變組則較高，并通過偏振光顯微鏡證實半月板組織UTE-T2*值增加代表的不是半月板膠原纖維的減少而是膠原纖維的紊亂。Yi 等[19]應(yīng)用常規(guī) T2*mapping 與 UTE-T2*mapping 對半月板進行對比定量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)半月板前角撕裂組的UTE-T2*值高于正常組和變性組，而3 組常規(guī)T2*值的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，提示UTET2*mapping 技術(shù)對診斷半月板變性及撕裂或許更加敏感。

膝關(guān)節(jié)病變中骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）的發(fā)病率較高，而前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是導(dǎo)致 OA 的重要原因[20]。Williams 等[17]發(fā)現(xiàn)UTE-T2*值的變化可預(yù)測ACL 損傷后半月板的早期變性，UTE-T2*值升高提示ACL 損傷已造成半月板膠原成分的破壞。另有研究者[21-22]在對ACL重建術(shù)后病人的隨訪時發(fā)現(xiàn)，UTE-T2*值降低提示半月板損傷的愈合，表明UTE-T2*定量研究不僅可以早期發(fā)現(xiàn)ACL 損傷造成的半月板變性，還可以反映半月板的愈合情況。

UTE 雙成分分析也已成功地應(yīng)用于半月板檢測，并且測得正常半月板與退化半月板的長T2*及短T2*成分存在明顯差異，表明UTE 雙成分分析對診斷半月板退化有一定價值[11，23]。然而，目前研究尚無法確定半月板中長T2*及短T2*的具體成分來源。

3.2.2 UTE-T1ρ測定 T1ρ主要用于評價組織內(nèi)水分子與蛋白多糖大分子之間的相互作用，其與蛋白多糖的含量呈負(fù)相關(guān)[24]。Du 等[16]研究測得健康人的半月板UTE-T1ρ值約為7.98 ms，為今后研究半月板退變及損傷提供了參考。Chang 等[25]研究發(fā)現(xiàn)去除PG 的半月板在UTE 序列影像上表現(xiàn)為組織腫脹、輪廓異常、纖維紊亂；并且測得 UTE-T1ρ值隨 PG 含量的減少而增加，提示UTE-T1ρ值增高與半月板變性有關(guān)，其可作為評價半月板退變的生物學(xué)指標(biāo)。

3.3 半月板膠原纖維的成像 膠原纖維是半月板承載應(yīng)力的主要成分，不同區(qū)域的纖維走行決定了半月板組織承受應(yīng)力的不同，對半月板生物力學(xué)具有重要作用。Bae 等[2]通過2D UTE 技術(shù)調(diào)節(jié)回波時間并確定回波時間為3～6 ms 時，其影像可以清楚顯示半月板的纖維結(jié)構(gòu)；亦可準(zhǔn)確識別半月板膠原纖維組中的片狀層和徑向纖維。半月板6 種膠原纖維組中的片狀層尤為重要，其位于半月板表面，半月板撕裂時一定累及該層，因此觀察片狀層的改變對檢測早期半月板損傷具有重要作用[26]。Choi 等[26]發(fā)現(xiàn)2D UTE 序列影像上正常半月板片狀層表現(xiàn)為新月形，而異常則表現(xiàn)為局部不均勻增厚；并且測得正常片狀層平均厚度為（232±85）μm，異常片狀層厚度為（353±98）μm；壓縮試驗證明正常半月板的片狀層厚度與硬度呈正相關(guān)，提示片狀層在抗壓方面起著重要作用；此外，異常片狀層UTE-T2*值較正常片狀層顯著增加，提示UTE-T2*定量測量可用于區(qū)分正常和異常增厚的片狀層。

3.4 半月板鈣化的成像 膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷、退行性疾病和晶體關(guān)節(jié)疾?。ㄈ缃沽姿徕}晶體沉積病等）會導(dǎo)致半月板鈣化，影響其生物力學(xué)效能，進而造成骨關(guān)節(jié)炎[27]。Omoumi 等[28]以傳統(tǒng) X 線為標(biāo)準(zhǔn)，對 10 個半月板標(biāo)本進行UTE 序列掃描，結(jié)果顯示在UTE影像上半月板鈣化成分的信號高于周圍正常半月板組織，并可以準(zhǔn)確地觀察到點狀、線狀或球狀等各種形態(tài)的鈣化成分；同時定量測得鈣化區(qū)的T2*值明顯低于鄰近正常半月板的T2*值，表明UTE 序列對于半月板鈣化的診斷優(yōu)于常規(guī)序列。Finkenstaedt 等[29]研究發(fā)現(xiàn)半月板鈣化的主要成分為焦磷酸鈣晶體（calcium pyrophosphate crystal ，CPP），其分布與半月板血供密切相關(guān)；鈣化成分幾乎都分布于非血管區(qū)，即紅白區(qū)和白區(qū)，這可能是由于CPP 主要在低氧環(huán)境中形成并沉積；并且所有半月板樣本的UTE-T2*值均與半月板硬度呈負(fù)相關(guān)，表明UTE-T2*可以作為評價含有鈣化成分的半月板硬度的合適指標(biāo)。

3.5 半月板紅白區(qū)的成像 半月板的血流灌注對于半月板至關(guān)重要，發(fā)生在紅區(qū)的撕裂較發(fā)生在白區(qū)的撕裂更易愈合，因此準(zhǔn)確識別紅白區(qū)對半月板的治療具有重要意義[5]。動態(tài)增強MRI 是血流灌注研究中廣泛應(yīng)用的一種無創(chuàng)方法，UTE 序列的出現(xiàn)為半月板的動態(tài)增強成像提供了可能。Gatehouse等[30]對正常志愿者的半月板進行UTE 序列成像，在靜脈注射對比劑后的減影影像上觀察到半月板外周部分信號明顯增強，并且測得其強化范圍與紅區(qū)解剖學(xué)范圍相符；此外，在UTE 增強影像上觀察到條狀的信號增高影，其可能為半月板的血管結(jié)構(gòu)，提示UTE 減影技術(shù)聯(lián)合靜脈注射對比劑對半月板紅白區(qū)的成像具有臨床意義，為進一步研究半月板的血流供應(yīng)提供了基礎(chǔ)。

3.6 半月板pH 值的評估 軟骨和半月板細(xì)胞外的酸堿度會影響參與軟骨降解幾種蛋白質(zhì)的表達和功能，軟骨細(xì)胞在酸性條件下會抑制軟骨基質(zhì)合成，從而導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎[31]。臨床上半月板的pH 值只能在體外測量或者通過有創(chuàng)方法體內(nèi)測量。無創(chuàng)性的測量方法如化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移MRI 可以用于肌骨系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)的化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移序列回波時間較長，不適用于T2*較短的組織如關(guān)節(jié)軟骨、半月板，UTE 序列與該序列的結(jié)合解決了這一問題。High 等[32]和Ma 等[33]通過關(guān)節(jié)內(nèi)注入對比劑并進行化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移-UTE 序列成像，測得半月板的平均pH 值為6.72，為體內(nèi)測量半月板pH 值提供了新方法。

4 小結(jié)

相較于傳統(tǒng)MRI 序列，UTE 序列最大的優(yōu)勢在于其超短回波時間可以顯示人體短T2/T2* 組織。UTE 序列對半月板的研究包括疾病的定性觀察，半月板膠原纖維、鈣化成分和紅白區(qū)的顯示以及半月板pH 值的評估等多個方面，對早期診斷半月板病變具有重要意義。但是，目前針對半月板的研究多為體外模擬及體外標(biāo)本實驗，與臨床疾病相關(guān)的研究仍有待進一步開展。