老年性骨關(guān)節(jié)病影像學(xué)研究的現(xiàn)狀與進展

王嵩 趙秋楓

王嵩 教授

我國已進入老齡化快速發(fā)展階段，老年人中骨關(guān)節(jié)病的發(fā)病非常廣泛，嚴重影響了老年患者的生活自理和行動能力，并使多種老年病如心腦血管疾病、代謝障礙疾病等易于進展加重。影像學(xué)檢查在骨關(guān)節(jié)病變的診斷及治療中不可或缺，現(xiàn)將影像學(xué)在常見老年性骨關(guān)節(jié)病研究的現(xiàn)狀及進展總結(jié)如下。

1 退行性骨關(guān)節(jié)病

退行性骨關(guān)節(jié)病又稱肥大性骨關(guān)節(jié)炎、骨關(guān)節(jié)炎或增生性關(guān)節(jié)炎等。是一種慢性進行性、非炎性關(guān)節(jié)病變。在老年人的下肢負重關(guān)節(jié)，特別是髖、膝關(guān)節(jié)最常見。病變以進行性關(guān)節(jié)軟骨喪失為特點，伴有軟骨修復(fù)反應(yīng)、軟骨下骨重塑和硬化，可形成軟骨下骨囊腫和關(guān)節(jié)邊緣性骨贅。

X線平片檢查目前仍為首選的、最基本的檢查方法，常用來了解病變的進展情況及療效評價。可見關(guān)節(jié)間隙狹窄、軟骨下骨密度增高和骨贅形成、關(guān)節(jié)面下囊腫、關(guān)節(jié)內(nèi)游離體及晚期的半脫位改變。CT軟組織分辨率高，較X線平片顯示更細微的變化，能顯示較復(fù)雜及深部的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。同時，多層螺旋CT各向同性掃描，三維重組圖像可用于假體的計算機輔助設(shè)計和制作，為關(guān)節(jié)置換術(shù)提供重要信息。X線平片及CT檢查，主要顯示軟骨病損后骨質(zhì)增生等的繼發(fā)改變。核磁共振成像(MRI)是目前唯一能直接顯示關(guān)節(jié)軟骨的無創(chuàng)性手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，對關(guān)節(jié)軟骨的評價已經(jīng)從形態(tài)學(xué)發(fā)展為功能學(xué)，甚至是形態(tài)-功能關(guān)系的評價，便于早期發(fā)現(xiàn)病變。

MRI顯示軟骨損傷是依據(jù)軟骨損傷的深度、損傷處殘留軟骨組織的量及軟骨下骨損傷的程度。按照MRI上軟骨表面是否光滑、軟骨丟失程度將軟骨病變分為5級(Recht標準)［1］:0 級，正常關(guān)節(jié)軟骨;Ⅰ級，軟骨分層結(jié)構(gòu)消失，軟骨內(nèi)出現(xiàn)局灶性低信號區(qū)，軟骨表面光滑;Ⅱ級，軟骨表面輪廓輕至中度不規(guī)則，軟骨缺損深度未及全層厚度的50%;Ⅲ級，軟骨表面輪廓中度至重度不規(guī)則，軟骨缺損深度達全層厚度50%以上，但未完全脫落;Ⅳ級，軟骨全層缺損，軟骨下骨質(zhì)暴露伴或不伴軟骨下骨質(zhì)信號異常。三維雙重回波穩(wěn)態(tài)序列、穩(wěn)態(tài)自由進動等新技術(shù)的發(fā)展，提高了軟骨的分辨率及對比度，更清晰地顯示軟骨的厚度，便于對軟骨的厚度及體積進行半定量或定量分析。

近年來，關(guān)節(jié)軟骨MRI生理性成像技術(shù)的發(fā)展，可根據(jù)軟骨中不同成分構(gòu)成(水、蛋白多糖及膠原)進行成像，用于評價軟骨基質(zhì)成分的變化，反映軟骨的病理生理狀態(tài)。生理性成像包括T2圖、T1ρ成像、延遲對比增強成像、彌散加權(quán)成像、磁化傳遞成像等。T2值受到關(guān)節(jié)軟骨的水含量和膠原纖維方向的影響［2-3］。研究表明，關(guān)節(jié)軟骨中水分的增加是軟骨退變的一個早期表現(xiàn)，由于膠原纖維破壞和膠原成分改變及排列方式改變，導(dǎo)致了軟骨組織中水分的增加，進而T2值延長［2］。Dunn 等［4］對比研究正常人和輕重度骨性關(guān)節(jié)炎病人膝關(guān)節(jié)軟骨的T2值后發(fā)現(xiàn)，軟骨的T2值隨骨性關(guān)節(jié)炎的嚴重程度而升高。David-Vaudey等［5］認為監(jiān)測關(guān)節(jié)軟骨的早期退變，便要關(guān)注T2值差異最為顯著的局部“活躍”的關(guān)節(jié)軟骨。新近研究認為T2圖能顯示關(guān)節(jié)軟骨生化成分的變化，能提供客觀、定量指標去監(jiān)測疾病進展并能潛在地指導(dǎo)治療［6-7］。T1ρ成像主要評價處于射頻脈沖磁場中的組織自旋馳豫值，該參數(shù)對蛋白多糖丟失具有非常高的敏感性和特異性。關(guān)節(jié)軟骨的蛋白多糖丟失可以導(dǎo)致T1ρ值的增加，且兩者間存在較強的相關(guān)性。靜脈注射Gd-DTPA延遲掃描，對比劑進入關(guān)節(jié)軟骨，使用多個反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列采集軟骨T1圖，反應(yīng)軟骨內(nèi)蛋白多糖分布。軟骨退變早期蛋白糖原減少，負電荷螯合物進入異常軟骨的量增加，并在退化區(qū)域濃集［8-9］。Nojiri 等［10］研究表明，延遲對比增強成像能夠顯示關(guān)節(jié)軟骨蛋白多糖的減少，有助于關(guān)節(jié)退變的診斷。通過監(jiān)測軟骨修復(fù)部位蛋白多糖含量，對評價修復(fù)后軟骨生理狀態(tài)很有幫助。彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)通過測量水分子的自由擴散程度，從而在分子水平評價其組織結(jié)構(gòu)改變。骨關(guān)節(jié)炎時關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)蛋白多糖及膠原崩解，水分子擴散明顯加快，軟骨的表觀擴散系數(shù)增加，通過探測表觀擴散率增加可判斷是否有基質(zhì)改變。磁化傳遞成像是依靠組織水質(zhì)子與大分子內(nèi)質(zhì)子的磁化傳遞率不同而產(chǎn)生軟組織對比，膠原基質(zhì)結(jié)構(gòu)及其含量變化是關(guān)節(jié)軟骨磁化傳遞成像的基礎(chǔ)，另外軟骨磁化傳遞率值的空間分布也是有效反映軟骨內(nèi)膠原纖維結(jié)構(gòu)情況的重要指標［11］。

同時，MRI可顯示早期軟骨下骨質(zhì)增生硬化、小囊性變及軟骨損傷下方的骨髓水腫、韌帶及半月板損傷、關(guān)節(jié)積液、滑膜增厚等情況。軟骨下方骨髓水腫在臨床上有重要原因，其意味著骨關(guān)節(jié)炎處于快速進展期。韌帶、半月板損傷及滑膜增厚僅能通過MRI顯示。

2 骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)

OP是一種全身性代謝性骨病，以單位體積內(nèi)骨量減少和骨組織微結(jié)構(gòu)破壞為特征，骨脆性增加，易發(fā)生骨折。主要原因是雌激素缺乏和鈣質(zhì)攝入不足，導(dǎo)致骨吸收大于形成，多見于中、老年人，尤其是絕經(jīng)期女性。

在OP的診斷中，多數(shù)醫(yī)院常規(guī)X線平片仍是最常用、首選的檢查方法。其簡單易行，且費用低，能觀察骨骼形狀、密度、骨小梁數(shù)量、形狀、分布及皮質(zhì)厚度，顯示是否合并骨折、骨質(zhì)增生及骨骼變形。但對OP診斷的準確度和敏感度均不高，X線平片只有當(dāng)骨量減少 ＞30%時才有異常表現(xiàn)。CT掃描圖像具有密度分辨率高和斷面成像的特點，可顯示OP的形態(tài)和密度改變，多排螺旋CT多平面重組的應(yīng)用，可從多個角度觀察OP引起的椎體變形、退變及鄰近椎間盤膨出或突出，并在復(fù)雜或深部骨骼的骨折顯示方面具有優(yōu)勢。

在OP的骨密度(bone mineral density，BMD)測定方面，世界衛(wèi)生組織將雙能X線吸收(dual energy X-ray absoptiometry，DEXA)測定BMD作為OP診斷的金標準。由于DEXA采用前后位投照，所測BMD值容易受到主動脈鈣化、骨質(zhì)增生和韌帶鈣化等因素的干擾，因此其敏感性受到了限制;同時其測量結(jié)果不是真正物理學(xué)上的BMD，而是骨皮質(zhì)和骨松質(zhì)的總和。定量CT(quantitative CT，QCT)是唯一可選擇性測量骨皮質(zhì)或骨松質(zhì)骨礦含量的方法，對骨丟失多少和對治療的反應(yīng)更加敏感。但QCT的輻射劑量高，診斷軟件還不普及，費用也相對較高，從而限制了QCT在臨床的廣泛應(yīng)用。近年來，MRI隨著其軟硬件技術(shù)的發(fā)展，以安全無放射性、序列參數(shù)靈活多樣性、多方位掃描、反映組織特異性、敏感性和分辨率高的優(yōu)勢，在OP的評價中逐漸受到學(xué)者的關(guān)注。

定量磁共振(quantitative magnetic resonance，QMR)，是通過其弛豫參數(shù)如T2、T2*及R2*值來研究骨小梁與骨髓交界面磁場梯度，以間接評價骨小梁空間排列的新方法［12］。Strolka 等［13］研究指出，跟骨的T2*值與BMD呈顯著負相關(guān)，T2*值能預(yù)測骨折的危險性。Lammentausta等［14］研究表明骨髓磁敏感成像(T2*、R2*)結(jié)合骨容積分數(shù)，可更好預(yù)測骨小梁的生物力學(xué)強度和骨礦密度。隨著MRI場強、線圈等軟硬件技術(shù)不斷提高發(fā)展，高分辨率MRI掃描矩陣達微米級，可對骨小梁結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)進行定量分析，計算骨小梁數(shù)目、容積和間隔等定量指標，評價骨質(zhì)量的變化。Krug等［15］分別應(yīng)用 1.5T 及 3.0T MRI對6例正常青年人股骨近端骨小梁結(jié)構(gòu)進行高分辨率掃描，發(fā)現(xiàn)3.0T與1.5T MRI測定結(jié)果有較好的相關(guān)性，雖然存在空間分辨率不足以及部分容積效應(yīng)的影響，高分辨率MRI測定的表觀結(jié)構(gòu)參數(shù)仍與組織形態(tài)學(xué)測定結(jié)果存在高度相關(guān)。Chesnut等［16］對 91名絕經(jīng)后OP女性分為降鈣素鼻腔噴霧治療組和安慰劑治療組，高分辨率MRI測量橈骨遠端和跟骨的骨小梁微結(jié)構(gòu)，經(jīng)2年隨訪觀察發(fā)現(xiàn)治療組橈骨遠端的骨小梁沒有明顯丟失，而安慰劑組則顯示有明顯丟失，二者有顯著性差異。動態(tài)增強MRI掃描，可顯示局部組織的微循環(huán)灌注特點及血流動力學(xué)改變。Savvopoulou 等［17］利用動態(tài)增強 MRI研究不同年齡、性別和解剖部位(腰椎節(jié)段)對正常腰椎骨髓灌注參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)上段腰椎(L1、L2)灌注參數(shù)明顯高于下段腰椎(L3～L5)，且＜50歲人群的腰椎灌注明顯高于≥50歲人群;女性腰椎灌注明顯高于相同年齡的男性。Shin等［18］對69名女性的腰椎骨髓用動態(tài)增強MRI評價骨髓灌注并與BMD進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后女性腰椎骨髓的峰值強化率與BMD顯著性相關(guān)，而在絕經(jīng)前女性，二者間沒有相關(guān)性。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)，利用MRI現(xiàn)象和化學(xué)位移作用，在體檢測組織器官內(nèi)部的生化成分和能量代謝的變化。隨著MRI軟硬件的發(fā)展，MRS也在不斷擴展其臨床應(yīng)用，近來已有文獻報道1H-MRS可在體無創(chuàng)檢測出椎體骨髓內(nèi)脂肪和水的含量。Yeung等［19］研究正常組、骨量減少組和OP組不同BMD人群1H-MRS，發(fā)現(xiàn)OP組和骨量減少組椎體脂肪含量與正常組均明顯增多，而不飽和脂肪酸指數(shù)則明顯減少;脂肪含量和不飽和脂肪酸指數(shù)呈顯著性負相關(guān)。Griffith等［20-22］運用動態(tài)增強MRI、1H-MRS和DUXA分別研究健康男性和OP男性患者之間、不同BMD女性受檢者之間，腰椎和近段股骨骨髓灌注、脂肪含量和BMD關(guān)系，結(jié)果顯示OP組腰椎和股骨的骨髓灌注指數(shù)與正常組相比均明顯下降，而相應(yīng)的脂肪含量則較正常組均有明顯增高。DWI利用水分子的擴散運動進行成像，反映人體組織病理生理狀態(tài)下各組織成分的細胞內(nèi)外水分子交換情況。Griffith等［21］研究表明在正常骨量、骨量減少和OP組之間表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)值沒有顯著性差異，ADC值和 BMD之間、ADC值和骨髓灌注指數(shù)之間均沒有顯著相關(guān)性，但ADC值和脂肪含量之間呈輕度正相關(guān)，這可能是由于椎體骨髓脂肪含量增加后導(dǎo)致擴散下降。

［1］Recht MP，Kramer J，Marcelis S，et al.Abnormalities of articular cartilage in the knee:analysis of available MR techniques［J］.Radiology，1993，187(2):473-478.

［2］Lusse S，Claassen H，Gehrke T，et al.Evaluation of water content by spatially resolved transverse relaxation times of human articular cartilage［J］.Magn Reson Imaging，2000，18(4):423-430.

［3］Xia Y.Magic-angle effect in magnetic resonance imaging of articular cartilage:a review［J］.Invest Radiol，2000，35(10):602-621.

［4］Dunn TC，Lu Y，Jin H，et al.T2 relaxation time of cartilage at MR imaging:comparision with severity of knee osteoarthritis ［J］.Radiology，2004，232(2):592-598.

［5］David-Vaudey E，Ghosh S，Ries M，et al.T2 relaxation time measurements in osteoarthritis［J］.Magn Reson Imaging，2004，22(5):673-682.

［6］Stshl R，Blumenkrantz G，Carballido-Gamio J，et al.MRI-derived T2 relaxation times and cartilage morphometry of the tibio-femoral joint in subjuects with and without osteoarthritis during a 1-year follow-up［J］.Osteoarthritis Cartilage， 2007， 15(11):1225-1234.

［7］Hannila I，Nieminen MT，Rauvala E，et al.Patellar cartilage lesions:comparison ofmagnetic resonance imaging and T2 relaxation-time mapping［J］.Acta Radiol，2007，48(4):444-448.

［8］Samosky J，Burstein D，Grimson E，et al.Spatially-localized correlation of dGEMRIC-measured GAG distribution and mechanical stiffness in the human tibial plateau ［J］.J Orthop Res，2005，23(1):93-101.

［9］Kurkijvrvi JE，Nissi MJ，Kiviranta I， et al. Delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage(dGEMRIC)and T2 characteristics of human knee articular cartilage:topographical variation and relation-ships to mechanical properties［J］.Magn Reson Med，2004，52(1):41-46.

［10］Nojiri T，Watanabe N，Namura T，et al.Utility of delayed gadolinium-enhanced MRI(dGEMRIC)for qualitative evaluation of articular cartilage of patellofemoral joint［J］.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2006，14(8):718-723.

［11］Petersen EF，F(xiàn)ishbein KW，Laouar L，et al.Exvivo magnetic resonance microscopy of an osteochondral transfer［J］.J Magn Reson Imaging，2003，17(5):603-608.

［12］Wehrli FW，Song HK，Saha PK，et al.Quantitative MRI for the assessment of bone structure and function［J］.NMR Biomed，2006，19(7):731-764.

［13］Strolka I，Toffanin R，Guglielmi G，et al.Image registration in the T2*measurements of the calcaneus used to predict osteoporotic fractures［J］.Meas Sci，2005，5(2):75-81.

［14］Lammentausta E，Hakulinen MA，Jurvelin JS，et al.Prediction of mechanical properties of trabecular bone using quantitative MRI［J］.Phys Med Biol，2006，51(23):6187-6198.

［15］Krug R，Banerjee S，Han ET，et al.Feasibility of in vivo structural analysis of high-resolution magnetic resonance images of the proximal femur［J］.Osteoporos Int，2005，16(11):1307-1314.

［16］ChesnutCH，MajumdarS，Newitt DC，et al.Effects of salmon calcitonin on trabecularmicroarchitectureas determined by magnetic resonance imaging:resultsfrom theQUEST study［J］.J Bone Miner Res，2005，20(9):1548-1561.

［17］Savvopoulou V，Maris TG，Vlahos L，et al.Differences in perfusion parameters between upper and lower lumbar vertebral segments with dynamic contrast-enhanced MRI(DCE MRI)［J］.Eur Radiol，2008，18(9):1876-1883.

［18］Shin T，Liu H，Chang CJ，et al.Correlation of MR lumbar spine bone marrow perfusion with bone mineral density in female subjects［J］.Radiolo-gy，2004，233(1):121-128.

［19］Yeung DK，Griffith JF，Antonio GE，et al.Osteoporosis is associated with increased marrow fat content and decreased marrow fat unsaturation:a proton MR spectroscopy study［J］.J Magn Reson Imaging，2005，22(2):279-285.

［20］Griffith JF，Yeung DK，Antonio GE，et al.Vertebral bone mineral density，marrow perfusion，and fat content in healthy men and men with osteoporosis:dynamic contrast-enhanced MR imaging and MR spectroscopy［J］.Radiology，2005，236(3):945-951.

［21］Griffith JF，Yeung DK，Aotonio GE，et al.Vertebral marrow fat content and diffusion and perfusion indexes in women with varying bone density:MR evaluation［J］.Radiology，2006，241(3):831-838.

［22］Griffith JF，Yeung DK，Tsang PH，et al.Compromised bone marrow perfusion in osteoporosis［J］.J Bone MineralResearch，2008，23(7):1068-1075.