關(guān)節(jié)軟骨磁共振成像的研究進(jìn)展

王宗博 牛廣明 于靜紅

. 綜述 Review .

關(guān)節(jié)軟骨磁共振成像的研究進(jìn)展

王宗博 牛廣明 于靜紅

關(guān)節(jié)軟骨損傷是臨床常見病，可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛、積液和功能障礙，嚴(yán)重者可致殘。外傷、骨性關(guān)節(jié)炎( osteoarthritis，OA )、剝脫性骨軟骨炎等原因均可造成關(guān)節(jié)軟骨的損傷，并且一旦損傷極難修復(fù)。在長期大量運(yùn)動的人群和老年人中，關(guān)節(jié)軟骨的退變、損傷幾乎都不同程度的存在。早期的軟骨損傷易被忽視，臨床診斷也缺乏特異性。關(guān)節(jié)鏡雖是關(guān)節(jié)軟骨損傷診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但有創(chuàng)傷、視野小、有盲區(qū)、無法顯示軟骨下骨損傷程度等局限；常規(guī) X 線、CT 檢查無法直觀顯示關(guān)節(jié)軟骨。MRI 憑借其多方位、多序列、多參數(shù)成像及組織分辨率高、對比度好等諸多優(yōu)勢，不僅能無創(chuàng)性地觀察軟骨損傷的部位、范圍、程度、軟骨表面的病理變化，而且能準(zhǔn)確觀察軟骨內(nèi)部、軟骨下骨及骨髓的病變情況，被公認(rèn)為目前評價(jià)軟骨損傷的最佳無創(chuàng)檢查方法[1]。尤其是近年來定量磁共振成像技術(shù)的快速發(fā)展，使得關(guān)節(jié)軟骨無創(chuàng)性檢查從形態(tài)學(xué)發(fā)展到了分子生化水平，為早期關(guān)節(jié)軟骨損傷的檢測以及修復(fù)效果的評估提供了更多行之有效的技術(shù)手段[2]。但在臨床工作中，對于關(guān)節(jié)軟骨的 MRI 序列選擇及優(yōu)化組合、軟骨損傷在不同 MRI 序列中的表現(xiàn)和診斷等方面尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[3]。

一、關(guān)節(jié)軟骨的生理、病理學(xué)特點(diǎn)

1. 生理學(xué)特點(diǎn)：關(guān)節(jié)軟骨屬于透明軟骨，是覆于關(guān)節(jié)骨面的一種特殊致密結(jié)締組織，可承重、潤滑及傳導(dǎo)、吸收和緩沖應(yīng)力等，在維持可動關(guān)節(jié)的正常活動中發(fā)揮著重要作用。關(guān)節(jié)軟骨的構(gòu)成從深層至表面大致分為鈣化帶、放射帶、過渡帶及滑動帶 4 層。關(guān)節(jié)軟骨由基質(zhì)和軟骨細(xì)胞構(gòu)成，其中基質(zhì)是其主要物質(zhì)基礎(chǔ)，由膠原纖維、蛋白多糖和水組成[4]。膠原纖維構(gòu)成關(guān)節(jié)軟骨的三維框架，軟骨細(xì)胞分散在膠原纖維中間；蛋白多糖通過軟骨表層聚集膠原纖維超濾膜吸收水分并與水相互作用，使得關(guān)節(jié)軟骨富有彈性，是軟骨組織承受壓力的基礎(chǔ)；軟骨細(xì)胞是軟骨代謝活動的細(xì)胞成分，關(guān)系到軟骨基質(zhì)的合成與破壞程度，而且與代謝活動及蛋白多糖合成有關(guān)。

2. 軟骨損傷的病因及病理：關(guān)節(jié)軟骨損傷是在力學(xué)和生物學(xué)因素共同作用下，軟骨細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)及軟骨下骨三者降解和合成正常耦聯(lián)失衡的結(jié)果。軟骨退變與損傷時(shí)發(fā)生膠原纖維結(jié)構(gòu)破壞，黏蛋白丟失及軟骨內(nèi)自由水含量增加。早期退變主要表現(xiàn)是基質(zhì)的松軟和蛋白多糖的大量丟失；晚期退變主要是軟骨形態(tài)的異常，表現(xiàn)為軟骨水腫、裂隙變、彌散性變薄和裸露[5]。急性軟骨損傷通常由外傷導(dǎo)致，當(dāng)負(fù)重強(qiáng)度和頻率超過正常承受范圍時(shí)，關(guān)節(jié)軟骨的合成和降解失衡，特別是中老年人由于軟骨鈣化層和骨皮質(zhì)終板之間沒有膠原纖維連接，作用在各層連接處的剪切力可造成水平撕裂。晚期軟骨損傷，多繼發(fā)于OA，是在關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生變性之后，繼而發(fā)生鄰近軟骨增生、骨化，發(fā)展成關(guān)節(jié)病變。

二、軟骨形態(tài)的 MRI 評價(jià)

臨床常用的軟骨成像序列包括自旋回波 ( spin echo，SE ) 序列、快速自旋回波 ( fast spin echo，F(xiàn)SE ) 序列、梯度回波 ( gradient echo sequence，GRE ) 序列等，臨床檢查較為常用的是 FSE 序列的 T1WI、T2WI 及質(zhì)子密度加權(quán)成像 ( PDWI )。常用的成像技術(shù)有脂肪抑制 ( FS ) 技術(shù)及磁化傳遞對比 ( MTC ) 技術(shù)等。其中脂肪抑制技術(shù)應(yīng)用較為成熟。

FSE 序列能夠減少運(yùn)動偽影和磁化偽影，在圖像的空間分辨率和信噪比與成像時(shí)間上，要優(yōu)于 SE 序列。王紹武等[6]報(bào)道 FS-FSE-T2WI / PD 對軟骨異常的敏感度為91%，特異度為 99%，認(rèn)為是識別關(guān)節(jié)軟骨的最敏感序列，應(yīng)作為膝關(guān)節(jié) MRI 檢查的常規(guī)序列應(yīng)用于臨床。

MTC 技術(shù)可以反映組織中的蛋白含量及變化，其定量分析指標(biāo)為磁化傳遞率 ( magnetization transfer ratio，MTR )。MTC 技術(shù)利用水分子與大分子物質(zhì)內(nèi)質(zhì)子間 MTR值的差異而產(chǎn)生組織對比。富含大分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其磁化傳遞效應(yīng)明顯，軟骨的膠原基質(zhì)中存在大量大分子，這是 MTC 技術(shù)在軟骨成像應(yīng)用中的基礎(chǔ)。磁化轉(zhuǎn)移成像時(shí)首先利用非共振射頻脈沖飽和結(jié)合性氫原子，然后再變換自由水自旋以測定組織的 MTR，以此了解軟骨的組織構(gòu)成是否完整。通過磁化傳遞技術(shù)及減影技術(shù)，可以增加軟骨與周圍組織的對比，從而更好地顯示軟骨的輪廓。梯度回波技術(shù)是最常使用的磁化轉(zhuǎn)移成像技術(shù)，軟骨膠原構(gòu)架破壞區(qū)的減影圖像表現(xiàn)為低信號區(qū)。楊春霞等[7]通過研究認(rèn)為磁化傳遞對比梯度回波 T2加權(quán)序列 ( MTC-GRE T2WI )圖像能夠清晰地顯示骨髓水腫，還能夠準(zhǔn)確判斷關(guān)節(jié)軟骨的損傷，有較大的臨床價(jià)值。但是 MTC 也存在明顯缺陷，如減影偽影、磁化轉(zhuǎn)移成像率在不同個(gè)體間及同一個(gè)體不同時(shí)期存在差異，因此定量數(shù)據(jù)的推廣受到限制。

關(guān)節(jié)軟骨的 3 D 成像序列，目前應(yīng)用較多的有擾相梯度回波 ( spoiledgradient echo，SPGR )、驅(qū)動平衡傅立葉轉(zhuǎn)換 ( driven equilibrium fourier transform，DEFT )、三維雙重回波穩(wěn)態(tài) ( dual echo steady state，DESS )、雙回波水激勵( balanced steady-state free precession，b-SSFP )、三維質(zhì)子加權(quán)快速自旋回波 ( 3 D sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolutions，3 D-SPACE ) 等。劉年元等[8]將 3 D-FFE-STIR 序列和3 D-FFE-WATS 序列進(jìn)行對比，得出 3 D-FFE-WATS 序列是膝關(guān)節(jié)軟骨成像的優(yōu)化序列，可作為常規(guī)膝關(guān)節(jié)軟骨成像序列。此外，顧菲等[9]也認(rèn)為水激勵 ( WE ) 較傳統(tǒng)的預(yù)飽和法更為優(yōu)秀，是一種有潛力的脂肪抑制方法。王紹武等[6]嘗試將 Unilateral-T1-Special-3 D-FSPGR 序列用于膝關(guān)節(jié)軟骨的檢查，并與傳統(tǒng) FS-3 D-T1-FSPGR序列進(jìn)行對比，得出反相位技術(shù) Unilateral-T1-Special-3 D-FSPGR 具有明顯優(yōu)勢：脂肪抑制效果優(yōu)于后者，顯著縮短掃描時(shí)間，減少運(yùn)動偽影的產(chǎn)生，在很大程度上克服了三維容積掃描耗時(shí)久的弊端，有巨大的臨床價(jià)值，是一種值得推廣的新方法。雷杰等[10]采用改良的 3 D-FS-PGR序列 ( 40° 翻轉(zhuǎn)角 )，也較大程度縮短了掃描時(shí)間，并認(rèn)為其與 FS-FSE-T2WI 序列二者結(jié)合，是目前評價(jià)軟骨損傷的最佳掃描序列組合。

DEFT 技術(shù)是一種不等待 T1完全恢復(fù)的信號增強(qiáng)成像方式，使用 -90° 射頻脈沖將磁場強(qiáng)度恢復(fù)至 Z 軸，采用短回波時(shí)間及重復(fù)時(shí)間，提高了軟骨與周圍組織的對比，能清晰顯示關(guān)節(jié)軟骨。Gold 等[11]通過研究對比表明，3 D-DEFT 序列的信噪比、關(guān)節(jié)軟骨與滑液間對比度以及對軟骨厚度的顯示優(yōu)于 PDWI 及 T2WI-FSE 序列，但對軟骨損傷檢查的敏感度及特異度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。3 D-DESS 序列通過在穩(wěn)態(tài)中兩次回波的聯(lián)合作用提高了關(guān)節(jié)軟骨的顯示分辨率，關(guān)節(jié)軟骨在此序列中變現(xiàn)為中等信號強(qiáng)度，與滑液間有良好的對比度。對關(guān)節(jié)軟骨表面病損敏感性較高，研究表明其對軟骨表面病損的診斷率與3 D-SPGR 序列差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[12]。

b-SSFP 軟骨成像類似于 DESS，參數(shù)略有不同。該序列也可用于韌帶、半月板的診斷，臨床實(shí)踐可行性較大。SPACE 技術(shù)能進(jìn)行不同加權(quán)圖像的掃描，對于關(guān)節(jié)軟骨病變的診斷有潛在應(yīng)用價(jià)值[13]。

三、關(guān)節(jié)軟骨成分的 MRI 評價(jià)

隨著 MRI 技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新技術(shù)在軟骨檢查時(shí)可定量測定軟骨生物化學(xué)成分，從分子水平對早期軟骨損傷作出準(zhǔn)確評估。

1. MRI 擴(kuò)散加權(quán)成像 ( DWI )：DWI 是一種測量自旋質(zhì)子微觀隨機(jī)位移運(yùn)動的技術(shù)，主要反映水分子的擴(kuò)散程度，在分子水平分析組織結(jié)構(gòu)變化的一種 MRI 技術(shù)。水是關(guān)節(jié)軟骨中最富含的成分，約占總重的 80%，由淺至深逐漸減少。軟骨 DWI 成像主要根據(jù)軟骨內(nèi)各組分水含量不同而呈現(xiàn)出不同擴(kuò)散特性，測得表觀擴(kuò)散系數(shù)( ADC ) 值，進(jìn)而反映軟骨組織結(jié)構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)[14]。DWI已被證明可作為評估軟骨退變的實(shí)驗(yàn)研究和修復(fù)術(shù)后監(jiān)測的方法[15]。Friedrich 等[16]強(qiáng)調(diào) DWI 具有區(qū)分自體軟骨細(xì)胞移植術(shù)后患者的正常軟骨與修復(fù)軟骨的能力。而且DWI 能發(fā)現(xiàn)常規(guī)序列上形態(tài)尚未改變的更早期的軟骨病變信號[17]。

2. T2圖 ( T2-mapping )：T2-mapping 是指獲得 T2圖的技術(shù)過程。T2值通過描述組織橫向磁化衰減，即通過測量不同回波時(shí)間的 MRI 信號強(qiáng)度來反映組織的特異性。軟骨 T2弛豫率的測定和 T2量化圖的 MRI 掃描方法是采用多回波自旋回波 ( MESE ) 序列，掃描后獲得參數(shù)圖，選擇感興趣區(qū)測量得出組織的 T2值，用 T2圖計(jì)算每個(gè)體素的 T2值，從而達(dá)到量化評價(jià)組織結(jié)構(gòu)的目的[18]。T2值對軟骨膠原基質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變極為敏感，成為研究軟骨生化結(jié)構(gòu)的影像標(biāo)志[19]。Dunn 等[20]通過研究認(rèn)為軟骨的 T2值與 OA 的嚴(yán)重程度正相關(guān)，故 T2-mapping 在 OA 的早期診斷中有明顯作用。根據(jù) Lüsse 等[21]的研究，量化的 T2-mapping 不僅能夠敏感地評估微骨折后修復(fù)組織的精確位置及其功能，還能從相似的軟骨里區(qū)分出修復(fù)的軟骨組織( T2值降低 )，因此是一種有潛力的檢測軟骨修復(fù)的技術(shù)。另外，有學(xué)者通過研究認(rèn)為 T2-mapping 是一種臨床可行的評價(jià)膝關(guān)節(jié)負(fù)重后關(guān)節(jié)軟骨變化的檢查方法[22]?？傊琓2-mapping 的臨床應(yīng)用潛力巨大，但在臨床常規(guī)化應(yīng)用之前，須進(jìn)一步探討其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、方便性及可重復(fù)性[23]。

3. 軟骨延遲動態(tài)增強(qiáng)成像 ( delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC )：dGEMRIC 是于 1996 年首次報(bào)道的可以作為定量評估關(guān)節(jié)軟骨糖胺多糖 ( glycosaminoglycan，GAG ) 濃度的無創(chuàng)方法。此后的諸多研究表明，dGEMRIC 是一種潛力巨大的軟骨分子成像技術(shù)[24]。采用靜脈內(nèi)雙倍劑量注射對比劑釓噴酸葡胺 ( gadoliniumdiethylene triamine pentaacetic acid，Gd-DTPA )，經(jīng) 2 h 的自主運(yùn)動使對比劑滲入關(guān)節(jié)軟骨，進(jìn)行多次反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列采集并建立軟骨 T1圖曲線，通過后處理產(chǎn)生參數(shù)圖，測定 T1值，對軟骨的生化成分進(jìn)行定量測定。T1圖在評價(jià)軟骨解剖上具有優(yōu)勢[25]，定量測定軟骨的完整性對顯示關(guān)節(jié)軟骨蛋白多糖的缺失以及軟骨退變的早期診斷有重要意義。盡管在諸多研究中 T1被證實(shí)在關(guān)節(jié)軟骨的病變檢測中具有優(yōu)勢[26-28]，但其應(yīng)用還處于初步研究階段，T1值測定也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且存在有效滲透時(shí)間長、操控時(shí)間要求嚴(yán)格、易產(chǎn)生誤差等缺點(diǎn)，因此在臨床中的應(yīng)用并不廣泛。

4.23Na-MRI 成像：23Na 譜成像作為非侵入性檢查用于關(guān)節(jié)軟骨的評估最早見于 1988 年[1]。23Na-MRI 的成像原理是根據(jù)鈉分布來顯示蛋白多糖崩解區(qū)域。黏蛋白的丟失導(dǎo)致固定電荷密度 ( fixed charge density，F(xiàn)CD ) 降低，從而釋放出 Na+，通過磁共振波譜成像測量 Na+在軟骨內(nèi)的分布并與正常軟骨內(nèi)的 Na 分布圖對照，觀察顯示軟骨內(nèi)蛋白多糖的含量變化，以此來檢測軟骨病變。23Na-MRI 提供了一種可以替代 dGEMRIC 的成像方法，相對于 dGEMRIC，23Na-MRI 敏感度更高，無需造影劑。23Na-MRI 對蛋白多糖聚合物 ( proteoglycans，PG ) 檢測的特異性最高，可作為其它定量測量 PG 的金標(biāo)準(zhǔn)[29]，但對掃描儀硬件要求高，需要在高場強(qiáng)下進(jìn)行以及采集納譜信號的前置放大器和雙調(diào)諧線圈等特殊采集傳輸設(shè)備，并用較長的掃描時(shí)間來獲得足夠高的信噪比 ( signal to noise ratio，SNR )。雖然 Newbould 等[30]通過研究證明了在 3 T MRI 條件下23Na-MRI 的可重復(fù)性，但相關(guān)的臨床研究仍比較罕見，而且在臨床允許的時(shí)間內(nèi)獲得足夠的 SNR 也是目前主要的技術(shù)難題[2]。

5. MRI T1ρ 成像：MRI T1ρ 成像技術(shù)是近年來發(fā)展的新技術(shù)，能間接反映軟骨基質(zhì)蛋白多糖含量變化，可對早期的軟骨病變作出精確診斷[31]。T1ρ 成像是一種用來評估自由水中氫原子和大分子之間低頻流動的技術(shù)。在自旋回波序列的基礎(chǔ)上，用大量高頻脈沖鎖住橫斷平面磁場，而伴隨高頻脈沖來驅(qū)動縱軸恢復(fù)。獲得的幾個(gè)值可以解決衰減功能的坡度以及創(chuàng)建灰度或色度圖[32]。T1ρ 成像是dGEMRIC 的一種替代方法，無需高磁場，對蛋白聚糖含量敏感性高[33]。但 T1ρ 成像技術(shù)的有效性、可重復(fù)性、可行性以及對早期軟骨病變的評估仍需進(jìn)一步的研究[34]。

四、小結(jié)和展望

MRI 軟骨成像是目前臨床最佳無創(chuàng)性檢查手段。常規(guī) MRI 序列可以顯示軟骨的形態(tài)學(xué)變化，在序列優(yōu)化選擇方面尚存在爭議。而定量 MRI 新技術(shù)可以用來評價(jià)軟骨早期退變損傷，近幾年國際關(guān)節(jié)軟骨影像技術(shù)研究也主要以 MRI 新技術(shù)為主，如 DWI、T2-mapping、dGEMRIC等[35]?？傊?，關(guān)節(jié)軟骨 MRI 下一步需要探究的問題應(yīng)集中在臨床常規(guī)序列的優(yōu)化選擇及統(tǒng)一診斷標(biāo)準(zhǔn)的確立、各種定量 MRI 新技術(shù)在早期軟骨損傷中的更深入研究及其臨床價(jià)值的橫向比較。

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( 本文編輯：王萌 李貴存 )

Research progress on magnetic resonance imaging for articular cartilage injuries

WANG Zong-bo, NIU Guang-ming, YU Jing-hong. Department of Magnetic Resonance Imaging, the Affliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot, Inner Mongolia, 010050, PRC

Articular cartilage injury is one of the main reasons affecting the function of joint movement. Early diagnosis and correct assessment of the extent of damage are critical. Magnetic resonance imaging ( MRI ) is recognized as the best noninvasive imaging method of checking the articular cartilage. Especially in recent years, with the rapid development of quantitative magnetic resonance imaging ( QMRI ), the articular cartilage noninvasive technology has progressed from the morphological level to the molecular and biochemical level. More and more effective techniques have been proposed for the early detection and evaluation of articular cartilage injuries. Based on the previous literatures, the research status and progress of current and emerging MRI imaging rechniques of the articular cartilage are reviewed in this paper.

Cartilage, articular; Magnetic resonance imaging; Imaging, three-dimensional

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.010

R445.2, R684

010050 呼和浩特，內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院磁共振室 ( 王宗博、牛廣明 )；內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 ( 于靜紅 )

牛廣明，Email: cjr.niuguangming@vip.163.com

2014-08-13 )