肌骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)磁共振成像臨床應(yīng)用及進(jìn)展

袁慧書，劉麗思

北京大學(xué)第三醫(yī)院放射科，北京100191

近年來，隨著MRI技術(shù)的飛速發(fā)展及診斷水平的提高，肌骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)MRI在成像技術(shù)、早期診斷、術(shù)后評價及微觀結(jié)構(gòu)定量測量方面均有較多進(jìn)展。目前臨床應(yīng)用研究熱 點(diǎn)主要集中在軟骨損傷定量診斷、超短回波時間成像技術(shù)顯示短T2組織成分、超高場強(qiáng)技術(shù)對骨質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的量化評估等。不同MRI技術(shù)的臨床應(yīng)用與進(jìn)展將逐步提高骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)影像診斷水平，為肌骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)MRI研究開辟新的途徑。

1 軟骨MRI定量技術(shù)

關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)主要由水、Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖(proteoglycans，PG)組成，早期損傷中軟骨PG和膠原蛋白成分最先開始減少，然后導(dǎo)致軟骨內(nèi)自由水含量增加和基質(zhì)退化。MRI不但可以顯示軟骨的形態(tài)還可進(jìn)行量化分析，目前有以下幾種MRI定量技術(shù)用于早期評估關(guān)節(jié)軟骨的病理生理改變。

1.1 軟骨延遲增強(qiáng)磁共振成像(delayed gadoliniumenhanced MRI of cartilage， dGEMRIC)

PG主要成分為氨基葡聚糖(glycosaminoglycans，GAG)，GAG側(cè)鏈帶有大量負(fù)電荷，而靜脈注射的釓劑DTPA2-為陰離子對比劑，兩者相互排斥。軟骨退變早期PG減少，釓劑進(jìn)入異常軟骨區(qū)的量增加，在該區(qū)域濃聚。因此，dGEMRIC主要是根據(jù)釓劑在正常軟骨與異常軟骨中不同分布進(jìn)行成像，間接反映PG的含量。已有大量研究證實(shí)了延遲增強(qiáng)成像可以較準(zhǔn)確評價關(guān)節(jié)軟骨PG含量，對診斷軟骨早期退變有重要意義。研究顯示，正常軟骨T1值較高，損傷軟骨T1值降低。但由于該成像技術(shù)需要靜脈內(nèi)注射對比劑，成像等待時間較長，因此，目前該技術(shù)在臨床中的應(yīng)用并不廣泛[1]。

1.2 T2 mapping和T2* mapping成像

T2 mapping成像技術(shù)通過描述組織橫向磁化衰減來反映組織的特異性，T2值變化主要與軟骨中水分含量及膠原蛋白基質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。T2 mapping作為一種無創(chuàng)性軟骨定量檢查技術(shù)，主要應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)等大的承重關(guān)節(jié)。研究結(jié)果顯示退變軟骨的T2值升高。由于T2值受到年齡、體質(zhì)量指數(shù)(BMI)及運(yùn)動量大小的影響，且部分膠原纖維排列方向與穩(wěn)定磁化矢量夾角會產(chǎn)生魔角效應(yīng)，所以，不推薦單獨(dú)使用T2 mapping序列評估關(guān)節(jié)軟骨損傷。目前學(xué)者研究認(rèn)為常規(guī)MR序列與T2 mapping 序列共同評估軟骨病變可明顯提高診斷的敏感性[2]。近年來也有關(guān)于T2 mapping序列評價關(guān)節(jié)術(shù)后軟組織的應(yīng)用研究，通過T2值判斷術(shù)后軟組織是否有纖維化的趨勢，將來更多研究需著重于揭示T2值與病理改變之間的關(guān)系[3]。

T2*mapping是一個評估軟骨生化成分相對較新的方法，通常采用多梯度回波或者超短回波時間(ultrashort echo time，UTE)成像技術(shù)，成像原理與T2 mapping類似。研究認(rèn)為關(guān)節(jié)軟骨T2*時間分為長T2*時間和短T2*時間，正常情況下，表層軟骨T2*時間相對較長，深層軟骨T2*時間相對較短。近幾年，T2*mapping在髖關(guān)節(jié)軟骨損傷方面有較多研究，T2*mapping較T2 mapping成像時間更短，對髖關(guān)節(jié)軟骨顯示較好[4-6]。將來T2*mapping有可能作為一種臨床評價軟骨的較常用工具。目前對于 T2*測量值的影響因素還未明確，需要進(jìn)一步探索研究。

1.3 磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)

DTI序列是在彌散加權(quán)成像基礎(chǔ)上發(fā)展起來的功能磁共振成像技術(shù)，它不僅能測定反映水分子運(yùn)動能力的表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)，而且能獲取反映水分子彌散各項異性的參數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)，反映透明軟骨II 型膠原纖維走行方向的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化。ADC值(與PG含量有關(guān))和FA值(與膠原蛋白結(jié)構(gòu)有關(guān))作為早期骨關(guān)節(jié)病的標(biāo)志性測量值，具有良好的重復(fù)性及識別健康軟骨和早期軟骨損傷的能力。研究顯示，關(guān)節(jié)軟骨退變早期膠原纖維結(jié)構(gòu)的破壞對水分子彌散產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致FA值減低。PG減少導(dǎo)致結(jié)合水釋放增加，水分子彌散運(yùn)動增加，ADC值增高。應(yīng)該指出的是，與T2 mapping相比，DTI不受魔角效應(yīng)的影響，ADC 值及FA值受影響因素較小，測量值在一定程度更準(zhǔn)確[7-8]。另外，DTI序列還用于評估軟骨移植術(shù)后修復(fù)軟骨的結(jié)構(gòu)變化[9]?？傊?，DTI序列可作為軟骨早期損傷及軟骨修復(fù)的檢測方法。目前DTI對于各層軟骨膠原纖維走行的各向異性、擴(kuò)散率等還在研究階段，軟骨修復(fù)相關(guān)的內(nèi)部變化需通過更多試驗研究進(jìn)一步探索。

1.4 旋轉(zhuǎn)框架內(nèi)自旋晶格弛豫(spin lattice relaxation in the rotating frame，T1ρ)

T1ρ成像技術(shù)主要是檢測射頻脈沖磁場中的組織自旋弛豫值，在常規(guī)序列前加用自旋鎖定的預(yù)脈沖進(jìn)行預(yù)磁化。T1ρ成像與軟骨延遲增強(qiáng)成像一樣，主要是通過測定軟骨基質(zhì)中PG含量來評定軟骨退變的過程。T1ρ成像作為一種近幾年新發(fā)展的成像技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，如無需注射對比劑，可部分替代延遲增強(qiáng)成像。目前研究得出，早期退變的關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值增高，且半月板撕裂及局部關(guān)節(jié)運(yùn)動增加會影響T1ρ值升高更明顯。T1ρ與T2 mapping序列評估軟骨損傷具有一致性，T1ρ對探測早期損傷較T2 mapping更敏感，值得進(jìn)一步探討臨床應(yīng)用[10]。

另外，利用T1ρ序列還可評估椎間盤終板纖維軟骨早期退變，隨著椎間盤退變的加重，T1ρ值逐漸降低[11]。T1ρ值變化與關(guān)節(jié)軟骨損傷中T1ρ值變化相反，可能是由于纖維軟骨與透明軟骨組織成分不同所致，相關(guān)病生理機(jī)制需要進(jìn)一步的研究。

近幾年，學(xué)者們研究熱點(diǎn)不僅是軟骨移植術(shù)后的修復(fù)變化，更著重于韌帶重建術(shù)后軟骨的改變。關(guān)節(jié)面承重受力不同，軟骨各層修復(fù)機(jī)制不同，損傷的先后順序及程度也不同。T1ρ成像技術(shù)能定量評估膝關(guān)節(jié)術(shù)后軟骨基質(zhì)成分含量的早期變化，有利于對創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展進(jìn)行定量評估，為臨床早期干預(yù)提供依據(jù)[12]。

2 MRI新技術(shù)——超短回波時間脈沖序列(Ultrashort echo time，UTE)

UTE成像中TE達(dá)到8 μs～200 μs，可探測T2弛豫時間在幾百微秒內(nèi)的短T2組織，對軟骨、半月板、韌帶、肌腱及骨皮質(zhì)等短T2組織細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示及病理學(xué)演變提供了潛在的應(yīng)用前景[13]。

UTE成像中軟骨呈中等至高信號，使短T2 成分的軟骨深層和鈣化層突出顯示，軟骨與軟骨下骨的分界變得清楚，有利于顯示軟骨缺損的范圍及程度，還可以判斷骨端的病變是否累及軟骨深層。同樣，UTE對椎間盤終板纖維軟骨分層也達(dá)到了組織學(xué)水平[14-15]。UTE為目前可用于顯示鈣化軟骨層的理想方法，但其所面臨的層面選擇困難、采集時間等技術(shù)問題尚有待解決。

UTE脈沖序列能特異性地鑒別肌腱起止點(diǎn)的鈣化與非鈣化的纖維軟骨成份，將這些成份與纖維結(jié)締組織和骨組織區(qū)別開來，提供了一種新的認(rèn)識解剖的方法，對于肌腱病變的診斷更加準(zhǔn)確。UTE成像還能顯示韌帶陳舊性損傷后的纖維疤痕組織，在評價韌帶重建術(shù)后移植物方面具有潛在可行性[13,16]。

UTE成像中半月板表現(xiàn)為高信號，半月板的撕裂和退變表現(xiàn)為低信號，組織對比度較好。另外，UTE 成像還可區(qū)分半月板的不同區(qū)域(如紅區(qū)和白區(qū))，為半月板損傷術(shù)前定位提供依據(jù)。最新研究發(fā)現(xiàn)，UTE對評價半月板不同形態(tài)鈣化具有可行性，相關(guān)研究尚在初步階段[13,17]。

UTE序列可以直接顯示骨及其周圍組織，并可以定量得到骨皮質(zhì)的T1及T2*，這為定量評估骨質(zhì)量提供了新方法。這些定量參數(shù)值會受到設(shè)備硬件的制約，這是常規(guī)醫(yī)用MR系統(tǒng)在定量骨皮質(zhì)研究中面臨的一個挑戰(zhàn)[18]。

3 MRI水脂肪分離技術(shù)

Dixon和IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares)方法是基于化學(xué)位移的水脂分離技術(shù)。對水像和脂像進(jìn)行量化，獲得脂肪比。IDEAL技術(shù)由Dixon技術(shù)發(fā)展而來，通過校正可得到更精確的數(shù)值。2pt-MRIDIXON(Two-piont Dixon-based MRI)技術(shù)不僅能直觀顯示解剖結(jié)構(gòu)，還能對感興趣區(qū)內(nèi)肌肉脂肪成分(Muscle fat content，MFC)進(jìn)行定量。目前臨床主要應(yīng)用于肌肉脂肪浸潤的定量測量，對肌肉萎縮相關(guān)疾病達(dá)到無創(chuàng)性隨訪監(jiān)測的效果[19-20]。

4 動態(tài)增強(qiáng)MRI(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)

DCE-MRI通過注入對比劑后完成多個時間點(diǎn)的圖像采集，從而反映不同時間點(diǎn)病變對比度的特征變化。不僅能定性觀察病變的動態(tài)增強(qiáng)信號規(guī)律，且能利用MR圖像后處理軟件繪制動態(tài)增強(qiáng)曲線計算多個定量參數(shù)，更準(zhǔn)確判斷病變組織的血流滲透情況。如早期增強(qiáng)率(early enhancement rate,EER)、最大增強(qiáng)率(max enhancement rate,MER)、相對增強(qiáng)率(relative early enhancement rate,RER)、轉(zhuǎn)移常數(shù)(KTrans)、速率常數(shù)(Kep)等，這些定量參數(shù)能直接且準(zhǔn)確地反映病變的血供情況和毛細(xì)血管滲透性，早期發(fā)現(xiàn)疾病引起的組織學(xué)改變。目前，DCE-MRI對于早期診斷類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎滑膜病變具有一定優(yōu)勢，且能監(jiān)測疾病的變化趨勢、評價療效[21-24]。另外，DCE-MRI對腫瘤的定性診斷、鑒別診斷以及區(qū)別腫瘤術(shù)后局部復(fù)發(fā)和瘢痕組織具有一定價值[25]。總之，DCE-MRI在評估疾病活動性及治療效果方面具有重要意義，為臨床提供早期診斷依據(jù)。

5 超高場強(qiáng)MRI技術(shù)

7 T超高場強(qiáng)MRI技術(shù)最初被用于神經(jīng)系統(tǒng)成像，目前大量 研究已經(jīng)證實(shí)超高場強(qiáng)MRI技術(shù)在肌肉骨骼成像系統(tǒng)方面的潛在能力。最有價值的優(yōu)勢包括更高的信噪比、圖像分辨率及更短的成像時間。

5.1 MRI高分辨率成像

近幾年，7 T 高分辨率MRI對顯示骨骼微觀結(jié)構(gòu)具有重要價值，能發(fā)現(xiàn)軟骨下骨超微架構(gòu)的早期退化，骨超微架構(gòu)比骨密度評分及X線吸收計量法(DXA)對判斷早期骨質(zhì)疏松癥更敏感。早期軟骨下骨骨骼質(zhì)量的減低與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生率有明顯相關(guān)性，因此，對骨骼質(zhì)量的優(yōu)先干預(yù)可作為骨關(guān)節(jié)炎潛在的治療靶點(diǎn)[26]。除此之外，7 T MRI還可對局部軟骨形態(tài)及軟組織進(jìn)行高分辨成像，在實(shí)現(xiàn)臨床綜合應(yīng)用方面具有可行性。7 T MRI不僅能將骨小梁可視化，顯示局部軟骨厚度、體積，也能清晰顯示關(guān)節(jié)盂唇、關(guān)節(jié)囊及肌腱[27]。未來通過7 T MRI成像觀察骨超微架構(gòu)和軟骨病變，可進(jìn)一步探索骨質(zhì)疏松癥和骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的微觀變化，并用于監(jiān)測臨床疾病進(jìn)展及治療反應(yīng)[28]。

5.2 鈉成像(23Na－MRI)

PG主要成分為GAG。軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中GAG側(cè)鏈帶有負(fù)電荷，根據(jù)電中性原理，細(xì)胞外基質(zhì)中陽離子濃度等于陰離子濃度，也就是GAG含量。因此，23Na+在正常軟骨中聚集主要依賴于PG含量。正常富含PG的透明軟骨含有高濃度的鈉，PG減少的區(qū)域，其鈉的濃度也較低。所以說，鈉成像對關(guān)節(jié)軟骨PG含量異常敏感，可用于顯示早期軟骨退變，對異常區(qū)域進(jìn)行定量分析。最新研究認(rèn)為7 T水抑制Na MRI序列對早期軟骨退變定量分析具有較高的準(zhǔn)確性、敏感性和特異性，可作為一種潛在的定量測量工具。另外，鈉成像在評價軟骨修復(fù)術(shù)后軟骨生化成分變化中也具有一定可行性[29-30]。然而，由于MR鈉成像信噪比較低，需要在高場強(qiáng)MR設(shè)備上完成，此外還需要特殊的空間傳輸和接收線圈，用較長掃描時間來獲得足夠高信噪比。故目前該技術(shù)應(yīng)用于臨床還尚待時日。

6 3D MR成像技術(shù)

各向同性3D MR成像具有較高的空間分辨率，在獲取局部容積影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行MPR重建得到所需斷面圖像，消除常規(guī)MR 掃描二維平面的局限性，提高肌骨系統(tǒng)復(fù)雜細(xì)小結(jié)構(gòu)的病變檢出率[31]。但也有研究指出3D各向同性序列和常規(guī)2D序列在診斷疾病方面的能力是相似的，只是3D各向同性序列掃描時間更短[32-33]。3D序列的空間分辨率較2D序列仍有差距，有待進(jìn)一步改善。

7 金屬植入物MRI成像

術(shù)后金屬偽影的存在會使局部組織信號丟失，對MR圖像質(zhì)量有較大影響。近幾年，層編碼金屬偽影校正(SEMAC)和多采集變諧波圖像融合(MAVRIC)這兩種MRI技術(shù)的開發(fā)有效減少了金屬偽影，圖像質(zhì)量有進(jìn)一步改善。SEMAC是一種優(yōu)化自旋回波序列，與傳統(tǒng)SE成像比，SEMAC圖像的層內(nèi)偽影減少高達(dá)80%，層間偽影減少高達(dá)65%。將MAVRIC和SEMAC技術(shù)結(jié)合起來，可得到人工關(guān)節(jié)置換金屬偽影最小的MR圖像。然而，由于信號容積現(xiàn)象不能完全被校正，在判斷假體周圍骨髓信號變化時仍需謹(jǐn)慎[34-35]。目前金屬植入物MRI成像仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

綜上所述，近年MRI技術(shù)的不斷發(fā)展為肌骨系統(tǒng)疾病診斷提供了多種無創(chuàng)性活體成像新方法，包括軟骨成分定量分析、短T2組織結(jié)構(gòu)顯示及骨微觀結(jié)構(gòu)成像，為臨床早期診斷及治療監(jiān)測提供依據(jù)。但由于MRI技術(shù)及硬件設(shè)施的限制，微觀水平成像及組織成分定量技術(shù)仍有待進(jìn)一步提高。

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