NaMRI在定量診斷軟骨退變中的應(yīng)用

賀露姣， 李紅， 符策崗

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NaMRI在定量診斷軟骨退變中的應(yīng)用

賀露姣， 李紅， 符策崗

軟骨退行性改變引起的骨關(guān)節(jié)和下腰部疼痛是影響中老年人健康的重要因素，磁共振為主要的檢查方法，主要是依賴H質(zhì)子成像，但除此之外還可檢測出23Na、31P、33S、127I等非零自旋原子。而NaMRI可彌補常規(guī)MRI的不足為退行性改變的早期提供生化信息。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻對NaMRI在定量分析骨關(guān)節(jié)軟骨和椎間盤退行性改變中的應(yīng)用進行簡要綜述。

磁共振成像； 椎間盤退行性變； 軟骨疾?。?診斷

軟骨組織退行性改變是生物體自然老化、退化的生理過程之一。過度的生理活動和超負荷的承載都能加速軟骨組織老化，嚴重時可引起疼痛甚至造成神經(jīng)損害，嚴重影響患者的日常生活和工作。退行性改變的早期診斷和預(yù)防性治療能有效提高其治療質(zhì)量，因此，對軟骨組織早期量化分析顯得尤為重要。常規(guī)的影像檢查主要是依賴信號強弱及形態(tài)學(xué)改變評估軟骨退行性改變，屬于非定量方法，存在一定誤差，并受評估者主觀影響較大，且無法反應(yīng)軟骨退變早期細微成分的改變，然而NaMRI可以提供常規(guī)MRI不能提供的組織生化信息，為軟骨退行性改變的早期診斷提供重要價值。本文主要介紹NaMRI在骨性關(guān)節(jié)炎和椎間盤退行性改變中的應(yīng)用。

正常軟骨的生化組成

軟骨是一種致密的結(jié)締組織，存在于人體的多個部位，如骨關(guān)節(jié)的透明軟骨、耳朵和鼻子的彈性軟骨、椎間盤的纖維軟骨。軟骨由軟骨細胞、基質(zhì)及纖維組成，而膠原纖維、蛋白多糖(proteoglycan,PG)和水等主要存在于軟骨細胞外基質(zhì)。軟骨組織基質(zhì)內(nèi)無血管組織，因此對損傷的反映不同于其他的組織，主要變現(xiàn)為對組織損傷的修復(fù)能力很低。PG由核心蛋白和糖胺聚糖側(cè)鏈(glycosaminoglycan,GAG)組成[1]，這些側(cè)鏈被廣泛的硫酸化和羧化后能使整個分子帶大量的負電荷[2]，賦予軟骨組織固有負電荷密度(fixed charge density,FCD)。同時，F(xiàn)CD可吸引大量游離的陽離子(主要是Na離子)，而Na離子又可以在軟骨組織通過滲透壓調(diào)節(jié)吸收水分子。從而影響椎間盤的膨脹壓力和維持椎間盤的含水量，因此Na的測量可以直接評估PG含量，已有研究表明Na含量與PG/GAG含量成正比[3,4]。由于軟骨的抗壓應(yīng)力作用使帶有負電荷的GAG側(cè)鏈在PG分子間形成了巨大的靜電排斥力，而膠原纖維可以抵抗這些靜電排斥力來穩(wěn)定PG，正因如此，軟骨能減少相鄰兩骨間的摩擦，緩沖運動時產(chǎn)生的震動[5]。

NaMRI的特性及組織Na濃度和FCD值的估算

NaMRI主要依靠23Na原子成像，通過脈沖激勵接收被檢測組織的23Na原子信號構(gòu)建Na的MR幻影圖像，其成像的敏感度是普通H質(zhì)子成像的9.6%。健康軟骨組織內(nèi)Na原子的含量和橫向弛豫時間T2要少于H原子，也因此NaMRI成像相比于常規(guī)MRI有較低的信噪比、空間分辨率和較長的成像時間。Na原子電荷的非球面對稱性分布可產(chǎn)生磁偶極距和四級距，當(dāng)原子核在電場梯度和四級距的相互作用下可影響Na核磁共振的性能。根據(jù)Na的分子環(huán)境，可發(fā)生以下4種運動機制：快速各向同性運動、緩慢各向同性運動、緩慢各向異性運動和快速各向異性運動[6]。在液體中Na原子的運動機制是快速各向異性運動，在電場梯度方向快速波動，因此，4級的相互作用“平均”為零，在此環(huán)境下T1和T2*呈單指數(shù)衰減；而在生物組織中(如膠原纖維等有序的半固體組織)，Na原子的運動機制是緩慢各向同性運動或緩慢各向異性運動，在這種情況下，4級的相互作用控制著弛豫時間，T1和T2呈雙指數(shù)衰減，信號可產(chǎn)生短T2成分(T2*SHORT )、長T2成分(T2*LONG)和兩個弛豫時間相似的T1成分。此外，NaMRI可對軟骨組織中的Na濃度和FCD值進行估算。由于軟骨退行性改變的過程中Na濃度和FCD值會發(fā)生相應(yīng)的變化，因此NaMRI可以應(yīng)用于軟骨退變的定量分析。

1.Na濃度的估算

首先要將Na的幻影信號圖像轉(zhuǎn)化為Na濃度圖像[7]；Na濃度的定量可以通過測量已知幻影Na濃度和與軟骨相近的弛豫時間的瓊脂糖凝膠體模或者鹽水的信號強度，根據(jù)校準弛豫時間的幻影信號強度來繪制它們的Na濃度曲線，通過數(shù)據(jù)的線性擬合獲得校準曲線，然后將軟骨組織中每個像素的Na信號強度擬合到校準曲線可以得到每個像素的Na濃度，從而構(gòu)建出組織的Na濃度圖像(mapping[Na])。校準弛豫時間的幻影信號強度(Scorrected)可根據(jù)以下公式擬合計算得出[3]：

FA表示翻轉(zhuǎn)角；S0表示原始Na信號強度；Na原子的T1和T2*可通過先進的飽和實驗計算得出。

2.FCD值的估算 FCD值可根據(jù)Na濃度值用以下公式計算得出：

下標(biāo)t表示組織，下標(biāo)f表示周圍液體，[Na+]f表示血清Na濃度，[Na+]t為之前測定的Na濃度。通過此公式擬合可計算得出mapping[Na]中每個像素的FCD值構(gòu)建出FCD值圖像(mapping[FCD])。

NaMRI在骨性關(guān)節(jié)炎(OA)中的應(yīng)用

骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變，發(fā)病率隨著年齡的增長而升高。早期主要的生化改變是FCD或GAG的減少、膠原纖維和PG聚合體結(jié)構(gòu)和數(shù)量的改變。在病變早期采取有效的措施可恢復(fù)并且逆轉(zhuǎn)，但如果發(fā)生膠原纖維崩解，軟骨組織將出現(xiàn)不可逆性破壞[8]。正因為這些生化改變發(fā)生在形態(tài)學(xué)改變之前，所以通過分子水平對OA早期進行定量診斷具有重要意義。

常規(guī)MRI如T1、T2、質(zhì)子密度加權(quán)成像以及X線檢查只能夠檢查病變的形態(tài)學(xué)改變，并不能體現(xiàn)細胞外基質(zhì)GAG含量和膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等分子水平的變化。研究表明在軟骨組織中Na的濃度與FCD、GAG含量有很強的相關(guān)性[9]。Wheaton等[10]對9個無癥狀的健康患者和3個有癥狀的早期OA患者通過4T MRI研究發(fā)現(xiàn)，健康者膝蓋軟骨的平均Na含量為254mmol/L，相應(yīng)的FCD平均值為-182mmol/L；有癥狀的早期OA患者的FCD值為-108到-144mmol/L。通過FCD值的大小反映GAG值的大小，并證實NaMRI能夠定量檢測OA早期GAG的減少[11]。此外，Wang等[12]首次對5位無癥狀的健康志愿者和5位被診斷為骨性關(guān)節(jié)炎的患者進行7TNaMRI，分別選取3個相同的軟骨區(qū)域作為感興趣區(qū)(region of interest,ROI)進行測量，結(jié)果顯示健康志愿者的關(guān)節(jié)軟骨的平均Na濃度范圍在240～280mmol；骨關(guān)節(jié)炎患者的平均Na濃度比健康志愿者要低30%～60%。進一步證實Na與退行性變的相關(guān)性。但是，在Na原子成像中軟骨成分稀薄(尤其是骨性關(guān)節(jié)炎患者)以及圖像的低分辨率，無法分辨感興趣區(qū)是否混有幾種軟骨成分及關(guān)節(jié)滑液的共同信號，為排除滑液對Na濃度測定，可在NaMR成像時加上水抑制序列來排除部分容積效應(yīng)的影響[13]。綜上所述，NaMRI在骨性關(guān)節(jié)炎的早期診斷中具有其獨特的優(yōu)勢，能通過反映FCD和GAG的含量進一步反映病變的存在，彌補了傳統(tǒng)檢查僅通過形態(tài)學(xué)改變來反映病變的局限，能更早，更客觀的反映退行性改變。

NaMRI在椎間盤退變中的應(yīng)用

椎間盤主要由中央的髓核(nucleus pulposus,NP)、外層的纖維環(huán)及骨終板3層結(jié)構(gòu)組成。主要的作用是保持身體的穩(wěn)定性，緩沖機械壓力。椎間盤為無血管組織，營養(yǎng)只能通過被動轉(zhuǎn)運獲得，椎間盤的靜水壓和高滲透壓保證營養(yǎng)的正常運輸。椎間盤退變早期的生化成分變化與關(guān)節(jié)軟骨類似，NP主要由帶電荷的PG和去離子水組成，PG存在于NP的細胞外基質(zhì)。椎間盤退變早期的主要變化是大量PG和水分的減少，最終導(dǎo)致椎間盤水合作用和靜水壓的下降[14]。常規(guī)MRI 是評估腰椎間盤退變的重要影像學(xué)手段，主要依靠Pfirrmann分級對其進行評估，但受主觀影響較大，不能在分子水平對其做出早期診斷。

Haneder等[15]分別對55個健康志愿者和12個下背部疼痛者在3.0T MRI掃描儀進行Na原子成像和形態(tài)學(xué)H質(zhì)子成像，結(jié)果顯示Na與Pfirrmann 分級有一定的相關(guān)性，Pfirrmann 4、5級椎間盤的Na明顯減少具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。此外，Moon等[16]對兔子的椎間盤進行3T NaMR成像，分別對15個正常椎間盤和9個退變的椎間盤進行分析，結(jié)果顯示正常椎間盤和退變椎間盤Na的平均值分別為(274.8±40.2)mM和(190.6±19.1)mM (P<0.01)，同樣反映Na值與病變存在明顯的相關(guān)性。相似的，Wang等[17]對牛的椎間盤進行3TNaMR成像，研究顯示在冠狀面、矢狀面、軸狀面3個層面的Na圖像上清楚看到在椎間盤的正中心NP的位置Na可達300mM；而接近纖維環(huán)處降至150mM左右，軸面的FCD圖像與Na圖像趨勢相同顯示NP有大量的FCD，此外又采用1，9-二甲基亞甲藍法測定對應(yīng)椎間盤樣本中蛋白聚糖含量，結(jié)果表明PG含量與Na成正相關(guān)(r=0.71，P<0.05)；有癥狀者椎間盤的鈉較無癥狀者顯著降低。綜上所述，NaMRI在椎間盤退行性改變的早期診斷中具有重要的意義，不僅能幫助診斷且對評估病變的嚴重程度具有重要的指導(dǎo)意義。

隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，目前可用于定量診斷的技術(shù)有T1ρ mapping[18]、T2mapping[19]、糖胺聚糖相關(guān)化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(gagCEST)[20-22]，軟骨延遲釓增強MRI (delayed gadoliniumenhanced MRI of cartilage，dGEMRIC)[23]和擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging,DWI)[24]。T2mapping 和彌散加權(quán)成像能夠提供膠原纖維和水分子擴散速率等信息，而其他技術(shù)可通過對比劑或者直接的T1ρ mapping,gagCEST成像提供 FCD或GAG含量等信息，因此NaMRI技術(shù)可以聯(lián)合其他定量技術(shù)提供多種生化標(biāo)記對軟骨退行性改變進行準確的分析和早期診斷，彌補了常規(guī)MR成像僅通過形態(tài)改變判斷病變的不足，為臨床診斷提供有效的診療信息。NaMRI新技術(shù)的發(fā)展使其已用于臨床前的研究，全身超高磁場MRI系統(tǒng)的出現(xiàn)[25]，專用的高頻相控陣線圈[26]，優(yōu)化的MR序列[27]能夠在較短的時間提供較高的信噪比和空間分辨率。關(guān)于NaMRI基于Na定量研究技術(shù)的運用已有相關(guān)文獻報道，如牛關(guān)節(jié)軟骨的體外NaMRI技術(shù)[7]；測量牛關(guān)節(jié)軟骨Na含量與PG含量的相關(guān)性[3]；高血壓患者組織Na含量的測量[28]；人體內(nèi)踝關(guān)節(jié)軟骨的NaMRI[29]等。但是這些技術(shù)仍然處于研究發(fā)展階段，仍有不足之處，組織中Na的T2值很短，所以Na離子具有較低的旋磁比和較高的橫向磁化，信噪比和空間分辨率以及成像時間有待進一步提高，仍需對磁共振儀器的軟件和硬件進行研究使NaMRI更成熟的應(yīng)用于臨床診斷。

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443000湖北，三峽大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院/三峽大學(xué)仁和醫(yī)院放射科

賀露姣(1990-)，女，湖北咸寧人，碩士研究生，主要從事影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)診斷工作。

李紅，E-mail：lihong0717623@sina.com

R681.5； R445.2

A

1000-0313(2016)06-0550-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.06.017

2015-09-08

2015-11-23)