不同MRI成像技術(shù)在膝骨關(guān)節(jié)炎軟骨損傷中的應(yīng)用進展

馬揚程 許建中陸世濤 李峰

（鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，鄭州450052）

膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis,KOA）是以關(guān)節(jié)疼痛及活動障礙為主要表現(xiàn)的慢性退行性關(guān)節(jié)疾病。KOA好發(fā)于中老年人群，目前我國癥狀性膝骨關(guān)節(jié)炎的患病率為8.1%，女性高于男性[1]。患者大多生活質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至出現(xiàn)關(guān)節(jié)畸形或肢體殘疾，為家庭及社會帶來負(fù)擔(dān)。

多種影像學(xué)技術(shù)在KOA的診斷中均有應(yīng)用。在KOA的早期診斷中，MRI技術(shù)（magnetic resonance im?aging,MRI）有著特殊的優(yōu)勢，其具有無創(chuàng)傷、輻射小、便于操作等特點，在膝關(guān)節(jié)檢查中不僅可以較為清晰地顯示半月板、韌帶、滑膜、滑液等關(guān)節(jié)內(nèi)成分，更能夠顯示軟骨及軟骨下骨的改變[2,3]。多方向排列的膠原分布和水化的蛋白多糖含量不盡相同，影響關(guān)節(jié)內(nèi)水的含量及運動狀態(tài)，使軟骨在MRI圖像上呈特征性表現(xiàn)。傳統(tǒng)MRI可以較好地顯示膝關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的形態(tài)學(xué)變化，近年來新型MRI技術(shù)的發(fā)展則更多地從軟骨病理生理學(xué)角度給予分析，定量顯示早期KOA軟骨內(nèi)成分的變化，為早期KOA的診斷提供更多依據(jù)。本文就MRI技術(shù)在KOA軟骨損傷成像中的應(yīng)用進展進行綜述。

1 軟骨形態(tài)學(xué)成像技術(shù)

傳統(tǒng)MRI可以較為清晰地顯示關(guān)節(jié)軟骨改變。臨床上常規(guī)應(yīng)用的MRI檢查序列有快速自旋回波序列（fast spin echo,FSE）、梯度回波序列、反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列等。這些序列能夠通過分層顯示圖像來獲取軟骨形態(tài)學(xué)改變的信息，但缺點在于沒有足夠的準(zhǔn)確性及敏感性。新型3D成像技術(shù)對關(guān)節(jié)軟骨有診斷敏感度與準(zhǔn)確率[4,5]。以三維擾相梯度回波序列（three-di?mensional spoiled gradient recalled echo imaging,3DSPGR）技術(shù)為例，多位學(xué)者對比MRI成像及關(guān)節(jié)鏡下結(jié)果后顯示，3D-SPGR序列較傳統(tǒng)FSE序列在關(guān)節(jié)軟骨損傷診斷中的敏感度及特異性更高，臨床應(yīng)用價值更大[6,7]。Yoshioka等[8]的研究顯示，三維空間頻譜擾相梯度回波序列（three-dimensional spatial-spe?tral spoiled gradient recalled echo imaging,3DSS-SP?GR）對骨關(guān)節(jié)炎的顯像有分辨率和信噪比（signal to noise ratio,SNR）高、成像時間短等優(yōu)點，但同時存在如截斷面?zhèn)斡凹皥D像處理時間長等技術(shù)缺陷。除3D-SPGR外，還有很多其他技術(shù)可以顯示軟骨組織的結(jié)構(gòu)，如驅(qū)動平衡傅里葉轉(zhuǎn)換成像（driven equilibri?um Fourier transport,DEFT）、三維雙重回波穩(wěn)態(tài)成像（3D dual-echo steady state,3D-DESS）、平衡穩(wěn)態(tài)自由旋進成像（balanced stead-state free precession,bFF?SP）等，這些成像技術(shù)相較于3D-SPGR有更短的成像時間及更好的組織對比度。Gold等[9]的研究顯示，3D-DEFT序列比T2-FSE序列有更高的滑液—軟骨對比度，且3D-DEFT序列能夠更好地顯示關(guān)節(jié)軟骨的厚度。多種技術(shù)的結(jié)合也能夠發(fā)揮成像技術(shù)的最大優(yōu)勢。有研究表明，二維脂肪抑脂質(zhì)子加權(quán)像（fat-suppression proton density weighted imaging,FSPDWI）同3D-DESS序列相結(jié)合可以更好地顯示軟骨內(nèi)結(jié)構(gòu)[10,11]。但形態(tài)學(xué)成像技術(shù)的技術(shù)缺陷在于無法定量檢測關(guān)節(jié)軟骨的改變，不能對比不同深度軟骨組織的改變狀況，因此無法提供量化的診斷標(biāo)準(zhǔn)，較難應(yīng)用于實際臨床工作。

2 軟骨病理生理學(xué)成像技術(shù)

軟骨組織內(nèi)大分子增減、水分移動等病理生理學(xué)改變常先于軟骨形態(tài)學(xué)上的改變。通過生物學(xué)定量檢測軟骨組織內(nèi)的水流動力學(xué)改變及大分子缺失狀況可以及早確定膝骨關(guān)節(jié)炎的病程進展，從而更加有效地進行藥物或手術(shù)干預(yù)。

2.1 T2 mapping技術(shù)

正常關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)大量固定在網(wǎng)狀膠原結(jié)構(gòu)中的蛋白多糖形成滲透性的結(jié)構(gòu)并使水分向周圍組織移動，有效減少了來自關(guān)節(jié)外的負(fù)荷。在早期骨關(guān)節(jié)炎的軟骨病變中蛋白多糖含量減少，膠原纖維成分減少以及排列方式改變，這些過程使軟骨中水分增加，T2弛豫時間延長，T2值增大。T2 mapping技術(shù)采用多回波自旋回波序列經(jīng)計算機處理后形成偽彩圖，通過測量不同軟骨區(qū)域的T2值來分析其結(jié)構(gòu)成分的變化，從而對早期KOA進行有效診斷。隨著KOA嚴(yán)重程度的增加，股骨及內(nèi)側(cè)脛骨軟骨的T2值均會相應(yīng)升高，提示T2值可有效地檢測軟骨退變的過程[12]。葉美婷等[13]通過對比早期KOA患者和健康受試者，發(fā)現(xiàn)早期KOA患者的股骨、脛骨及髕骨T2值均高于對照組，說明T2 mapping技術(shù)可以在關(guān)節(jié)軟骨組織形態(tài)發(fā)生改變之前定量獲取軟骨退變的程度[14]。T2值的改變也與KOA的危險因素密切相關(guān)。研究顯示肥胖或高BMI指數(shù)均有可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨T2值升高[15]。T2 mapping技術(shù)對關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨生物化學(xué)變化較為敏感，不同區(qū)域內(nèi)軟骨T2值不同，為KOA早期病變機制提供理論依據(jù)。有研究表明，成人膝關(guān)節(jié)軟骨不同亞區(qū)之間的T2值存在顯著差異，且軟骨淺層的T2值明顯高于軟骨深層[16]。陳聰?shù)萚17]的研究顯示，T2 mapping技術(shù)可以有效地顯示不同負(fù)重區(qū)軟骨的T2值差異。該研究表明早期KOA患者內(nèi)側(cè)股骨髁及內(nèi)側(cè)脛骨平臺的軟骨T2值顯著高于非負(fù)重部位，提示KOA始發(fā)于關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)部分。另外，觀察組關(guān)節(jié)軟骨的T2 mapping偽彩圖可見信號混雜不規(guī)則，與對照組偽彩圖的光滑整齊形成對比，同樣說明T2 mapping技術(shù)診斷早期KOA具有較高的敏感性及特異性。

此外，T2 mapping技術(shù)也可以用來檢測軟骨修復(fù)的狀況。越來越多的實踐證明軟骨損傷可以通過外科手術(shù)干預(yù)，主要包括微骨折技術(shù)、骨軟骨自體移植技術(shù)、馬賽克技術(shù)、基質(zhì)介導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植技術(shù)等[18]。Theologis等[19]的研究顯示，T1ρ以及T2 map?ping可以有效監(jiān)測微骨折手術(shù)修復(fù)后軟骨的變化狀況。在一項大型體外動物學(xué)實驗中，T2 mapping技術(shù)能夠鑒別軟骨移植物的成活質(zhì)量，印證了該技術(shù)在臨床應(yīng)用中的可行性[20]。T2 mapping技術(shù)相較于多光子顯微鏡檢查以及偏振光學(xué)顯微鏡檢查等組織學(xué)檢查有著更多的優(yōu)勢，不僅可以縱向獲取關(guān)節(jié)軟骨的信號還可以評估損傷區(qū)域以外的軟骨狀況[20,21]。T2 mapping技術(shù)也可以輔助鑒別軟骨移植技術(shù)間的優(yōu)劣。Salzmann等[22]的研究表明，基質(zhì)介導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植技術(shù)相較于骨軟骨自體移植術(shù)術(shù)后有更低的T2值。Welsch等[23]發(fā)現(xiàn)在基質(zhì)介導(dǎo)的自體軟骨細(xì)胞移植技術(shù)中，透明質(zhì)酸支架術(shù)后的軟骨T2值比膠原支架更低。然而，T2 mapping技術(shù)目前存在的缺點也很明顯，如容易受魔角效應(yīng)及容積效應(yīng)等影響、不能區(qū)分早期和晚期KOA、成像時間過長等。

2.2 超短回波時間（ultrashort TE,UTE）

UTE是TE＜1 ms序列的總稱，有超短的T2/T2*弛豫時間，能夠很好地顯示如關(guān)節(jié)軟骨、半月板等短T2組織的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)MRI序列的TE值多在10 ms以上，因此軟組織信號衰減得非?？?，在系統(tǒng)開始接受信號前已經(jīng)衰減至接近于0，因此傳統(tǒng)MRI只能采取到長T2/T2*值組織信號[24,25]。在UTE序列中，軟骨組織尤其是軟骨鈣化層可以表現(xiàn)出高信號，而非鈣化軟骨層則表現(xiàn)出低信號[26]。軟骨鈣化層以及軟骨下骨在連接骨化組織與非骨化組織中起重要作用，為膝關(guān)節(jié)提供了穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境。有理論表明，退行性關(guān)節(jié)改變可能起源自骨—軟骨交界處，而非表層軟骨[27]。因此UTE序列可以很好地區(qū)分軟骨鈣化層和軟骨表層，有效顯示KOA的病程進展。Shao等[28]研究表明，UTE雙組分析可以表征包括鈣化軟骨在內(nèi)的整個軟骨深度的短和長T2*值及分?jǐn)?shù)。Bae等[29]研究驗證了UTE序列較傳統(tǒng)MRI序列能夠更好地顯示軟骨缺損狀況，并證明UTE成像結(jié)果中關(guān)節(jié)內(nèi)的高信號來源于鈣化軟骨以及單純非鈣化軟骨的最下層，提示UTE在軟骨損傷診斷中的信號集中區(qū)域不在透明軟骨，這與其他MRI技術(shù)是有一定區(qū)別的。UTE也可以用于評價手術(shù)后的軟骨狀況。Chu等[30]的研究探討了UTE T2*在ACL損傷重建術(shù)后軟骨功能及生理結(jié)構(gòu)的隨訪評價中的應(yīng)用。該研究顯示在ACL損傷組中，關(guān)節(jié)鏡評估未見淺表軟骨損傷處鈣化軟骨層的T2*值顯著增加。在ACL重建術(shù)后的2年期隨訪中，T2*值存在明顯降低，表明UTE序列可以顯示出深層軟骨基質(zhì)的改變，并且顯示軟骨鈣化層的損傷是可逆的。但由于軟骨鈣化層的層厚過小，易受魔角效應(yīng)、容積效應(yīng)影響等原因，UTE技術(shù)在實際臨床應(yīng)用之前仍需進一步優(yōu)化和完善。

2.3 軟骨延遲增強磁共振成像（delayed gadolinium en?hanced MRI of cartilage,dGEMRIC）

dGEMRIC主要用于評估早期KOA中關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)糖胺聚糖（glycosaminoglycan,GAG）。GAG帶負(fù)電荷，與核心蛋白共價結(jié)合形成蛋白多糖。帶有負(fù)電荷的釓噴酸葡胺對比劑注入軟骨內(nèi)時因受到帶負(fù)電荷的GAG排斥，從而在GAG含量較少的區(qū)域聚集。通過測量軟骨組織的T1值，即dGEMRIC指數(shù)（T1GD），可以定量說明軟骨局部缺失程度。dGEM?RIC指數(shù)越低說明軟骨組織T1值越低，提示該區(qū)域?qū)Ρ葎舛仍礁?，GAG缺失越嚴(yán)重[31]。Tiel等[32]研究顯示，在早期KOA患者中，3D序列的dGEMRIC技術(shù)展示了很好的軟骨重測性，證明dGEMRIC技術(shù)具有良好的穩(wěn)定性，可以較好地應(yīng)用于臨床。dGEMRIC技術(shù)在評估脛骨高位截骨手術(shù)（high tibial osteotomy,HTO）方面也起到了一定作用。Rutgers等[33]研究對比HTO患者手術(shù)前后的關(guān)節(jié)軟骨T1GD值后發(fā)現(xiàn)dGEMRIC技術(shù)可以有效探知手術(shù)前后同一關(guān)節(jié)間室內(nèi)的軟骨差異。d'Entremont等[34]的研究表明，在進行HTO的患者中曾有過低T1GD的患者表現(xiàn)出不同的膝關(guān)節(jié)運動方式，該研究說明了dGEMRIC技術(shù)評估的軟骨內(nèi)GAG含量可能與脛骨高位截骨手術(shù)預(yù)后相關(guān)聯(lián)。但dGEMRIC技術(shù)仍有其局限性。完成dGEM?RIC需要含釓造影劑，該元素在人體組織內(nèi)的沉積可能會對臟器功能造成遠期不良影響。另外，注射造影劑后需要等待其彌散進入關(guān)節(jié)軟骨后才能進行成像，這種有創(chuàng)性的操作以及時間上的浪費給臨床應(yīng)用帶來了一定程度上的不便。

2.4 鈉成像

鈉成像同dGEMRIC一樣，也是通過探知軟骨組織內(nèi)GAG的含量來獲取軟骨的完整性信息。由于鈉離子帶正電荷，與帶負(fù)電荷的GAG分子相吸引，因此低鈉信號反映了軟骨內(nèi)GAG的缺失。Mdelin等[35]的研究表明，在超高場強（7T）磁共振抑脂像的鈉成像中鈉離子濃度隨KOA患者發(fā)病時間的延長而逐漸下降。Tratting等[36]的研究也證明，7T下鈉成像能夠在軟骨損傷評價中發(fā)揮良好的作用。但是相較于質(zhì)子，鈉離子在人體內(nèi)濃度相對較低且回轉(zhuǎn)磁率不高，因此需要高場強的磁共振設(shè)備來驗證，這在現(xiàn)有大多數(shù)臨床實踐中還無法完全實現(xiàn)。

2.5 T1ρ技術(shù)

T1ρ即自旋鎖定成像，是在自旋鎖定射頻脈沖下的橫向馳豫圖像，主要用于研究大分子同水分子之間的作用，在膝關(guān)節(jié)軟骨完整性評價中常起重要作用。T1ρ技術(shù)能夠清晰地顯示關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)結(jié)構(gòu)。Wong等[37]的研究顯示，在軟骨退變的評價中T1ρ值同GAG的濃度呈負(fù)相關(guān)，T1ρ較T2 mapping更能夠發(fā)現(xiàn)早期KOA的軟骨退變。陳玲等[38]對比75例KOA患者及23例健康人顯示，T1ρ值在KOA和正常人以及輕度KOA和重度KOA的比較中均有統(tǒng)計學(xué)意義，T1ρ技術(shù)可以為臨床早期KOA的研究提供證據(jù)。T1ρ技術(shù)較其他MRI成像技術(shù)有獨特的優(yōu)勢。李智慧等[39]對比MRI T1ρ以及三維抑脂擾相梯度回波（3DFS-SPGR）顯示，T1ρ可用于臨床軟骨評估，相較于3D-FS-SPGR具有更高的SNR值，成像更加清晰。Wang[40]的研究將T1ρ、T2及dGEMRIC成像進行比較，證明T1ρ以及dGEMRIC-T1成像在早期KOA診斷中有更高的敏感性。T1ρ在評價前交叉韌帶重建后的軟骨功能方面亦有積極作用，術(shù)前以及術(shù)后的T1ρ值評分可以幫助患者更好地進行預(yù)后處理[41]。盡管如此，T1ρ成像亦有其不足之處。T1ρ技術(shù)成像時間長，T1ρ值的變化機制尚不明確，不能大規(guī)模應(yīng)用于臨床。另外，Tiel等[42]的研究顯示，盡管T1ρ不需要注射對比劑等有創(chuàng)操作，但在KOA患者中T1ρ成像不能像dGEMRIC成像那樣較為準(zhǔn)確地探知軟骨內(nèi)GAG的濃度分布，因此T1ρ還不能代替dGEMRIC成像。

2.6 糖胺聚糖化學(xué)交換飽和傳遞技術(shù)（glycosaminogly?can chemical exchange saturation transfer,gagCEST）

gagCEST是一種基于磁化轉(zhuǎn)移技術(shù)以及化學(xué)交換理論的新型成像技術(shù)。在gagCEST技術(shù)中，位于gag上的羥基和酰胺上的非共振質(zhì)子被射頻脈沖所飽和，并將飽和大分子上的質(zhì)子轉(zhuǎn)移至自由水中，形成了自由水的對比輸出圖像，從而間接反映gag的信息[43]。在關(guān)節(jié)軟骨中，高gag含量區(qū)域和低gag含量區(qū)域之間形成對比，并用MTRasym值表示溶質(zhì)與溶劑之間的化學(xué)位移差值，該值等同于對CEST效應(yīng)程度的定量描述[44]。CEST技術(shù)已經(jīng)被廣泛引用于顱腦MRI成像中，近年來隨著gagCEST技術(shù)的日漸成熟，關(guān)于軟骨組織的CEST成像也越來越多。Ling等[43]的研究表明，gagCEST技術(shù)可以直接顯示關(guān)節(jié)軟骨局部GAG分布狀況，為臨床診斷提供技術(shù)支持。Schmitt等[45]對12例軟骨移植術(shù)后患者進行23Na成像技術(shù)及gagCEST成像技術(shù)的對比，證明兩者之間有高度相關(guān)性，gagCEST可以作為生物標(biāo)志來評估關(guān)節(jié)軟骨的變化情況。但gagCEST技術(shù)也存在著限制條件。Singh等[46]的研究顯示，gagCEST可以很好地顯示膝關(guān)節(jié)軟骨的損傷，但在人膝關(guān)節(jié)軟骨gagCEST成像中糾正主磁場的不均一性以及7T的超高磁場強度是得到可靠gagCEST圖像的先決條件。Schleich等[47]通過對正常膝關(guān)節(jié)的gagCEST成像后表明，人體膝關(guān)節(jié)軟骨中不同區(qū)域有著不同的MTRasym值，提示今后研究需要考慮到這些差異。現(xiàn)有超高場強磁共振設(shè)備存在能量沉積且后期處理復(fù)雜等問題，限制了gagCEST技術(shù)在臨床中的應(yīng)用，但在不久的將來該技術(shù)一定能夠發(fā)揮自身優(yōu)勢，解決臨床工作中出現(xiàn)的難題。

3 展望

MRI作為一種安全無創(chuàng)的影像學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床的各個領(lǐng)域，在軟骨定性以及定量分析方面也起到了至關(guān)重要的作用。多種MRI都能夠?qū)OA患者的關(guān)節(jié)軟骨進行成像，輔助臨床診斷與治療。但由于一些技術(shù)條件的限制，如更高場強磁共振設(shè)備的投入應(yīng)用、成像時間過長、復(fù)雜的后期處理等，都為這些新興技術(shù)的普及以及臨床應(yīng)用帶來了阻礙。如何降低MRI軟骨成像的外界條件限制，使之更好地應(yīng)用并造福于患者是目前需要解決的主要問題。相信在今后的臨床工作中MRI能夠更快更準(zhǔn)確地檢測出膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的程度，為早期骨關(guān)節(jié)炎的診斷與干預(yù)打下堅實的基礎(chǔ)。