磁共振T2*圖在膝關節(jié)骨性關節(jié)炎診斷中的應用研究進展

門廣美綜述 于靜紅審校

骨關節(jié)炎(osteoarthritis OA)是一種多因素、進行性、退行性疾病，OA相比其他滑膜關節(jié)器官更常見于膝關節(jié)，是一種以關節(jié)軟骨變性及丟失和關節(jié)邊緣及軟骨下骨骨質增生為特征的慢性膝關節(jié)炎[1]。膝關節(jié)骨性關節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)是目前最普遍的關節(jié)疾病之一，由于人口老齡化和肥胖等因素的影響，預計未來發(fā)病率將進一步增加。而早期干預改變疾病進展過程及準確客觀地評估疾病過程各個階段的軟骨狀態(tài)對于膝關節(jié)OA的發(fā)生發(fā)展等方面具有非常重要的意義。T2-star-mapping(T2*圖)成像是一種很好的選擇，它將生化軟骨評估的優(yōu)點與包括成像時間短和高分辨率三維軟骨評估的顯著特點結合在一起，且無需造影劑或特殊硬件處理，對軟骨退變進行定量及定性診斷，使軟骨損傷的早期治療成為可能[2]?，F對T2*圖的成像原理以及在此項技術在膝關節(jié)骨性關節(jié)炎中的應用進行綜述。

1 T2*圖成像技術基本原理

1.1 T2*圖成像技術基本原理 T2*圖又稱為T2*弛豫時間圖，是在T2 圖成像技術的基礎上開發(fā)來的，MR的T2和T2*圖序列的優(yōu)勢在于不需要造影劑的情況下顯示組織的特性，因而易于被臨床接受，并且T2*圖序列掃描耗時短(約3 min)，且能提供足夠的圖像分辨率[3]。與T2 圖成像方式并不相同，T2*圖采用的是多回波梯度序列，由于沒有180°聚相位脈沖，故T2*能夠反映自旋—自旋成弛豫[4]，同時也反映了由磁場不均勻性(主磁場、空間編碼梯度場、化學位移及不同組織間磁化率的差異等)導致相位偏移所產生的橫向弛豫[5]。

T2*弛豫是由自旋—自旋弛豫(T2)和磁場不均勻性(T2')組合引起的橫向磁化的固有衰減[6]，T2*弛豫對于梯度回波(GRE)成像來說是獨一無二的，因為在自旋回波MR中，這種去相位效應是通過施加180°重聚焦脈沖來消除的。T2*值與T2的關系如下：1/T2*=1/T2+1/T2'，其中1/T2'可由γΔB計算(γ:磁旋比，△B:單位體素的磁場不均勻性)，因此T2*值要短于T2值[7]。為了生成弛豫時間圖(T2或T2*)，需要具有不同回波時間和信號電平的連續(xù)圖像。因此，在選擇回波時間的設置以實現感興趣區(qū)域(ROI)中的T2或T2*的特征值的目標時實施多回波序列。隨后，將指數函數應用于提供弛豫時間的實測信號電平，即信號衰減1/e(37%)。 這些弛豫時間可以用灰度或像彩色比例圖的像素方式呈現。后處理包括在T2*圖上對T2*時間的弛豫衰減和手動基于興趣區(qū)的測量的指數擬合。

與T2圖一樣，T2*圖能夠評估水含量，膠原纖維網絡和反映軟骨生化組成的帶狀變化。多數學者研究認為，橫向弛豫時間 T2 值受軟骨組織結構各向異性的影響，主要與其中水含量、膠原纖維含量及其排列方向密切相關[8]。Detiger 等[9]在最近的報道中，證實了T2*弛豫時間與關節(jié)軟骨中糖胺聚糖(GAG)含量和組織學評分之間存在顯著相關性。

1.2 膝關節(jié)軟骨T2*值的現狀研究 目前，國內外應用較為廣泛的序列是T2圖，而對T2*圖的研究相對較少。但是也有學者證實了T2值與T2*值之間的關系。趙海南等[10]利用兔為模型，研究了T2、T2*圖成像定量測定，研究結果顯示，采用的T2圖及T2*圖技術能夠通過定量檢測T2及T2*弛豫值為各期退變的兔膝關節(jié)軟骨提供相似的參考價值。而T2*圖的優(yōu)勢更大。而且T2*圖不僅可以用于膝關節(jié)軟骨成像，還在腰椎、肌腱、踝關節(jié)等其他部位廣泛應用。

為了區(qū)分膝關節(jié)的“正?！焙汀爱惓！?，并為臨床提供關于治療決策和治療隨訪的標準，必須全面了解膝關節(jié)的規(guī)范T2*值譜。在一項研究中，記錄了健康年輕成年志愿者的34個膝關節(jié)，T2*定位分析顯示滑車軟骨(T2* = 33.0 ms±2.7 ms)，髕骨中間值(T2* 28.3 ms±3.5 ms)和股骨髁軟骨中央(T2*橫向= 30.5 ms±3.8 ms，T2*內側= 28.3 ms±4.4 ms)和低股骨髁軟骨T2*值(T2*橫向= 25.1 ms±2.6 ms ，T2*內側= 25.2 ms±3.3 ms)和脛骨平臺(T2*側= 23.7 ms±3.1 ms，T2*內側= 24.0 ms±3.4 ms)[11]。

此外，觀察到T2 *值的緯向差異，其中淺層軟骨區(qū)的T2 *值高于深層區(qū)的T2 *值。股骨髁軟骨(負重)區(qū)域的T2 *值高于股骨后髁軟骨(非負重)區(qū)域，而在膝關節(jié)內側和外側的軟骨T2 *值是相似的，反映了上述區(qū)域和區(qū)域組成的差異和超關節(jié)軟骨結構。盡管在方法學和研究人群方面存在差異，但這些規(guī)范化的T2 *膝關節(jié)軟骨值與其他研究顯示的平均T2*值相似，脛骨軟骨為16.6 ms±5.6 ms[7]，內側脛骨軟骨為17.1 ms±1.1 ms[12]，股骨外側髁軟骨21.72 ms±2.98 ms，股骨內側髁為19.00 ms±3.98ms，髕骨軟骨26.27 ms±2.93 ms[13]。

2 KOA的生理與病理表現

2.1 膝關節(jié)軟骨的生化成分 關節(jié)軟骨具有非常重要的功能，它負責吸收機械應力并保證骨骼的平滑無摩擦運動。軟骨的機械性能由組織廣泛的細胞外基質(ECM)賦予[15]。關節(jié)軟骨可以被認為是一個充滿流體的大分子網絡，在正常關節(jié)負荷過程中，含有電解質的間質液(按重量計約占軟骨的75%)受到壓力，其運動受到大分子網絡的限制。因此，加壓流體起到分配和支持機械負荷的作用。大分子網絡本身主要由膠原蛋白和蛋白多糖組成。 膠原蛋白是一種纖維狀大分子，是目前最常見的大分子，約占軟骨體積的20%(占干重的70%～80%)。膠原蛋白主要由Ⅱ型膠原組成，Ⅱ型膠原蛋白分子和纖維共價鍵結合成膠原纖維，膠原纖維內嵌蛋白多糖，使Ⅱ型膠原蛋白結構十分穩(wěn)定[16]。

糖胺聚糖是軟骨細胞外基質網絡中第二豐富的大分子。糖胺聚糖(GAG)被認為是維持高含水量所必需的物質。一方面，水與GAG的極性和帶電基團(水結合)形成氫鍵。另一方面，帶負電荷的GAG鏈之間的排斥力導致未結合水的吸收。大多數軟骨水是這種未結合的水。GAG 側鏈帶有大量的負電荷，吸引帶正電的陽離子和水進入軟骨基質，使軟骨富含水分并保持彈性，調節(jié)軟骨的抗壓能力，負重時水分還可滲入關節(jié)腔使之潤滑[16]。軟骨中的水分含量在疾病的早期階段就已改變。因此，水含量測定可以在早期退行性軟骨變化的診斷中起重要作用。MR有潛力檢測水分含量的微小變化。T2弛豫時間升高是關節(jié)軟骨損傷最早出現的征象，大多在軟骨厚度和形態(tài)發(fā)生變化之前即可看到[17]。

2.2 膝關節(jié)骨性關節(jié)炎的病理改變 膝骨關節(jié)炎好發(fā)于中老年 ，病理變化主要為關節(jié)軟骨及軟骨下骨的軟化，繼發(fā)關節(jié)囊、關節(jié)韌帶、周圍肌群的松弛退變，臨床癥狀以關節(jié)疼痛、關節(jié)功能障礙及關節(jié)穩(wěn)定性下降為主[17]。關節(jié)軟骨是關節(jié)表面上一層柔軟的纖維組織。在組織水平上(規(guī)模在100 μm和1 cm之間)，可以看作是一個堅實的均勻結構[18]。在微觀水平上，同時發(fā)現軟骨是由各種分子組成，例如水，蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白組成。這些分子組成的變化已被用于檢測和監(jiān)測各階段OA的進展。

據報道，軟骨組織包含60%～80%的水和被ECM包圍的軟骨細胞。ECM的主要成分是Ⅱ型膠原蛋白(總軟骨組成的5%～10%)和大蛋白聚糖(PG)分子(總軟骨組成的10%～20%)。Ⅱ型膠原自軟骨表層到深層逐漸減少，為軟骨細胞和PG提供框架，負責ECM的拉伸力，還可以平衡由PG產生的滲透壓和作用在軟骨上的剪切力[19]。在OA早期，膠原原纖維和網狀結構的破壞會釋放出PG，導致表面區(qū)域的病變，組織軟化，裂隙和纖顫，并會增加關節(jié)軟骨的含水量[18]。

3 T2*圖在膝關節(jié)骨性關節(jié)炎診斷中的應用現狀

3.1 T2*圖的應用 T2*圖作為一種軟骨生化成像技術，不僅具備了其他成像技術的功能，還具有成像時間短、空間分辨率高等優(yōu)點。常規(guī)核磁 T1 和T2 序列雖然也能夠提供非常好的軟骨影像，但不能定量分析軟骨變化，使早期僅表現為生理及生化特性改變的軟骨損害無法顯示。之前，Bittersohl等[20-21]進行了2項研究證明，隨著骨關節(jié)炎嚴重程度的增加(使用改良的Outerbridge分類評估)，關節(jié)軟骨患病部位的T2*時間減少。這些研究中的一個重要觀察結果是，T2*見于骨關節(jié)炎的早期階段，即Outerbridge 0級和1級之間。這對未來的臨床應用都是非常有利的，因為它表明T2*圖用于檢測和監(jiān)測早期骨關節(jié)炎的潛在能力。而在近期的研究中，白志剛等[22]對正常人及不同程度的OA患者的膝關節(jié)的5個不同部位行膝關節(jié)T2*圖成像,研究結果顯示OA組膝關節(jié)不同部位軟骨T2*值均較正常組明顯升高隨著關節(jié)軟骨退變程度增加，同一部位隨著軟骨病變的程度加重，T2*值也逐漸增加，輕度組OA的T2*值較正常組相比在關節(jié)軟骨和骨質形態(tài)沒有發(fā)生明顯變化之前即出現變化。石橋等[23]的研究也證明了這一觀點。楊綠林等[24]的研究結果表明，輕度OA組、中度OA組及重度OA組指定區(qū)域關節(jié)軟骨的平均T2*值均較正常對照組關節(jié)軟骨T2*值明顯升高。不同程度OA各組膝關節(jié)指定區(qū)域軟骨的T2*值隨著關節(jié)軟骨退變程度加重,對應的T2*值隨之升高。由此可以得出，T2*圖能定量反映膠原纖維完整性的喪失和結合水的變化，這是骨關節(jié)炎發(fā)展的典型早期發(fā)現。

3.2 T2*圖的局限性和不足 盡管T2*圖方法是一種強大的技術，并且可能在掃描時間，特別是信噪比方面有顯著的改進，但它也有局限性。由于T2 *繪圖技術缺乏180°重新聚焦脈沖，人造顆粒如空氣滯留，整形外科植入物和術后碎片誘發(fā)易感性偽影，盡管這種影響很可能主要出現在術后體外研究中，但可能會嚴重影響關節(jié)軟骨的T2*評估。另一個需要密切監(jiān)測的方面是魔角效應，又稱磁角效應，最常見于肌鍵和韌帶走向與主磁場方向夾角呈54.74°(約55°)時出現。當關節(jié)軟骨表面置于大約55°時，T2*值將升高。相對于外部靜態(tài)磁場B0。這種魔角效應的一種表現是軟骨組織的T2衰減被大大地延遲，并且當膠原纖維相對于B0以這個角度取向時信號強度最大[25]。雖然魔角效應在某些場合可能無法避免，但應該采取措施防止或減少這些刺激性影響，例如通過局部適應患者和關節(jié)的位置。淺層的魔角效應相對較小，中層和深層的魔角效應明顯增強[26]。另外，線圈設計、序列參數和成像設置等硬件組件對T2 *措施也有一定的影響。

4 總結與展望

因OA發(fā)病率的持續(xù)增長，臨床診斷、治療和預防的重要性越來越明顯，早期、準確判斷OA病情及其發(fā)展對臨床治療、延緩病情進展具有重要意義。T2*圖作為預測軟骨損傷的無創(chuàng)性方法，能夠在KOA早期對其進行準確的診斷。目前國內對于T2*圖在膝關節(jié)骨性關節(jié)炎中的報道較少,對早期KOA的評估也沒有統一的標準，需要進一步研究來認識和使用這個強大的工具。