擴(kuò)散張量成像在關(guān)節(jié)軟骨損傷中的研究進(jìn)展

劉敏英，張丹

(承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院南區(qū)放射科，河北 承德 067000)

0 引言

關(guān)節(jié)軟骨是一種覆蓋在關(guān)節(jié)表面的透明軟骨，在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)可起到緩沖、耐磨、潤(rùn)滑的作用。關(guān)節(jié)軟骨損傷因其不會(huì)直接危及人類生命，所以往往會(huì)被忽視。有研究表明[1]，軟骨損傷是骨性關(guān)節(jié)炎的主要原因，使用非侵入性技術(shù)評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨的完整性和軟骨修復(fù)是診治骨關(guān)節(jié)炎的一個(gè)關(guān)鍵因素。關(guān)節(jié)鏡是診斷骨性關(guān)節(jié)炎的“金標(biāo)準(zhǔn)”[2]，它可以顯示軟骨表面病變及關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)，但由于視野存在限制，無(wú)法精確區(qū)分軟骨深層受損程度[3]，并且屬于有創(chuàng)檢查，因此關(guān)節(jié)鏡檢查發(fā)現(xiàn)早期關(guān)節(jié)軟骨損傷的能力有限，多用于嚴(yán)重的關(guān)節(jié)軟骨損傷的診治。MRI檢查安全無(wú)創(chuàng)，能夠彌補(bǔ)常規(guī)X線、CT檢查在關(guān)節(jié)軟骨顯示方面的不足。新興的MRI定量技術(shù)如DTI、T2-mapping[4]、T1ρ[5]等能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)軟骨的生化成分進(jìn)行可視化分析，在關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)尚未發(fā)生改變之前對(duì)軟骨損傷做出診斷，為后續(xù)臨床治療提供影像支持。本文就擴(kuò)散張量成像在關(guān)節(jié)軟骨損傷中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 關(guān)節(jié)軟骨正常結(jié)構(gòu)及損傷機(jī)制

關(guān)節(jié)軟骨由大量的水(70%)、軟骨細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix，ECM)(27%)和少量的軟骨細(xì)胞(3%)組成，不含血管、淋巴管和神經(jīng)，主要靠滑液來(lái)營(yíng)養(yǎng)。水在關(guān)節(jié)面負(fù)重時(shí)可從軟骨基質(zhì)中被擠出，起到潤(rùn)滑作用，減少對(duì)關(guān)節(jié)面的摩擦。細(xì)胞外基質(zhì)由膠原纖維和蛋白多糖(proteoglycan，PG)組成，膠原不同層之間方向和密度不同，排列成直角相互交織、重疊充當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨的基質(zhì)結(jié)構(gòu)，在維持軟骨形態(tài)方面發(fā)揮作用。蛋白多糖是由蛋白聚糖和氨基糖與透明質(zhì)酸相連形成的高分子量聚合物，帶負(fù)電荷，可以通過(guò)吸引金屬陽(yáng)離子(Na+等)產(chǎn)生的滲透壓作用來(lái)吸引水分子，因此ECM具有極低的水滲透性，PG表面負(fù)電荷互相排斥，使ECM具有高膨脹力[6]。關(guān)節(jié)軟骨的功能不僅依賴其組成成分，還與其分層有關(guān)。正常關(guān)節(jié)軟骨由淺及深依次為滑動(dòng)層、移行層、輻射層和鈣化層?；瑒?dòng)層較薄約占整個(gè)軟骨厚度5%，沒(méi)有軟骨細(xì)胞的膠原纖維編織成網(wǎng)狀與關(guān)節(jié)面平行，防止蛋白多糖和其他內(nèi)部大分子的流失，是抵抗壓力的重要結(jié)構(gòu)；移行層厚度約占25%，該層膠原纖維呈交錯(cuò)排列，小的軟骨細(xì)胞分布在膠原纖維組成的空間框架內(nèi)，加強(qiáng)軟骨的抗剪切能力；輻射層是構(gòu)成關(guān)節(jié)軟骨的主要部分，厚度約占2/3，這層的膠原纖維最多且與關(guān)節(jié)面垂直排列，可以保證軟骨具有良好的抗壓縮能力；鈣化層的主要作用是將軟骨錨定在軟骨下骨[7]。

關(guān)節(jié)軟骨損傷可由多種原因引起，關(guān)節(jié)軟骨慢性損傷首先發(fā)生于軟骨淺層，表現(xiàn)為軟骨局部變軟?；|(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)、白細(xì)胞介素(IL)、腫瘤壞死因子(TNF)等多種生化因子分泌增加，會(huì)造成軟骨進(jìn)一步破壞[8]，軟骨出現(xiàn)裂隙及碎片脫落，刺激軟骨下骨增生硬化產(chǎn)生骨贅加速軟骨破壞，嚴(yán)重者引起滑膜、關(guān)節(jié)周圍肌肉和韌帶產(chǎn)生病變。

2 DTI基本原理及量化參數(shù)

原子核受激發(fā)后在非均勻磁場(chǎng)中擴(kuò)散，形成失相位產(chǎn)生信號(hào)衰減，DTI技術(shù)在至少6個(gè)方向上施加敏感梯度磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量各個(gè)方向上的信號(hào)衰減量，同時(shí)對(duì)水分子擴(kuò)散特征進(jìn)行量化，獲取不同狀態(tài)下組織細(xì)微結(jié)構(gòu)解剖變化和功能改變信息[9]。大多數(shù)MRI生物標(biāo)記物都以PG為靶點(diǎn)，例如鈉譜成像。對(duì)于膠原，部分敏感性由T2弛豫時(shí)間和磁化轉(zhuǎn)移得出[10-11]。DTI的優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)對(duì)PG和膠原進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因?yàn)榧?xì)胞外基質(zhì)不同成分對(duì)水分子運(yùn)動(dòng)影響不同。DTI目前常用的量化參數(shù)主要有部分各向異性指數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A值)、表觀彌散系數(shù)(average diffusion coefficient，ADC值)。膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于水沿著膠原纖維運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致水分子運(yùn)動(dòng)的各向異性，用FA值來(lái)代表，F(xiàn)A值趨向于1時(shí)，表示水分子的各向異性最大。ADC值反映不同方向水分子擴(kuò)散的能力，ADC值越大，水分子擴(kuò)散能力越強(qiáng)。PG分子為隨機(jī)取向，并沒(méi)有優(yōu)先的取向，在所有方向上限制水分子運(yùn)動(dòng)的能力相同，因此，PG的含量主要影響ADC值變化，對(duì)FA值影響很小[12]。軟骨損傷時(shí)單位體積內(nèi)PG含量下降，軟骨內(nèi)水分子彌散運(yùn)動(dòng)增加，ADC值增加；膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)水分子運(yùn)動(dòng)方向影響減弱，F(xiàn)A值減小。

3 DTI在關(guān)節(jié)軟骨損傷中的研究現(xiàn)狀

DTI以往多用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病診治，隨著MRI技術(shù)不斷發(fā)展與完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐步嘗試將DTI應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨損傷診斷方面。Ferizi[13]等通過(guò)建立關(guān)節(jié)軟骨機(jī)械損傷模型以評(píng)估DTI在早期檢測(cè)軟骨損傷中的敏感性，與以往常用的酶降解模型相比，機(jī)械損傷模型能夠更真實(shí)地模擬軟骨降解過(guò)程。結(jié)果顯示在輕度損傷組內(nèi)平均擴(kuò)散系數(shù)(MD值)增加，F(xiàn)A值無(wú)變化，在重度損傷組內(nèi)MD值升高，F(xiàn)A值下降，表明由于損傷而激活的分解代謝途徑是導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)逐步分解的主要原因，而且膠原損傷發(fā)生的速度要慢于PG的消耗速度。損傷后組織學(xué)分級(jí)變化與軟骨淺層MD值變化的相關(guān)性強(qiáng)于深層，這與safranin-O染色切片中觀察到的軟骨降解模式一致，首先軟骨表面發(fā)生降解，逐漸向軟骨深層擴(kuò)散。另一方面，F(xiàn)A值變化與組織學(xué)分級(jí)變化的相關(guān)性要弱于MD值，可能是由于組織學(xué)分級(jí)充分考慮了PG成分改變和細(xì)胞死亡，而在較小程度上考慮了膠原損傷情況。

Raya等[14]應(yīng)用7.0T MRI對(duì)健康成人及關(guān)節(jié)軟骨損傷患者行DTI檢查，結(jié)果顯示兩組FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示DTI在早期軟骨損傷診斷中具有可行性。趙丹丹等[15]通過(guò)對(duì)114例健康志愿者髕軟骨研究得出年齡與FA值、ADC值具有相關(guān)性，且與FA值呈負(fù)相關(guān)，與ADC值呈正相關(guān)。隨著年齡的增長(zhǎng)，細(xì)胞外基質(zhì)中的PG大小與聚集下降、負(fù)電荷減少、膠原蛋白降解導(dǎo)致對(duì)水分子自由擴(kuò)散限制能力減弱，水分子擴(kuò)散加速，表現(xiàn)為ADC值增加；基質(zhì)中膠原纖維直徑增大，硬度增高導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)紊亂，膠原纖維走行異常，降低了對(duì)水各向異性的限制，表現(xiàn)為FA值逐步下降。侯進(jìn)等[16]應(yīng)用3.0T MRI對(duì)健康人及不同分級(jí)軟骨損傷患者行DTI檢查發(fā)現(xiàn)：隨著骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展，F(xiàn)A值逐漸降低，早期骨性關(guān)節(jié)炎ADC值增加明顯，而在中晚期ADC值逐漸降低。骨關(guān)節(jié)炎早期軟骨基質(zhì)中蛋白多糖降解、Ⅱ型膠原退變，膠原網(wǎng)結(jié)構(gòu)斷裂導(dǎo)致軟骨內(nèi)自由水含量增加，ADC值明顯增加。而在中晚期骨關(guān)節(jié)炎，蛋白多糖大量丟失，負(fù)電荷減少，對(duì)水分子吸引能力減弱，雖然炎性因子介入會(huì)引起水向關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)轉(zhuǎn)移，但并不能抵消因蛋白多糖丟失導(dǎo)致的水分減少，并且該時(shí)期軟骨損傷區(qū)域內(nèi)纖維會(huì)進(jìn)行代償性修復(fù)，導(dǎo)致ADC值降低。因此，聯(lián)合應(yīng)用FA值和ADC值評(píng)估軟骨損傷會(huì)更準(zhǔn)確。孫沛毅等[17]研究發(fā)現(xiàn)DTI可定量評(píng)估髕股關(guān)節(jié)早期軟骨損傷，且較 T2*mapping 敏感。王俊江等[18]將正常成年兔脛骨軟骨從前至后分為5個(gè)區(qū)域，結(jié)果顯示不同區(qū)域ADC值及FA值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示關(guān)節(jié)負(fù)重區(qū)與非負(fù)重區(qū)軟骨及滑膜細(xì)胞外環(huán)境在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中改變不同，負(fù)重區(qū)要比非負(fù)重區(qū)改變明顯，導(dǎo)致產(chǎn)生更多MMPs，加重退變程度，因此在應(yīng)用DTI技術(shù)分析成年軟骨損傷時(shí)要考慮分區(qū)進(jìn)行。

4 小結(jié)

綜上所述，應(yīng)用DTI技術(shù)進(jìn)行早期軟骨損傷診斷具有良好的可行性。常規(guī)MR序列結(jié)合DTI技術(shù)能夠?yàn)榕R床早期診斷、治療關(guān)節(jié)軟骨損傷提供重要依據(jù)。然而目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多以髕軟骨作為研究對(duì)象，對(duì)其他部位軟骨研究甚少，我們應(yīng)進(jìn)一步研究探索，對(duì)不同部位軟骨進(jìn)行DTI成像研究。