MRI 超短回波時(shí)間序列評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)半月板的研究進(jìn)展

鄭孝眾 周靜 張晏境 姚婉貞 丁建平*

半月板是膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的解剖、生物力學(xué)和功能特征，對(duì)維持膝關(guān)節(jié)正常功能至關(guān)重要。傳統(tǒng)MRI 序列檢查時(shí)，由于半月板的T2/T2*值較短（5～10 ms），因而采集不到半月板信號(hào)，影像表現(xiàn)為低或無信號(hào)，造成短T2/T2*組織的結(jié)構(gòu)和生理信息丟失。MRI 超短回波時(shí)間（ultrashort echo time，UTE）序列可直接采集短T2/T2*的組織，無論在半月板定性觀察, 還是定量研究方面都具有較大的應(yīng)用價(jià)值。本文就UTE 序列在半月板中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 半月板的解剖及功能

半月板是位于膝關(guān)節(jié)股骨和脛骨關(guān)節(jié)面之間的纖維軟骨，橫截面大致呈三角形，內(nèi)側(cè)半月板呈“C”形，外側(cè)半月板呈“O”形。半月板主要由水（65%～70%）、膠原纖維（20%～25%）和蛋白多糖（proteoglycan，PG）（＜1%）組成[1]。膠原纖維是半月板的主要成分，大約98%的膠原纖維為I 型，類似于肌腱和韌帶，對(duì)半月板承受應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度起主要作用[2]。半月板中存在表面網(wǎng)狀纖維、片狀層、周向纖維、徑向纖維、垂直纖維和周向纖維周圍的網(wǎng)狀纖維6 種纖維組，各組具有不同的膠原走行及成分，共同維持著半月板的機(jī)械穩(wěn)定[3]。半月板是一種相對(duì)無血管的結(jié)構(gòu)，外周血液供應(yīng)有限，腘動(dòng)脈的分支是滋養(yǎng)半月板的主要血管，血流灌注僅限于外側(cè)半月板的外周10%～25%和內(nèi)側(cè)半月板的外周10%～30%，其余部分則通過滑膜擴(kuò)散或機(jī)械運(yùn)動(dòng)接受營(yíng)養(yǎng)[4]。因此，根據(jù)半月板血流灌注情況將其分為外1/3區(qū)（紅區(qū)）、中1/3 區(qū)（紅白區(qū)）及內(nèi) 1/3 區(qū)（白區(qū)），這對(duì)損傷愈合具有重要意義[5]。半月板的主要功能是傳遞脛股關(guān)節(jié)的負(fù)重及穩(wěn)定關(guān)節(jié)。半月板膠原成分為膝關(guān)節(jié)提供減震作用，其凹形表面限制了膝關(guān)節(jié)過度運(yùn)動(dòng)，增加了關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。此外，半月板還有潤(rùn)滑、營(yíng)養(yǎng)及本體感覺等功能[1]。

2 UTE 序列概述

傳統(tǒng)回波（快速自旋回波和梯度回波）序列使用相對(duì)較長(zhǎng)的回波時(shí)間，因此短T2/T2*組織在系統(tǒng)開始接受信號(hào)前已經(jīng)衰減到或接近于0，影像表現(xiàn)為低或無信號(hào)，導(dǎo)致大量信息丟失，難以進(jìn)行定性及定量研究。UTE 序列采用硬脈沖激發(fā)后直接檢測(cè)自由感應(yīng)衰減，但其影像具有梯度回波序列的特征，其回波時(shí)間受到射頻線圈發(fā)射與接收開關(guān)時(shí)間（0～70 μs）的限制，如果配合專用硬件設(shè)備更可以降至 8 μs，因此可以使短 T2成分成像[6]。二維 UTE（2D UTE）由2 個(gè)帶有相反層面選擇梯度的半sinc 函數(shù)射頻脈沖激發(fā)后，立刻采集自由衰減信號(hào)，2 個(gè)半脈沖的回波信號(hào)疊加在一起填充成一條K 空間線；為避免在信號(hào)衰減至0 之前未填充至K 空間中心，數(shù)據(jù)直接由K 空間中心開始采集，并呈放射狀填充K空間。在上述2D UTE 序列設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出三維UTE（3D UTE）序列，該序列應(yīng)用短硬脈沖進(jìn)行激發(fā)，數(shù)據(jù)進(jìn)行三維放射狀采集，即由K 空間中心向外并呈圓錐形填充[7]。

在人體膝關(guān)節(jié)半月板周圍有多種長(zhǎng)T2組織，如脂肪、肌肉等，在采集半月板信號(hào)的同時(shí)，周圍的長(zhǎng)T2信號(hào)也被不同程度的采集。因此，在UTE 序列的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了多種包含長(zhǎng)T2組織抑制的序列，提高了短T2成分的影像對(duì)比度，如脂肪飽和技術(shù)、雙回波減影等[8-10]。另外，UTE 還可結(jié)合 T1ρ、T2/T2* 對(duì)組織成分進(jìn)行研究。UTE 雙成分分析是測(cè)量長(zhǎng)T2*和短T2*中組織成分的技術(shù)，能夠反映組織內(nèi)不同生化成分的含量[11]。

3 UTE 序列在半月板中的應(yīng)用

3.1 半月板的定性觀察 傳統(tǒng)MR 影像上半月板通常表現(xiàn)為低信號(hào)，其周圍存在很多相似的短T2組織結(jié)構(gòu)，如韌帶、肌腱，因此其病變的診斷常常受到影響；而在UTE 序列影像上，正常半月板表現(xiàn)為高信號(hào)[12]，半月板撕裂和退變時(shí)則信號(hào)減低[13]，可以更加直接地觀察病變。Lee 等[14]采用3D UTE 加權(quán)減影的方法觀察膝關(guān)節(jié)中短T2組織的影像信息，使用最佳加權(quán)因子有效抑制長(zhǎng)T2組織信號(hào)，提高短T2組織對(duì)比度，最佳加權(quán)因子通過調(diào)節(jié)UTE 減影影像的信噪比（SNR）和對(duì)比噪聲比（CNR）來確定，綜合SNR 和CNR，確定了半月板的最佳加權(quán)因子為1.0，表明UTE 序列可以提供常規(guī)MRI 無法顯示的短T2組織。也有研究者[15]通過3D UTE 雙回波序列對(duì)半月板成像進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，結(jié)果顯示通過改變翻轉(zhuǎn)角和將2 次回波影像經(jīng)多平面重組后再相減可增加影像SNR，并且縮短第1 次回波時(shí)間可增加影像質(zhì)量。

3.2 半月板 UTE-T2* 和 UTE-T1ρ的測(cè)定

3.2.1 UTE-T2*測(cè)定 T2*主要用于評(píng)估組織含水量和膠原纖維取向，定量測(cè)量半月板的T2*值對(duì)生化成分的研究具有重要意義。有研究者[16-17]測(cè)得半月板的平均 UTE-T2* 值為 4～10 ms；Gatehouse 等[18]研究表明半月板不同區(qū)域的T2*值不同，白區(qū)、紅白區(qū)和紅區(qū)的平均UTE-T2*值分別為（7.8±1.2）ms、（6.5±1.4）ms 和（12.6±1.9）ms，提示不同區(qū)域半月板的生化成分不同，這為進(jìn)一步研究病變狀態(tài)的半月板提供了參考。

Williams 等[17]首次將 UTE-T2* mapping 技術(shù)與半月板的組織切片進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)正常半月板的UTE-T2*值較低，而撕裂或退變組則較高，并通過偏振光顯微鏡證實(shí)半月板組織UTE-T2*值增加代表的不是半月板膠原纖維的減少而是膠原纖維的紊亂。Yi 等[19]應(yīng)用常規(guī) T2*mapping 與 UTE-T2*mapping 對(duì)半月板進(jìn)行對(duì)比定量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)半月板前角撕裂組的UTE-T2*值高于正常組和變性組，而3 組常規(guī)T2*值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，提示UTET2*mapping 技術(shù)對(duì)診斷半月板變性及撕裂或許更加敏感。

膝關(guān)節(jié)病變中骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）的發(fā)病率較高，而前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是導(dǎo)致 OA 的重要原因[20]。Williams 等[17]發(fā)現(xiàn)UTE-T2*值的變化可預(yù)測(cè)ACL 損傷后半月板的早期變性，UTE-T2*值升高提示ACL 損傷已造成半月板膠原成分的破壞。另有研究者[21-22]在對(duì)ACL重建術(shù)后病人的隨訪時(shí)發(fā)現(xiàn)，UTE-T2*值降低提示半月板損傷的愈合，表明UTE-T2*定量研究不僅可以早期發(fā)現(xiàn)ACL 損傷造成的半月板變性，還可以反映半月板的愈合情況。

UTE 雙成分分析也已成功地應(yīng)用于半月板檢測(cè)，并且測(cè)得正常半月板與退化半月板的長(zhǎng)T2*及短T2*成分存在明顯差異，表明UTE 雙成分分析對(duì)診斷半月板退化有一定價(jià)值[11，23]。然而，目前研究尚無法確定半月板中長(zhǎng)T2*及短T2*的具體成分來源。

3.2.2 UTE-T1ρ測(cè)定 T1ρ主要用于評(píng)價(jià)組織內(nèi)水分子與蛋白多糖大分子之間的相互作用，其與蛋白多糖的含量呈負(fù)相關(guān)[24]。Du 等[16]研究測(cè)得健康人的半月板UTE-T1ρ值約為7.98 ms，為今后研究半月板退變及損傷提供了參考。Chang 等[25]研究發(fā)現(xiàn)去除PG 的半月板在UTE 序列影像上表現(xiàn)為組織腫脹、輪廓異常、纖維紊亂；并且測(cè)得 UTE-T1ρ值隨 PG 含量的減少而增加，提示UTE-T1ρ值增高與半月板變性有關(guān)，其可作為評(píng)價(jià)半月板退變的生物學(xué)指標(biāo)。

3.3 半月板膠原纖維的成像 膠原纖維是半月板承載應(yīng)力的主要成分，不同區(qū)域的纖維走行決定了半月板組織承受應(yīng)力的不同，對(duì)半月板生物力學(xué)具有重要作用。Bae 等[2]通過2D UTE 技術(shù)調(diào)節(jié)回波時(shí)間并確定回波時(shí)間為3～6 ms 時(shí)，其影像可以清楚顯示半月板的纖維結(jié)構(gòu)；亦可準(zhǔn)確識(shí)別半月板膠原纖維組中的片狀層和徑向纖維。半月板6 種膠原纖維組中的片狀層尤為重要，其位于半月板表面，半月板撕裂時(shí)一定累及該層，因此觀察片狀層的改變對(duì)檢測(cè)早期半月板損傷具有重要作用[26]。Choi 等[26]發(fā)現(xiàn)2D UTE 序列影像上正常半月板片狀層表現(xiàn)為新月形，而異常則表現(xiàn)為局部不均勻增厚；并且測(cè)得正常片狀層平均厚度為（232±85）μm，異常片狀層厚度為（353±98）μm；壓縮試驗(yàn)證明正常半月板的片狀層厚度與硬度呈正相關(guān)，提示片狀層在抗壓方面起著重要作用；此外，異常片狀層UTE-T2*值較正常片狀層顯著增加，提示UTE-T2*定量測(cè)量可用于區(qū)分正常和異常增厚的片狀層。

3.4 半月板鈣化的成像 膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷、退行性疾病和晶體關(guān)節(jié)疾病（如焦磷酸鈣晶體沉積病等）會(huì)導(dǎo)致半月板鈣化，影響其生物力學(xué)效能，進(jìn)而造成骨關(guān)節(jié)炎[27]。Omoumi 等[28]以傳統(tǒng) X 線為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 10 個(gè)半月板標(biāo)本進(jìn)行UTE 序列掃描，結(jié)果顯示在UTE影像上半月板鈣化成分的信號(hào)高于周圍正常半月板組織，并可以準(zhǔn)確地觀察到點(diǎn)狀、線狀或球狀等各種形態(tài)的鈣化成分；同時(shí)定量測(cè)得鈣化區(qū)的T2*值明顯低于鄰近正常半月板的T2*值，表明UTE 序列對(duì)于半月板鈣化的診斷優(yōu)于常規(guī)序列。Finkenstaedt 等[29]研究發(fā)現(xiàn)半月板鈣化的主要成分為焦磷酸鈣晶體（calcium pyrophosphate crystal ，CPP），其分布與半月板血供密切相關(guān)；鈣化成分幾乎都分布于非血管區(qū)，即紅白區(qū)和白區(qū)，這可能是由于CPP 主要在低氧環(huán)境中形成并沉積；并且所有半月板樣本的UTE-T2*值均與半月板硬度呈負(fù)相關(guān)，表明UTE-T2*可以作為評(píng)價(jià)含有鈣化成分的半月板硬度的合適指標(biāo)。

3.5 半月板紅白區(qū)的成像 半月板的血流灌注對(duì)于半月板至關(guān)重要，發(fā)生在紅區(qū)的撕裂較發(fā)生在白區(qū)的撕裂更易愈合，因此準(zhǔn)確識(shí)別紅白區(qū)對(duì)半月板的治療具有重要意義[5]。動(dòng)態(tài)增強(qiáng)MRI 是血流灌注研究中廣泛應(yīng)用的一種無創(chuàng)方法，UTE 序列的出現(xiàn)為半月板的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)成像提供了可能。Gatehouse等[30]對(duì)正常志愿者的半月板進(jìn)行UTE 序列成像，在靜脈注射對(duì)比劑后的減影影像上觀察到半月板外周部分信號(hào)明顯增強(qiáng)，并且測(cè)得其強(qiáng)化范圍與紅區(qū)解剖學(xué)范圍相符；此外，在UTE 增強(qiáng)影像上觀察到條狀的信號(hào)增高影，其可能為半月板的血管結(jié)構(gòu)，提示UTE 減影技術(shù)聯(lián)合靜脈注射對(duì)比劑對(duì)半月板紅白區(qū)的成像具有臨床意義，為進(jìn)一步研究半月板的血流供應(yīng)提供了基礎(chǔ)。

3.6 半月板pH 值的評(píng)估 軟骨和半月板細(xì)胞外的酸堿度會(huì)影響參與軟骨降解幾種蛋白質(zhì)的表達(dá)和功能，軟骨細(xì)胞在酸性條件下會(huì)抑制軟骨基質(zhì)合成，從而導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎[31]。臨床上半月板的pH 值只能在體外測(cè)量或者通過有創(chuàng)方法體內(nèi)測(cè)量。無創(chuàng)性的測(cè)量方法如化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移MRI 可以用于肌骨系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)的化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移序列回波時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于T2*較短的組織如關(guān)節(jié)軟骨、半月板，UTE 序列與該序列的結(jié)合解決了這一問題。High 等[32]和Ma 等[33]通過關(guān)節(jié)內(nèi)注入對(duì)比劑并進(jìn)行化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移-UTE 序列成像，測(cè)得半月板的平均pH 值為6.72，為體內(nèi)測(cè)量半月板pH 值提供了新方法。

4 小結(jié)

相較于傳統(tǒng)MRI 序列，UTE 序列最大的優(yōu)勢(shì)在于其超短回波時(shí)間可以顯示人體短T2/T2* 組織。UTE 序列對(duì)半月板的研究包括疾病的定性觀察，半月板膠原纖維、鈣化成分和紅白區(qū)的顯示以及半月板pH 值的評(píng)估等多個(gè)方面，對(duì)早期診斷半月板病變具有重要意義。但是，目前針對(duì)半月板的研究多為體外模擬及體外標(biāo)本實(shí)驗(yàn)，與臨床疾病相關(guān)的研究仍有待進(jìn)一步開展。