UTE-MRI 常用技術(shù)在軟骨定量研究中的應(yīng)用進(jìn)展

蘇曉蓮 萬麗娣 湯光宇

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種常見的退行性關(guān)節(jié)病。近年來，OA 的患病率持續(xù)上升，對(duì)社會(huì)健康、經(jīng)濟(jì)成本以及個(gè)人生活質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。然而，迄今為止OA 晚期除全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)外，尚無有效的藥物阻止其進(jìn)展[1]。因此，早期無創(chuàng)診斷OA對(duì)其早期干預(yù)有重要的臨床意義。OA 是累及關(guān)節(jié)多組織（軟骨、半月板、韌帶、肌腱、骨及關(guān)節(jié)滑膜）的系統(tǒng)性疾病，但其早期以關(guān)節(jié)軟骨變性為主要特征[2]。軟骨中含有大量短T2成分，其平均T2值較短，信號(hào)衰減較快。常規(guī)MRI 回波時(shí)間（TE 10~80 ms）只可獲得自由水的信號(hào)，無法直接獲得軟骨其他成分的信號(hào)[3]。因此，常規(guī)MRI 對(duì)軟骨定量研究的價(jià)值有限，檢測(cè)早期OA 的敏感性較差。近年來，隨著超短回波時(shí)間（ultrashort echo time，UTE）-T2*mapping、UTE Adibatic-T1ρ、UTE- 磁 化 傳 遞（magnetization transfer, MT） 以及酸性化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移(acid chemical exchange saturation transfer，acidoCEST） －UTE 等基于UTE 序列開發(fā)的定量成像技術(shù)的發(fā)展，使得識(shí)別早期軟骨變性成為可能，本文就上述常用于軟骨定量研究的UTE-MRI 技術(shù)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 OA 發(fā)生機(jī)制

關(guān)節(jié)軟骨由少量軟骨細(xì)胞和大量細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix,ECM）組成。ECM 主要由水、膠原纖維和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）組成，具有維持軟骨的結(jié)構(gòu)完整性和機(jī)械性能的作用[4]。軟骨組織是高度有序的層狀結(jié)構(gòu)，從淺至深分為4 層：淺表層、過渡層（中間層）、深層（放射層）和鈣化層。鈣化層（zone of calcified cartilage，ZCC）是關(guān)節(jié)軟骨中高度礦化的區(qū)域，通過潮線結(jié)構(gòu)與透明軟骨相連，通過黏合線與軟骨下骨相接。OA 早期階段，ZCC 重塑，軟骨變??；ZCC 中的細(xì)胞表達(dá)肥大性軟骨細(xì)胞表型并分泌X 型膠原，然后發(fā)生軟骨基質(zhì)礦化。因此，潮線結(jié)構(gòu)前移，軟骨下骨發(fā)生異常，導(dǎo)致軟骨變性[5]。有研究[6]表明ZCC 在輕度和中度OA 軟骨中表現(xiàn)出增厚，并且這種改變?cè)谳p度OA 中是可逆的。作為軟骨下骨和透明軟骨的橋梁，ZCC 的形態(tài)可以反映軟骨下骨和透明軟骨的病理生理狀態(tài)，因此研究軟骨ZCC 的特征對(duì)了解和早期診斷OA 具有重要意義。但是，由于ZCC 的T2值很短，常規(guī)MRI 序列上ZCC 幾乎顯示無信號(hào)；而UTE 序列是針對(duì)短T2組織的一種成像技術(shù)，相比常規(guī)MRI 序列能夠直接觀察到ZCC 并定量其組成成分[7]。

目前普遍認(rèn)為軟骨退變不僅是機(jī)械磨損，還是一種由生物化學(xué)介導(dǎo)的病理生理過程。軟骨生化組成的改變包括PG [主要成分為糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）]丟失及膠原纖維斷裂，這是OA 發(fā)生的標(biāo)志[8-9]。OA 早期階段，軟骨形態(tài)結(jié)構(gòu)無明顯改變，但其內(nèi)PG 開始丟失，膠原纖維開始分解；而OA 的后期階段，軟骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞，PG大量丟失，膠原纖維斷裂嚴(yán)重。其中，PG 丟失可逆，而膠原纖維斷裂則無法逆轉(zhuǎn)[4]。因此，在OA 發(fā)生過程中，PG 丟失是關(guān)鍵，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟骨PG 丟失對(duì)OA的早期診斷意義重大。

正常軟骨組織的生理代謝有賴于細(xì)胞內(nèi)外的環(huán)境穩(wěn)態(tài)平衡，軟骨細(xì)胞對(duì)外環(huán)境（如氧飽和度、熱量和pH 值等）的微小變化特別敏感。Das 等[10]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外pH 值變化是OA 發(fā)生的一個(gè)重要原因，提示了監(jiān)測(cè)軟骨細(xì)胞外pH 值的重要性。有研究[11]發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞外pH 值降低抑制PG 的合成。還有研究[12]發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞外pH 值降低可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡，軟骨細(xì)胞是ECM 合成的唯一來源，其減少可誘發(fā)軟骨變性。此外，軟骨酸性環(huán)境可激活基質(zhì)金屬蛋白酶，進(jìn)而降解PG；組織蛋白酶K 在酸性條件下自動(dòng)激活，降解Ⅱ型膠原，從而導(dǎo)致OA 的發(fā)生[13-15]。

2 UTE-MRI 概述

UTE 序列是TE＜1 ms 的序列的總稱，其使用半切片選擇和可變速率選擇性激勵(lì)使TE 短至8 μs，僅為信號(hào)激發(fā)與接收的硬件切換時(shí)間，相比常規(guī)MRI 檢查時(shí)間縮短為1/10～1/20，因而有效縮短了TE，實(shí)現(xiàn)短T2組織的直接成像[3,16]。2D UTE 序列通常采用半激勵(lì)脈沖，并從中心向外徑向采樣k 空間，隨后將來自2 個(gè)半激勵(lì)的數(shù)據(jù)合并，以生成k 空間的單個(gè)徑線。將徑向k 空間數(shù)據(jù)映射到笛卡爾網(wǎng)格并通過2D 逆傅里葉變換進(jìn)行重構(gòu)。3D UTE 序列則是在2D UTE 序列的基礎(chǔ)上采用短硬脈沖激發(fā)結(jié)合三維放射狀數(shù)據(jù)采集技術(shù)[7,17]。為了更好地顯示軟骨等短T2組織，需要抑制周圍的長(zhǎng)T2組織信號(hào)，常用的方法有雙脈沖回波序列、雙重反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE 技術(shù)和長(zhǎng) T2飽和 UTE 技術(shù)[18]。

3 UTE-MRI 軟骨定量研究

3.1 T2* mapping 和 UTE-T2* mapping 技術(shù) T2*mapping 采用多回波梯度回波序列，經(jīng)后處理獲得偽彩圖，利用單指數(shù)或雙指數(shù)衰減擬合模型獲取T2* 值[19]。相比 T2mapping，T2*mapping 具有更短的掃描時(shí)間、更大的空間分辨率以及3D 兼容性等優(yōu)勢(shì)[20]?；赨TE 序列的T2*mapping 可以直接觀察深層軟骨的形態(tài)特征，并可對(duì)其進(jìn)行定量研究，反映早期OA 中深層軟骨組織的變化。

軟骨早期變性時(shí)PG 含量減少、膠原纖維網(wǎng)斷裂以及水的滲透性增加。與PG 和膠原纖維結(jié)合的水變成了自由水，使得自由水增加、結(jié)合水減少，自由水與結(jié)合水的比例增高，使軟骨的T2*值升高。Du 等[21]采用雙重反轉(zhuǎn)恢復(fù)UTE 序列對(duì)尸體標(biāo)本ZCC 的T2*值進(jìn)行定量研究，測(cè)量出ZCC 的T2*值范圍為1.0~3.3 ms，實(shí)現(xiàn)了ZCC 的無創(chuàng)性評(píng)估。Liu等[7]采用3D-UTE-Cones 序列檢測(cè)出健康正常者體內(nèi) ZCC 的 T2* 值為 0.93~3.52 ms，表明 3D-UTECones 序列可以實(shí)現(xiàn)ZCC 在體直接成像及定量研究。ZCC 與OA 的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，UTE 序列上ZCC 的可視化和量化有助于OA 的早期診斷及治療監(jiān)測(cè)。Williams 等[22]研究顯示深層軟骨中的UTET2* 值通常隨著軟骨變性的增加而升高，UTET2*mapping 可以檢測(cè)關(guān)節(jié)軟骨深部組織損傷和重塑的早期細(xì)微征象；研究還比較了2D 和3D UTE-T2*mapping 測(cè)量股骨內(nèi)側(cè)髁和脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)的UTET2*值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D-UTE-T2*mapping 對(duì)脛骨平臺(tái)的深層軟骨變化更加敏感，而2D UTE-T2*mapping可以作為評(píng)估OA 早期股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨變化的影像學(xué)生物標(biāo)志物。

UTE-T2* mapping 易受磁場(chǎng)磁敏感性的影響，產(chǎn)生磁敏感偽影[19]。UTE-T2*值受魔角效應(yīng)影響較大，有研究[23]發(fā)現(xiàn)肌腱標(biāo)本的纖維走行與主磁場(chǎng)的夾角由0°變?yōu)?5°時(shí)，UTE-T2*值增加了6 倍。可見，UTE-T2*定量結(jié)果的不穩(wěn)定性使其在OA 早期診斷的應(yīng)用中存在較大的局限性。

3.2 UTE Adibatic-T1ρ技術(shù) T1ρ序列是當(dāng)磁化矢量?jī)A斜90°到橫向平面后施加一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、低能量的自旋鎖定射頻脈沖，鎖定橫向磁化強(qiáng)度，使質(zhì)子保持同相。多次采集后，獲得不同的自旋鎖定時(shí)間，根據(jù)曲線擬合指數(shù)衰減模型獲得T1ρ衰減時(shí)間常數(shù)，測(cè)量軟骨興趣區(qū) T1ρ值[24]。T1ρ反映了運(yùn)動(dòng)受限的水分子及其局部大分子之間的相互作用，可反映組織的生化特征，在組織發(fā)生形態(tài)學(xué)變化前，定量T1ρ值即可發(fā)生變化。軟骨膠原基質(zhì)內(nèi)的GAG 分子與水相互作用產(chǎn)生腫脹壓力，這種壓力有助于關(guān)節(jié)軟骨黏彈性的形成。因此，高GAG 含量和完整的膠原結(jié)構(gòu)可以維持正常軟骨和關(guān)節(jié)的機(jī)械功能，而GAG的丟失會(huì)造成機(jī)械響應(yīng)差，可作為軟骨退變的早期標(biāo)志[25]。Shen 等[26]通過測(cè)量OA 模型兔股骨髁軟骨的 T1ρ值，發(fā)現(xiàn) PG 含量變化與 T1ρ值之間有顯著相關(guān)性，PG 含量的減少會(huì)導(dǎo)致T1ρ值的升高，并且T1ρ值的增加與軟骨變性程度成正比。由于偶極-偶極效應(yīng)，魔角效應(yīng)嚴(yán)重影響連續(xù)波T1ρ（continuous wave-T1ρ，cw-T1ρ）對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的成像。Adibatic T1ρ技術(shù)使用了絕熱自旋鎖定脈沖，對(duì)魔角效應(yīng)的敏感性更低，有利于減少磁場(chǎng)不均勻性的影響并降低特定吸收率[27]。Rautiainen 等[28]通過測(cè)量不同退變程度軟骨標(biāo)本的Adibatic T1ρ值發(fā)現(xiàn)，該值與生物力學(xué)測(cè)量和國(guó)際骨關(guān)節(jié)炎研究學(xué)會(huì)（Osteoarthritis Research Society International,OARSI）分級(jí)密切相關(guān)，表明 Adibatic T1ρ序列對(duì)軟骨變性高度敏感，而且由于其具有降低特定吸收率值和對(duì)磁場(chǎng)不均勻不敏感的特性，臨床應(yīng)用更具有優(yōu)勢(shì)。

常規(guī) Adibatic T1ρ使用笛卡爾采集，TE 為幾毫秒甚至更長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)短T2*組織如關(guān)節(jié)軟骨深層、半月板、韌帶和肌腱的可視化，而3D-UTE-Cones Adibatic T1ρ序列可對(duì)關(guān)節(jié)軟骨深層以及膝關(guān)節(jié)其他組織進(jìn)行全面、穩(wěn)定的成像及定量研究。Wu 等[29]對(duì) 8 個(gè)膝關(guān)節(jié)樣本在與主磁場(chǎng)夾角 0°、30°、55°、70°、90°時(shí)分別進(jìn)行掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)深層軟骨的角度依賴性較淺表層軟骨明顯；此外，Cones Adibatic T1ρ值隨角度變化的幅度小于 Cones-cw-T1ρ值和Cones-T2* 值，表明 3D-UTE-Cones Adibatic T1ρ序列不僅可以對(duì)所有關(guān)節(jié)組織及其成分進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，而且其受魔角效應(yīng)的影響較小。

定量T1ρ成像需要獲取具有不同自旋鎖定時(shí)間的多個(gè)圖像，掃描時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可以通過減少自選鎖定時(shí)間的個(gè)數(shù)或者使用具有加速技術(shù)（例如并行采集成像或壓縮感測(cè)技術(shù)）的快速3D 采集縮短掃描時(shí)間[30]。

3.3 UTE-MT 技術(shù) MT 成像是一種以極快的橫向弛豫提供質(zhì)子池信息的間接技術(shù)[31]。雙池MT 模型主要研究關(guān)節(jié)軟骨中可自由移動(dòng)的水質(zhì)子池和運(yùn)動(dòng)受限的大分子質(zhì)子池之間的相互作用[32]。在射頻脈沖前施加一個(gè)額外的飽和脈沖，選擇性飽和大分子池中的質(zhì)子，隨后被飽和的大分子質(zhì)子將磁化傳遞到水質(zhì)子池，使得一部分水質(zhì)子飽和；被飽和的水質(zhì)子無法產(chǎn)生共振，因此水質(zhì)子信號(hào)減少，從而反映軟骨中大分子的含量。MT 定量參數(shù)包括大分子質(zhì)子分?jǐn)?shù)、大分子質(zhì)子的T2值和磁化轉(zhuǎn)移率（magnetic transfer ratio，MTR）等[31-33]。

雖然MT 可用于間接研究大分子質(zhì)子池，但由于大分子質(zhì)子池平均橫向弛豫極快，使用常規(guī)的采集方法無法獲取足夠的信號(hào)[34]。與UTE 結(jié)合后的UTE-MT 則可以獲取和量化這些“不可見”的組織信號(hào)成分；與只能檢測(cè)到表面軟骨信號(hào)的常規(guī)MT成像相比，UTE-MT 可以獲得軟骨基質(zhì)在OA 進(jìn)展過程中的完整影像變化，從而實(shí)現(xiàn)軟骨的定量研究[35]。Yang 等[36]通過在體外對(duì)不同程度退變的股骨前外側(cè)髁軟骨標(biāo)本進(jìn)行3 T MRI，測(cè)量興趣區(qū)的UTEMT 值、UTE-T2*值和T2值，并對(duì)相應(yīng)軟骨區(qū)域進(jìn)行Mankin 評(píng)分，發(fā)現(xiàn)UTE-MTR 值隨著軟骨變性的升高而降低，早期軟骨退變中UTE-MTR 值與Mankin評(píng)分相關(guān)，并且其診斷效能高于UTE T2*mapping和T2mapping，表明UTE-MT 對(duì)軟骨退變的敏感性較高，具有全面檢測(cè)和診斷早期軟骨退變的臨床應(yīng)用潛力。Ma 等[23]用跟腱標(biāo)本研究魔角效應(yīng)對(duì)UTE-MT定量參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)UTE-MT 定量參數(shù)均顯示出最小的角度依賴性（變化小于10%），并且這些參數(shù)的變異系數(shù)均較小，表明UTE-MT 參數(shù)對(duì)魔角效應(yīng)不敏感，有助于識(shí)別早期疾病、監(jiān)測(cè)疾病的進(jìn)展以及評(píng)估疾病治療效果。

由于MT 技術(shù)需要采集多個(gè)飽和脈沖功率和頻率偏移的數(shù)據(jù)，因而掃描時(shí)間過長(zhǎng)[37]?？梢試L試通過減少M(fèi)T 建模使用的數(shù)據(jù)集來減少掃描時(shí)間，也可嘗試?yán)每死_下限理論選擇MT 功率和頻率偏移量進(jìn)行MT 建模[23]。此外，MTR 值還易受到許多因素的影響，包括偏差頻率、射頻角度和場(chǎng)強(qiáng)，限制了其在軟骨變性評(píng)估中的準(zhǔn)確性[36]。

3.4 acidoCEST-UTE 技術(shù) 軟骨ECM 的合成與降解、蛋白水解酶的活性及軟骨細(xì)胞的凋亡均受軟骨細(xì)胞外pH 值的影響[38]；此外，關(guān)節(jié)組織的酸化還與OA 相關(guān)的疼痛有關(guān)[39]，因而監(jiān)測(cè)軟骨細(xì)胞外pH 值有重要的臨床價(jià)值。以往軟骨的細(xì)胞外pH 值只能通過體外檢測(cè)或者采用有創(chuàng)的方法進(jìn)行體內(nèi)測(cè)量。近年來隨著acidoCEST-UTE 技術(shù)的發(fā)展，使在體無創(chuàng)測(cè)量軟骨細(xì)胞外pH 值成為可能。

CEST 技術(shù)是MT 技術(shù)基于化學(xué)交換理論的延伸，其基本原理是首先施加預(yù)飽和脈沖，使可交換質(zhì)子達(dá)到飽和狀態(tài)，并與周圍水分子發(fā)生化學(xué)交換作用，使水分子飽和。通過測(cè)定水分子在施加飽和脈沖前后的信號(hào)變化，間接獲取特定分子的含量以及組織pH 等重要的生物學(xué)信息[40-41]。為了提高acidoCEST-MRI 技術(shù)軟骨成像信噪比，經(jīng)常需要使用碘帕多或碘海醇等非離子型碘對(duì)比劑，才能更好地測(cè)量水和酰胺側(cè)鏈之間的質(zhì)子交換產(chǎn)生的CEST信號(hào)。CEST 信號(hào)與pH 值呈線性相關(guān)，因而能夠敏感地反映pH 值[41]。然而，基于梯度序列或者快速自旋回波的傳統(tǒng)acidoCEST 序列，TE 值較長(zhǎng)，無法用于短T2組織（如軟骨、半月板等肌骨組織）的pH 值測(cè)量，因此以往acidoCEST MRI 主要用于測(cè)量腫瘤的pH 值[40]。與UTE 技術(shù)相結(jié)合的acidoCEST-UTE技術(shù)克服了TE 較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可用于在體測(cè)量肌骨組織的 pH 值[42]。Ma 等[42]和 High 等[43]分別通過體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了acidoCEST-UTE MRI 用于測(cè)量軟骨細(xì)胞外pH 值的可行性，acidoCEST-UTE 成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估軟骨細(xì)胞外pH 值的變化，在OA 的超早期診斷及疾病監(jiān)測(cè)中具有重要意義。

acidoCEST-UTE 成像作為一種新興的UTE 定量技術(shù)，存在掃描時(shí)間較長(zhǎng)、容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影等不足，但是隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，后期將可以通過減少采集數(shù)據(jù)點(diǎn)（如減少非共振數(shù)據(jù)點(diǎn)采集）、進(jìn)一步優(yōu)化UTE 序列、縮小掃描覆蓋范圍以及結(jié)合先進(jìn)的加速技術(shù)（如壓縮感知和并行采集成像等）來縮短掃描時(shí)間，使其更適用于臨床[42]。此外，acidoCEST-UTE 技術(shù)的CEST 效果取決于飽和頻率，因此還需要開展更多大樣本量的實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步優(yōu)化飽和頻率，獲得最佳成像方案[43]。

4 小結(jié)與展望

UTE 序列以超短TE 為特征，可通過全面精準(zhǔn)評(píng)估軟骨PG、膠原及細(xì)胞外pH 等生化指標(biāo)，獲得主要成分表現(xiàn)為短T2值的關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的清晰成像及定量研究；在OA 的超早期診斷、進(jìn)展評(píng)估以及治療指導(dǎo)等方面具有重要的意義和臨床價(jià)值。雖然由于種種限制，UTE-MRI 的研究更多處于實(shí)驗(yàn)階段，尚未得到臨床上的廣泛應(yīng)用和推廣。但是，隨著UTE-MRI 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及軟硬件設(shè)施的優(yōu)化升級(jí)，UTE-MRI 技術(shù)仍存在很大的發(fā)展空間，通過進(jìn)一步開展更多的臨床和基礎(chǔ)研究，以及制定規(guī)范的應(yīng)用流程，將有助于該技術(shù)為早期OA 的診斷和治療提供更精確的指導(dǎo)。