MRI T1ρ在骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變?cè)\斷和治療中的進(jìn)展

張逸軒， 湯光宇

(同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院放射科，上海 200072)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis， OA)是一種嚴(yán)重的退行性關(guān)節(jié)疾病，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)是最常見(jiàn)的發(fā)病部位。在全球范圍內(nèi)，每年大約有150萬(wàn)患者因?yàn)榧膊∵M(jìn)展至終末期而接受全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(totalkneearthr-oplasty， TKA)，預(yù)測(cè)在未來(lái)數(shù)量將增加4～6倍。關(guān)節(jié)軟骨(articular cartilage)的損傷退變是OA發(fā)病的最初因素[1-2]。OA的早期診斷有助于臨床在早期進(jìn)行干預(yù)，因此，關(guān)節(jié)軟骨損傷的早期發(fā)現(xiàn)顯得尤為重要。MRI能夠顯示出軟骨受損、骨質(zhì)侵蝕、滑膜增生以及骨髓水腫等病變[1]。MRI T1ρ序列作為一種定量MRI技術(shù)，用于關(guān)節(jié)軟骨定量檢測(cè)已有十余年歷史[2]，現(xiàn)對(duì)其近年研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 關(guān)節(jié)軟骨的生理結(jié)構(gòu)與OA的病理生理改變

正常關(guān)節(jié)軟骨是由少量的軟骨細(xì)胞(約占4%)及所處的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix， ECM)組成，后者主要由水(占60%～80%)、膠原蛋白(占15%～20%)和帶有負(fù)電荷的蛋白多糖(占3%～10%)組成。軟骨組織結(jié)構(gòu)一般分為4個(gè)區(qū)域，從淺至深分別是表層(切線層)、中間層(移行層)、深層(放射層)和鈣化層，鈣化層之下是軟骨下骨和松質(zhì)骨。由表及里，水的含量逐漸減少，且大部分水處在游離狀態(tài)，少部分與膠原結(jié)合存在。膠原蛋白主要為Ⅱ型膠原蛋白，一般認(rèn)為膠原纖維在深層是垂直分布，在中間層隨機(jī)分布，而在表層平行于軟骨的平面。蛋白多糖(proteoglycan， PG)以刷狀蛋白作為核心，延長(zhǎng)區(qū)域有糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)鏈附著。PG上的負(fù)電荷吸引金屬離子，進(jìn)而通過(guò)滲透作用從組織外吸收水分，起到擴(kuò)張軟骨的作用。PG有助于軟骨組織維持低水滲透性和高膨脹壓；膠原在各層間存在的排列差異，產(chǎn)生了相對(duì)PG的反拉力和剪切力的作用[3]。這兩者在各層濃度不一，表層最少，中層最多，這種分布方式有助于正常軟骨形態(tài)的保持。

OA發(fā)生早期時(shí)，關(guān)節(jié)軟骨的退變主要表現(xiàn)在細(xì)胞外基質(zhì)中的PG減少和膠原網(wǎng)絡(luò)的疲勞、破壞，包括了PG濃度下降，水含量上升，基質(zhì)大分子合成、降解速率的下降，這些變化影響了軟骨力學(xué)性能，明顯早于軟骨形態(tài)學(xué)變化[4]。因此，通過(guò)明確軟骨成分的改變能夠?qū)崿F(xiàn)軟骨早期退變的判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)OA早期診斷。

2 MR T1ρ成像原理

常規(guī)自旋回波序列下，在射頻脈沖后，磁化會(huì)沿著一個(gè)Z軸翻轉(zhuǎn)到XY平面，之后會(huì)在空間內(nèi)自由弛豫，恢復(fù)到主磁場(chǎng)方向；而通過(guò)外加沿磁化矢量翻轉(zhuǎn)的軸線方向的、連續(xù)的、長(zhǎng)周期的脈沖，使得受激發(fā)的物質(zhì)僅在新加脈沖場(chǎng)方向上衰減，稱之為自旋鎖定，通過(guò)擬合曲線得到的這個(gè)弛豫時(shí)間(T1ρ)被稱為在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系里的自旋-晶格弛豫時(shí)間，是一時(shí)間常數(shù)。

在傳統(tǒng)弛豫里，縱向磁化可以在拉莫頻率下發(fā)生晶格內(nèi)能量的交換。在自旋鎖定脈沖下，橫向磁化會(huì)在自旋鎖定脈沖下晶格內(nèi)交換能量，這直接與脈沖的幅度相關(guān)。T1、T2弛豫時(shí)間是組織的固有特性，一般不會(huì)受到脈沖序列參數(shù)的影響；而T1ρ的值是由組織特性和自旋鎖定脈沖的特征所決定。通過(guò)改變自旋鎖定脈沖的幅度和頻率，能影響晶格間的相互作用，產(chǎn)生不同的弛豫時(shí)間，進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算得到組織的T1ρ值。T1ρ對(duì)晶格間慢作用運(yùn)動(dòng)敏感，而慢運(yùn)動(dòng)與大分子相關(guān)，因此T1ρ弛豫參數(shù)提供了在低頻領(lǐng)域下的生物信息，范圍是幾百到幾千赫茲，故用在研究大分子與游離水低頻相互作用上[5]。在關(guān)節(jié)軟骨中，這主要體現(xiàn)在PG和水的相互作用上，當(dāng)PG含量減少時(shí)，T1ρ值增大，故MRI T1ρ應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨中主要反映兩者的變化。

3 T1ρ在關(guān)節(jié)軟骨退變?cè)缙谠\斷的價(jià)值

膝關(guān)節(jié)OA發(fā)生早期，關(guān)節(jié)軟骨PG含量的減少使得T1ρ升高。體外研究表明，發(fā)生OA的關(guān)節(jié)區(qū)域相比較于正常區(qū)域，軟骨的T1ρ值更高，進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)T1ρ與軟骨、滑膜液中的PG含量成負(fù)相關(guān)，而與組織含水量、通透性成正相關(guān)[6]。Regatte等[7]較早開(kāi)始了在體T1ρ定量掃描，初步計(jì)算出志愿者的定量T1ρ值。Wang等[8]通過(guò)在體MRI T1ρ掃描，明確了OA患者的關(guān)節(jié)軟骨T1ρ值高于正常人。在此基礎(chǔ)上，Baboli等[9]采用三維各向同性的0.7 cm×0.7 cm×0.7 cm分辨率MRI進(jìn)行正常人膝關(guān)節(jié)T1ρ掃描，在數(shù)據(jù)處理上，同時(shí)采用單指數(shù)和雙指數(shù)弛豫的算法，得到了正常人全膝關(guān)節(jié)的T1ρ基線值。研究均發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷會(huì)影響T1ρ[10-11]。Taylor等[10]對(duì)同一批志愿者分別于清晨和傍晚兩次掃描，獲得的T1ρ值傍晚較清晨增高7%，這提示日?；顒?dòng)所造成的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷一定程度上影響T1ρ。Kester等[12]對(duì)接受TKA的患者在術(shù)前進(jìn)行T1ρ掃描，術(shù)后取掃描部位標(biāo)本進(jìn)行病理檢查，發(fā)現(xiàn)患者M(jìn)RI圖像顯示軟骨形態(tài)無(wú)異常，而T1ρ數(shù)值升高，與鏡下所見(jiàn)軟骨退行性變相符合，證實(shí)了T1ρ對(duì)OA早期診斷的價(jià)值。

髖關(guān)節(jié)畸形是造成青壯年OA的主要原因，對(duì)畸形分類評(píng)估、診斷有助于臨床開(kāi)展進(jìn)一步診斷和治療，而關(guān)節(jié)軟骨退變可以早期反映髖關(guān)節(jié)畸形的病理變化。Nemeth等[13]完成了30例正常人的髖關(guān)節(jié)T1ρ掃描，并在掃描后30 min進(jìn)行第2次掃描，14 d后進(jìn)行第3次掃描，3次掃描結(jié)果的一致性確認(rèn)了T1ρ掃描髖關(guān)節(jié)軟骨的可重復(fù)性。Anwander等[14]對(duì)髖關(guān)節(jié)畸形進(jìn)行評(píng)估，在1.5 T場(chǎng)強(qiáng)下進(jìn)行T1ρ序列掃描，并采用六分區(qū)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集與分析，獲得了較好的數(shù)據(jù)的結(jié)果，并在Cam畸形診斷中得到了驗(yàn)證，為新的研究提供了一種可行的數(shù)據(jù)分析策略。Samaan等[15]把肌電圖與MRI T1ρ相結(jié)合，證實(shí)了在股骨撞擊綜合征患者中常伴有關(guān)節(jié)軟骨的受損。Han等[16]對(duì)不同的ARCO(Association Rese-arch Circulation Osseous)分級(jí)的股骨頭壞死患者同時(shí)進(jìn)行T1ρ和T2 mapping檢查，發(fā)現(xiàn)與T2 mapping相比，T1ρ對(duì)股骨頭壞死的不同分級(jí)間的差異顯示更靈敏，表明T1ρ在分級(jí)診斷里價(jià)值更高。

肩關(guān)節(jié)脫位是一種肩部外傷最常見(jiàn)的疾病，發(fā)生前脫位的患者并發(fā)盂肱關(guān)節(jié)病變風(fēng)險(xiǎn)較高，存在再次脫位的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨的改變有助于臨床判斷再脫位發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。Hayes等[17]較早采用MRI T1ρ檢測(cè)盂肱關(guān)節(jié)軟骨病變，發(fā)現(xiàn)其對(duì)于定性檢測(cè)軟骨病變具有較好的靈敏度、特異度。在此基礎(chǔ)上，研究利用T1ρ可以定量評(píng)估軟骨病變程度的特點(diǎn)，通過(guò)一項(xiàng)前瞻性研究，揭示了原發(fā)性肩關(guān)節(jié)脫位中，肱骨頭軟骨損傷程度高于關(guān)節(jié)盂軟骨損傷，有助于指導(dǎo)臨床制定相應(yīng)的治療方案；同時(shí)，他們還進(jìn)一步嘗試建立關(guān)節(jié)盂和肱骨頭軟骨的T1ρ值基線，便于早期肩關(guān)節(jié)脫位發(fā)生后及時(shí)對(duì)患者的軟骨損傷程度進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)復(fù)發(fā)性脫位的早期發(fā)現(xiàn)與治療有著重要意義[18]。

慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)是運(yùn)動(dòng)后外踝扭傷常常導(dǎo)致的一種慢性關(guān)節(jié)病變，當(dāng)理化因素改變時(shí)，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致OA發(fā)生。Wikstrom等[19]采用MRI T1ρ對(duì)患有慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的患者進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)T1ρ值和變異率較正常人明顯增高，驗(yàn)證了慢性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)和創(chuàng)傷后OA在關(guān)節(jié)軟骨的改變上是相仿的，這一改變?cè)缬谛螒B(tài)學(xué)的變化，故MRI T1ρ可以早期評(píng)估踝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷后患者的遠(yuǎn)期生活質(zhì)量。

常規(guī)的自旋回波序列T1ρ掃描存在的不足之處，如耗時(shí)較長(zhǎng)，射頻脈沖能量高[20]，且因回波時(shí)間較長(zhǎng)，不能夠采集短T2、T2*軟骨組織成分的信號(hào)。超短回波序列(ultrashort echo time， UTE)是一種能對(duì)短T2、T2*成分(軟骨深層和鈣化層)進(jìn)行直接顯示及生化定量分析的方法。Ma等[21]針對(duì)關(guān)節(jié)軟骨中的短T2組織，采用UTE T1ρ掃描，發(fā)現(xiàn)較常規(guī)T1ρ掃描能更好地顯示短T2、T2*的軟骨深層和鈣化層，提出了將UTE T1ρ作為一種新型定量MRI技術(shù)用于關(guān)節(jié)軟骨的研究，用于區(qū)分肌骨系統(tǒng)中的短T2組織。

4 其他關(guān)節(jié)軟骨定量MRI技術(shù)

T2 mapping是采用多回波自旋回波序列進(jìn)行掃描，經(jīng)后處理得到T2值，通過(guò)T2值進(jìn)行關(guān)節(jié)軟骨的定量評(píng)估。軟骨組織的T2值主要和細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)膠原纖維和水的變化相關(guān)[22]；離體實(shí)驗(yàn)表明，軟骨損傷發(fā)生后，水含量增加，而GAG的濃度降低，關(guān)節(jié)軟骨的T2值增高，并且隨著退變程度的加重，T2值將會(huì)逐漸增高[12,23]。T2 mapping掃描所得的T2值受到魔角效應(yīng)的影響，即當(dāng)膠原蛋白的排列方向與主磁場(chǎng)方向成55°角時(shí)，T2值會(huì)發(fā)生較大偏差，這樣會(huì)使得定量評(píng)估軟骨退變的準(zhǔn)確性下降[24]。

T2*mapping同樣是一種反映關(guān)節(jié)軟骨中水、膠原纖維含量變化的磁共振定量評(píng)估技術(shù)。在軟骨退變的不同階段，水分子的含量不同，膠原纖維排列方式亦存在差異，試驗(yàn)表明T2*值會(huì)隨軟骨退變程度的加重而降低[25-27]。T2*mapping相比T2 mapping有著成像快、重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，但是敏感性不如T2 mapping[28]。除此之外，T2*值還更容易受到磁場(chǎng)不均勻的影響[29]。

延遲釓增強(qiáng)磁共振軟骨成像(delayed gadolin-ium-enhanced magnetic resonance imaging of cartil-age， dGEMRIC)是用釓對(duì)比劑來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)成像，用于評(píng)估關(guān)節(jié)軟骨中GAG含量的變化。在關(guān)節(jié)軟骨退變的早期，隨著PG、GAG含量的下降，陰離子減少，此時(shí)電荷分布不均，所以對(duì)具有負(fù)電荷的順磁性釓螯合物的排斥力下降，從而使對(duì)比劑能夠進(jìn)入到軟骨的退變區(qū)域，在信號(hào)上表現(xiàn)為T(mén)1值的縮短[30]。dGEMRIC中釓對(duì)比劑的用量為常規(guī)增強(qiáng)MR劑量的兩倍，給藥后患者需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，從而使得對(duì)比劑進(jìn)入關(guān)節(jié)里，再完成多次反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列的掃描，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到軟骨的T1值。因此，dGEMRIC可以定量反映軟骨內(nèi)PG、GAG的含量；軟骨的T1值降低時(shí)，表明軟骨內(nèi)PG、GAG含量下降，軟骨的損傷程度增加[31]。但dGEMRIC技術(shù)存在掃描時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)、需要患者運(yùn)動(dòng)配合以及釓對(duì)比劑用量大等缺點(diǎn)，限制了進(jìn)一步臨床試驗(yàn)的開(kāi)展。

磁化傳遞對(duì)比(magnetization transfer contrast， MTC)技術(shù)是一種新型軟骨成分MR定量分析方法，它利用大分子與水間偶聯(lián)的磁化傳遞效應(yīng)進(jìn)行成像。關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)有著大量的大分子，這些大分子內(nèi)質(zhì)子與水之間的磁化傳遞率(magnetization transfer ratio， MTR)會(huì)隨著大分子含量、結(jié)構(gòu)的改變而不同；MTC技術(shù)可以計(jì)算出兩者間的MTR，從而反映出軟骨結(jié)構(gòu)的病變。目前的試驗(yàn)表明軟骨中PG含量減少的時(shí)候，MTR值會(huì)降低，但同時(shí)報(bào)告了MTC技術(shù)的準(zhǔn)確度、特異度欠理想[32]。

與其他軟骨定量MRI技術(shù)相比，T1ρ可特異性反映PG含量的變化，部分實(shí)驗(yàn)表明靈敏度、特異度較T2、T2*高[13,16,33]；同時(shí)T1ρ受到魔角效應(yīng)的影響不顯著[34]；與dGEMRIC相比，MRI T1ρ無(wú)需對(duì)比劑，無(wú)需較長(zhǎng)的等待時(shí)間；同時(shí)UTET1ρ作為T(mén)1ρ新的發(fā)展方向，能清楚地顯示軟骨深層和鈣化層，在膝關(guān)節(jié)軟骨成像方面有一定優(yōu)勢(shì)。

5 T1ρ在關(guān)節(jié)軟骨病變療效評(píng)估中的應(yīng)用

MRI T1ρ除了在關(guān)節(jié)軟骨疾病的早期診斷中起到重要作用，現(xiàn)在更多地應(yīng)用于評(píng)估療效。Hirose等[35]比較了類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎治療前與治療(甲氨蝶呤、潑尼松龍)后1年的關(guān)節(jié)軟骨MRI，顯示軟骨層厚有所下降，T2 mapping升高，而T1ρ未見(jiàn)明顯升高，提示藥物治療作用的原理可能與PG提高相關(guān)。Knox等[36]在一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)兩年的隨訪研究中，發(fā)現(xiàn)前交叉韌帶損傷重建術(shù)后外側(cè)半月板后角的T1ρ值明顯下降，而內(nèi)側(cè)半月板后角的T1ρ值在全部隨訪時(shí)間內(nèi)一直保持增高，說(shuō)明ACL重建術(shù)有益于外側(cè)半月板恢復(fù)，但可能加重內(nèi)側(cè)半月板的變性，這有助于外科手術(shù)療效的評(píng)估隨訪。Haraguchi等[37]采用自體骨軟骨移植(autologous osteochondral transplan-tation， AOT)治療距骨剝脫性骨軟骨炎，通過(guò)2年的療效隨訪，他們發(fā)現(xiàn)移植骨的T1ρ升高，提示其中的PG成分減少，這與臨床上AOT術(shù)后患者的運(yùn)動(dòng)水平下降一致，展示了T1ρ在術(shù)后隨訪中的重要作用。還有更多的學(xué)者將MRI T1ρ應(yīng)用在膝關(guān)節(jié)交叉韌帶損傷重建術(shù)后的評(píng)估中，分別采取了術(shù)后不同時(shí)間段隨訪，掃描獲得移植物的T1ρ值，并與臨床膝關(guān)節(jié)評(píng)分、化驗(yàn)結(jié)果、運(yùn)動(dòng)能力等比較，均獲得T1ρ有著良好一致性的結(jié)果，表明T1ρ作為一項(xiàng)量化指標(biāo)在評(píng)估療效應(yīng)用有著廣闊前景[38-41]。

6 展 望

OA是老年人最常見(jiàn)的慢性病之一，隨著老齡化社會(huì)的進(jìn)展，更早、更精準(zhǔn)的影像學(xué)評(píng)估手段有著很大需求。MRI T1ρ作為一項(xiàng)定量磁共振檢查方法，可特異性反映PG含量的變化，當(dāng)軟骨變性PG含量減少時(shí)，T1ρ值增大，能較早地發(fā)現(xiàn)、診斷疾病。MRI T1ρ也具有著無(wú)須對(duì)比劑、無(wú)須較長(zhǎng)等待時(shí)間、靈敏度相對(duì)高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，UTE T1ρ作為T(mén)1ρ新的發(fā)展方向，能清楚地顯示軟骨深層和鈣化層，可以展示出病變的更多細(xì)節(jié)。MRI T1ρ作為一種無(wú)創(chuàng)、敏感的定量檢查手段，已在關(guān)節(jié)軟骨評(píng)估中發(fā)揮著不可替代的作用，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，將在軟骨變性早期定量評(píng)估和療效監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。