MRI成像技術(shù)在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用研究進(jìn)展

陳駿軍　郭成茂　陳武標(biāo)

【摘要】 膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎是現(xiàn)代人生活中的常見病，不僅影響膝關(guān)節(jié)的活動功能，也給生活帶來了諸多的不便，因此早期診斷關(guān)節(jié)炎，可以及時預(yù)防及治療關(guān)節(jié)面下軟骨的損傷，減少后期因關(guān)節(jié)損傷造成的關(guān)節(jié)畸形及殘疾。常規(guī)的影像學(xué)檢查對骨性關(guān)節(jié)炎的診斷價值不高，本文就新型磁共振成像技術(shù)在膝關(guān)節(jié)軟骨中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】 磁共振成像 膝關(guān)節(jié)軟骨 骨性關(guān)節(jié)炎 軟骨損傷

Application and Research Progress of MRI Imaging Technique in Knee Osteoarthritis/CHEN Junjun， GUO Chengmao， CHEN Wubiao. //Medical Innovation of China， 2022， 19（14）： -183

[Abstract] Knee osteoarthritis is a common disease in modern life， which not only affects the function of knee joint， but also brings a lot of inconvenience to life， therefore， early diagnosis of arthritis can prevent and treat the injury of subarticular cartilage and reduce joint deformities and disabilities caused by joint injury in the later stage. Conventional imaging examination is of low value in the diagnosis of osteoarthritis， this paper reviews the application of new magnetic resonance imaging in knee cartilage.

[Key words] Magnetic resonance imaging Knee cartilage Osteoarthritis Cartilage injury

First-author’s address： The First Clinical Medical College of Guangdong Medical University， Zhanjiang 524000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2022.14.044

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（keen osteoarthritis，KOA），在中老年人中發(fā)生率較高，臨床以關(guān)節(jié)僵硬，腫脹伴疼痛，間歇性彈響，活動和功能障礙為主，后期往往導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形及殘疾[1-2]。骨性關(guān)節(jié)炎的主要病理機制表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨的損傷變性及退變，但關(guān)節(jié)軟骨早期損傷常常因臨床癥狀不嚴(yán)重容易被忽略，因此利用相關(guān)輔助手段早期診斷KOA，既有助于醫(yī)生盡早干預(yù)和治療患者，也能減少患者的痛苦。臨床上常利用關(guān)節(jié)鏡及影像學(xué)檢查診斷KOA，其中關(guān)節(jié)鏡檢查是臨床診斷關(guān)節(jié)軟骨損傷的金標(biāo)準(zhǔn)，它不僅是一種有創(chuàng)侵入性檢查方法，對操作人員的技術(shù)要求很高，最大的缺點在于檢查過程中觀察視野存在一定的盲區(qū)，并且并不能觀察到軟骨在發(fā)生形態(tài)學(xué)改變之前的軟骨內(nèi)部成分的變化[3]。X線及CT檢查對KOA早期診斷價值不大[4]，不能直觀了解膝關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)成分的改變，往往都是到了中后期才出現(xiàn)關(guān)節(jié)間隙變窄、骨贅形成及骨質(zhì)疏松等間接征象。磁共振成像技術(shù)（magnetic resonance imaging，MRI）是一種非侵入性的安全成像技術(shù)，其不僅可以設(shè)計多種方向，增加新型序列，修改參數(shù)和調(diào)整多級成像的特征，而且極佳的軟組織分辨率是其他影像檢查無法替代的，這為診斷KOA軟骨損傷及退變提供了巨大的幫助。近年來，出現(xiàn)了眾多關(guān)于研究KOA關(guān)節(jié)軟骨成像的新技術(shù)[5]，比如彌散張量成像技術(shù)、軟骨延遲增強成像技術(shù)、鈉離子成像技術(shù)等，現(xiàn)將新型MRI一系列軟骨成像新技術(shù)在KOA診斷中的應(yīng)用進(jìn)行簡要綜述。

1 關(guān)節(jié)軟骨成像的MRI新技術(shù)

1.1 T2-mapping與T2*-mapping T2-mapping是目前在研究關(guān)節(jié)軟骨中相對成熟并得到廣泛運用的MRI生理成像技術(shù)[6]，通過測量軟骨中的T2值來定量評估組織學(xué)結(jié)構(gòu)，利用多層面多回波自旋回波SE序列提取T2-mapping成像圖像，由工作站相應(yīng)的軟件處理原始圖像，產(chǎn)生T2偽彩圖。在T2偽彩圖上，通過人工自主挑選出相應(yīng)的興趣區(qū)（ROI）并測量T2值，定量分析關(guān)節(jié)軟骨生化成分的變化[7-8]。關(guān)節(jié)軟骨T2值還能反映軟骨內(nèi)含水量、膠原含量及排列式變化。正常的關(guān)節(jié)軟骨在T2圖上連續(xù)光滑，色階均一，當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生不同程度慢性損傷時出現(xiàn)復(fù)雜不一的色階，病變部位T2值明顯升高。文獻(xiàn)[9-12]研究表明，T2-mapping顯像能檢測出早期KOA，隨著軟骨損傷程度逐漸增加T2值也隨之升高，與其含水量成正相關(guān)。張堃等[13]通過Meta軟件的分析（KOA組：420例，健康對照組：450例），研究結(jié)果提示可以利用T2-mapping技術(shù)來區(qū)分KOA和健康人群，KOA組關(guān)節(jié)軟骨T2值顯著高于健康對照組，且升高的程度與軟骨損傷的級別有關(guān)。Mackay等[14]通過對超過2 000個膝關(guān)節(jié)進(jìn)行回顧性分析，也進(jìn)一步驗證了T2-mapping成像技術(shù)診斷KOA的重要性及可靠性，根據(jù)T2值的變化程度檢測軟骨形態(tài)出現(xiàn)損傷前的病理生理改變，對于輕度KOA患者的早期診斷更具潛在價值。T2-mapping序列在膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的療效及術(shù)后評價等方面也具有重要作用。胡憶文等[15]對100例前交叉韌帶重建術(shù)患者間隔一年的追蹤。結(jié)果表明，即使患者膝關(guān)節(jié)活動功能恢復(fù)狀態(tài)良好，相應(yīng)臨床癥狀減輕或消失，但膝關(guān)節(jié)軟骨損傷退變繼發(fā)KOA風(fēng)險仍較高。

T2*-mapping成像技術(shù)也主要運用于組織生物學(xué)領(lǐng)域的研究，與T2-mapping對比，前者成像時間更短，圖像信噪比（signal to noise ratio，SNR）更高，所以臨床上應(yīng)用T2*-mapping效果要好于T2-mappping。Hesper等[16]研究表明，正常關(guān)節(jié)軟骨T2*值由淺至深逐漸下降，但KOA患者關(guān)節(jié)軟骨T2*值逐漸上升。

1.2 彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）與彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI） DTI與DWI均能反映水分子在生化組織中的自由擴散程度和各向異性，定量評估關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)水含量及分布。利用DTI的原始圖像，不僅可以得到軟骨組織的表觀彌散系數(shù)（average diffusion coefficient，ADC），而且還可以得到反映水分子部分各向異性指數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A），從而可以定量地研究組織中水的含量和膠原纖維結(jié)構(gòu)的變化情況[17]。大多數(shù)研究表明，膝關(guān)節(jié)軟骨隨著退變或損傷程度增加，ADC值也逐漸增加，相應(yīng)軟骨信號逐漸減弱。趙丹丹等[18]采用Philips 3.0T MRI對114例不同年齡階段健康志愿者的髕股關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行DTI研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增長，ADC值逐漸升高，F(xiàn)A值逐漸降低;DTI成像技術(shù)對關(guān)節(jié)軟骨成分及膠原纖維的排列方式和含量達(dá)到了量化的效果。李文文等[19]發(fā)現(xiàn)，在前交叉韌帶損傷合并軟骨損傷的觀察中，F(xiàn)A值特異性為80%，敏感性為96.7%，可見FA值用于檢測軟骨損傷意義重大。張新慧等[20]研究發(fā)現(xiàn)，早期KOA患者軟骨的ADC值明顯高于正常人，在軟骨出現(xiàn)不可逆的損傷時進(jìn)行早期干預(yù)治療具有較高臨床價值。鞠文萍等[21]對81例膝關(guān)節(jié)（OA組：53例，健康對照組：28例）DWI研究表明，ADC值不僅能診斷KOA患者軟骨退變，而且能區(qū)分軟骨損傷的輕重程度。DTI以及T2-mapping成像技術(shù)，對早期膝關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生形態(tài)學(xué)改變前的損傷評估及診斷均有很重要的價值[22]。DTI成像技術(shù)的局限性在于數(shù)據(jù)測量的重復(fù)性較差，后處理耗時長，結(jié)果也會因為分析系統(tǒng)及個體差異得出不同結(jié)論。

1.3 旋轉(zhuǎn)框架內(nèi)自旋晶格弛豫（the spin-lattice relaxation in the rotating fram，T1ρ） T1ρ成像是一種新型的MRI定量測量技術(shù)，主要以常數(shù)T1ρ作為信號衰減時間的檢測指標(biāo)，在常規(guī)序列的基礎(chǔ)上，通過預(yù)先施加自旋鎖定脈沖來實現(xiàn)成像。T1ρ可以反映軟骨組織大分子之間的關(guān)系，可根據(jù)軟骨中蛋白多糖含量分布的變化判斷軟骨損傷的程度，現(xiàn)已逐步應(yīng)用人體諸多關(guān)節(jié)[23]。劉宇等[24]對24例膝關(guān)節(jié)Ⅰ型膠原蛋白基質(zhì)置入術(shù)后軟骨修復(fù)及20例正常健康對照組研究表明，T1ρ和T2-mapping成像可以監(jiān)測術(shù)后不同時期軟骨生化成分的T1ρ和T2值，動態(tài)跟蹤軟骨術(shù)后修復(fù)情況，為術(shù)后軟骨修復(fù)效果評估提供可靠參考價值。Hu等[25]研究（腰椎小關(guān)節(jié)OA組：176例，健康對照組：21例）表明，T1ρ成像技術(shù)反映關(guān)節(jié)軟骨損傷比T2-mapping和T2*-mapping成像技術(shù)更有優(yōu)勢。文獻(xiàn)[26]通過T1ρ掃描健康和KOA模型豬，結(jié)果顯示KOA區(qū)關(guān)節(jié)軟骨T1ρ弛豫時間越長，蛋白質(zhì)含量逐漸降低。盡管T1ρ成像技術(shù)有獨特的優(yōu)點，但T1ρ成像掃描時間較長，且圖像質(zhì)量不穩(wěn)定，因此在臨床常規(guī)掃描中并不能得到廣泛的應(yīng)用。

1.4 軟骨延遲釓增強成像（delayed gadolinium enhanced magnetic resonance imaging of cartilage，dGEMRIC） dGEMRIC是通過測量T1弛豫時間來定量評估早期軟骨損傷中缺失的蛋白多糖。臨床上常常用于骨性關(guān)節(jié)炎的診斷，特別是評估早期軟骨形態(tài)學(xué)改變前的損傷程度[27]，但這項技術(shù)具有一定局限性[28]，不僅需要注射對比劑，且對比劑的潛在副作用和它滲入軟骨內(nèi)需要時間偏長，仍需患者配合關(guān)節(jié)活動，以至于不能很好地控制注射對比劑和掃描時間。Wei等[29]通過對8名健康志愿者膝關(guān)節(jié)軟骨研究表明：dGEMRIC被證明是一種評估關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)蛋白多糖含量更準(zhǔn)確、更靈敏的影像工具。Engen等[30]對21例軟骨（10例軟骨基質(zhì)置入術(shù)后，11例健康志愿者）研究表明，dGEMRIC還可用于評估軟骨術(shù)后患者的恢復(fù)情況。

1.5 鈉離子成像（NA-MRI） 鈉離子成像與dGEMRIC的成像原理相似，主要是通過MR特殊序列及特定線圈等硬件來測定軟骨內(nèi)鈉離子分布的位置及信號強度，根據(jù)軟骨中釋放的鈉離子濃度，在軟骨發(fā)生形態(tài)變化之前，對軟骨中蛋白質(zhì)多糖的分布和含量進(jìn)行早期監(jiān)測。R?s?nen等[31]通過對早期OA和晚期OA模型研究也證實了鈉離子成像技術(shù)可以有效測定OA關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)蛋白多糖的變化。Brinkhof等[32]使用鈉離子成像技術(shù)，比較健康人和早期癥狀性O(shè)A患者軟骨顯像，結(jié)果表明健康人的軟骨固定電荷濃度（fixed charge density，F(xiàn)CD）普遍偏高，而早期OA患者軟骨局灶性FCD較低，表明缺乏蛋白多糖。鈉離子成像技術(shù)在早期診斷關(guān)節(jié)軟骨損傷方面具有良好的應(yīng)用前景，但也存在一定局限性，比如空間分辨率和SNR低，掃描時間較長，場強高，特殊線圈等硬件設(shè)備。

2 膝關(guān)節(jié)軟骨生理及病理改變

細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）和軟骨細(xì)胞是關(guān)節(jié)軟骨的主要組成部分。軟骨對關(guān)節(jié)運動的穩(wěn)定性和正?；顒悠鹁薮笞饔茫热缭贓CM作用下，關(guān)節(jié)軟骨可以吸收機械應(yīng)力，保證骨骼的平穩(wěn)無摩擦運動，軟骨的力學(xué)性能也得到了提高[33-34]。在微觀水平上，ECM主要由水、蛋白多糖和膠原纖維組成，其中膠原纖維以Ⅱ型膠原主，約占15%的比例，錯雜交叉的膠原纖維形成穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較強的韌性和抗拉性，對軟骨具有保護(hù)作用;另外水分約占ECM總重量的70%，在負(fù)重、運動、關(guān)節(jié)損傷時，關(guān)節(jié)表面軟骨水含量減少或滲入關(guān)節(jié)腔是引起T2值變化的重要原因[35]。MRI多個序列可以探測到軟骨水分含量的微小變化，比如T2-mapping成像技術(shù)可以在軟骨損傷早期的軟骨厚度及形態(tài)改變之前[36]，最早出現(xiàn)T2弛豫時間的增加。目前關(guān)于關(guān)節(jié)軟骨損傷機制尚無明確說法，但一般認(rèn)為白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）在軟骨損傷中起重要作用，并通過多種途徑參與軟骨損傷的發(fā)生發(fā)展[37]。

3 總結(jié)及展望

盡管傳統(tǒng)MRI技術(shù)在軟骨顯像方面可以克服X線片和CT成像的不足，但大多數(shù)MRI常規(guī)序列只能顯示軟骨發(fā)生損傷后的形態(tài)學(xué)變化。為了更直觀地發(fā)現(xiàn)早期軟骨病變的微觀生化成分變化，從軟骨基質(zhì)成分、軟骨組織組成、膠原纖維排列方式等方面進(jìn)行分析，幫助臨床提高早期軟骨損傷準(zhǔn)確率，促進(jìn)早期干預(yù)和治療，研究者們更加注重對早期關(guān)節(jié)軟骨損傷進(jìn)行組織病理、軟骨內(nèi)顯微生化結(jié)構(gòu)變化的成像技術(shù)進(jìn)行深入研究。筆者也期待在不久的將來，MRI在關(guān)節(jié)軟骨成像技術(shù)方面不斷發(fā)展創(chuàng)新，評估關(guān)節(jié)軟骨損傷更加精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高早期OA診斷的準(zhǔn)確率。

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（收稿日期：2021-10-14） （本文編輯：張爽）