股骨頭壞死關(guān)節(jié)軟骨損傷MR研究進(jìn)展＊

史 珊 楊學(xué)東 方繼良 羅 萍 孫 黎 王振常

1.中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院放射科北京市西城區(qū)北線閣5號(hào) (北京 100053)

2.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科北京市西城區(qū)永安路95號(hào) (北京 100050)

股骨頭壞死是由于股骨頭血供障礙或中斷，引起骨細(xì)胞、骨髓成分壞死，進(jìn)行性發(fā)展導(dǎo)致股骨頭塌陷、繼發(fā)骨關(guān)節(jié)病，從而引起關(guān)節(jié)功能障礙的疾病[23-24]。其發(fā)病年齡較輕，好發(fā)于中青年人群，病因可為非創(chuàng)傷性、創(chuàng)傷性和特發(fā)性，激素使用史及酗酒為非創(chuàng)傷性最常見的原因，股骨頸骨折為創(chuàng)傷性最常見的原因[25]。股骨頭壞死除了骨質(zhì)病變以外，也會(huì)引起關(guān)節(jié)軟骨損傷，進(jìn)而更加影響關(guān)節(jié)的功能，晚期會(huì)繼發(fā)骨關(guān)節(jié)病，此時(shí)，人工關(guān)節(jié)置換是唯一的選擇，但花費(fèi)較高，且可能會(huì)發(fā)生二次翻修或重新置換的情況，遠(yuǎn)期效益不夠理想。因此，股骨頭壞死的保髖治療引起骨科醫(yī)師的廣泛關(guān)注，在考慮保髖治療時(shí)關(guān)節(jié)軟骨損傷的程度和面積是非常重要的，因?yàn)檐浌菗p傷可以繼發(fā)骨關(guān)節(jié)病，進(jìn)而影響保髖治療的效果。近年來，隨著MR技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的研究關(guān)注于關(guān)節(jié)軟骨的損傷，本文就軟骨損傷機(jī)制及研究方法和進(jìn)展進(jìn)行一一總結(jié)。

1 軟骨的結(jié)構(gòu)、功能及損傷機(jī)制

關(guān)節(jié)軟骨是由軟骨細(xì)胞和富含膠原、蛋白多糖的細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，能潤(rùn)滑關(guān)節(jié)，并吸收和緩沖應(yīng)力。由于無血管供應(yīng)，其營(yíng)養(yǎng)成分靠彌散運(yùn)動(dòng)來獲取。軟骨下骨對(duì)關(guān)節(jié)軟骨提供力學(xué)支持及營(yíng)養(yǎng)。

軟骨下骨的壞死，不僅改變了關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)分布與機(jī)械傳導(dǎo)途徑，同時(shí)也影響了軟骨營(yíng)養(yǎng)供給及代謝產(chǎn)物的排出，使其易于損傷[1]。股骨頭塌陷后，關(guān)節(jié)應(yīng)力發(fā)生改變，機(jī)械應(yīng)力會(huì)加劇股骨頭關(guān)節(jié)軟骨的退行性變，一般是先侵害到軟骨下鈣化層和軟骨深部，隨后破壞軟骨完整性，同時(shí)也會(huì)引起髖臼軟骨的退變。

2 研究方法簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀

MR研究髖關(guān)節(jié)軟骨的方法不使用造影劑的有ADC、T1ρ、T2mapping、T2＊mapping、Fingerprinting，3D-T1/Pd軟骨定量研究及使用造影劑的軟骨延遲增強(qiáng)磁共振成像及直接關(guān)節(jié)造影，各方法分述如下。

2.1 表觀彌散系數(shù)(apparent diffusion coefficient,ADC)ADC是指DWI中不同方向的分子進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度和范圍。ADC通過DWI的擴(kuò)散敏感系數(shù)計(jì)算而來，b值越大，對(duì)水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)就越敏感，更有利于病灶的檢出，但圖像的信噪比會(huì)下降，因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)腷值，目前研究中較常用的b值為0/600、0/500、0/1000。

關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)水分子的彌散反映了組織的生化結(jié)構(gòu)和構(gòu)成。正常軟骨由于水分子彌散受軟骨成分的限制，其彌散時(shí)間長(zhǎng)，ADC值較低。股骨頭壞死塌陷前期髖關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)水分子的彌散速度較正常成人髖關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)水分子的彌散速度明顯加快，因此，ADC值也相應(yīng)地升高，可能是由于軟骨內(nèi)部成分發(fā)生變化，軟骨內(nèi)蛋白多糖不同程度丟失所致[2,3]。

2.2 T1ρ成像T1ρ主要用自旋或梯度回波序列進(jìn)行掃描反映自旋晶格弛豫時(shí)間，測(cè)量所得為組織的T1值。T1ρ對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中的蛋白多糖間的相互作用較為敏感，可以量化蛋白多糖的丟失程度。韓曉蕊、冷曉明等[1,4]用T1ρ定量技術(shù)對(duì)股骨頭壞死軟骨損傷狀況進(jìn)行對(duì)照研究，發(fā)現(xiàn)國(guó)際骨循環(huán)研究協(xié)會(huì)(Association Research Circulation Osseous,ARCO) Ⅲ期較對(duì)照組、Ⅰ期及Ⅱ期的T1ρ值顯著性升高，并且隨著ARCO分期的升高，軟骨損傷逐漸進(jìn)展。

Kazuhiko Sonoda等[5]發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死病人中，關(guān)節(jié)面塌陷者T1ρ平均值較未塌陷者升高；在塌陷者中，塌陷區(qū)域的T1ρ平均值較未塌陷病變區(qū)域增高。在關(guān)節(jié)面未塌陷者中，各區(qū)軟骨T1ρ平均值無差異。在塌陷組中，壞死區(qū)的T1ρ平均值與MR檢查前疼痛的持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān)。結(jié)果提示股骨頭壞死關(guān)節(jié)軟骨損傷始于關(guān)節(jié)面塌陷之后的壞死區(qū)域。

2.3 T2 mapping成像T2mapping一般采用多回波SE序列，在一個(gè)TR時(shí)間采集多個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的TE，獲得系列圖像，然后用公式進(jìn)行計(jì)算，得到T2弛豫時(shí)間圖像，進(jìn)而進(jìn)行量化分析。

T2mapping主要受軟骨水含量與周圍膠原排列的影響，在正常關(guān)節(jié)軟骨中，水質(zhì)子能夠與膠原纖維組織大部分結(jié)合，因此可以快速去相位，所以T2值較低。但是，軟骨膠原纖維會(huì)隨年齡的增長(zhǎng)進(jìn)行重塑，使水質(zhì)子與膠原纖維結(jié)合受限，因此軟骨的T2值升高。另外，軟骨細(xì)胞內(nèi)水含量增加或軟骨細(xì)胞外的基質(zhì)膠原被破壞也可使T2值升高，因而T2mapping可以探測(cè)關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)未變化之前軟骨內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化[6]。

在正常人群，股骨頭及髖臼各區(qū)域的T2值是不一致的，其中股骨頭后上區(qū)比后下和前下區(qū)域T2值高，在髖臼區(qū)，前下區(qū)比前上、中部和后下區(qū)域T2值高[7]。Atsuya Watanabe等對(duì)正常人群髖臼與股骨頭軟骨進(jìn)行T2值測(cè)量，將股骨頭軟骨分為放射狀的12等份，髖臼軟骨分為放射狀的6等份，結(jié)果顯示股骨頭軟骨在-20°～20°范圍內(nèi)T2值最短，在魔角(54.7°)附近T2值上升，股骨頭軟骨的T2值介于28-40之間；髖臼軟骨T2值在邊緣區(qū)域較低，尤其是在20°-30°范圍內(nèi)，髖臼軟骨T2值介于32-38之間；髖關(guān)節(jié)軟骨T2值不同性別及左右側(cè)別無顯著性差異[8]。姜?jiǎng)倥实妊芯堪l(fā)現(xiàn)正常股骨頭關(guān)節(jié)軟骨的T2值大約界定為(50±8)之間，若測(cè)得的壞死股骨頭軟骨T2值大5～10 個(gè)單位以上，應(yīng)懷疑存在軟骨損傷[9]。國(guó)內(nèi)韓曉蕊、冷曉明等用T2mapping定量技術(shù)對(duì)股骨頭壞死軟骨損傷進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)壞死股骨頭ARCOⅢ期軟骨較正常股骨頭、ARCOⅠ期、ARCOⅡ期軟骨的T2值顯著升高，隨ARCO分期的升高，軟骨損傷呈現(xiàn)漸進(jìn)加重的狀況[10]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)于股骨頭壞死患者軟骨損傷的定量分析，T1ρ的診斷價(jià)值稍高于T2mapping，與國(guó)外研究相符[1]。

Xu等通過對(duì)股骨頭壞死標(biāo)本的病例切片觀察及T2值測(cè)量，發(fā)現(xiàn)早期股骨頭壞死患者有軟骨基質(zhì)變性的傾向，軟骨表面密度分布不均，T2值不均勻增加；組織學(xué)染色顯示軟骨細(xì)胞明顯減少，排列不規(guī)則[11]。Shinji Yamamoto等發(fā)現(xiàn)非塌陷期股骨頭壞死，關(guān)節(jié)軟骨T2值已存在異常，較正常對(duì)照組上升[12]。

2.4 T2＊ mapping成像T2＊ mapping成像技術(shù)是在T2mapping成像的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，T2＊ mapping是用是多回波梯度序列、聚相位脈沖，將TE、翻轉(zhuǎn)角設(shè)置到為小翻轉(zhuǎn)角、長(zhǎng)TE可以得到T2＊權(quán)重的圖像，能夠反映自旋-自旋弛豫，并且成像速度較快、軟骨顯示更清晰、銳利。T2＊ mapping與T2mapping類似，主要受軟骨水含量、膠原網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的影響，從而可用于定量評(píng)估軟骨的生理成分改變。關(guān)節(jié)軟骨的T2＊值主要與膠原排列方向、膠原和水、糖胺聚糖含量有關(guān)[13]。

在無癥狀志愿者中，隨著形態(tài)的破壞T2＊值明顯下降，軟骨損傷1級(jí)相對(duì)于外觀表現(xiàn)正常軟骨的T2＊值下降最多、最明顯，T2＊是研究軟骨軟骨損傷的可靠工具[14]。目前，文獻(xiàn)檢索，尚無股骨頭壞死軟骨的T2＊ mapping研究。

2.5 軟骨延遲增強(qiáng)磁共振成像關(guān)節(jié)軟骨主要由軟骨細(xì)胞、水、蛋白多糖和膠原構(gòu)成。軟骨延遲增強(qiáng)磁共振成像是用帶負(fù)電荷的釓噴酸葡胺Gd (DTPA)2-與蛋白多糖中帶負(fù)電荷的糖胺聚糖相互排斥的原理來間接反映軟骨基質(zhì)中蛋白多糖的含量。

劉朝暉等研究發(fā)現(xiàn)：ARCOⅡ期股骨頭關(guān)節(jié)軟骨的T1Gd值較正常對(duì)照有顯著性下降，ARCO Ⅲ期T1Gd值下降更為明顯，證實(shí)股骨頭壞死塌陷前期關(guān)節(jié)軟骨的代謝已發(fā)生顯著性變化，并隨壞死分期的升高而進(jìn)展[15]。

2.6 關(guān)節(jié)造影關(guān)節(jié)造影可分為直接造影和間接造影，直接造影為造影劑直接進(jìn)行關(guān)節(jié)內(nèi)注射，間接造影為進(jìn)行靜脈注射，間接延遲成像。研究表明，關(guān)節(jié)內(nèi)直接注射，成像效果更佳，更有利于關(guān)節(jié)軟骨輪廓的顯示[16]。關(guān)節(jié)造影不僅可觀察股骨頭軟骨，還可用于觀察髖臼軟骨及盂唇的病變，對(duì)于有髖臼軟骨病變的患者，在關(guān)節(jié)置換手術(shù)時(shí)，全髖關(guān)節(jié)置換效果要好于半髖關(guān)節(jié)置換術(shù)[17]。

2.7 FingerprintingFingerprinting是一種新興技術(shù)，可一次性測(cè)量T1、T2及Pd值，成像時(shí)間短，僅需6分鐘，而得出數(shù)據(jù)多，已用于髖關(guān)節(jié)軟骨研究，研究發(fā)現(xiàn)：評(píng)估個(gè)體變異很小，可用于多中心及長(zhǎng)期研究[18]，但尚未應(yīng)用于股骨頭壞死。

2.8 T1/Pd三維軟骨定量技術(shù)軟骨三維定量采集方法有很多種，文獻(xiàn)常用的采集方法有：擾相梯度回波序列(spoiled gradient recalled echo,SPGR)、雙回波穩(wěn)態(tài)序列(3D dualecho steady state,3D-DESS)和3D-SPACE (sampling perfection with application-optimized contrasts by using different flip angle evolutions，SPACE)三維快速自旋回波成像技術(shù)，多采用壓脂技術(shù)，這些采集方式時(shí)間均相對(duì)較長(zhǎng)，但均能很好的顯示關(guān)節(jié)軟骨?？捎密浖M(jìn)行半自動(dòng)或自動(dòng)勾畫，從而進(jìn)行體積測(cè)量。

髖關(guān)節(jié)軟骨的體積與性別、體重指數(shù)、股骨頭大小有關(guān)；關(guān)節(jié)軟骨厚度與股骨頭大小有關(guān)[19]。正常組股骨頭及髖臼軟骨的平均厚度為1mm左右，髖臼軟骨稍厚。髖臼軟骨下部及后部較厚，而股骨頭軟骨前部較厚。髖臼軟骨的平均體積在4000mm2左右，而股骨頭軟骨的平均體積在3800mm2左右[20]。休息后比承重后軟骨的厚度增加[21]。

在股骨頭壞死研究當(dāng)中，Im G I等關(guān)注髖臼軟骨損傷，發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨的損傷與股骨頭塌陷程度相關(guān)，認(rèn)為ARCOⅢ期病人不能從保髖手術(shù)中獲益，同時(shí)軟骨損傷也可能是雙極頭半髖置換手術(shù)效果劣于全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的原因[22]。而髖臼軟骨損傷，與股骨頭塌陷后的擠壓、撞擊有關(guān)[17]。

3 總結(jié)

股骨頭壞死關(guān)節(jié)軟骨的研究為臨床治療方案的選擇及療效預(yù)測(cè)提供了更多定量及補(bǔ)充信息，相關(guān)方面研究方興未艾，總體來講，在股骨頭壞死塌陷前，關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)尚未發(fā)生顯著變化，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分已發(fā)生變化，可通過測(cè)量ADC、T1、T2及T1Gd值等來進(jìn)行定量分析。關(guān)節(jié)面塌陷后，軟骨損傷逐漸進(jìn)展，體積及形態(tài)發(fā)生變化，對(duì)定量測(cè)量提出了很大的挑戰(zhàn)，如能將三維體積的定量測(cè)量與ADC、T1、T2及T1Gd值的測(cè)量相結(jié)合，會(huì)為臨床診治提供更加精準(zhǔn)的信息。