MR成像在膝關節軟骨中的應用研究進展

李曉芬(綜述)，曾獻軍(審校)

(1.江西省人民醫院放射科； 2.南昌大學第一附屬醫院影像科，南昌 330006)

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MR成像在膝關節軟骨中的應用研究進展

李曉芬1(綜述)，曾獻軍2(審校)

(1.江西省人民醫院放射科； 2.南昌大學第一附屬醫院影像科，南昌 330006)

關鍵詞：膝； 關節軟骨； 磁共振成像； X線計算機體層成像

膝關節是人體最復雜且最容易受損的持重關節，膝關節疾病又以骨性關節炎(OA)多見。OA多表現為膝關節腫痛酸脹，逐漸發展可引起關節疼痛，以至發生殘疾，嚴重影響患者的日常生活和降低健康標準。關節軟骨是維系膝關節功能正常運作不可或缺的主要組織成分，由于膝關節OA的發病并不直接危害到患者的生命，所以常常被忽視。一旦缺損，若耽誤了早期的治療，關節軟骨損傷進一步發展，軟骨膠原纖維網架崩解，造成軟骨合成代謝和分解代謝的紊亂，引發骨關節炎[1]。軟骨的鈣化層損傷造成軟骨下骨增生硬化，出現骨刺，引起關節間隙變窄，甚至發生關節強直等改變。

目前，分子生物學及顯微外科相關學科發展迅速，對軟骨病變的早期診斷及軟骨缺損的早期修復技術也日益成熟。隨著OA的發病率與日俱增，亟需尋求一種能早期、無創傷性的技術方法來評價關節軟骨損傷，因此應用MRI掃描來觀察關節軟骨病變已成趨勢。T2-mapping成像利用其特殊的新穎MR成像技術計算獲得關節軟骨的T2值，進而發現那些形態學上未發生改變的早期OA的軟骨損傷組織生化成分的變化[2-3]。本文對膝關節軟骨的組織學和MRI表現、MRI新成像技術方法和評價關節軟骨病變的診斷價值進行如下綜述。

1關節軟骨的組織解剖學與MRI表現

關節軟骨是緊密地吸附在關節軟骨承重面上的一種特殊組織成分，主要成分有軟骨細胞和其外圍的細胞基質，而后者又主要由水、膠原纖維與蛋白多糖組成[4]。這些基質成分的生化特性和排列分布決定了關節軟骨的穩固負重能力。由于各層的膠原纖維排列不一，又將關節軟骨分為4層：表層為與關節面平行的膠原纖維，即平行層，此層軟骨細胞甚少，膠原纖維相互交織呈網架結構，成為遏止水分子流動的有效屏障；中間層又稱過渡層，由弓形排列交織的膠原纖維組成；第3層為放射層，此層中軟骨細胞形態大，含膠原纖維最多，且垂直排列于軟骨關節表面；最底層為鈣化層，利用垂直的膠原纖維和軟骨下骨緊密相連[5-6]。正常情況下，蛋白多糖的含量在過渡層中最多，而水分則在表層含量最多。軟骨退變和損傷時，膠原纖維的網狀組成結構出現改變，蛋白多糖含量減低，軟骨內自由水成分增加。退變的關節軟骨改變，主要與關節軟骨表面蛋白多糖含量和自由水的成分改變有很大的關系[7]。

關節軟骨各成分的不同是MRI成像中信號高低變化的因素[8]。有學者[9-11]研究報道，正常關節軟骨在MRI中呈分層改變，但對分幾層及各層信號特點的結果相差較大。Modl等[12]首先發現軟骨在SE序列上表現為由外到內的低信號、高信號及低信號3層，組織學上分別對應于軟骨的切線層、過渡層及鈣化層。有學者[13]指出，關節軟骨在快速場回波(FSE)T1WI上分3層：表層為低信號帶，約占總厚度的16%，相當于切線層；中層表現為較高信號帶，約占總厚度的31%，相當于過渡層；深層為低信號帶，約占總厚度的53%，相當于放射帶和鈣化帶。在MRI快速自旋回波序列中，由于軟骨及周圍關節液之間的質子磁化率差異，兩者之間的對比較強，所以關節軟骨顯示較佳；在質子密度加權成像和T2WI上，關節積液的高信號和關節軟骨的低信號對比差異感也很清楚。GRE序列通常采用脂肪抑制結合三維成像，軟骨表現為中高信號，關節積液為低信號，局部軟骨缺損可表示為高信號內的局限低信號區，從而易于顯示。

總之，常規序列顯示軟骨的形態學改變具有敏感性，但由于對比度欠清，軟骨分層顯示不明顯，對軟骨早期的生化成分改變不能很好地反映出來，因此對軟骨生化成分的顯示具有局限性[6]。只有當軟骨病損突破到一定程度時，引起軟骨剝脫和軟骨下骨暴露，才能清晰地顯示。

2關節軟骨成像的MRI新技術

2.1T2-Mapping圖像的定量分析

T2-Mapping圖像是目前評估軟骨成分結構變化及微觀生化較敏感的一項新的軟骨MRI生理成像技術。T2 橫向磁化時間主要反映關節軟骨內膠原纖維含量、軟骨基質內水和蛋白多糖含量的改變。有研究[14]認為，關節軟骨內膠原含量及順序排列的改變決定了T2 值的變化。也有學者[15-16]認為，軟骨基質內水和蛋白多糖的含量也與T2 值呈相關性，T2圖可作為一種無創性檢查技術應用于臨床。由于軟骨退變與多種因素有關，隨著年齡的增長，軟骨逐漸變薄，T2值降低[17]。也有研究[18]證明，運動后較運動前關節軟骨表面的T2值降低，雖然影響因素眾多，但是軟骨退變者的T2值均較正常者高。

由于T2圖對場強要求不高，掃描時間較短，成像序列不復雜，因此臨床開展較多，其能敏感地反映早期軟骨病損的形態學改變和軟骨微觀的生化成分的變化，較常規的MRI序列掃描明顯占優勢。但不足的是當膠原多糖的走行方向和主磁場呈55°角時，T2 值增加，信號明顯增強，軟骨的MRI分層也最不準確，這也稱為魔角效應。國外學者[4]提出，T2 值和關節軟骨膠原物質及組織關系更密切。有研究[19]認為，T2弛豫時間主要與關節軟骨的水含量和膠原纖維方向有關，軟骨復雜的膠原框架導致T2值分布不均，軟骨淺、深層的T2值差異代表了軟骨排列結構的各向異性。

T2-mapping成像是MRI的一種成像技術，可以幫助評價軟骨基質的狀態。雖然，T2-mapping成像仍存在很多技術問題，如受化學位移、產生的部分容積效應與主磁場成角度后出現的魔角效應、對關節軟骨病損的特異性低及敏感度高等影響，但是T2值對膠原和水含量變化敏感，對蛋白多糖改變不敏感。

2.2軟骨對比增強延時現象(dGEMRIC)

通過靜脈注入對比劑釓噴酸葡胺(GD-DTPA)，關節基質環境中的陰離子則進入組織軟骨內，正負電荷失衡導致T1 值減低，在關節軟骨內，GD-DTPA不斷擴散并達到均勻狀態，經過1～2 h代謝，采用多次反轉恢復序列掃描，在T1 加權圖像上利用軟件處理分析技術，生成曲線圖并測定該處的T1值，上偽彩形成參數圖，能對軟骨的生化成分、蛋白缺失進行早期的定量診斷。基于氨基葡聚糖含有負性基團導致含負性基團對比劑的分布減少，因此，T1增強顯像就表現為氨基多糖(GAG)濃度分布的顯像。dGEMRIC技術可反映軟骨中GAG的含量[20]。骨性關節炎模型在行功能磁共振時發現，退變軟骨T2mapping值增加，dGEMRIC值減少[21]。

dGEMRIC技術在先髖的顯示與關節鏡證實的骨關節炎早期關節軟骨軟化的對比中，輕度損傷在膝關節軟骨中氨基葡聚糖的影響中表現出了重要價值。正常志愿者的軟骨T1值很高，當受損關節軟骨退變區GAG瓦解流失，導致軟骨組織的T1值降低，致使T1圖測量的主要軟骨內氨基葡聚糖的含量成分改變。

2.3彌散加權成像技術(Diffusion-weighted Imaging，DWI)

DWI的成像基礎是通過對常規SE自旋序列分別給予梯度脈沖，特點是方向相反、大小相等的脈沖，第一個梯度脈沖使所有質子自旋去相位，而后一個使其相位重聚，是目前對水分子擴散運動進行測量與成像的唯一無創性且敏感的成像技術，本質上是用信號增減的方式表現出組織中的水分子擴散運動速度。

在正常關節軟骨中水分子被限制在膠原網眼間的空隙內，而在骨關節炎的早期階段，由于膠原及蛋白多糖崩解，增加了關節表面的摩擦作用和對水的通透性，使得水分子得以在關節軟骨內自由游動，擴散速度加快，軟骨的ADC值增加，DWI圖像呈低信號。劉斯潤等[22]研究顯示，彌散加權成像對早期骨性關節炎軟骨損傷的臨床應用有較高的診斷價值。研究結果還表明：在骨性關節炎患者中，髕骨關節軟骨的ADC值顯著增高，尤其以內側增高明顯；DWI不足在于軟骨T2馳豫時間短，為了突出軟骨信號需要縮短回波時間，而這樣會造成信噪比增加，出現偽影。

2.423Na譜成像技術

此項技術方法大體與dGEMRIC相似，由于23Na原子帶正電荷，當關節軟骨損傷出現蛋白多糖瓦解時，可在此區域出現異常信號改變。所以，局部23Na濃度與固定電荷密度(FCD)的變化呈正相關性。有文獻[6]報道，骨關節炎軟骨的糖胺聚糖降解區域23Na譜信號強度下降50%以上，由于23Na譜技術對MRI設備配置要求很高，且需要配備接收線圈和特殊的傳輸設備，故該技術仍處于研究階段。

3小結與展望

綜上所述，關節軟骨MRI成像技術在形態學的發展上已經日趨成熟，為了更直觀早期的發現軟骨病損的微觀生化成分改變，應深入探索早期關節軟骨損傷的組織生理性成像、軟骨內微觀生化結構變化的成像技術[23]，從分析不同的軟骨基質成分、關節軟骨組織成分及排列構成的改變上體現T2值，軟骨基質內蛋白多糖的含量變化則通過T1值來反映，兩者均能定量分析評估早期骨性關節炎的軟骨退變。目前T1成像及23Na譜成像還處于研究階段，dGEMRI和T2-mapping成像技術已應用于臨床診斷及指導臨床治療。

參考文獻：

[1]Hong E,Reddi A H.MicroRNAs in chondrogenesis,articular cartilage,and osteoarthritis:implications fo tissue engineering[J].Tissue Eng Part B Rev,2012,18(6):445-453.

[2]Apprich S,Welsch G H,Mamisch T C,et al.Detection of degeneration cartilage disease:comparison of high-resoultion morphological MR and quantitative T2 mapping at 3.0 Tesla[J].Osteoarthritis Cartilage,2010,18(9):1211-1217.

[3]Mosher T J,Dardzinski B J.Cartilage MRI T2 relaxation time mapping:overview and applications[J].Semin Musculoskelet Radiol,2004,8(4):355-368.

[4]Kijowski R,Stanton P,Fine J,et al.Subchondral bone marrow edema in patients with degeneration of the articular cartilage of the knee joint[J].Radiology,2006,238(3):943-949.

[5]張麗娟,姚偉武.關節軟骨損傷的生化改變與影像學表現[J].中國醫學計算機成像雜志,2010,16(1):87-92.

[6]黃健威,宋亭,鐘熹，等.MR不同序列對早期膝關節骨性關節炎軟骨病變的價值探討[J].中華臨床醫師雜志,2013,7(5):4097-4099.

[7]李潤根,鄭鑫,趙飛.低場MR1分級診斷膝關節軟骨損傷[J].中國介入影像與治療學，2014,11(3):161-163.[8]White L M,Sussman M S,Hurtig H,et al.Cartilage T2 assessment:differentiation of normal hyaline cartilage and reparative tissue after arthroscopic cartilage repair in equine subjects[J].Radiology,2006,241(2):407-414.

[9]Mosher T J,Dardzinski B J.Cartilage MRI T2 relaxation time mapping:overview and applications[J].Semin Musculoskelet Radiol,2004,8(4):355-368.

[10]Wayne J S,Kraft K A,Shields K J,et al.MR imaging of normal and matrix-depleted cartilage:correlation with bone chanical function and biochemical composition[J].Radiology,2003,228(2):493-499.

[11]謝海柱,史英紅,岳鳳斌,等.3T磁共振3D-FS-SPGR序列對膝關節軟骨損傷的診斷價值[J].醫學影像學雜志,2011,21(2):269-273.

[12]Modl J M,Sether L A,Haughton V M,et al.Articular cartilage correlation of histologic zones with signal intensity at MR imaging[J].Radiology,1991,181(3):853-855.

[13]Friedrich K M,Mamisch T C,Plank C,et al.Diffusion-weighted imaging for the follow-up of patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation[J].Eur J Radiol,2010,73(3):622-628.

[14]楊金永,趙斌,于臺飛,等.磁共振T2-mapping 成像對早期膝關節軟骨損傷的診斷價值研究[J].醫學影像學雜志,2010,20(2):258-261.

[15]王之平,吳偉,廖國政.磁共振T2-mapping成像在早期膝關節骨性關節炎診斷中的應用價值[J].中國醫學計算機成像雜志,2014,20(1):46-49.

[16]高峰,張宗軍,唐文偉,等.膝關節軟骨磁共振 T2及T2 star弛豫時間圖成像的初步研究[J].臨床放射學雜志,2013,32(9):1305-1309.

[17]呂英茹,陳爽,蔣勝洪,等.不同年齡段膝關節軟骨T2弛豫時間測量及臨床意義的初步探討[J].臨床放射學雜志,2011,30(8):1170-1173.

[18]徐金法,謝國華,狄玉進,等.T2圖和擴散加權成像對膝關節軟骨早期損傷的臨床應用研究[J].醫學影像學雜志,2010,20(1):107-110.

[19]趙海南,姚偉武,姜鈴霞,等.兔膝關節軟骨退變的磁共振T2、T2*圖成像定量測定[J].中國醫學計算機成像雜志,2013,19(4):385-389.

[20]Matzat S J,wan Tiel J,Gold G E,et al.Quantiative MRI techniques of cartilage composition[J].Quant Imaging Med Surg,2013,3(3):162-174.

[21]Wei Z M,Du X K,Huo T L,et al.Quantitative T2 mapping evaluation for articular cartilage lesions in a rabbit model of anterior cruciate ligament transection osteoarthritis[J].Chin Med J(Engl),2012,125(5):843-850.

[22]劉斯潤,朱天緣,陳漢方,等.MR擴散加權成像診斷膝關節骨關節病髕骨軟骨病變的價值[J].中華放射學雜志,2006,40(10):1098-1101.

[23]Borthakur A,Melon E,Niyogi S,et al .Sodium and Tl rho MRI for mloecular and diagnosstic imaging of articluar cartilage[J].NMR Biomed,2006,19(7):781-821.

(責任編輯：周麗萍)

收稿日期：2015-06-11

中圖分類號：R445.2； R684

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8194(2016)01-0097-03

DOI:10.13764/j.cnki.lcsy.2016.01.036