彌散張量成像在早期骨性關(guān)節(jié)炎診斷中的應(yīng)用進(jìn)展

李明楷 于靜紅

[摘要] 骨性關(guān)節(jié)炎（OA）是臨床多見病，其早期有效診斷是預(yù)防和延緩OA病情進(jìn)展的關(guān)鍵。磁共振成像（MRI）作為一種安全、無創(chuàng)的檢查方法，通過磁場中受激發(fā)氫質(zhì)子弛豫釋放的能量來成像，全面顯示關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)及信號改變，是關(guān)節(jié)軟骨檢查的重要手段。隨著磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，彌散張量成像（DTI）技術(shù)通過反映軟骨內(nèi)生化成分的變化， 對OA早期進(jìn)行定量評估，從而使預(yù)防OA及減輕長期健康負(fù)擔(dān)成為可能。本文對DTI技術(shù)在OA早期診斷中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

[關(guān)鍵詞] 彌散張量成像;骨性關(guān)節(jié)炎;軟骨基質(zhì)

[中圖分類號] R684? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）02（c）-0024-04

[Abstract] Osteoarthritis is a clinical common disease， its early diagnosis is effectively prevent and delay the osteoarthritis （OA） is the key to progress， magnetic resonance imaging （MRI） as a safe， noninvasive examination method， stimulated by a magnetic field energy release of the hydrogen proton relaxation to Imaging， a comprehensive display of articular cartilage morphology and signal change， is an important means of articular cartilage to check. Along with the development of MRI technology， diffusion tensor imaging （DTI） will be applied to evaluate the early OA quantitatively by reflecting the changes in the endogenous components of cartilage， so as to make it possible to prevent OA and reduce the long-term health burden. This article reviews the application of DTI in the early diagnosis of OA.

[Key words] Diffusion tensor imaging; Osteoarthritis; Cartilage matrix

骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨破壞為主的復(fù)雜的疾病，典型臨床癥狀為關(guān)節(jié)的壓痛、疼痛及功能受限，常伴有關(guān)節(jié)積液，晚期致殘率極高。早期OA臨床表現(xiàn)是隱匿的，患者可能多年沒有癥狀，但當(dāng)癥狀出現(xiàn)時(shí)病情進(jìn)展已經(jīng)到了晚期。OA常用的臨床檢查方法有X線及CT檢查、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）及關(guān)節(jié)鏡檢查。X線及CT不能顯示關(guān)節(jié)軟骨病變，診斷的OA已屬于晚期，關(guān)節(jié)鏡雖然是診斷OA的“金標(biāo)準(zhǔn)”[1]，能顯示軟骨表面病變，但不能發(fā)現(xiàn)軟骨深層受損程度，而且屬于有創(chuàng)操作，臨床應(yīng)用受限。MRI是目前唯一能在活體無創(chuàng)性顯示關(guān)節(jié)軟骨的檢查方法，它不但能彌補(bǔ)X線、CT及關(guān)節(jié)鏡檢查的不足，可以清晰地顯示關(guān)節(jié)軟骨病變，還能敏感地檢測到關(guān)節(jié)軟骨生化成分、組織學(xué)特點(diǎn)和生物力學(xué)結(jié)構(gòu)方面的變化。目前，定量MRI技術(shù)包括彌散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）和彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、T2-mapping、軟骨延遲動態(tài)增強(qiáng)MRI（delayed gadolinium- enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）、T1ρ成像、鈉譜成像、氨基葡聚糖化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移技術(shù)（glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer，gagCEST）等，本文就DTI定量檢測技術(shù)在早期OA診斷中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 DTI成像技術(shù)基本原理及其量化參數(shù)

1.1 DTI成像技術(shù)原理

磁共振DTI是一種以活體組織中具有各向異性的水分子自由運(yùn)動為基礎(chǔ)的新的磁共振生理成像技術(shù)，不僅能反應(yīng)水分子的自由擴(kuò)散程度及其各向異性，還可觀察組織的局部形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而全面反映軟骨的細(xì)微變化。DTI主要是通過計(jì)算機(jī)加權(quán)多種參數(shù)值進(jìn)行成像，從而獲取較高信噪比的彌散張量圖像[2]，并在后處理工作站中通過選取感興趣區(qū)來進(jìn)行定量分析。DTI成像技術(shù)最早應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，近年來廣泛應(yīng)用于周圍神經(jīng)系統(tǒng)及其他疾病的診斷和術(shù)前計(jì)劃中[3-4]，如臂叢神經(jīng)、腰骶神經(jīng)顯像[5]、腫瘤術(shù)前定位等，但DTI在膝關(guān)節(jié)軟骨方面的應(yīng)用目前多用于動物實(shí)驗(yàn)。

1.2 DTI量化參數(shù)

臨床常用的DTI量化參數(shù)包括部分各向異性指數(shù)（fractionalanisotropy，F(xiàn)A值）、表觀彌散系數(shù)（averagediffusioncoefficient，ADC值）。FA值表示水分子各向異性的彌散程度，F(xiàn)A值范圍為0～1，數(shù)值越趨近于1，表示水分子擴(kuò)散的各向異性越強(qiáng)，在FA圖上信號顯示越強(qiáng)，圖像灰度也越高。ADC值用來反映不同方向的水分子擴(kuò)散的程度和大小，ADC值越大，水分子的擴(kuò)散能力越快，反之ADC值越小，其擴(kuò)散能力越慢。ADC值越大，在ADC圖上顯示信號越強(qiáng)。

國外學(xué)者[6-8]研究表明，DTI可直觀的觀察軟骨內(nèi)水的各向異性和擴(kuò)散程度，可以評估軟骨內(nèi)PG含量和Ⅱ型膠原纖維的走行方向。體內(nèi)研究[9]顯示，DTI可通過計(jì)算ADC的均值來提示蛋白聚糖含量，通過測量觀察FA值等來反映膠原蛋白結(jié)構(gòu)，能夠得到軟骨基質(zhì)完整性的信息。DTI的優(yōu)勢在于與其他MR生理成像比較，如T2-mapping，DTI不受魔角效應(yīng)的影響，也不需要使用造影劑即可提供軟骨的解剖學(xué)變化。DTI定量檢測有望成為早期OA病情診斷的新技術(shù)，特別是成為對蛋白聚糖含量及膠原纖維結(jié)構(gòu)敏感的方法。

2 OA病理改變及DTI在OA中的應(yīng)用

2.1 OA的病理生理改變

關(guān)節(jié)軟骨為透明軟骨，呈藍(lán)白色，由軟骨細(xì)胞外基質(zhì)（extracellularmatrix，ECM）和少量軟骨細(xì)胞組成[10]。膠原纖維、蛋白多糖（proteoglycan，PG）和水三部分組成ECM。正常關(guān)節(jié)軟骨組織內(nèi)的水含量很高，膠原和蛋白多糖是軟骨主要有機(jī)成分，這些是關(guān)節(jié)軟骨保持特性的關(guān)鍵。軟骨內(nèi)膠原主要是Ⅱ型膠原，Ⅱ型膠原自軟骨表層到深層逐漸減少，其結(jié)構(gòu)為拱形，使軟骨具備張力特征，同時(shí)起框架作用。蛋白多糖是一種復(fù)雜的大分子聚合物，帶負(fù)電荷，通過吸引金屬陽離子（Na+、Ca2+等）產(chǎn)生的滲透壓作用來吸引水分子，加上PG表面負(fù)電荷之間的互相排斥，使ECM具有高膨脹力和極低水滲透性。軟骨內(nèi)的水不僅與細(xì)胞生存環(huán)境密切相關(guān)，其含量的改變更是軟骨退變的標(biāo)志之一[11-12]。正因?yàn)檐浌堑倪@些生理特性，也成為生理MRI成像的研究基礎(chǔ)。

OA病理的核心是關(guān)節(jié)軟骨的退變，而軟骨退變的重要原因之一是細(xì)胞外基質(zhì)合成和降解失衡。關(guān)節(jié)軟骨退變早期，膠原纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，軟骨蛋白多糖含量丟失及自由水含量增加，使關(guān)節(jié)軟骨腫脹變性，軟骨細(xì)胞局灶性死亡，晚期軟骨受侵蝕、軟骨細(xì)胞廣泛死亡、軟骨下骨增生硬化，承載關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致不能承重[13]。

2.2 正常及OA患者關(guān)節(jié)軟骨常規(guī)MRI及DTI表現(xiàn)

正常膝關(guān)節(jié)軟骨在MRI常規(guī)序列上能很好地顯示，關(guān)節(jié)軟骨厚度均勻、表面光滑，關(guān)節(jié)間隙正常，周圍軟組織顯示清晰。一般在T2WI-FS序列上，關(guān)節(jié)軟骨信號由淺入深可顯示為低（淺層）-高（過渡層）-低（放射層和鈣化層）三層[14]。OA患者早期在T2WI上關(guān)節(jié)軟骨病變呈高信號，關(guān)節(jié)軟骨變薄，三層結(jié)構(gòu)顯示不清，病變晚期可見軟骨部分或全層缺失、局部纖維化在T2WI上顯示為低信號。

正常關(guān)節(jié)軟骨在DTI的ADC偽彩圖上顯示其連續(xù)性完整，軟骨厚度均勻，色階一致。當(dāng)軟骨早期退變時(shí)，出現(xiàn)點(diǎn)狀或片狀不均勻色階。隨著退變的加重，軟骨變薄、連續(xù)性欠佳，層次結(jié)構(gòu)分界不清;病情進(jìn)展到晚期時(shí)，軟骨部分或全層缺失，關(guān)節(jié)間隙變窄，骨質(zhì)暴露，出現(xiàn)混雜色階或不能著色。

2.3 DTI技術(shù)在OA中的應(yīng)用現(xiàn)狀

DTI用于檢測體內(nèi)水分子彌散過程，臨床多用于評估脊髓損傷和腦梗死[15-17]。近年研究發(fā)現(xiàn)，DTI對OA軟骨退變具有一定潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。方銳等[18]通過動物造模方式觀察膝骨性關(guān)節(jié)炎不同時(shí)期的臨床及病理特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，早期OA改變是以軟骨細(xì)胞的排列紊亂開始的，膠原的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，繼而出現(xiàn)細(xì)胞的分離和簇集現(xiàn)象，從而引起組織體積的增加，即早期腫脹，組織內(nèi)PG、膠原等軟骨成分的合成增加。隨著病情進(jìn)展，組織內(nèi)膠原酶合成增加，關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)一步被破壞。隨著軟骨成分的丟失和含量下降，導(dǎo)致軟骨硬度和彈性下降，組織滲透性增加，水分子含量上升。由此來看，在軟骨損傷早期進(jìn)行DTI檢查，膠原的退變和蛋白多糖的降解導(dǎo)致水分子含量增加，導(dǎo)致了ADC值增高，ADC圖顯示為異常高信號。而關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)膠原纖維走向異常、結(jié)構(gòu)破壞，降低了軟骨內(nèi)水分子的各向異性，F(xiàn)A值出現(xiàn)進(jìn)行性下降。由于ADC值和FA值的差異在某種程度上能反映出組織內(nèi)水分子擴(kuò)散程度及組織結(jié)構(gòu)的差異，因此，DTI成像技術(shù)可以通過測量FA值及ADC值從分子水平來評估OA的嚴(yán)重程度，為發(fā)現(xiàn)早期OA病變提供了新的定量檢測方法。

王俊江等[19]通過對正常成年兔脛骨平臺表面軟骨由前到后分組，進(jìn)行DTI掃描后分析各組間ADC值和FA值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)重區(qū)退變程度較非負(fù)重區(qū)更為嚴(yán)重，F(xiàn)A值降低，ADC值升高。侯進(jìn)等[20]通過采用3.0 TMR-DTI技術(shù)測量健康人和不同級別OA患者膝關(guān)節(jié)軟骨的ADC及FA值，發(fā)現(xiàn)早期OA的ADC值增加較明顯，而在病變中晚期的ADC值是逐漸降低的，OA早期及中晚期的FA值是進(jìn)行性降低，并且通過建立動物OA模型，進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)果，其研究表明FA聯(lián)合ADC值的測量對OA早期診斷更為明確。趙丹丹等[21]通過對不同年齡階段健康成年人髕軟骨的研究表明，髕軟骨退變時(shí)，F(xiàn)A值下降，而ADC值升高。Raya等[22-24]對人離體膝關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行DTI掃描，比較被證實(shí)受損區(qū)的ADC值與嚴(yán)重程度評估值，發(fā)現(xiàn)敏感性達(dá)95%，損傷程度分級準(zhǔn)確性為63%。另一方面，通過DTI比較正常與OA膝關(guān)節(jié)的FA值，發(fā)現(xiàn)OA組的FA值較正常組顯著下降，靈敏度為81%，特異性為83%，提示ADC值、FA值對評估軟骨損傷是有用的。根據(jù)Watson等[25]的報(bào)告，軟骨被視為具有弱各向異性的生物組織，如大腦和心臟，因此，雖然認(rèn)為FA值可用來OA的診斷，但很難評估OA造成的損害程度。Ukai等[26]通過對41例關(guān)節(jié)鏡術(shù)后被證實(shí)軟骨損傷的患者進(jìn)行ADC值的分析，發(fā)現(xiàn)Outerbridge分級中0級與2級、3級，1級與2級、3級，2級與3級之間有顯著性差異，雖然0級與1級之間沒有顯著差異，但它確定了1級與2級之間的顯著差異，結(jié)果表明ADC值對評估早期軟骨損傷是具有臨床應(yīng)用價(jià)值的。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，利用DTI定量分析技術(shù)能夠在OA形態(tài)學(xué)改變發(fā)生前發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的生化成分改變，而且其空間分辨率高，可多平面成像，重復(fù)性好，為OA的早期診斷、病情檢測提供了一種新的選擇，同樣也為MRI應(yīng)用于軟骨研究打開了新的窗口。然而，目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)開展相對較少，缺乏數(shù)據(jù)及病理學(xué)結(jié)果來驗(yàn)證，相信隨著MRI技術(shù)的發(fā)展及更多臨床實(shí)驗(yàn)的開展，DTI定量分析技術(shù)可與磁共振常規(guī)形態(tài)學(xué)檢查結(jié)合，將會有助于臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)早期OA軟骨基質(zhì)的細(xì)微變化，幫助他們設(shè)計(jì)治療方案和相應(yīng)的后續(xù)隨訪。

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（收稿日期：2018-05-21? 本文編輯：封? ?華）