磁共振T2*圖在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎診斷中的應(yīng)用研究進(jìn)展

門廣美綜述 于靜紅審校

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis OA)是一種多因素、進(jìn)行性、退行性疾病，OA相比其他滑膜關(guān)節(jié)器官更常見于膝關(guān)節(jié)，是一種以關(guān)節(jié)軟骨變性及丟失和關(guān)節(jié)邊緣及軟骨下骨骨質(zhì)增生為特征的慢性膝關(guān)節(jié)炎[1]。膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)是目前最普遍的關(guān)節(jié)疾病之一，由于人口老齡化和肥胖等因素的影響，預(yù)計(jì)未來發(fā)病率將進(jìn)一步增加。而早期干預(yù)改變疾病進(jìn)展過程及準(zhǔn)確客觀地評估疾病過程各個(gè)階段的軟骨狀態(tài)對于膝關(guān)節(jié)OA的發(fā)生發(fā)展等方面具有非常重要的意義。T2-star-mapping(T2*圖)成像是一種很好的選擇，它將生化軟骨評估的優(yōu)點(diǎn)與包括成像時(shí)間短和高分辨率三維軟骨評估的顯著特點(diǎn)結(jié)合在一起，且無需造影劑或特殊硬件處理，對軟骨退變進(jìn)行定量及定性診斷，使軟骨損傷的早期治療成為可能[2]。現(xiàn)對T2*圖的成像原理以及在此項(xiàng)技術(shù)在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 T2*圖成像技術(shù)基本原理

1.1 T2*圖成像技術(shù)基本原理 T2*圖又稱為T2*弛豫時(shí)間圖，是在T2 圖成像技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)來的，MR的T2和T2*圖序列的優(yōu)勢在于不需要造影劑的情況下顯示組織的特性，因而易于被臨床接受，并且T2*圖序列掃描耗時(shí)短(約3 min)，且能提供足夠的圖像分辨率[3]。與T2 圖成像方式并不相同，T2*圖采用的是多回波梯度序列，由于沒有180°聚相位脈沖，故T2*能夠反映自旋—自旋成弛豫[4]，同時(shí)也反映了由磁場不均勻性(主磁場、空間編碼梯度場、化學(xué)位移及不同組織間磁化率的差異等)導(dǎo)致相位偏移所產(chǎn)生的橫向弛豫[5]。

T2*弛豫是由自旋—自旋弛豫(T2)和磁場不均勻性(T2')組合引起的橫向磁化的固有衰減[6]，T2*弛豫對于梯度回波(GRE)成像來說是獨(dú)一無二的，因?yàn)樵谧孕夭∕R中，這種去相位效應(yīng)是通過施加180°重聚焦脈沖來消除的。T2*值與T2的關(guān)系如下：1/T2*=1/T2+1/T2'，其中1/T2'可由γΔB計(jì)算(γ:磁旋比，△B:單位體素的磁場不均勻性)，因此T2*值要短于T2值[7]。為了生成弛豫時(shí)間圖(T2或T2*)，需要具有不同回波時(shí)間和信號電平的連續(xù)圖像。因此，在選擇回波時(shí)間的設(shè)置以實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域(ROI)中的T2或T2*的特征值的目標(biāo)時(shí)實(shí)施多回波序列。隨后，將指數(shù)函數(shù)應(yīng)用于提供弛豫時(shí)間的實(shí)測信號電平，即信號衰減1/e(37%)。 這些弛豫時(shí)間可以用灰度或像彩色比例圖的像素方式呈現(xiàn)。后處理包括在T2*圖上對T2*時(shí)間的弛豫衰減和手動(dòng)基于興趣區(qū)的測量的指數(shù)擬合。

與T2圖一樣，T2*圖能夠評估水含量，膠原纖維網(wǎng)絡(luò)和反映軟骨生化組成的帶狀變化。多數(shù)學(xué)者研究認(rèn)為，橫向弛豫時(shí)間 T2 值受軟骨組織結(jié)構(gòu)各向異性的影響，主要與其中水含量、膠原纖維含量及其排列方向密切相關(guān)[8]。Detiger 等[9]在最近的報(bào)道中，證實(shí)了T2*弛豫時(shí)間與關(guān)節(jié)軟骨中糖胺聚糖(GAG)含量和組織學(xué)評分之間存在顯著相關(guān)性。

1.2 膝關(guān)節(jié)軟骨T2*值的現(xiàn)狀研究 目前，國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的序列是T2圖，而對T2*圖的研究相對較少。但是也有學(xué)者證實(shí)了T2值與T2*值之間的關(guān)系。趙海南等[10]利用兔為模型，研究了T2、T2*圖成像定量測定，研究結(jié)果顯示，采用的T2圖及T2*圖技術(shù)能夠通過定量檢測T2及T2*弛豫值為各期退變的兔膝關(guān)節(jié)軟骨提供相似的參考價(jià)值。而T2*圖的優(yōu)勢更大。而且T2*圖不僅可以用于膝關(guān)節(jié)軟骨成像，還在腰椎、肌腱、踝關(guān)節(jié)等其他部位廣泛應(yīng)用。

為了區(qū)分膝關(guān)節(jié)的“正常”和“異常”，并為臨床提供關(guān)于治療決策和治療隨訪的標(biāo)準(zhǔn)，必須全面了解膝關(guān)節(jié)的規(guī)范T2*值譜。在一項(xiàng)研究中，記錄了健康年輕成年志愿者的34個(gè)膝關(guān)節(jié)，T2*定位分析顯示滑車軟骨(T2* = 33.0 ms±2.7 ms)，髕骨中間值(T2* 28.3 ms±3.5 ms)和股骨髁軟骨中央(T2*橫向= 30.5 ms±3.8 ms，T2*內(nèi)側(cè)= 28.3 ms±4.4 ms)和低股骨髁軟骨T2*值(T2*橫向= 25.1 ms±2.6 ms ，T2*內(nèi)側(cè)= 25.2 ms±3.3 ms)和脛骨平臺(tái)(T2*側(cè)= 23.7 ms±3.1 ms，T2*內(nèi)側(cè)= 24.0 ms±3.4 ms)[11]。

此外，觀察到T2 *值的緯向差異，其中淺層軟骨區(qū)的T2 *值高于深層區(qū)的T2 *值。股骨髁軟骨(負(fù)重)區(qū)域的T2 *值高于股骨后髁軟骨(非負(fù)重)區(qū)域，而在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的軟骨T2 *值是相似的，反映了上述區(qū)域和區(qū)域組成的差異和超關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)。盡管在方法學(xué)和研究人群方面存在差異，但這些規(guī)范化的T2 *膝關(guān)節(jié)軟骨值與其他研究顯示的平均T2*值相似，脛骨軟骨為16.6 ms±5.6 ms[7]，內(nèi)側(cè)脛骨軟骨為17.1 ms±1.1 ms[12]，股骨外側(cè)髁軟骨21.72 ms±2.98 ms，股骨內(nèi)側(cè)髁為19.00 ms±3.98ms，髕骨軟骨26.27 ms±2.93 ms[13]。

2 KOA的生理與病理表現(xiàn)

2.1 膝關(guān)節(jié)軟骨的生化成分 關(guān)節(jié)軟骨具有非常重要的功能，它負(fù)責(zé)吸收機(jī)械應(yīng)力并保證骨骼的平滑無摩擦運(yùn)動(dòng)。軟骨的機(jī)械性能由組織廣泛的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)賦予[15]。關(guān)節(jié)軟骨可以被認(rèn)為是一個(gè)充滿流體的大分子網(wǎng)絡(luò)，在正常關(guān)節(jié)負(fù)荷過程中，含有電解質(zhì)的間質(zhì)液(按重量計(jì)約占軟骨的75%)受到壓力，其運(yùn)動(dòng)受到大分子網(wǎng)絡(luò)的限制。因此，加壓流體起到分配和支持機(jī)械負(fù)荷的作用。大分子網(wǎng)絡(luò)本身主要由膠原蛋白和蛋白多糖組成。 膠原蛋白是一種纖維狀大分子，是目前最常見的大分子，約占軟骨體積的20%(占干重的70%～80%)。膠原蛋白主要由Ⅱ型膠原組成，Ⅱ型膠原蛋白分子和纖維共價(jià)鍵結(jié)合成膠原纖維，膠原纖維內(nèi)嵌蛋白多糖，使Ⅱ型膠原蛋白結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定[16]。

糖胺聚糖是軟骨細(xì)胞外基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中第二豐富的大分子。糖胺聚糖(GAG)被認(rèn)為是維持高含水量所必需的物質(zhì)。一方面，水與GAG的極性和帶電基團(tuán)(水結(jié)合)形成氫鍵。另一方面，帶負(fù)電荷的GAG鏈之間的排斥力導(dǎo)致未結(jié)合水的吸收。大多數(shù)軟骨水是這種未結(jié)合的水。GAG 側(cè)鏈帶有大量的負(fù)電荷，吸引帶正電的陽離子和水進(jìn)入軟骨基質(zhì)，使軟骨富含水分并保持彈性，調(diào)節(jié)軟骨的抗壓能力，負(fù)重時(shí)水分還可滲入關(guān)節(jié)腔使之潤滑[16]。軟骨中的水分含量在疾病的早期階段就已改變。因此，水含量測定可以在早期退行性軟骨變化的診斷中起重要作用。MR有潛力檢測水分含量的微小變化。T2弛豫時(shí)間升高是關(guān)節(jié)軟骨損傷最早出現(xiàn)的征象，大多在軟骨厚度和形態(tài)發(fā)生變化之前即可看到[17]。

2.2 膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的病理改變 膝骨關(guān)節(jié)炎好發(fā)于中老年 ，病理變化主要為關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨的軟化，繼發(fā)關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)韌帶、周圍肌群的松弛退變，臨床癥狀以關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)功能障礙及關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降為主[17]。關(guān)節(jié)軟骨是關(guān)節(jié)表面上一層柔軟的纖維組織。在組織水平上(規(guī)模在100 μm和1 cm之間)，可以看作是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的均勻結(jié)構(gòu)[18]。在微觀水平上，同時(shí)發(fā)現(xiàn)軟骨是由各種分子組成，例如水，蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白組成。這些分子組成的變化已被用于檢測和監(jiān)測各階段OA的進(jìn)展。

據(jù)報(bào)道，軟骨組織包含60%～80%的水和被ECM包圍的軟骨細(xì)胞。ECM的主要成分是Ⅱ型膠原蛋白(總軟骨組成的5%～10%)和大蛋白聚糖(PG)分子(總軟骨組成的10%～20%)。Ⅱ型膠原自軟骨表層到深層逐漸減少，為軟骨細(xì)胞和PG提供框架，負(fù)責(zé)ECM的拉伸力，還可以平衡由PG產(chǎn)生的滲透壓和作用在軟骨上的剪切力[19]。在OA早期，膠原原纖維和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)釋放出PG，導(dǎo)致表面區(qū)域的病變，組織軟化，裂隙和纖顫，并會(huì)增加關(guān)節(jié)軟骨的含水量[18]。

3 T2*圖在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎診斷中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 T2*圖的應(yīng)用 T2*圖作為一種軟骨生化成像技術(shù)，不僅具備了其他成像技術(shù)的功能，還具有成像時(shí)間短、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)核磁 T1 和T2 序列雖然也能夠提供非常好的軟骨影像，但不能定量分析軟骨變化，使早期僅表現(xiàn)為生理及生化特性改變的軟骨損害無法顯示。之前，Bittersohl等[20-21]進(jìn)行了2項(xiàng)研究證明，隨著骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度的增加(使用改良的Outerbridge分類評估)，關(guān)節(jié)軟骨患病部位的T2*時(shí)間減少。這些研究中的一個(gè)重要觀察結(jié)果是，T2*見于骨關(guān)節(jié)炎的早期階段，即Outerbridge 0級和1級之間。這對未來的臨床應(yīng)用都是非常有利的，因?yàn)樗砻鱐2*圖用于檢測和監(jiān)測早期骨關(guān)節(jié)炎的潛在能力。而在近期的研究中，白志剛等[22]對正常人及不同程度的OA患者的膝關(guān)節(jié)的5個(gè)不同部位行膝關(guān)節(jié)T2*圖成像,研究結(jié)果顯示OA組膝關(guān)節(jié)不同部位軟骨T2*值均較正常組明顯升高隨著關(guān)節(jié)軟骨退變程度增加，同一部位隨著軟骨病變的程度加重，T2*值也逐漸增加，輕度組OA的T2*值較正常組相比在關(guān)節(jié)軟骨和骨質(zhì)形態(tài)沒有發(fā)生明顯變化之前即出現(xiàn)變化。石橋等[23]的研究也證明了這一觀點(diǎn)。楊綠林等[24]的研究結(jié)果表明，輕度OA組、中度OA組及重度OA組指定區(qū)域關(guān)節(jié)軟骨的平均T2*值均較正常對照組關(guān)節(jié)軟骨T2*值明顯升高。不同程度OA各組膝關(guān)節(jié)指定區(qū)域軟骨的T2*值隨著關(guān)節(jié)軟骨退變程度加重,對應(yīng)的T2*值隨之升高。由此可以得出，T2*圖能定量反映膠原纖維完整性的喪失和結(jié)合水的變化，這是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展的典型早期發(fā)現(xiàn)。

3.2 T2*圖的局限性和不足 盡管T2*圖方法是一種強(qiáng)大的技術(shù)，并且可能在掃描時(shí)間，特別是信噪比方面有顯著的改進(jìn)，但它也有局限性。由于T2 *繪圖技術(shù)缺乏180°重新聚焦脈沖，人造顆粒如空氣滯留，整形外科植入物和術(shù)后碎片誘發(fā)易感性偽影，盡管這種影響很可能主要出現(xiàn)在術(shù)后體外研究中，但可能會(huì)嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)軟骨的T2*評估。另一個(gè)需要密切監(jiān)測的方面是魔角效應(yīng)，又稱磁角效應(yīng)，最常見于肌鍵和韌帶走向與主磁場方向夾角呈54.74°(約55°)時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨表面置于大約55°時(shí)，T2*值將升高。相對于外部靜態(tài)磁場B0。這種魔角效應(yīng)的一種表現(xiàn)是軟骨組織的T2衰減被大大地延遲，并且當(dāng)膠原纖維相對于B0以這個(gè)角度取向時(shí)信號強(qiáng)度最大[25]。雖然魔角效應(yīng)在某些場合可能無法避免，但應(yīng)該采取措施防止或減少這些刺激性影響，例如通過局部適應(yīng)患者和關(guān)節(jié)的位置。淺層的魔角效應(yīng)相對較小，中層和深層的魔角效應(yīng)明顯增強(qiáng)[26]。另外，線圈設(shè)計(jì)、序列參數(shù)和成像設(shè)置等硬件組件對T2 *措施也有一定的影響。

4 總結(jié)與展望

因OA發(fā)病率的持續(xù)增長，臨床診斷、治療和預(yù)防的重要性越來越明顯，早期、準(zhǔn)確判斷OA病情及其發(fā)展對臨床治療、延緩病情進(jìn)展具有重要意義。T2*圖作為預(yù)測軟骨損傷的無創(chuàng)性方法，能夠在KOA早期對其進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。目前國內(nèi)對于T2*圖在膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎中的報(bào)道較少,對早期KOA的評估也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步研究來認(rèn)識(shí)和使用這個(gè)強(qiáng)大的工具。