軟骨損傷的MRI 診斷進展

李 濤

（廣西醫(yī)科大學第四附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科 廣西 柳州 545005）

軟骨損傷是臨床常見疾病，外傷、關節(jié)退變、感染、自身免疫性疾病等多種原因均可造成關節(jié)軟骨損傷，隨著全球人口老齡化進程的加速，關節(jié)軟骨損傷的發(fā)病率還在不斷增加。關節(jié)軟骨幾乎沒有淋巴液及血供，缺乏神經(jīng)支配，損傷后軟骨自我再生修復能力弱。關節(jié)軟骨受損以后，軟骨的微結(jié)構(gòu)、成分比例及代謝都會發(fā)生改變，造成軟骨細胞減少，軟骨基質(zhì)變少，膠原斷裂[1]。目前，軟骨損傷尚無治愈的藥物，軟骨修復、移植也不是普遍適用，軟骨損傷晚期需要更換人工關節(jié)，費用高昂。因此，早期診斷、預防軟骨損傷對于維持關節(jié)功能和避免殘疾至關重要。理想情況下，損傷應在其可逆階段、軟骨組織大量丟失之前被及時診斷。目前，MR 的軟骨定量成像及成分成像技術有望提供這些重要信息。

1 MR軟骨定量成像

相對于常規(guī)MRI，MRI 定量評價對評估軟骨結(jié)構(gòu)及損傷程度提供了一種更有效和敏感的方法。定量評價需要高對比度和三維高分辨率成像序列來顯示骨與軟骨界面、軟骨表面。圖像采集后，后處理軟件對軟骨、軟骨下骨和鄰近組織的進行自動或手動分割，分離出關節(jié)軟骨，以評估軟骨厚度、面積、體積等定量特征[2]。研究表明，在不同程度的軟骨損傷情況下，軟骨定量評估與手術和組織學檢查結(jié)果有很好的相關性。定量診斷的方法在預測軟骨損傷方面具有更高的敏感性和特異性。軟骨體積和厚度的改變被用作藥物治療、物理治療和康復、外科治療的效果評價[1,2]。軟骨定量評價可作為生物標記物的新量化指標，以提高疾病進展評估的預后價值。定量成像應用于臨床存在需要專用分析軟件、耗時長等缺點。

2 MR軟骨生化成分成像

關節(jié)軟骨由軟骨細胞、細胞外基質(zhì)組成，細胞外基質(zhì)主要由水、膠原纖維和膠原蛋白多糖（PG）組成，PG 的主要成分是糖胺聚糖（GAG）。膠原纖維以Ⅱ型膠原為主，水和PG 鑲嵌在交叉排列成網(wǎng)格狀支架的Ⅱ型膠原內(nèi)[3]。軟骨發(fā)生退變時，在軟骨破裂前，基質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸破壞，GAG 和膠原丟失，含水量隨之增加。值得注意的是，在組織學水平上軟骨超微結(jié)構(gòu)的生化改變要先于形態(tài)學改變，在損傷的早期階段，常規(guī)MRI 序列并不能顯示這些軟骨基質(zhì)的變化[4]。先進的MR 成像技術提供軟骨超微結(jié)構(gòu)和生化成分的信息，以檢測和監(jiān)測關節(jié)軟骨損傷的早期改變。這些技術包括遲豫時間的測量（T2、T2*和T1ρ 成像）、軟骨的延遲釓增強MRI（dGEMRIC）、超短回波時間成像（UTE）、擴散張量成像（DTI）、GAG 的化學交換飽和轉(zhuǎn)移成像（GAG CEST）、鈉成像等。

2.1 T2 mapping，T2* mapping

這些序列測量組織水平上分子的T2和T2*弛豫時間（以ms 表示），是目前應用最廣泛的磁共振成分成像技術之一。T2、T2*分別使用多回波自旋回波或梯度回波序列掃描，數(shù)據(jù)經(jīng)后處理軟件處理得體現(xiàn)軟骨T2 和T2*值的偽彩圖，測量感興趣區(qū)即可量化評估關節(jié)軟骨成分。T2*具有掃描速度快的優(yōu)點，但也更容易受到局部場不均勻性的影響。當膠原纖維與B0 場方向的夾角接近55°時，T2 和T2*均會受到魔角效應的影響，局部圖像信號增高，需要與病灶鑒別。

T2和T2*值可以分析關節(jié)軟骨內(nèi)組織生化成分的變化，做出早期軟骨損傷的診斷。軟骨T2 和T2*值的主要受軟骨內(nèi)的水含量、膠原纖維的排列方向及含量影響[3]，正常關節(jié)軟骨的測量值在軟骨的淺層高于深層。關節(jié)發(fā)生退變時，軟骨T2 值增高。T2 mapping 可以做作為術前MRI 評估的一部分，以便在進行關節(jié)鏡檢查時識別軟骨中的損傷區(qū)域。有研究通過T2 mapping 追蹤評價自體間充質(zhì)干細胞移植治療的骨關節(jié)炎患者，并經(jīng)過一年的隨訪，發(fā)現(xiàn)T2 值和疼痛得分之間存在較好的相關性，是評價術后軟骨再生的一種好方法[5,6]。T2 mapping 可以區(qū)分膝關節(jié)修復的軟骨和鄰近的健康軟骨，有助于評估修復軟骨的成熟度[7]。

2.2 T1ρ mapping

T1ρ 成像比T2 成像更具挑戰(zhàn)性，由于B0 和B1 的不均勻性、特殊的射頻脈沖序列要求、采集時間長、可能會導致高比吸收率等原因，采集T1ρ 成像有一定的難度，目前臨床應用范圍不是很廣泛。T1ρ 成像方法由Redfield 第一次提出，用來測量大分子與自由水中氫原子之間低頻流動的技術，以自旋回波序列為基礎，用大量高頻脈沖鎖定橫向磁場，并伴隨高頻脈沖使得縱向恢復，利用獲得的T1ρ值重建灰度或偽彩圖[8]。T1ρ 成像原理相當于T2 在磁化恢復到橫向后額外加一個射頻脈沖，使得磁化有序、自旋鎖定。信號強度可以根據(jù)多個采集層面圖像中自旋鎖定脈沖的持續(xù)時間的變化計算得到的，由此可以測量軟骨感興趣區(qū)T1ρ 值。自由水的T1、T2 和T1ρ 弛豫時間相近，而在不同組織中的這些值是不相同的（T2＜T1ρ＜T1）[9]。

T1ρ 值主要受膠原蛋白的密度、膠原纖維的位置、蛋白多糖以及其他大分子物質(zhì)影響。T1ρ 評估旋轉(zhuǎn)框架中的自旋晶格（T1）遲豫，主要反映了細胞外基質(zhì)中的蛋白多糖含量。在T1ρ 圖像上，正常軟骨呈現(xiàn)光滑連續(xù)的高信號，在后處理的偽彩圖上呈現(xiàn)為分層的光滑連續(xù)的彩色信號。T1ρmapping 顯示信號強度的改變可以檢測出軟骨退變的早期改變[10]，可預測軟骨磨損。骨性關節(jié)炎患者T1ρ 值高于健康受試者。Cobb 等[11]對兒童的骺軟骨進行 T1ρ 成像，測量骺軟骨和關節(jié)軟骨的T1ρ 值，結(jié)果表明T1ρ 序列可用于評價兒童的正常軟骨和不同生長時期的軟骨改變。

2.3 軟骨的延遲釓增強MRI（dGEMRIC）

dGEMRIC 是一種無創(chuàng)性定量評估關節(jié)軟骨GAG 含量的方法，在靜脈注射釓對比劑后，活動關節(jié)，讓對比劑擴散到關節(jié)內(nèi)，60 ～90 分鐘后進行延遲掃描。掃描序列采用反轉(zhuǎn)恢復序列或多翻轉(zhuǎn)角梯度回波序列獲得T1 mapping圖，劃定感興趣區(qū)可測量T1 值。dGEMRIC 依靠關節(jié)軟骨內(nèi)固定電荷密度分布的不同來成像，靜脈注射的順磁性釓對比劑帶有負電荷，對比劑進入關節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)后，與基質(zhì)內(nèi)的帶負電荷的GAG 相互排斥。正常關節(jié)軟骨中GAG 含量多，造影劑的濃度低；而在軟骨缺損、變性的區(qū)域GAG 含量低，造影劑就濃聚，縮短T1 弛豫時間[12]。因此，dGEMRIC 技術能夠在軟骨內(nèi)定位評估GAG 的含量，用于評價軟骨修復組織、脛骨截骨術對軟骨的影響、骨關節(jié)炎等情況[13]。在Endo 等[5]的家兔軟骨細胞移植的動物模型研究中證實，T2 mapping 及dGEMRIC 均可以有效評價的軟骨修復情況，dGEMRIC 的△R1 甚至在移植的早期與病理組織學和生物化學的也具有良好的相關性。Brown 等[14]學者的研究表明，T2 mapping 及dGEMRIC 的能反映同種異體軟骨細胞移植術后早期病人恢復情況，并發(fā)現(xiàn)隨著移植是時間延長，移植軟骨的GAG 相對含量減少，膠原蛋白結(jié)構(gòu)退變。

dGEMRIC 的主要缺點是需要靜脈注射對比劑，為了將對比劑充分分布在軟骨中，需要關節(jié)運動和較長時間等待。然而，在注射對比劑后的延遲掃描也間接獲得的MR 關節(jié)造影圖像，這對關節(jié)的形態(tài)學評估尤其有用。

2.4 超短回波時間成像（UTE）

與骨皮質(zhì)、肌腱和半月板類似，軟骨深部的鈣化部分的T2 遲豫時間“超短”，造成射頻脈沖信號衰減速率太快，無法進行信號采集。UTE 成像使用專門的采集和重建技術在信號衰減前捕獲這些成分信號。UTE 成像可以顯示軟骨深部鈣化層。UTE 成像還可以對含有大量超短回波成分的組織進行T2 和T2*成像[15]。

2.5 擴散張量成像（DTI）

DWI 的評價的是軟骨基質(zhì)膠原和蛋白聚糖中水分子的擴散運動。軟骨的超微結(jié)構(gòu)是由交錯的膠原網(wǎng)絡組成，膠原網(wǎng)絡導致水的各向異性擴散。在軟骨中，DTI 可以通過平均表觀擴散系數(shù)（ADC）來評估蛋白多糖含量，也可以通過分數(shù)各向異性（FA）來評估膠原微結(jié)構(gòu)。平均ADC 和FA 值均能區(qū)分OA 患者和健康軟骨，F(xiàn)A 具有較高的特異性。膠原和蛋白多糖的丟失可導致平均擴散顯著增加。DTI 在檢測軟骨損傷和分級軟骨損傷方面具有較高的準確性[16]。

2.6 GAG 化學交換飽和轉(zhuǎn)移成像（GAG CEST）

水在軟骨中以兩種狀態(tài)存在，要么與大分子結(jié)合，要么處于自由水狀態(tài)。與大分子結(jié)合的水質(zhì)子具有獨特的射頻頻率，可以用非共振射頻脈沖飽和。結(jié)合水與自由水相互作用，導致自由水部分飽和。這種效應可以用來估算局部大分子含量。利用GAG CEST，非共振射頻飽和脈沖被專門設計用于飽和殘留在軟骨GAG 羥基上的可交換質(zhì)子。這項技術與鈉成像有很好的相關性[17]。

2.7 鈉成像

與釓相反，鈉是一種自然存在的低濃度陽離子，被軟骨細胞外基質(zhì)的帶負電荷的GAG 吸引并抵消了電荷。因此，鈉離子的分布也可用于繪制軟骨GAG 含量圖，其中軟骨變性導致鈉離子的濃度較低。鈉成像與dGEMRIC 有很好的相關性[13]。軟骨中鈉離子的濃度較低，但在MRI 中采集到的信號弱，導致圖像噪聲大和采集時間長。7T 磁共振成像的信噪比增益對于鈉成像特別有用。因為鈉的拉莫爾頻率不同于氫質(zhì)子，所以還需要專門的發(fā)射接收線圈來進行鈉成像。與T2成像一樣，鈉成像可以區(qū)分軟骨修復組織和健康軟骨，在修復組織與健康軟骨相比，反映出GAG 含量降低[18]。

本文回顧了當前的量化評價軟骨損傷的MRI 技術。定量成像可以評價軟骨的形態(tài)、厚度和體積。成分分析可以在軟骨形態(tài)發(fā)生改變前，評價軟骨的生化成分變化。這些無創(chuàng)、定量成像技術有望為軟骨損傷的診斷和治療提供更精確的指導。