关节软骨磁共振成像的研究进展

王宗博 牛广明 于静红

. 综述 Review .

关节软骨磁共振成像的研究进展

王宗博 牛广明 于静红

关节软骨损伤是临床常见病，可以导致关节疼痛、积液和功能障碍，严重者可致残。外伤、骨性关节炎( osteoarthritis，OA )、剥脱性骨软骨炎等原因均可造成关节软骨的损伤，并且一旦损伤极难修复。在长期大量运动的人群和老年人中，关节软骨的退变、损伤几乎都不同程度的存在。早期的软骨损伤易被忽视，临床诊断也缺乏特异性。关节镜虽是关节软骨损伤诊断的“金标准”，但有创伤、视野小、有盲区、无法显示软骨下骨损伤程度等局限；常规 X 线、CT 检查无法直观显示关节软骨。MRI 凭借其多方位、多序列、多参数成像及组织分辨率高、对比度好等诸多优势，不仅能无创性地观察软骨损伤的部位、范围、程度、软骨表面的病理变化，而且能准确观察软骨内部、软骨下骨及骨髓的病变情况，被公认为目前评价软骨损伤的最佳无创检查方法[1]。尤其是近年来定量磁共振成像技术的快速发展，使得关节软骨无创性检查从形态学发展到了分子生化水平，为早期关节软骨损伤的检测以及修复效果的评估提供了更多行之有效的技术手段[2]。但在临床工作中，对于关节软骨的 MRI 序列选择及优化组合、软骨损伤在不同 MRI 序列中的表现和诊断等方面尚无统一标准[3]。

一、关节软骨的生理、病理学特点

1. 生理学特点：关节软骨属于透明软骨，是覆于关节骨面的一种特殊致密结缔组织，可承重、润滑及传导、吸收和缓冲应力等，在维持可动关节的正常活动中发挥着重要作用。关节软骨的构成从深层至表面大致分为钙化带、放射带、过渡带及滑动带 4 层。关节软骨由基质和软骨细胞构成，其中基质是其主要物质基础，由胶原纤维、蛋白多糖和水组成[4]。胶原纤维构成关节软骨的三维框架，软骨细胞分散在胶原纤维中间；蛋白多糖通过软骨表层聚集胶原纤维超滤膜吸收水分并与水相互作用，使得关节软骨富有弹性，是软骨组织承受压力的基础；软骨细胞是软骨代谢活动的细胞成分，关系到软骨基质的合成与破坏程度，而且与代谢活动及蛋白多糖合成有关。

2. 软骨损伤的病因及病理：关节软骨损伤是在力学和生物学因素共同作用下，软骨细胞、细胞外基质及软骨下骨三者降解和合成正常耦联失衡的结果。软骨退变与损伤时发生胶原纤维结构破坏，黏蛋白丢失及软骨内自由水含量增加。早期退变主要表现是基质的松软和蛋白多糖的大量丢失；晚期退变主要是软骨形态的异常，表现为软骨水肿、裂隙变、弥散性变薄和裸露[5]。急性软骨损伤通常由外伤导致，当负重强度和频率超过正常承受范围时，关节软骨的合成和降解失衡，特别是中老年人由于软骨钙化层和骨皮质终板之间没有胶原纤维连接，作用在各层连接处的剪切力可造成水平撕裂。晚期软骨损伤，多继发于OA，是在关节软骨发生变性之后，继而发生邻近软骨增生、骨化，发展成关节病变。

二、软骨形态的 MRI 评价

临床常用的软骨成像序列包括自旋回波 ( spin echo，SE ) 序列、快速自旋回波 ( fast spin echo，FSE ) 序列、梯度回波 ( gradient echo sequence，GRE ) 序列等，临床检查较为常用的是 FSE 序列的 T1WI、T2WI 及质子密度加权成像 ( PDWI )。常用的成像技术有脂肪抑制 ( FS ) 技术及磁化传递对比 ( MTC ) 技术等。其中脂肪抑制技术应用较为成熟。

FSE 序列能够减少运动伪影和磁化伪影，在图像的空间分辨率和信噪比与成像时间上，要优于 SE 序列。王绍武等[6]报道 FS-FSE-T2WI / PD 对软骨异常的敏感度为91%，特异度为 99%，认为是识别关节软骨的最敏感序列，应作为膝关节 MRI 检查的常规序列应用于临床。

MTC 技术可以反映组织中的蛋白含量及变化，其定量分析指标为磁化传递率 ( magnetization transfer ratio，MTR )。MTC 技术利用水分子与大分子物质内质子间 MTR值的差异而产生组织对比。富含大分子结构的物质，其磁化传递效应明显，软骨的胶原基质中存在大量大分子，这是 MTC 技术在软骨成像应用中的基础。磁化转移成像时首先利用非共振射频脉冲饱和结合性氢原子，然后再变换自由水自旋以测定组织的 MTR，以此了解软骨的组织构成是否完整。通过磁化传递技术及减影技术，可以增加软骨与周围组织的对比，从而更好地显示软骨的轮廓。梯度回波技术是最常使用的磁化转移成像技术，软骨胶原构架破坏区的减影图像表现为低信号区。杨春霞等[7]通过研究认为磁化传递对比梯度回波 T2加权序列 ( MTC-GRE T2WI )图像能够清晰地显示骨髓水肿，还能够准确判断关节软骨的损伤，有较大的临床价值。但是 MTC 也存在明显缺陷，如减影伪影、磁化转移成像率在不同个体间及同一个体不同时期存在差异，因此定量数据的推广受到限制。

关节软骨的 3 D 成像序列，目前应用较多的有扰相梯度回波 ( spoiledgradient echo，SPGR )、驱动平衡傅立叶转换 ( driven equilibrium fourier transform，DEFT )、三维双重回波稳态 ( dual echo steady state，DESS )、双回波水激励( balanced steady-state free precession，b-SSFP )、三维质子加权快速自旋回波 ( 3 D sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolutions，3 D-SPACE ) 等。刘年元等[8]将 3 D-FFE-STIR 序列和3 D-FFE-WATS 序列进行对比，得出 3 D-FFE-WATS 序列是膝关节软骨成像的优化序列，可作为常规膝关节软骨成像序列。此外，顾菲等[9]也认为水激励 ( WE ) 较传统的预饱和法更为优秀，是一种有潜力的脂肪抑制方法。王绍武等[6]尝试将 Unilateral-T1-Special-3 D-FSPGR 序列用于膝关节软骨的检查，并与传统 FS-3 D-T1-FSPGR序列进行对比，得出反相位技术 Unilateral-T1-Special-3 D-FSPGR 具有明显优势：脂肪抑制效果优于后者，显著缩短扫描时间，减少运动伪影的产生，在很大程度上克服了三维容积扫描耗时久的弊端，有巨大的临床价值，是一种值得推广的新方法。雷杰等[10]采用改良的 3 D-FS-PGR序列 ( 40° 翻转角 )，也较大程度缩短了扫描时间，并认为其与 FS-FSE-T2WI 序列二者结合，是目前评价软骨损伤的最佳扫描序列组合。

DEFT 技术是一种不等待 T1完全恢复的信号增强成像方式，使用 -90° 射频脉冲将磁场强度恢复至 Z 轴，采用短回波时间及重复时间，提高了软骨与周围组织的对比，能清晰显示关节软骨。Gold 等[11]通过研究对比表明，3 D-DEFT 序列的信噪比、关节软骨与滑液间对比度以及对软骨厚度的显示优于 PDWI 及 T2WI-FSE 序列，但对软骨损伤检查的敏感度及特异度差异无统计学意义。3 D-DESS 序列通过在稳态中两次回波的联合作用提高了关节软骨的显示分辨率，关节软骨在此序列中变现为中等信号强度，与滑液间有良好的对比度。对关节软骨表面病损敏感性较高，研究表明其对软骨表面病损的诊断率与3 D-SPGR 序列差异无统计学意义[12]。

b-SSFP 软骨成像类似于 DESS，参数略有不同。该序列也可用于韧带、半月板的诊断，临床实践可行性较大。SPACE 技术能进行不同加权图像的扫描，对于关节软骨病变的诊断有潜在应用价值[13]。

三、关节软骨成分的 MRI 评价

随着 MRI 技术的不断发展，一些新技术在软骨检查时可定量测定软骨生物化学成分，从分子水平对早期软骨损伤作出准确评估。

1. MRI 扩散加权成像 ( DWI )：DWI 是一种测量自旋质子微观随机位移运动的技术，主要反映水分子的扩散程度，在分子水平分析组织结构变化的一种 MRI 技术。水是关节软骨中最富含的成分，约占总重的 80%，由浅至深逐渐减少。软骨 DWI 成像主要根据软骨内各组分水含量不同而呈现出不同扩散特性，测得表观扩散系数( ADC ) 值，进而反映软骨组织结构和体系结构[14]。DWI已被证明可作为评估软骨退变的实验研究和修复术后监测的方法[15]。Friedrich 等[16]强调 DWI 具有区分自体软骨细胞移植术后患者的正常软骨与修复软骨的能力。而且DWI 能发现常规序列上形态尚未改变的更早期的软骨病变信号[17]。

2. T2图 ( T2-mapping )：T2-mapping 是指获得 T2图的技术过程。T2值通过描述组织横向磁化衰减，即通过测量不同回波时间的 MRI 信号强度来反映组织的特异性。软骨 T2弛豫率的测定和 T2量化图的 MRI 扫描方法是采用多回波自旋回波 ( MESE ) 序列，扫描后获得参数图，选择感兴趣区测量得出组织的 T2值，用 T2图计算每个体素的 T2值，从而达到量化评价组织结构的目的[18]。T2值对软骨胶原基质结构的改变极为敏感，成为研究软骨生化结构的影像标志[19]。Dunn 等[20]通过研究认为软骨的 T2值与 OA 的严重程度正相关，故 T2-mapping 在 OA 的早期诊断中有明显作用。根据 Lüsse 等[21]的研究，量化的 T2-mapping 不仅能够敏感地评估微骨折后修复组织的精确位置及其功能，还能从相似的软骨里区分出修复的软骨组织( T2值降低 )，因此是一种有潜力的检测软骨修复的技术。另外，有学者通过研究认为 T2-mapping 是一种临床可行的评价膝关节负重后关节软骨变化的检查方法[22]。总之，T2-mapping 的临床应用潜力巨大，但在临床常规化应用之前，须进一步探讨其应用标准、方便性及可重复性[23]。

3. 软骨延迟动态增强成像 ( delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC )：dGEMRIC 是于 1996 年首次报道的可以作为定量评估关节软骨糖胺多糖 ( glycosaminoglycan，GAG ) 浓度的无创方法。此后的诸多研究表明，dGEMRIC 是一种潜力巨大的软骨分子成像技术[24]。采用静脉内双倍剂量注射对比剂钆喷酸葡胺 ( gadoliniumdiethylene triamine pentaacetic acid，Gd-DTPA )，经 2 h 的自主运动使对比剂渗入关节软骨，进行多次反转恢复序列采集并建立软骨 T1图曲线，通过后处理产生参数图，测定 T1值，对软骨的生化成分进行定量测定。T1图在评价软骨解剖上具有优势[25]，定量测定软骨的完整性对显示关节软骨蛋白多糖的缺失以及软骨退变的早期诊断有重要意义。尽管在诸多研究中 T1被证实在关节软骨的病变检测中具有优势[26-28]，但其应用还处于初步研究阶段，T1值测定也缺乏统一标准，且存在有效渗透时间长、操控时间要求严格、易产生误差等缺点，因此在临床中的应用并不广泛。

4.23Na-MRI 成像：23Na 谱成像作为非侵入性检查用于关节软骨的评估最早见于 1988 年[1]。23Na-MRI 的成像原理是根据钠分布来显示蛋白多糖崩解区域。黏蛋白的丢失导致固定电荷密度 ( fixed charge density，FCD ) 降低，从而释放出 Na+，通过磁共振波谱成像测量 Na+在软骨内的分布并与正常软骨内的 Na 分布图对照，观察显示软骨内蛋白多糖的含量变化，以此来检测软骨病变。23Na-MRI 提供了一种可以替代 dGEMRIC 的成像方法，相对于 dGEMRIC，23Na-MRI 敏感度更高，无需造影剂。23Na-MRI 对蛋白多糖聚合物 ( proteoglycans，PG ) 检测的特异性最高，可作为其它定量测量 PG 的金标准[29]，但对扫描仪硬件要求高，需要在高场强下进行以及采集纳谱信号的前置放大器和双调谐线圈等特殊采集传输设备，并用较长的扫描时间来获得足够高的信噪比 ( signal to noise ratio，SNR )。虽然 Newbould 等[30]通过研究证明了在 3 T MRI 条件下23Na-MRI 的可重复性，但相关的临床研究仍比较罕见，而且在临床允许的时间内获得足够的 SNR 也是目前主要的技术难题[2]。

5. MRI T1ρ 成像：MRI T1ρ 成像技术是近年来发展的新技术，能间接反映软骨基质蛋白多糖含量变化，可对早期的软骨病变作出精确诊断[31]。T1ρ 成像是一种用来评估自由水中氢原子和大分子之间低频流动的技术。在自旋回波序列的基础上，用大量高频脉冲锁住横断平面磁场，而伴随高频脉冲来驱动纵轴恢复。获得的几个值可以解决衰减功能的坡度以及创建灰度或色度图[32]。T1ρ 成像是dGEMRIC 的一种替代方法，无需高磁场，对蛋白聚糖含量敏感性高[33]。但 T1ρ 成像技术的有效性、可重复性、可行性以及对早期软骨病变的评估仍需进一步的研究[34]。

四、小结和展望

MRI 软骨成像是目前临床最佳无创性检查手段。常规 MRI 序列可以显示软骨的形态学变化，在序列优化选择方面尚存在争议。而定量 MRI 新技术可以用来评价软骨早期退变损伤，近几年国际关节软骨影像技术研究也主要以 MRI 新技术为主，如 DWI、T2-mapping、dGEMRIC等[35]。总之，关节软骨 MRI 下一步需要探究的问题应集中在临床常规序列的优化选择及统一诊断标准的确立、各种定量 MRI 新技术在早期软骨损伤中的更深入研究及其临床价值的横向比较。

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( 本文编辑：王萌 李贵存 )

Research progress on magnetic resonance imaging for articular cartilage injuries

WANG Zong-bo, NIU Guang-ming, YU Jing-hong. Department of Magnetic Resonance Imaging, the Affliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot, Inner Mongolia, 010050, PRC

Articular cartilage injury is one of the main reasons affecting the function of joint movement. Early diagnosis and correct assessment of the extent of damage are critical. Magnetic resonance imaging ( MRI ) is recognized as the best noninvasive imaging method of checking the articular cartilage. Especially in recent years, with the rapid development of quantitative magnetic resonance imaging ( QMRI ), the articular cartilage noninvasive technology has progressed from the morphological level to the molecular and biochemical level. More and more effective techniques have been proposed for the early detection and evaluation of articular cartilage injuries. Based on the previous literatures, the research status and progress of current and emerging MRI imaging rechniques of the articular cartilage are reviewed in this paper.

Cartilage, articular; Magnetic resonance imaging; Imaging, three-dimensional

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.010

R445.2, R684

010050 呼和浩特，内蒙古医科大学附属医院磁共振室 ( 王宗博、牛广明 )；内蒙古医科大学第二附属医院 ( 于静红 )

牛广明，Email: cjr.niuguangming@vip.163.com

2014-08-13 )