MR成像在膝关节软骨中的应用研究进展

李晓芬(综述)，曾献军(审校)

(1.江西省人民医院放射科； 2.南昌大学第一附属医院影像科，南昌 330006)



MR成像在膝关节软骨中的应用研究进展

李晓芬1(综述)，曾献军2(审校)

(1.江西省人民医院放射科； 2.南昌大学第一附属医院影像科，南昌 330006)

关键词：膝； 关节软骨； 磁共振成像； X线计算机体层成像

膝关节是人体最复杂且最容易受损的持重关节，膝关节疾病又以骨性关节炎(OA)多见。OA多表现为膝关节肿痛酸胀，逐渐发展可引起关节疼痛，以至发生残疾，严重影响患者的日常生活和降低健康标准。关节软骨是维系膝关节功能正常运作不可或缺的主要组织成分，由于膝关节OA的发病并不直接危害到患者的生命，所以常常被忽视。一旦缺损，若耽误了早期的治疗，关节软骨损伤进一步发展，软骨胶原纤维网架崩解，造成软骨合成代谢和分解代谢的紊乱，引发骨关节炎[1]。软骨的钙化层损伤造成软骨下骨增生硬化，出现骨刺，引起关节间隙变窄，甚至发生关节强直等改变。

目前，分子生物学及显微外科相关学科发展迅速，对软骨病变的早期诊断及软骨缺损的早期修复技术也日益成熟。随着OA的发病率与日俱增，亟需寻求一种能早期、无创伤性的技术方法来评价关节软骨损伤，因此应用MRI扫描来观察关节软骨病变已成趋势。T2-mapping成像利用其特殊的新颖MR成像技术计算获得关节软骨的T2值，进而发现那些形态学上未发生改变的早期OA的软骨损伤组织生化成分的变化[2-3]。本文对膝关节软骨的组织学和MRI表现、MRI新成像技术方法和评价关节软骨病变的诊断价值进行如下综述。

1关节软骨的组织解剖学与MRI表现

关节软骨是紧密地吸附在关节软骨承重面上的一种特殊组织成分，主要成分有软骨细胞和其外围的细胞基质，而后者又主要由水、胶原纤维与蛋白多糖组成[4]。这些基质成分的生化特性和排列分布决定了关节软骨的稳固负重能力。由于各层的胶原纤维排列不一，又将关节软骨分为4层：表层为与关节面平行的胶原纤维，即平行层，此层软骨细胞甚少，胶原纤维相互交织呈网架结构，成为遏止水分子流动的有效屏障；中间层又称过渡层，由弓形排列交织的胶原纤维组成；第3层为放射层，此层中软骨细胞形态大，含胶原纤维最多，且垂直排列于软骨关节表面；最底层为钙化层，利用垂直的胶原纤维和软骨下骨紧密相连[5-6]。正常情况下，蛋白多糖的含量在过渡层中最多，而水分则在表层含量最多。软骨退变和损伤时，胶原纤维的网状组成结构出现改变，蛋白多糖含量减低，软骨内自由水成分增加。退变的关节软骨改变，主要与关节软骨表面蛋白多糖含量和自由水的成分改变有很大的关系[7]。

关节软骨各成分的不同是MRI成像中信号高低变化的因素[8]。有学者[9-11]研究报道，正常关节软骨在MRI中呈分层改变，但对分几层及各层信号特点的结果相差较大。Modl等[12]首先发现软骨在SE序列上表现为由外到内的低信号、高信号及低信号3层，组织学上分别对应于软骨的切线层、过渡层及钙化层。有学者[13]指出，关节软骨在快速场回波(FSE)T1WI上分3层：表层为低信号带，约占总厚度的16%，相当于切线层；中层表现为较高信号带，约占总厚度的31%，相当于过渡层；深层为低信号带，约占总厚度的53%，相当于放射带和钙化带。在MRI快速自旋回波序列中，由于软骨及周围关节液之间的质子磁化率差异，两者之间的对比较强，所以关节软骨显示较佳；在质子密度加权成像和T2WI上，关节积液的高信号和关节软骨的低信号对比差异感也很清楚。GRE序列通常采用脂肪抑制结合三维成像，软骨表现为中高信号，关节积液为低信号，局部软骨缺损可表示为高信号内的局限低信号区，从而易于显示。

总之，常规序列显示软骨的形态学改变具有敏感性，但由于对比度欠清，软骨分层显示不明显，对软骨早期的生化成分改变不能很好地反映出来，因此对软骨生化成分的显示具有局限性[6]。只有当软骨病损突破到一定程度时，引起软骨剥脱和软骨下骨暴露，才能清晰地显示。

2关节软骨成像的MRI新技术

2.1T2-Mapping图像的定量分析

T2-Mapping图像是目前评估软骨成分结构变化及微观生化较敏感的一项新的软骨MRI生理成像技术。T2 横向磁化时间主要反映关节软骨内胶原纤维含量、软骨基质内水和蛋白多糖含量的改变。有研究[14]认为，关节软骨内胶原含量及顺序排列的改变决定了T2 值的变化。也有学者[15-16]认为，软骨基质内水和蛋白多糖的含量也与T2 值呈相关性，T2图可作为一种无创性检查技术应用于临床。由于软骨退变与多种因素有关，随着年龄的增长，软骨逐渐变薄，T2值降低[17]。也有研究[18]证明，运动后较运动前关节软骨表面的T2值降低，虽然影响因素众多，但是软骨退变者的T2值均较正常者高。

由于T2图对场强要求不高，扫描时间较短，成像序列不复杂，因此临床开展较多，其能敏感地反映早期软骨病损的形态学改变和软骨微观的生化成分的变化，较常规的MRI序列扫描明显占优势。但不足的是当胶原多糖的走行方向和主磁场呈55°角时，T2 值增加，信号明显增强，软骨的MRI分层也最不准确，这也称为魔角效应。国外学者[4]提出，T2 值和关节软骨胶原物质及组织关系更密切。有研究[19]认为，T2弛豫时间主要与关节软骨的水含量和胶原纤维方向有关，软骨复杂的胶原框架导致T2值分布不均，软骨浅、深层的T2值差异代表了软骨排列结构的各向异性。

T2-mapping成像是MRI的一种成像技术，可以帮助评价软骨基质的状态。虽然，T2-mapping成像仍存在很多技术问题，如受化学位移、产生的部分容积效应与主磁场成角度后出现的魔角效应、对关节软骨病损的特异性低及敏感度高等影响，但是T2值对胶原和水含量变化敏感，对蛋白多糖改变不敏感。

2.2软骨对比增强延时现象(dGEMRIC)

通过静脉注入对比剂钆喷酸葡胺(GD-DTPA)，关节基质环境中的阴离子则进入组织软骨内，正负电荷失衡导致T1 值减低，在关节软骨内，GD-DTPA不断扩散并达到均匀状态，经过1～2 h代谢，采用多次反转恢复序列扫描，在T1 加权图像上利用软件处理分析技术，生成曲线图并测定该处的T1值，上伪彩形成参数图，能对软骨的生化成分、蛋白缺失进行早期的定量诊断。基于氨基葡聚糖含有负性基团导致含负性基团对比剂的分布减少，因此，T1增强显像就表现为氨基多糖(GAG)浓度分布的显像。dGEMRIC技术可反映软骨中GAG的含量[20]。骨性关节炎模型在行功能磁共振时发现，退变软骨T2mapping值增加，dGEMRIC值减少[21]。

dGEMRIC技术在先髋的显示与关节镜证实的骨关节炎早期关节软骨软化的对比中，轻度损伤在膝关节软骨中氨基葡聚糖的影响中表现出了重要价值。正常志愿者的软骨T1值很高，当受损关节软骨退变区GAG瓦解流失，导致软骨组织的T1值降低，致使T1图测量的主要软骨内氨基葡聚糖的含量成分改变。

2.3弥散加权成像技术(Diffusion-weighted Imaging，DWI)

DWI的成像基础是通过对常规SE自旋序列分别给予梯度脉冲，特点是方向相反、大小相等的脉冲，第一个梯度脉冲使所有质子自旋去相位，而后一个使其相位重聚，是目前对水分子扩散运动进行测量与成像的唯一无创性且敏感的成像技术，本质上是用信号增减的方式表现出组织中的水分子扩散运动速度。

在正常关节软骨中水分子被限制在胶原网眼间的空隙内，而在骨关节炎的早期阶段，由于胶原及蛋白多糖崩解，增加了关节表面的摩擦作用和对水的通透性，使得水分子得以在关节软骨内自由游动，扩散速度加快，软骨的ADC值增加，DWI图像呈低信号。刘斯润等[22]研究显示，弥散加权成像对早期骨性关节炎软骨损伤的临床应用有较高的诊断价值。研究结果还表明：在骨性关节炎患者中，髌骨关节软骨的ADC值显著增高，尤其以内侧增高明显；DWI不足在于软骨T2驰豫时间短，为了突出软骨信号需要缩短回波时间，而这样会造成信噪比增加，出现伪影。

2.423Na谱成像技术

此项技术方法大体与dGEMRIC相似，由于23Na原子带正电荷，当关节软骨损伤出现蛋白多糖瓦解时，可在此区域出现异常信号改变。所以，局部23Na浓度与固定电荷密度(FCD)的变化呈正相关性。有文献[6]报道，骨关节炎软骨的糖胺聚糖降解区域23Na谱信号强度下降50%以上，由于23Na谱技术对MRI设备配置要求很高，且需要配备接收线圈和特殊的传输设备，故该技术仍处于研究阶段。

3小结与展望

综上所述，关节软骨MRI成像技术在形态学的发展上已经日趋成熟，为了更直观早期的发现软骨病损的微观生化成分改变，应深入探索早期关节软骨损伤的组织生理性成像、软骨内微观生化结构变化的成像技术[23]，从分析不同的软骨基质成分、关节软骨组织成分及排列构成的改变上体现T2值，软骨基质内蛋白多糖的含量变化则通过T1值来反映，两者均能定量分析评估早期骨性关节炎的软骨退变。目前T1成像及23Na谱成像还处于研究阶段，dGEMRI和T2-mapping成像技术已应用于临床诊断及指导临床治疗。

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(责任编辑：周丽萍)

收稿日期：2015-06-11

中图分类号：R445.2； R684

文献标志码：A

文章编号：1009-8194(2016)01-0097-03

DOI:10.13764/j.cnki.lcsy.2016.01.036