MR T2*mapping 诊断关节软骨早期病变的临床价值

姜艳丽令潇张静

·医学影像·

MR T2*mapping 诊断关节软骨早期病变的临床价值

姜艳丽1令潇2张静1

关节软骨损伤是一类临床常见病变，其早期病理表现为软骨基质生化成分的改变，在软骨发生病变的早期对其进行诊断和干预尤为重要。随着磁共振各种功能成像技术快速发展，使关节软骨形态学改变得以明确显示；同时，也可定量分析软骨内生化成分的变化。T2*mapping是近年来MR量化分析软骨生化成分改变的一项新技术，可在病变关节软骨形态未发生改变之前即对其进行定量分析，对关节软骨早期病变的诊断有很好的临床应用价值。本文就T2*mapping在关节软骨病变早期诊断方面的临床应用价值做一综述。

磁共振成像； 软骨, 关节； 早期诊断； T2*mapping

关节疾病是包括骨性关节炎、创伤性关节炎、风湿性关节炎等在内的一大类疾病，是导致运动障碍甚至致残的主要原因。其最早期病理改变为软骨退变，多项研究表明，在软骨病变早期可通过细胞保护剂、生长因子治疗，同时可通过物理治疗、减重等手段来逆转软骨的病理改变，从而有效阻止疾病进展[1-2]，故在软骨病变早期对其进行诊断和干预非常重要。MRI作为一种无创、可重复的检查手段，对软骨病变的早期诊断具有较高的敏感性。随着各种功能磁共振成像技术的发展，使关节软骨形态学改变得以明确显示。T2*mapping是近年来MR量化分析软骨生化成分改变的一项新技术，可在病变关节软骨形态未发生改变之前即对其定量分析，对关节软骨早期病变的诊断有很好的临床应用价值。本研究就不同磁共振生理成像技术，尤其T2*mapping在关节软骨病变早期诊断方面的临床应用价值做一综述。

一、关节软骨正常解剖

关节软骨由少量软骨细胞（占1%～4%）和细胞外基质构成，细胞外基质包括水、胶原纤维及蛋白多糖。其中水占60%～85%；胶原纤维占10%～20%，以Ⅱ型胶原纤维为主；蛋白多糖占5%～10%，由1个核心蛋白和黏多糖（GAG）侧链组成，三者有机结合，使关节软骨具有承受负荷、抵抗应力和减少摩擦的作用。按照胶原纤维排列方向和生化成分的不同，将关节软骨分4层：（1）浅层。约占软骨厚度的5%～15%，该层纤维排列方向与软骨表面平行，细胞数最多，胶原和水含量也较高，蛋白多糖含量相对较低；（2）过渡层。约占软骨厚度的60%，该层纤维呈斜行交错排列，胶原和水含量少于浅层，蛋白多糖含量高于浅层；（3）深层。约占软骨厚度的25%，该层纤维的排列方向与软骨表面垂直，胶原和水含量均较低，蛋白多糖含量最高；（4）钙化层。为软骨和软骨下骨的分界，其内纤维交错排列，利用软骨下骨将软骨固定其中。

二、关节疾病早期软骨改变

早期关节软骨退变表现为蛋白多糖浓度下降，水含量增加，胶原纤维网状结构崩解。随病情发展，软骨局部表面溃疡形成，蛋白多糖进一步丢失，随蛋白多糖丢失程度加重，软骨内水含量降低到正常以下[3]，软骨弹性、抗压强度和对关节的保护能力下降。而后可表现为软骨浅层磨损，并向软骨下骨延伸形成裂缝，释放的纤维软骨碎片使软骨厚度降低，随疾病进展致全层受累。

三、MRI生理成像技术

MRI是多方位、多参数的成像技术，软组织对比度及空间分辨率均较高。但传统MRI对关节软骨损伤的诊断敏感性较低，只能显示软骨损伤达一定程度时造成的形态学改变，如厚度变薄、表面缺损及信号改变等，且缺乏特异性。

目前，MRI生理成像技术可对软骨构成的不同成分进行成像，来观察软骨基质的改变，反映软骨的病理生理状态。包括T2 mapping、钆延迟增强MR软骨成像（delayed gadolinium enhanced magnetic resonance imaging of cartilage，dGEMRIC）、自旋锁定（T1ρ）成像、钠（Na）谱成像、磁化传递技术（ magnetization transfer constrast，MTC）以及T2*mapping等。

1. T2 mapping成像：T2 mapping采用多回波自旋回波序列，经后处理形成伪彩图，通过测量感兴趣区得出T2值，继而形成其空间分布图，反映软骨内水含量及水分子和胶原纤维的相互关系。有研究表明，由于软骨深层纤维走形垂直，且蛋白多糖含量较高，限制了水分子的运动，从而促进T2值衰减，因此，正常软骨T2值从软骨表层向深层逐渐递减[4]。另有研究显示骨性关节炎关节软骨内胶原纤维和蛋白多糖含量减少，水含量增多，致软骨T2值升高，关节软骨T2值与软骨退变程度有关，退变等级越高，T2值升高越明显[5]。该成像技术研究较成熟，已部分应用于临床，但局限性在于：（1）成像时间较长；（2）对早期软骨退变敏感性较低；（3）魔角效应，软骨组织中胶原纤维排列方向与水分子分布平行，而不同软骨层胶原纤维排列不尽相同，当胶原蛋白排列方向与基线（B0）夹角成55°时，导致T2值增加[6]。

2. MR T2*mapping成像：T2*mapping采用多回波梯度回波序列，对软骨内水含量和胶原纤维网状结构敏感。三维快速扰相梯度回波序列（3D rapid phase gradient echo sequence，3D-SPGR）抑制了骨髓内脂肪组织的高信号；且该序列回波时间（echo time，TE）较短，使关节软骨的短T1得到较好显示，从而提高组织对比度[7]；对比T2 mapping，T2*mapping成像速度快、图像分辨率高，显示软骨疾病的敏感性更高。Newbould等[8]研究表明，3T MRI T2*mapping在区分骨性关节炎（osteoarthritis，OA）患者和正常人膝关节软骨方面具有很好的可重复性。Bittersohl等[9]研究表明，随着退变级别加深，软骨全层的平均T2*值下降越明显。

超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）-T2*mapping是一种发展中的MR成像技术。Chu等[10]研究表明，前交叉韧带撕裂重建后，UTE-T2* mapping对内侧半月板、股骨内侧髁和胫骨内侧平台深层组织基质的变化很敏感。该研究结果显示，前交叉韧带损伤患者的UTE-T2*值要高于正常对照组。另有Williams等[11]研究也表明UTE-T2*mapping对关节软骨的基质退变及发现短T2信号（＜10 ms）很敏感，尤其对不能被标准T2 mapping探测的深部组织内的短T2信号更加敏感。

总之，相比MR其他生理成像技术，T2*mapping（包括UTE-T2*mapping）的潜在优势在于成像时间更短、空间分辨率更高以及可行三维采集，从而实现软骨全覆盖，有望代替T2 mapping成为关节软骨病变早期诊断的敏感性指标。国外已有软骨T2*mapping相关的研究，目前国内研究报道较少。

四、T2*mapping在骨骼肌肉系统的临床应用

1. 用于软骨疾病的诊断：2009年，Bittersohl等[12]第1次对髋关节软骨行1.5T MRI T2*mapping研究，研究对象是33例有可疑关节软骨退变的股骨髋臼撞击综合征（femoro-acetabular impingement，FAI）患者和10例正常受试者，研究表明软骨损伤级别不同，所测T2*值也不同，正常人T2*值较高（32.4 ms），而伴有软骨厚度损失者T2*值较低（29.4 ms）。Morgan等[13]对1例FAI患者行T2*mapping研究，结果表明，T2*mapping可以为临床提供准确诊断。Miese等[14]研究了33例股骨头骨骺滑脱（slipped capital femoral epiphysis，SCFE）患者，结果表明其髋关节内外侧软骨的T2*值均较对照组有所下降；随软骨形态破坏加重，其T2*值呈下降趋势，并在软骨发生早期形态学改变时，T2*值的下降幅度最大。Marik等[15]对10例距骨剥脱性骨关节炎（osteochondritis dissecans，OCD）患者和9例健康受试者行T2和T2*mapping研究，该研究发现，OCD患者T2和T2*值在数值上均高于健康受试者，2组T2值差异有统计学意义，T2*值差异无统计学意义。

Buchbender等[16]研究了16例掌指关节类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）患者和20例正常受试者的T2*值，结果表明RA患者T2*值在数值上较受试者低，但二者差异无统计学意义。

2. 用于修复软骨的监测：由于软骨内缺乏血管、淋巴及神经，故损伤后其自我修复的能力较差。基质诱导的自体软骨细胞移植技术（matrix-associated autologous chondrocyte transplantation，MACT）可使损伤软骨修复到接近正常软骨的程度。Welsch等[17]对4例股骨内侧髁行MACT患者和12例健康受试者行T2*mapping研究，结果表明健康软骨从深层到浅层T2*值逐渐增加，但MACT区域无此变化。此后，Welsch等[18]又对30例行MACT的患者进行T2和T2*mapping研究，发现正常软骨T2*值高于修复软骨，同时发现T2*值在软骨各层间的这种变化较T2值更敏感。

3. 应用于运动医学：长距离或超长距离竞赛等运动方式会导致越来越多关节软骨的急性损伤和过度使用综合征[19]。Schueller-Weidekamm等[20]研究了长距离运动员膝关节损伤的发生率与运动量的关系，结果表明，较大的运动量是长距离运动员膝关节损伤的危险因素。Schütz等[21]对22例跨欧洲越野赛参与者的踝关节行1.5T MR T2*mapping研究，目的是研究超长距离竞赛对人体踝关节的损伤情况。结果表明，在比赛的前2 000～2 500 km赛段，T2*值降低，之后赛段T2*值增加，说明在经受了超马拉松负荷后，踝关节正常软骨基质开始发生退变。

五、结论

T2*mapping采用多回波梯度回波序列，该序列中缺少180°重聚焦脉冲，受到磁场不均匀性的影响大，易产生磁敏感性伪影。此外，由于技术尚不成熟、研究成果尚不确切，目前T2*mapping技术还处在临床研究阶段，尚未应用于临床实践。但是，T2*mapping作为一项新兴MRI生理成像技术，既具备常规MRI技术多方位成像、无创检查的优势，也具备快速成像、图像分辨率高及三维立体成像的独特优势，可观察到关节软骨早期退变的生化改变，从而为临床开展早期干预和治疗提供更加明确的依据，最终避免关节疾病晚期致畸致残后果的发生，随着MRI技术的发展，T2*mapping有望成为一项具有远大应用前景的成像技术。

1 Bear DM, Szczodry M, Kramer S, et al. Optical coherence tomography detection of subclinical traumatic cartilage injury[J]. J Orthop Trauma, 2010, 24(9): 577-582. doi: 10.1097/BOT.0b013e3181f17a3b.

2 Hurtig M, Chubinskaya S, Dickey J, et al. BMP-7 protects against progression of cartilage degeneration after impact injury[J]. J Orthop Res, 2009, 27(5): 602-611. doi: 10.1002/jor.20787.

3 李俊峰, 张建新, 牛金亮, 等. 膝关节软骨早期退变的磁共振成像表现及临床应用价值研究[J]. 中国药物与临床, 2008, 8(12): 978-980. doi:10.3969/j.issn.1671-2560.2008.12.020.

4 Reiter DA, Lin PC, Fishbein KW, et al. Multicomponent T2 relaxation analysis in cartilage[J]. Magn Reson Med, 2009, 61(4):803-809. doi: 10.1002/mrm.21926.

5 Blumenkrantz G, Stahl R, Carballido-Gamio J, et al. The feasibility of characterizing the spatial distribution of cartilage T2 using texture analysis[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2008, 16(5):584-590. doi: 10.1016/j.joca.2007.10.019.

6 Mosher TJ, Smith H, Dardzinski BJ, et al. MR imaging and T2 mapping of femoral cartilage: in vivo determination of the magic angle effect[J]. AJR Am J Roentgenol, 2001, 177(3): 665-669. doi:10.2214/ ajr.177.3.1770665.

7 彭超. 关节软骨磁共振成像技术[J]. 中外医疗, 2009, 28(31): 167-168. doi: 10.3969/j.issn.1674-0742.2009.31.139.

8 Newbould RD, Miller SR, Toms LD, et al. T2* measurement of the knee articular cartilage in osteoarthritis at 3T[J]. J Magn Reson Imaging, 2012, 35(6):1422-1429. doi: 10.1002/jmri.23598.

9 Bittersohl B, Miese FR, Hosalkar HS, et al. T2 mapping of hip joint cartilage in various histological grades of degeneration[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2012, 20(7):653-660. doi: 10.1016/ j.joca.2012.03.011.

10 Chu CR, Williams AA, West RV, et al. Quantitative magnetic resonance imaging UTE-T2* mapping of cartilage and meniscus healing after anatomic anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Am J Sports Med, 2014, 42(8): 1847-1856. doi: 10.1177/0363546514532227.

11 Williams A, Qian Y, Bear D, et al. Assessing degeneration of human articular cartilage with ultra-short echo time (UTE) T2* mapping[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2010, 18(4):539-546. doi: 10.1016/ j.joca.2010.02.001.

12 Bittersohl B, Hosalkar HS, Hughes T, et al. Feasibility of T mapping for the evaluation of hip joint cartilage at 1.5T using a threedimensional (3D), gradient-echo (GRE) sequence: A prospective study[J]. Magn Reson Med, 2009, 62(4): 896-901. doi: 10.1002/ mrm.22096.

13 Morgan P, Spiridonov S, Goebel R, et al. MR Imaging with T2*-mapping for improved acetabular cartilage assessment in FAI-a case report with arthroscopic correlation[J]. Orthop Traumatol Surg Res, 2014, 100(8): 971-973. doi: 10.1016/j.otsr.2014.09.014.

14 Miese FR, Zilkens C, Holstein A, et al. Assessment of early cartilagedegeneration after slipped capital femoral epiphysis using T2 and T2* mapping[J]. Acta Radiol, 2011, 52(1): 106-110. doi:10.3109/02841851. 2010.516015.

15 Marik W, Apprich S, Welsch GH, et al. Biochemical evaluation of articular cartilage in patients with osteochondrosis dissecans by means of quantitative T2-mapping at 3 Tesla MRI[J]. Eur J Radiol, 2011, 81(5): 923-927. doi: 10.1016/j.ejrad.2011.01.124.

16 Buchbender C, Scherer A, Kröpil P, et al. Cartilage quality in rheumatoid arthritis: comparison of T2* mapping, native T1 mapping, dGEMRIC, ΔR1 and value of pre-contrast imaging[J]. Skeletal Radiol, 2012, 41(6): 685-692. doi: 10.1007/s00256-011-1276-2.

17 Welsch GH, Mamisch TC, Hughes T, et al. In vivo biochemical 7.0 Tesla magnetic resonance: preliminary results of dGEMRIC, zonal T2, and T2* mapping of articular cartilage[J]. Invest Radiol, 2008, 43(9): 619-626. doi: 10.1097/RLI.0b013e31817e9122.

18 Welsch GH, Trattnig S, Hughes T, et al. T2 and T2* mapping in patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation: initial results on clinical use with 3.0-Tesla MRI[J]. Eur Radiol, 2010, 20(6): 1515-1523. doi: 10.1007/s00330-009-1669-y. 19 Van MW. Running injuries. A review of the epidemiological literature[J]. Sports Med, 1992, 14(5): 320-335.

20 Schueller-Weidekamm C, Schueller G, Uffmann M, et al. Incidence of chronic knee lesions in long-distance runners based on training level: Findings at MRI[J]. Eur J Radiol, 2006, 58(2):286-293.

21 Schütz UH, Ellermann J, Schoss D, et al. Biochemical cartilage alteration and unexpected signal recovery in T2* mapping observed in ankle joints with mobile MRI during a transcontinental multistage footrace over 4486 km[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2014, 22(11):1840-1850. doi: 10.1016/j.joca.2014.08.001.

The application value of MR T2＊ mapping in diagnosis of early pathological changes of articular cartilage

Jiang Yanli1, Ling Xiao2, Zhang Jing1.

1Department of Magnetic Resonance Imaging, the Second Hospital of Lanzhou University, Lanzhou 730030, China;2Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710061, China

Zhang Jing, Email: lztong2001@163.com

Articular cartilage injury is a common problem in clinics. The early pathological manifestations are the changes in the cartilage matrix of biochemical ingredient content. With the rapid development of functional magnetic resonance imaging, the morphological changes of articular cartilage can be demonstrated clearly, and at the same time, the changes in the cartilage matrix of biochemical ingredient content can be quantitatively analyzed. This is important for clinical evaluation in terms of early diagnosis and prompt treatment of cartilage lesions. This article will reviewe the clinical application of different sequences of MR T2* imaging in early diagnosis of articular cartilage disease.

Magnetic resonance imaging; Cartilage, articular; Early diagnosis; T2*mapping

2016-11-23）

（本文编辑：黄强）

10.3877/cma.j.issn.2095-5782.2017.01.006

730030 甘肃兰州，兰州大学第二医院核磁共振科1；710061 陕西西安，西安交通大学第一附属医院医学影像科2

张静，Email: lztong2001@163.com

姜艳丽，令潇，张静. MR T2*mapping诊断关节软骨早期病变的临床价值[J/CD].中华介入放射学电子杂志，2017,5（1）：20-23.