弥散张量成像在早期骨性关节炎诊断中的应用进展

李明楷 于静红

[摘要] 骨性关节炎（OA）是临床多见病，其早期有效诊断是预防和延缓OA病情进展的关键。磁共振成像（MRI）作为一种安全、无创的检查方法，通过磁场中受激发氢质子弛豫释放的能量来成像，全面显示关节软骨形态及信号改变，是关节软骨检查的重要手段。随着磁共振成像技术的发展，弥散张量成像（DTI）技术通过反映软骨内生化成分的变化， 对OA早期进行定量评估，从而使预防OA及减轻长期健康负担成为可能。本文对DTI技术在OA早期诊断中的应用进展予以综述。

[关键词] 弥散张量成像;骨性关节炎;软骨基质

[中图分类号] R684          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）02（c）-0024-04

[Abstract] Osteoarthritis is a clinical common disease， its early diagnosis is effectively prevent and delay the osteoarthritis （OA） is the key to progress， magnetic resonance imaging （MRI） as a safe， noninvasive examination method， stimulated by a magnetic field energy release of the hydrogen proton relaxation to Imaging， a comprehensive display of articular cartilage morphology and signal change， is an important means of articular cartilage to check. Along with the development of MRI technology， diffusion tensor imaging （DTI） will be applied to evaluate the early OA quantitatively by reflecting the changes in the endogenous components of cartilage， so as to make it possible to prevent OA and reduce the long-term health burden. This article reviews the application of DTI in the early diagnosis of OA.

[Key words] Diffusion tensor imaging; Osteoarthritis; Cartilage matrix

骨性關节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节软骨破坏为主的复杂的疾病，典型临床症状为关节的压痛、疼痛及功能受限，常伴有关节积液，晚期致残率极高。早期OA临床表现是隐匿的，患者可能多年没有症状，但当症状出现时病情进展已经到了晚期。OA常用的临床检查方法有X线及CT检查、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）及关节镜检查。X线及CT不能显示关节软骨病变，诊断的OA已属于晚期，关节镜虽然是诊断OA的“金标准”[1]，能显示软骨表面病变，但不能发现软骨深层受损程度，而且属于有创操作，临床应用受限。MRI是目前唯一能在活体无创性显示关节软骨的检查方法，它不但能弥补X线、CT及关节镜检查的不足，可以清晰地显示关节软骨病变，还能敏感地检测到关节软骨生化成分、组织学特点和生物力学结构方面的变化。目前，定量MRI技术包括弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）和弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、T2-mapping、软骨延迟动态增强MRI（delayed gadolinium- enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）、T1ρ成像、钠谱成像、氨基葡聚糖化学交换饱和转移技术（glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer，gagCEST）等，本文就DTI定量检测技术在早期OA诊断中的应用进行综述。

1 DTI成像技术基本原理及其量化参数

1.1 DTI成像技术原理

磁共振DTI是一种以活体组织中具有各向异性的水分子自由运动为基础的新的磁共振生理成像技术，不仅能反应水分子的自由扩散程度及其各向异性，还可观察组织的局部形态结构，从而全面反映软骨的细微变化。DTI主要是通过计算机加权多种参数值进行成像，从而获取较高信噪比的弥散张量图像[2]，并在后处理工作站中通过选取感兴趣区来进行定量分析。DTI成像技术最早应用于中枢神经系统，近年来广泛应用于周围神经系统及其他疾病的诊断和术前计划中[3-4]，如臂丛神经、腰骶神经显像[5]、肿瘤术前定位等，但DTI在膝关节软骨方面的应用目前多用于动物实验。

1.2 DTI量化参数

临床常用的DTI量化参数包括部分各向异性指数（fractionalanisotropy，FA值）、表观弥散系数（averagediffusioncoefficient，ADC值）。FA值表示水分子各向异性的弥散程度，FA值范围为0～1，数值越趋近于1，表示水分子扩散的各向异性越强，在FA图上信号显示越强，图像灰度也越高。ADC值用来反映不同方向的水分子扩散的程度和大小，ADC值越大，水分子的扩散能力越快，反之ADC值越小，其扩散能力越慢。ADC值越大，在ADC图上显示信号越强。

国外学者[6-8]研究表明，DTI可直观的观察软骨内水的各向异性和扩散程度，可以评估软骨内PG含量和Ⅱ型胶原纤维的走行方向。体内研究[9]显示，DTI可通过计算ADC的均值来提示蛋白聚糖含量，通过测量观察FA值等来反映胶原蛋白结构，能够得到软骨基质完整性的信息。DTI的优势在于与其他MR生理成像比较，如T2-mapping，DTI不受魔角效应的影响，也不需要使用造影剂即可提供软骨的解剖学变化。DTI定量检测有望成为早期OA病情诊断的新技术，特别是成为对蛋白聚糖含量及胶原纤维结构敏感的方法。

2 OA病理改变及DTI在OA中的应用

2.1 OA的病理生理改变

关节软骨为透明软骨，呈蓝白色，由软骨细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）和少量软骨细胞组成[10]。胶原纤维、蛋白多糖（proteoglycan，PG）和水三部分组成ECM。正常关节软骨组织内的水含量很高，胶原和蛋白多糖是软骨主要有机成分，这些是关节软骨保持特性的关键。软骨内胶原主要是Ⅱ型胶原，Ⅱ型胶原自软骨表层到深层逐渐减少，其结构为拱形，使软骨具备张力特征，同时起框架作用。蛋白多糖是一种复杂的大分子聚合物，带负电荷，通过吸引金属阳离子（Na+、Ca2+等）产生的渗透压作用来吸引水分子，加上PG表面负电荷之间的互相排斥，使ECM具有高膨胀力和极低水渗透性。软骨内的水不仅与细胞生存环境密切相关，其含量的改变更是软骨退变的标志之一[11-12]。正因为软骨的这些生理特性，也成为生理MRI成像的研究基础。

OA病理的核心是关节软骨的退变，而软骨退变的重要原因之一是细胞外基质合成和降解失衡。关节软骨退变早期，胶原纤维网状结构发生改变，软骨蛋白多糖含量丢失及自由水含量增加，使关节软骨肿胀变性，软骨细胞局灶性死亡，晚期软骨受侵蚀、软骨细胞广泛死亡、软骨下骨增生硬化，承载关节的解剖结构发生改变，致不能承重[13]。

2.2 正常及OA患者关节软骨常规MRI及DTI表现

正常膝关节软骨在MRI常规序列上能很好地显示，关节软骨厚度均匀、表面光滑，关节间隙正常，周围软组织显示清晰。一般在T2WI-FS序列上，关节软骨信号由浅入深可显示为低（浅层）-高（过渡层）-低（放射层和钙化层）三层[14]。OA患者早期在T2WI上关节软骨病变呈高信号，关节软骨变薄，三层结构显示不清，病变晚期可见软骨部分或全层缺失、局部纤维化在T2WI上显示为低信号。

正常关节软骨在DTI的ADC伪彩图上显示其连续性完整，软骨厚度均匀，色阶一致。当软骨早期退变时，出现点状或片状不均匀色阶。随着退变的加重，软骨变薄、连续性欠佳，层次结构分界不清;病情进展到晚期时，软骨部分或全层缺失，关节间隙变窄，骨质暴露，出现混杂色阶或不能着色。

2.3 DTI技术在OA中的应用现状

DTI用于检测体内水分子弥散过程，临床多用于评估脊髓損伤和脑梗死[15-17]。近年研究发现，DTI对OA软骨退变具有一定潜在的临床应用价值。方锐等[18]通过动物造模方式观察膝骨性关节炎不同时期的临床及病理特点发现，早期OA改变是以软骨细胞的排列紊乱开始的，胶原的网络结构遭到破坏，继而出现细胞的分离和簇集现象，从而引起组织体积的增加，即早期肿胀，组织内PG、胶原等软骨成分的合成增加。随着病情进展，组织内胶原酶合成增加，关节软骨进一步被破坏。随着软骨成分的丢失和含量下降，导致软骨硬度和弹性下降，组织渗透性增加，水分子含量上升。由此来看，在软骨损伤早期进行DTI检查，胶原的退变和蛋白多糖的降解导致水分子含量增加，导致了ADC值增高，ADC图显示为异常高信号。而关节软骨内胶原纤维走向异常、结构破坏，降低了软骨内水分子的各向异性，FA值出现进行性下降。由于ADC值和FA值的差异在某种程度上能反映出组织内水分子扩散程度及组织结构的差异，因此，DTI成像技术可以通过测量FA值及ADC值从分子水平来评估OA的严重程度，为发现早期OA病变提供了新的定量检测方法。

王俊江等[19]通过对正常成年兔胫骨平台表面软骨由前到后分组，进行DTI扫描后分析各组间ADC值和FA值，结果发现负重区退变程度较非负重区更为严重，FA值降低，ADC值升高。侯进等[20]通过采用3.0 TMR-DTI技术测量健康人和不同级别OA患者膝关节软骨的ADC及FA值，发现早期OA的ADC值增加较明显，而在病变中晚期的ADC值是逐渐降低的，OA早期及中晚期的FA值是进行性降低，并且通过建立动物OA模型，进一步证实了上述结果，其研究表明FA联合ADC值的测量对OA早期诊断更为明确。赵丹丹等[21]通过对不同年龄阶段健康成年人髌软骨的研究表明，髌软骨退变时，FA值下降，而ADC值升高。Raya等[22-24]对人离体膝关节软骨进行DTI扫描，比较被证实受损区的ADC值与严重程度评估值，发现敏感性达95%，损伤程度分级准确性为63%。另一方面，通过DTI比较正常与OA膝关节的FA值，发现OA组的FA值较正常组显著下降，灵敏度为81%，特异性为83%，提示ADC值、FA值对评估软骨损伤是有用的。根据Watson等[25]的报告，软骨被视为具有弱各向异性的生物组织，如大脑和心脏，因此，虽然认为FA值可用来OA的诊断，但很难评估OA造成的损害程度。Ukai等[26]通过对41例关节镜术后被证实软骨损伤的患者进行ADC值的分析，发现Outerbridge分级中0级与2级、3级，1级与2级、3级，2级与3级之间有显著性差异，虽然0级与1级之间没有显著差异，但它确定了1级与2级之间的显著差异，结果表明ADC值对评估早期软骨损伤是具有临床应用价值的。

3 小结与展望

综上所述，利用DTI定量分析技术能够在OA形态学改变发生前发现关节软骨内的生化成分改变，而且其空间分辨率高，可多平面成像，重复性好，为OA的早期诊断、病情检测提供了一种新的选择，同样也为MRI应用于软骨研究打开了新的窗口。然而，目前相关实验开展相对较少，缺乏数据及病理学结果来验证，相信随着MRI技术的发展及更多临床实验的开展，DTI定量分析技术可与磁共振常规形态学检查结合，将会有助于临床医生发现早期OA软骨基质的细微变化，帮助他们设计治疗方案和相应的后续随访。

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（收稿日期：2018-05-21  本文編辑：封   华）