磁共振T2*图在膝关节骨性关节炎诊断中的应用研究进展

门广美综述 于静红审校

骨关节炎(osteoarthritis OA)是一种多因素、进行性、退行性疾病，OA相比其他滑膜关节器官更常见于膝关节，是一种以关节软骨变性及丢失和关节边缘及软骨下骨骨质增生为特征的慢性膝关节炎[1]。膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)是目前最普遍的关节疾病之一，由于人口老龄化和肥胖等因素的影响，预计未来发病率将进一步增加。而早期干预改变疾病进展过程及准确客观地评估疾病过程各个阶段的软骨状态对于膝关节OA的发生发展等方面具有非常重要的意义。T2-star-mapping(T2*图)成像是一种很好的选择，它将生化软骨评估的优点与包括成像时间短和高分辨率三维软骨评估的显著特点结合在一起，且无需造影剂或特殊硬件处理，对软骨退变进行定量及定性诊断，使软骨损伤的早期治疗成为可能[2]。现对T2*图的成像原理以及在此项技术在膝关节骨性关节炎中的应用进行综述。

1 T2*图成像技术基本原理

1.1 T2*图成像技术基本原理 T2*图又称为T2*弛豫时间图，是在T2 图成像技术的基础上开发来的，MR的T2和T2*图序列的优势在于不需要造影剂的情况下显示组织的特性，因而易于被临床接受，并且T2*图序列扫描耗时短(约3 min)，且能提供足够的图像分辨率[3]。与T2 图成像方式并不相同，T2*图采用的是多回波梯度序列，由于没有180°聚相位脉冲，故T2*能够反映自旋—自旋成弛豫[4]，同时也反映了由磁场不均匀性(主磁场、空间编码梯度场、化学位移及不同组织间磁化率的差异等)导致相位偏移所产生的横向弛豫[5]。

T2*弛豫是由自旋—自旋弛豫(T2)和磁场不均匀性(T2')组合引起的横向磁化的固有衰减[6]，T2*弛豫对于梯度回波(GRE)成像来说是独一无二的，因为在自旋回波MR中，这种去相位效应是通过施加180°重聚焦脉冲来消除的。T2*值与T2的关系如下：1/T2*=1/T2+1/T2'，其中1/T2'可由γΔB计算(γ:磁旋比，△B:单位体素的磁场不均匀性)，因此T2*值要短于T2值[7]。为了生成弛豫时间图(T2或T2*)，需要具有不同回波时间和信号电平的连续图像。因此，在选择回波时间的设置以实现感兴趣区域(ROI)中的T2或T2*的特征值的目标时实施多回波序列。随后，将指数函数应用于提供弛豫时间的实测信号电平，即信号衰减1/e(37%)。 这些弛豫时间可以用灰度或像彩色比例图的像素方式呈现。后处理包括在T2*图上对T2*时间的弛豫衰减和手动基于兴趣区的测量的指数拟合。

与T2图一样，T2*图能够评估水含量，胶原纤维网络和反映软骨生化组成的带状变化。多数学者研究认为，横向弛豫时间 T2 值受软骨组织结构各向异性的影响，主要与其中水含量、胶原纤维含量及其排列方向密切相关[8]。Detiger 等[9]在最近的报道中，证实了T2*弛豫时间与关节软骨中糖胺聚糖(GAG)含量和组织学评分之间存在显着相关性。

1.2 膝关节软骨T2*值的现状研究 目前，国内外应用较为广泛的序列是T2图，而对T2*图的研究相对较少。但是也有学者证实了T2值与T2*值之间的关系。赵海南等[10]利用兔为模型，研究了T2、T2*图成像定量测定，研究结果显示，采用的T2图及T2*图技术能够通过定量检测T2及T2*弛豫值为各期退变的兔膝关节软骨提供相似的参考价值。而T2*图的优势更大。而且T2*图不仅可以用于膝关节软骨成像，还在腰椎、肌腱、踝关节等其他部位广泛应用。

为了区分膝关节的“正常”和“异常”，并为临床提供关于治疗决策和治疗随访的标准，必须全面了解膝关节的规范T2*值谱。在一项研究中，记录了健康年轻成年志愿者的34个膝关节，T2*定位分析显示滑车软骨(T2* = 33.0 ms±2.7 ms)，髌骨中间值(T2* 28.3 ms±3.5 ms)和股骨髁软骨中央(T2*横向= 30.5 ms±3.8 ms，T2*内侧= 28.3 ms±4.4 ms)和低股骨髁软骨T2*值(T2*横向= 25.1 ms±2.6 ms ，T2*内侧= 25.2 ms±3.3 ms)和胫骨平台(T2*侧= 23.7 ms±3.1 ms，T2*内侧= 24.0 ms±3.4 ms)[11]。

此外，观察到T2 *值的纬向差异，其中浅层软骨区的T2 *值高于深层区的T2 *值。股骨髁软骨(负重)区域的T2 *值高于股骨后髁软骨(非负重)区域，而在膝关节内侧和外侧的软骨T2 *值是相似的，反映了上述区域和区域组成的差异和超关节软骨结构。尽管在方法学和研究人群方面存在差异，但这些规范化的T2 *膝关节软骨值与其他研究显示的平均T2*值相似，胫骨软骨为16.6 ms±5.6 ms[7]，内侧胫骨软骨为17.1 ms±1.1 ms[12]，股骨外侧髁软骨21.72 ms±2.98 ms，股骨内侧髁为19.00 ms±3.98ms，髌骨软骨26.27 ms±2.93 ms[13]。

2 KOA的生理与病理表现

2.1 膝关节软骨的生化成分 关节软骨具有非常重要的功能，它负责吸收机械应力并保证骨骼的平滑无摩擦运动。软骨的机械性能由组织广泛的细胞外基质(ECM)赋予[15]。关节软骨可以被认为是一个充满流体的大分子网络，在正常关节负荷过程中，含有电解质的间质液(按重量计约占软骨的75%)受到压力，其运动受到大分子网络的限制。因此，加压流体起到分配和支持机械负荷的作用。大分子网络本身主要由胶原蛋白和蛋白多糖组成。 胶原蛋白是一种纤维状大分子，是目前最常见的大分子，约占软骨体积的20%(占干重的70%～80%)。胶原蛋白主要由Ⅱ型胶原组成，Ⅱ型胶原蛋白分子和纤维共价键结合成胶原纤维，胶原纤维内嵌蛋白多糖，使Ⅱ型胶原蛋白结构十分稳定[16]。

糖胺聚糖是软骨细胞外基质网络中第二丰富的大分子。糖胺聚糖(GAG)被认为是维持高含水量所必需的物质。一方面，水与GAG的极性和带电基团(水结合)形成氢键。另一方面，带负电荷的GAG链之间的排斥力导致未结合水的吸收。大多数软骨水是这种未结合的水。GAG 侧链带有大量的负电荷，吸引带正电的阳离子和水进入软骨基质，使软骨富含水分并保持弹性，调节软骨的抗压能力，负重时水分还可渗入关节腔使之润滑[16]。软骨中的水分含量在疾病的早期阶段就已改变。因此，水含量测定可以在早期退行性软骨变化的诊断中起重要作用。MR有潜力检测水分含量的微小变化。T2弛豫时间升高是关节软骨损伤最早出现的征象，大多在软骨厚度和形态发生变化之前即可看到[17]。

2.2 膝关节骨性关节炎的病理改变 膝骨关节炎好发于中老年 ，病理变化主要为关节软骨及软骨下骨的软化，继发关节囊、关节韧带、周围肌群的松弛退变，临床症状以关节疼痛、关节功能障碍及关节稳定性下降为主[17]。关节软骨是关节表面上一层柔软的纤维组织。在组织水平上(规模在100 μm和1 cm之间)，可以看作是一个坚实的均匀结构[18]。在微观水平上，同时发现软骨是由各种分子组成，例如水，蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白组成。这些分子组成的变化已被用于检测和监测各阶段OA的进展。

据报道，软骨组织包含60%～80%的水和被ECM包围的软骨细胞。ECM的主要成分是Ⅱ型胶原蛋白(总软骨组成的5%～10%)和大蛋白聚糖(PG)分子(总软骨组成的10%～20%)。Ⅱ型胶原自软骨表层到深层逐渐减少，为软骨细胞和PG提供框架，负责ECM的拉伸力，还可以平衡由PG产生的渗透压和作用在软骨上的剪切力[19]。在OA早期，胶原原纤维和网状结构的破坏会释放出PG，导致表面区域的病变，组织软化，裂隙和纤颤，并会增加关节软骨的含水量[18]。

3 T2*图在膝关节骨性关节炎诊断中的应用现状

3.1 T2*图的应用 T2*图作为一种软骨生化成像技术，不仅具备了其他成像技术的功能，还具有成像时间短、空间分辨率高等优点。常规核磁 T1 和T2 序列虽然也能够提供非常好的软骨影像，但不能定量分析软骨变化，使早期仅表现为生理及生化特性改变的软骨损害无法显示。之前，Bittersohl等[20-21]进行了2项研究证明，随着骨关节炎严重程度的增加(使用改良的Outerbridge分类评估)，关节软骨患病部位的T2*时间减少。这些研究中的一个重要观察结果是，T2*见于骨关节炎的早期阶段，即Outerbridge 0级和1级之间。这对未来的临床应用都是非常有利的，因为它表明T2*图用于检测和监测早期骨关节炎的潜在能力。而在近期的研究中，白志刚等[22]对正常人及不同程度的OA患者的膝关节的5个不同部位行膝关节T2*图成像,研究结果显示OA组膝关节不同部位软骨T2*值均较正常组明显升高随着关节软骨退变程度增加，同一部位随着软骨病变的程度加重，T2*值也逐渐增加，轻度组OA的T2*值较正常组相比在关节软骨和骨质形态没有发生明显变化之前即出现变化。石桥等[23]的研究也证明了这一观点。杨绿林等[24]的研究结果表明，轻度OA组、中度OA组及重度OA组指定区域关节软骨的平均T2*值均较正常对照组关节软骨T2*值明显升高。不同程度OA各组膝关节指定区域软骨的T2*值随着关节软骨退变程度加重,对应的T2*值随之升高。由此可以得出，T2*图能定量反映胶原纤维完整性的丧失和结合水的变化，这是骨关节炎发展的典型早期发现。

3.2 T2*图的局限性和不足 尽管T2*图方法是一种强大的技术，并且可能在扫描时间，特别是信噪比方面有显着的改进，但它也有局限性。由于T2 *绘图技术缺乏180°重新聚焦脉冲，人造颗粒如空气滞留，整形外科植入物和术后碎片诱发易感性伪影，尽管这种影响很可能主要出现在术后体外研究中，但可能会严重影响关节软骨的T2*评估。另一个需要密切监测的方面是魔角效应，又称磁角效应，最常见于肌键和韧带走向与主磁场方向夹角呈54.74°(约55°)时出现。当关节软骨表面置于大约55°时，T2*值将升高。相对于外部静态磁场B0。这种魔角效应的一种表现是软骨组织的T2衰减被大大地延迟，并且当胶原纤维相对于B0以这个角度取向时信号强度最大[25]。虽然魔角效应在某些场合可能无法避免，但应该采取措施防止或减少这些刺激性影响，例如通过局部适应患者和关节的位置。浅层的魔角效应相对较小，中层和深层的魔角效应明显增强[26]。另外，线圈设计、序列参数和成像设置等硬件组件对T2 *措施也有一定的影响。

4 总结与展望

因OA发病率的持续增长，临床诊断、治疗和预防的重要性越来越明显，早期、准确判断OA病情及其发展对临床治疗、延缓病情进展具有重要意义。T2*图作为预测软骨损伤的无创性方法，能够在KOA早期对其进行准确的诊断。目前国内对于T2*图在膝关节骨性关节炎中的报道较少,对早期KOA的评估也没有统一的标准，需要进一步研究来认识和使用这个强大的工具。