扩散张量成像在关节软骨损伤中的研究进展

刘敏英，张丹

(承德医学院附属医院南区放射科，河北 承德 067000)

0 引言

关节软骨是一种覆盖在关节表面的透明软骨，在关节运动时可起到缓冲、耐磨、润滑的作用。关节软骨损伤因其不会直接危及人类生命，所以往往会被忽视。有研究表明[1]，软骨损伤是骨性关节炎的主要原因，使用非侵入性技术评估关节软骨的完整性和软骨修复是诊治骨关节炎的一个关键因素。关节镜是诊断骨性关节炎的“金标准”[2]，它可以显示软骨表面病变及关节软骨的形态，但由于视野存在限制，无法精确区分软骨深层受损程度[3]，并且属于有创检查，因此关节镜检查发现早期关节软骨损伤的能力有限，多用于严重的关节软骨损伤的诊治。MRI检查安全无创，能够弥补常规X线、CT检查在关节软骨显示方面的不足。新兴的MRI定量技术如DTI、T2-mapping[4]、T1ρ[5]等能够对关节软骨的生化成分进行可视化分析，在关节软骨形态尚未发生改变之前对软骨损伤做出诊断，为后续临床治疗提供影像支持。本文就扩散张量成像在关节软骨损伤中的研究进展进行综述。

1 关节软骨正常结构及损伤机制

关节软骨由大量的水(70%)、软骨细胞外基质(extracellularmatrix，ECM)(27%)和少量的软骨细胞(3%)组成，不含血管、淋巴管和神经，主要靠滑液来营养。水在关节面负重时可从软骨基质中被挤出，起到润滑作用，减少对关节面的摩擦。细胞外基质由胶原纤维和蛋白多糖(proteoglycan，PG)组成，胶原不同层之间方向和密度不同，排列成直角相互交织、重叠充当关节软骨的基质结构，在维持软骨形态方面发挥作用。蛋白多糖是由蛋白聚糖和氨基糖与透明质酸相连形成的高分子量聚合物，带负电荷，可以通过吸引金属阳离子(Na+等)产生的渗透压作用来吸引水分子，因此ECM具有极低的水渗透性，PG表面负电荷互相排斥，使ECM具有高膨胀力[6]。关节软骨的功能不仅依赖其组成成分，还与其分层有关。正常关节软骨由浅及深依次为滑动层、移行层、辐射层和钙化层。滑动层较薄约占整个软骨厚度5%，没有软骨细胞的胶原纤维编织成网状与关节面平行，防止蛋白多糖和其他内部大分子的流失，是抵抗压力的重要结构；移行层厚度约占25%，该层胶原纤维呈交错排列，小的软骨细胞分布在胶原纤维组成的空间框架内，加强软骨的抗剪切能力；辐射层是构成关节软骨的主要部分，厚度约占2/3，这层的胶原纤维最多且与关节面垂直排列，可以保证软骨具有良好的抗压缩能力；钙化层的主要作用是将软骨锚定在软骨下骨[7]。

关节软骨损伤可由多种原因引起，关节软骨慢性损伤首先发生于软骨浅层，表现为软骨局部变软。基质金属蛋白酶(MMPs)、白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子(TNF)等多种生化因子分泌增加，会造成软骨进一步破坏[8]，软骨出现裂隙及碎片脱落，刺激软骨下骨增生硬化产生骨赘加速软骨破坏，严重者引起滑膜、关节周围肌肉和韧带产生病变。

2 DTI基本原理及量化参数

原子核受激发后在非均匀磁场中扩散，形成失相位产生信号衰减，DTI技术在至少6个方向上施加敏感梯度磁场来测量各个方向上的信号衰减量，同时对水分子扩散特征进行量化，获取不同状态下组织细微结构解剖变化和功能改变信息[9]。大多数MRI生物标记物都以PG为靶点，例如钠谱成像。对于胶原，部分敏感性由T2弛豫时间和磁化转移得出[10-11]。DTI的优势在于可以同时对PG和胶原进行监测，因为细胞外基质不同成分对水分子运动影响不同。DTI目前常用的量化参数主要有部分各向异性指数(fractional anisotropy，FA值)、表观弥散系数(average diffusion coefficient，ADC值)。胶原网络结构有利于水沿着胶原纤维运动，导致水分子运动的各向异性，用FA值来代表，FA值趋向于1时，表示水分子的各向异性最大。ADC值反映不同方向水分子扩散的能力，ADC值越大，水分子扩散能力越强。PG分子为随机取向，并没有优先的取向，在所有方向上限制水分子运动的能力相同，因此，PG的含量主要影响ADC值变化，对FA值影响很小[12]。软骨损伤时单位体积内PG含量下降，软骨内水分子弥散运动增加，ADC值增加；胶原纤维网状结构破坏，对水分子运动方向影响减弱，FA值减小。

3 DTI在关节软骨损伤中的研究现状

DTI以往多用于中枢神经系统疾病诊治，随着MRI技术不断发展与完善，国内外学者逐步尝试将DTI应用于关节软骨损伤诊断方面。Ferizi[13]等通过建立关节软骨机械损伤模型以评估DTI在早期检测软骨损伤中的敏感性，与以往常用的酶降解模型相比，机械损伤模型能够更真实地模拟软骨降解过程。结果显示在轻度损伤组内平均扩散系数(MD值)增加，FA值无变化，在重度损伤组内MD值升高，FA值下降，表明由于损伤而激活的分解代谢途径是导致细胞外基质逐步分解的主要原因，而且胶原损伤发生的速度要慢于PG的消耗速度。损伤后组织学分级变化与软骨浅层MD值变化的相关性强于深层，这与safranin-O染色切片中观察到的软骨降解模式一致，首先软骨表面发生降解，逐渐向软骨深层扩散。另一方面，FA值变化与组织学分级变化的相关性要弱于MD值，可能是由于组织学分级充分考虑了PG成分改变和细胞死亡，而在较小程度上考虑了胶原损伤情况。

Raya等[14]应用7.0T MRI对健康成人及关节软骨损伤患者行DTI检查，结果显示两组FA值和ADC值差异均有统计学意义，提示DTI在早期软骨损伤诊断中具有可行性。赵丹丹等[15]通过对114例健康志愿者髌软骨研究得出年龄与FA值、ADC值具有相关性，且与FA值呈负相关，与ADC值呈正相关。随着年龄的增长，细胞外基质中的PG大小与聚集下降、负电荷减少、胶原蛋白降解导致对水分子自由扩散限制能力减弱，水分子扩散加速，表现为ADC值增加；基质中胶原纤维直径增大，硬度增高导致关节软骨胶原网络结构紊乱，胶原纤维走行异常，降低了对水各向异性的限制，表现为FA值逐步下降。侯进等[16]应用3.0T MRI对健康人及不同分级软骨损伤患者行DTI检查发现：随着骨关节炎进展，FA值逐渐降低，早期骨性关节炎ADC值增加明显，而在中晚期ADC值逐渐降低。骨关节炎早期软骨基质中蛋白多糖降解、Ⅱ型胶原退变，胶原网结构断裂导致软骨内自由水含量增加，ADC值明显增加。而在中晚期骨关节炎，蛋白多糖大量丢失，负电荷减少，对水分子吸引能力减弱，虽然炎性因子介入会引起水向关节软骨内转移，但并不能抵消因蛋白多糖丢失导致的水分减少，并且该时期软骨损伤区域内纤维会进行代偿性修复，导致ADC值降低。因此，联合应用FA值和ADC值评估软骨损伤会更准确。孙沛毅等[17]研究发现DTI可定量评估髌股关节早期软骨损伤，且较 T2*mapping 敏感。王俊江等[18]将正常成年兔胫骨软骨从前至后分为5个区域，结果显示不同区域ADC值及FA值差异有统计学意义，提示关节负重区与非负重区软骨及滑膜细胞外环境在运动过程中改变不同，负重区要比非负重区改变明显，导致产生更多MMPs，加重退变程度，因此在应用DTI技术分析成年软骨损伤时要考虑分区进行。

4 小结

综上所述，应用DTI技术进行早期软骨损伤诊断具有良好的可行性。常规MR序列结合DTI技术能够为临床早期诊断、治疗关节软骨损伤提供重要依据。然而目前国内外学者多以髌软骨作为研究对象，对其他部位软骨研究甚少，我们应进一步研究探索，对不同部位软骨进行DTI成像研究。