股骨头坏死关节软骨损伤MR研究进展＊

史 珊 杨学东 方继良 罗 萍 孙 黎 王振常

1.中国中医科学院广安门医院放射科北京市西城区北线阁5号 (北京 100053)

2.首都医科大学附属北京友谊医院放射科北京市西城区永安路95号 (北京 100050)

股骨头坏死是由于股骨头血供障碍或中断，引起骨细胞、骨髓成分坏死，进行性发展导致股骨头塌陷、继发骨关节病，从而引起关节功能障碍的疾病[23-24]。其发病年龄较轻，好发于中青年人群，病因可为非创伤性、创伤性和特发性，激素使用史及酗酒为非创伤性最常见的原因，股骨颈骨折为创伤性最常见的原因[25]。股骨头坏死除了骨质病变以外，也会引起关节软骨损伤，进而更加影响关节的功能，晚期会继发骨关节病，此时，人工关节置换是唯一的选择，但花费较高，且可能会发生二次翻修或重新置换的情况，远期效益不够理想。因此，股骨头坏死的保髋治疗引起骨科医师的广泛关注，在考虑保髋治疗时关节软骨损伤的程度和面积是非常重要的，因为软骨损伤可以继发骨关节病，进而影响保髋治疗的效果。近年来，随着MR技术的进步，越来越多的研究关注于关节软骨的损伤，本文就软骨损伤机制及研究方法和进展进行一一总结。

1 软骨的结构、功能及损伤机制

关节软骨是由软骨细胞和富含胶原、蛋白多糖的细胞外基质构成，能润滑关节，并吸收和缓冲应力。由于无血管供应，其营养成分靠弥散运动来获取。软骨下骨对关节软骨提供力学支持及营养。

软骨下骨的坏死，不仅改变了关节软骨的力学分布与机械传导途径，同时也影响了软骨营养供给及代谢产物的排出，使其易于损伤[1]。股骨头塌陷后，关节应力发生改变，机械应力会加剧股骨头关节软骨的退行性变，一般是先侵害到软骨下钙化层和软骨深部，随后破坏软骨完整性，同时也会引起髋臼软骨的退变。

2 研究方法简介及研究现状

MR研究髋关节软骨的方法不使用造影剂的有ADC、T1ρ、T2mapping、T2＊mapping、Fingerprinting，3D-T1/Pd软骨定量研究及使用造影剂的软骨延迟增强磁共振成像及直接关节造影，各方法分述如下。

2.1 表观弥散系数(apparent diffusion coefficient,ADC)ADC是指DWI中不同方向的分子进行扩散运动时的速度和范围。ADC通过DWI的扩散敏感系数计算而来，b值越大，对水分子的扩散运动就越敏感，更有利于病灶的检出，但图像的信噪比会下降，因此应选择适当的b值，目前研究中较常用的b值为0/600、0/500、0/1000。

关节软骨内水分子的弥散反映了组织的生化结构和构成。正常软骨由于水分子弥散受软骨成分的限制，其弥散时间长，ADC值较低。股骨头坏死塌陷前期髋关节软骨内水分子的弥散速度较正常成人髋关节软骨内水分子的弥散速度明显加快，因此，ADC值也相应地升高，可能是由于软骨内部成分发生变化，软骨内蛋白多糖不同程度丢失所致[2,3]。

2.2 T1ρ成像T1ρ主要用自旋或梯度回波序列进行扫描反映自旋晶格弛豫时间，测量所得为组织的T1值。T1ρ对关节软骨细胞外基质中的蛋白多糖间的相互作用较为敏感，可以量化蛋白多糖的丢失程度。韩晓蕊、冷晓明等[1,4]用T1ρ定量技术对股骨头坏死软骨损伤状况进行对照研究，发现国际骨循环研究协会(Association Research Circulation Osseous,ARCO) Ⅲ期较对照组、Ⅰ期及Ⅱ期的T1ρ值显著性升高，并且随着ARCO分期的升高，软骨损伤逐渐进展。

Kazuhiko Sonoda等[5]发现股骨头坏死病人中，关节面塌陷者T1ρ平均值较未塌陷者升高；在塌陷者中，塌陷区域的T1ρ平均值较未塌陷病变区域增高。在关节面未塌陷者中，各区软骨T1ρ平均值无差异。在塌陷组中，坏死区的T1ρ平均值与MR检查前疼痛的持续时间呈正相关。结果提示股骨头坏死关节软骨损伤始于关节面塌陷之后的坏死区域。

2.3 T2 mapping成像T2mapping一般采用多回波SE序列，在一个TR时间采集多个不同时间点的TE，获得系列图像，然后用公式进行计算，得到T2弛豫时间图像，进而进行量化分析。

T2mapping主要受软骨水含量与周围胶原排列的影响，在正常关节软骨中，水质子能够与胶原纤维组织大部分结合，因此可以快速去相位，所以T2值较低。但是，软骨胶原纤维会随年龄的增长进行重塑，使水质子与胶原纤维结合受限，因此软骨的T2值升高。另外，软骨细胞内水含量增加或软骨细胞外的基质胶原被破坏也可使T2值升高，因而T2mapping可以探测关节软骨形态未变化之前软骨内微观结构的变化[6]。

在正常人群，股骨头及髋臼各区域的T2值是不一致的，其中股骨头后上区比后下和前下区域T2值高，在髋臼区，前下区比前上、中部和后下区域T2值高[7]。Atsuya Watanabe等对正常人群髋臼与股骨头软骨进行T2值测量，将股骨头软骨分为放射状的12等份，髋臼软骨分为放射状的6等份，结果显示股骨头软骨在-20°～20°范围内T2值最短，在魔角(54.7°)附近T2值上升，股骨头软骨的T2值介于28-40之间；髋臼软骨T2值在边缘区域较低，尤其是在20°-30°范围内，髋臼软骨T2值介于32-38之间；髋关节软骨T2值不同性别及左右侧别无显著性差异[8]。姜胜攀等研究发现正常股骨头关节软骨的T2值大约界定为(50±8)之间，若测得的坏死股骨头软骨T2值大5～10 个单位以上，应怀疑存在软骨损伤[9]。国内韩晓蕊、冷晓明等用T2mapping定量技术对股骨头坏死软骨损伤进行研究，发现坏死股骨头ARCOⅢ期软骨较正常股骨头、ARCOⅠ期、ARCOⅡ期软骨的T2值显著升高，随ARCO分期的升高，软骨损伤呈现渐进加重的状况[10]。同时发现对于股骨头坏死患者软骨损伤的定量分析，T1ρ的诊断价值稍高于T2mapping，与国外研究相符[1]。

Xu等通过对股骨头坏死标本的病例切片观察及T2值测量，发现早期股骨头坏死患者有软骨基质变性的倾向，软骨表面密度分布不均，T2值不均匀增加；组织学染色显示软骨细胞明显减少，排列不规则[11]。Shinji Yamamoto等发现非塌陷期股骨头坏死，关节软骨T2值已存在异常，较正常对照组上升[12]。

2.4 T2＊ mapping成像T2＊ mapping成像技术是在T2mapping成像的基础上开发出来的，T2＊ mapping是用是多回波梯度序列、聚相位脉冲，将TE、翻转角设置到为小翻转角、长TE可以得到T2＊权重的图像，能够反映自旋-自旋弛豫，并且成像速度较快、软骨显示更清晰、锐利。T2＊ mapping与T2mapping类似，主要受软骨水含量、胶原网格结构的影响，从而可用于定量评估软骨的生理成分改变。关节软骨的T2＊值主要与胶原排列方向、胶原和水、糖胺聚糖含量有关[13]。

在无症状志愿者中，随着形态的破坏T2＊值明显下降，软骨损伤1级相对于外观表现正常软骨的T2＊值下降最多、最明显，T2＊是研究软骨软骨损伤的可靠工具[14]。目前，文献检索，尚无股骨头坏死软骨的T2＊ mapping研究。

2.5 软骨延迟增强磁共振成像关节软骨主要由软骨细胞、水、蛋白多糖和胶原构成。软骨延迟增强磁共振成像是用带负电荷的钆喷酸葡胺Gd (DTPA)2-与蛋白多糖中带负电荷的糖胺聚糖相互排斥的原理来间接反映软骨基质中蛋白多糖的含量。

刘朝晖等研究发现：ARCOⅡ期股骨头关节软骨的T1Gd值较正常对照有显著性下降，ARCO Ⅲ期T1Gd值下降更为明显，证实股骨头坏死塌陷前期关节软骨的代谢已发生显著性变化，并随坏死分期的升高而进展[15]。

2.6 关节造影关节造影可分为直接造影和间接造影，直接造影为造影剂直接进行关节内注射，间接造影为进行静脉注射，间接延迟成像。研究表明，关节内直接注射，成像效果更佳，更有利于关节软骨轮廓的显示[16]。关节造影不仅可观察股骨头软骨，还可用于观察髋臼软骨及盂唇的病变，对于有髋臼软骨病变的患者，在关节置换手术时，全髋关节置换效果要好于半髋关节置换术[17]。

2.7 FingerprintingFingerprinting是一种新兴技术，可一次性测量T1、T2及Pd值，成像时间短，仅需6分钟，而得出数据多，已用于髋关节软骨研究，研究发现：评估个体变异很小，可用于多中心及长期研究[18]，但尚未应用于股骨头坏死。

2.8 T1/Pd三维软骨定量技术软骨三维定量采集方法有很多种，文献常用的采集方法有：扰相梯度回波序列(spoiled gradient recalled echo,SPGR)、双回波稳态序列(3D dualecho steady state,3D-DESS)和3D-SPACE (sampling perfection with application-optimized contrasts by using different flip angle evolutions，SPACE)三维快速自旋回波成像技术，多采用压脂技术，这些采集方式时间均相对较长，但均能很好的显示关节软骨。可用软件进行半自动或自动勾画，从而进行体积测量。

髋关节软骨的体积与性别、体重指数、股骨头大小有关；关节软骨厚度与股骨头大小有关[19]。正常组股骨头及髋臼软骨的平均厚度为1mm左右，髋臼软骨稍厚。髋臼软骨下部及后部较厚，而股骨头软骨前部较厚。髋臼软骨的平均体积在4000mm2左右，而股骨头软骨的平均体积在3800mm2左右[20]。休息后比承重后软骨的厚度增加[21]。

在股骨头坏死研究当中，Im G I等关注髋臼软骨损伤，发现髋臼软骨的损伤与股骨头塌陷程度相关，认为ARCOⅢ期病人不能从保髋手术中获益，同时软骨损伤也可能是双极头半髋置换手术效果劣于全髋关节置换术的原因[22]。而髋臼软骨损伤，与股骨头塌陷后的挤压、撞击有关[17]。

3 总结

股骨头坏死关节软骨的研究为临床治疗方案的选择及疗效预测提供了更多定量及补充信息，相关方面研究方兴未艾，总体来讲，在股骨头坏死塌陷前，关节软骨形态尚未发生显著变化，而内部结构及成分已发生变化，可通过测量ADC、T1、T2及T1Gd值等来进行定量分析。关节面塌陷后，软骨损伤逐渐进展，体积及形态发生变化，对定量测量提出了很大的挑战，如能将三维体积的定量测量与ADC、T1、T2及T1Gd值的测量相结合，会为临床诊治提供更加精准的信息。