王宗博 牛廣明 于靜紅
. 綜述 Review .
關節(jié)軟骨磁共振成像的研究進展
王宗博 牛廣明 于靜紅
關節(jié)軟骨損傷是臨床常見病,可以導致關節(jié)疼痛、積液和功能障礙,嚴重者可致殘。外傷、骨性關節(jié)炎( osteoarthritis,OA )、剝脫性骨軟骨炎等原因均可造成關節(jié)軟骨的損傷,并且一旦損傷極難修復。在長期大量運動的人群和老年人中,關節(jié)軟骨的退變、損傷幾乎都不同程度的存在。早期的軟骨損傷易被忽視,臨床診斷也缺乏特異性。關節(jié)鏡雖是關節(jié)軟骨損傷診斷的“金標準”,但有創(chuàng)傷、視野小、有盲區(qū)、無法顯示軟骨下骨損傷程度等局限;常規(guī) X 線、CT 檢查無法直觀顯示關節(jié)軟骨。MRI 憑借其多方位、多序列、多參數(shù)成像及組織分辨率高、對比度好等諸多優(yōu)勢,不僅能無創(chuàng)性地觀察軟骨損傷的部位、范圍、程度、軟骨表面的病理變化,而且能準確觀察軟骨內部、軟骨下骨及骨髓的病變情況,被公認為目前評價軟骨損傷的最佳無創(chuàng)檢查方法[1]。尤其是近年來定量磁共振成像技術的快速發(fā)展,使得關節(jié)軟骨無創(chuàng)性檢查從形態(tài)學發(fā)展到了分子生化水平,為早期關節(jié)軟骨損傷的檢測以及修復效果的評估提供了更多行之有效的技術手段[2]。但在臨床工作中,對于關節(jié)軟骨的 MRI 序列選擇及優(yōu)化組合、軟骨損傷在不同 MRI 序列中的表現(xiàn)和診斷等方面尚無統(tǒng)一標準[3]。
1. 生理學特點:關節(jié)軟骨屬于透明軟骨,是覆于關節(jié)骨面的一種特殊致密結締組織,可承重、潤滑及傳導、吸收和緩沖應力等,在維持可動關節(jié)的正?;顒又邪l(fā)揮著重要作用。關節(jié)軟骨的構成從深層至表面大致分為鈣化帶、放射帶、過渡帶及滑動帶 4 層。關節(jié)軟骨由基質和軟骨細胞構成,其中基質是其主要物質基礎,由膠原纖維、蛋白多糖和水組成[4]。膠原纖維構成關節(jié)軟骨的三維框架,軟骨細胞分散在膠原纖維中間;蛋白多糖通過軟骨表層聚集膠原纖維超濾膜吸收水分并與水相互作用,使得關節(jié)軟骨富有彈性,是軟骨組織承受壓力的基礎;軟骨細胞是軟骨代謝活動的細胞成分,關系到軟骨基質的合成與破壞程度,而且與代謝活動及蛋白多糖合成有關。
2. 軟骨損傷的病因及病理:關節(jié)軟骨損傷是在力學和生物學因素共同作用下,軟骨細胞、細胞外基質及軟骨下骨三者降解和合成正常耦聯(lián)失衡的結果。軟骨退變與損傷時發(fā)生膠原纖維結構破壞,黏蛋白丟失及軟骨內自由水含量增加。早期退變主要表現(xiàn)是基質的松軟和蛋白多糖的大量丟失;晚期退變主要是軟骨形態(tài)的異常,表現(xiàn)為軟骨水腫、裂隙變、彌散性變薄和裸露[5]。急性軟骨損傷通常由外傷導致,當負重強度和頻率超過正常承受范圍時,關節(jié)軟骨的合成和降解失衡,特別是中老年人由于軟骨鈣化層和骨皮質終板之間沒有膠原纖維連接,作用在各層連接處的剪切力可造成水平撕裂。晚期軟骨損傷,多繼發(fā)于OA,是在關節(jié)軟骨發(fā)生變性之后,繼而發(fā)生鄰近軟骨增生、骨化,發(fā)展成關節(jié)病變。
臨床常用的軟骨成像序列包括自旋回波 ( spin echo,SE ) 序列、快速自旋回波 ( fast spin echo,F(xiàn)SE ) 序列、梯度回波 ( gradient echo sequence,GRE ) 序列等,臨床檢查較為常用的是 FSE 序列的 T1WI、T2WI 及質子密度加權成像 ( PDWI )。常用的成像技術有脂肪抑制 ( FS ) 技術及磁化傳遞對比 ( MTC ) 技術等。其中脂肪抑制技術應用較為成熟。
FSE 序列能夠減少運動偽影和磁化偽影,在圖像的空間分辨率和信噪比與成像時間上,要優(yōu)于 SE 序列。王紹武等[6]報道 FS-FSE-T2WI / PD 對軟骨異常的敏感度為91%,特異度為 99%,認為是識別關節(jié)軟骨的最敏感序列,應作為膝關節(jié) MRI 檢查的常規(guī)序列應用于臨床。
MTC 技術可以反映組織中的蛋白含量及變化,其定量分析指標為磁化傳遞率 ( magnetization transfer ratio,MTR )。MTC 技術利用水分子與大分子物質內質子間 MTR值的差異而產生組織對比。富含大分子結構的物質,其磁化傳遞效應明顯,軟骨的膠原基質中存在大量大分子,這是 MTC 技術在軟骨成像應用中的基礎。磁化轉移成像時首先利用非共振射頻脈沖飽和結合性氫原子,然后再變換自由水自旋以測定組織的 MTR,以此了解軟骨的組織構成是否完整。通過磁化傳遞技術及減影技術,可以增加軟骨與周圍組織的對比,從而更好地顯示軟骨的輪廓。梯度回波技術是最常使用的磁化轉移成像技術,軟骨膠原構架破壞區(qū)的減影圖像表現(xiàn)為低信號區(qū)。楊春霞等[7]通過研究認為磁化傳遞對比梯度回波 T2加權序列 ( MTC-GRE T2WI )圖像能夠清晰地顯示骨髓水腫,還能夠準確判斷關節(jié)軟骨的損傷,有較大的臨床價值。但是 MTC 也存在明顯缺陷,如減影偽影、磁化轉移成像率在不同個體間及同一個體不同時期存在差異,因此定量數(shù)據(jù)的推廣受到限制。
關節(jié)軟骨的 3 D 成像序列,目前應用較多的有擾相梯度回波 ( spoiledgradient echo,SPGR )、驅動平衡傅立葉轉換 ( driven equilibrium fourier transform,DEFT )、三維雙重回波穩(wěn)態(tài) ( dual echo steady state,DESS )、雙回波水激勵( balanced steady-state free precession,b-SSFP )、三維質子加權快速自旋回波 ( 3 D sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolutions,3 D-SPACE ) 等。劉年元等[8]將 3 D-FFE-STIR 序列和3 D-FFE-WATS 序列進行對比,得出 3 D-FFE-WATS 序列是膝關節(jié)軟骨成像的優(yōu)化序列,可作為常規(guī)膝關節(jié)軟骨成像序列。此外,顧菲等[9]也認為水激勵 ( WE ) 較傳統(tǒng)的預飽和法更為優(yōu)秀,是一種有潛力的脂肪抑制方法。王紹武等[6]嘗試將 Unilateral-T1-Special-3 D-FSPGR 序列用于膝關節(jié)軟骨的檢查,并與傳統(tǒng) FS-3 D-T1-FSPGR序列進行對比,得出反相位技術 Unilateral-T1-Special-3 D-FSPGR 具有明顯優(yōu)勢:脂肪抑制效果優(yōu)于后者,顯著縮短掃描時間,減少運動偽影的產生,在很大程度上克服了三維容積掃描耗時久的弊端,有巨大的臨床價值,是一種值得推廣的新方法。雷杰等[10]采用改良的 3 D-FS-PGR序列 ( 40° 翻轉角 ),也較大程度縮短了掃描時間,并認為其與 FS-FSE-T2WI 序列二者結合,是目前評價軟骨損傷的最佳掃描序列組合。
DEFT 技術是一種不等待 T1完全恢復的信號增強成像方式,使用 -90° 射頻脈沖將磁場強度恢復至 Z 軸,采用短回波時間及重復時間,提高了軟骨與周圍組織的對比,能清晰顯示關節(jié)軟骨。Gold 等[11]通過研究對比表明,3 D-DEFT 序列的信噪比、關節(jié)軟骨與滑液間對比度以及對軟骨厚度的顯示優(yōu)于 PDWI 及 T2WI-FSE 序列,但對軟骨損傷檢查的敏感度及特異度差異無統(tǒng)計學意義。3 D-DESS 序列通過在穩(wěn)態(tài)中兩次回波的聯(lián)合作用提高了關節(jié)軟骨的顯示分辨率,關節(jié)軟骨在此序列中變現(xiàn)為中等信號強度,與滑液間有良好的對比度。對關節(jié)軟骨表面病損敏感性較高,研究表明其對軟骨表面病損的診斷率與3 D-SPGR 序列差異無統(tǒng)計學意義[12]。
b-SSFP 軟骨成像類似于 DESS,參數(shù)略有不同。該序列也可用于韌帶、半月板的診斷,臨床實踐可行性較大。SPACE 技術能進行不同加權圖像的掃描,對于關節(jié)軟骨病變的診斷有潛在應用價值[13]。
隨著 MRI 技術的不斷發(fā)展,一些新技術在軟骨檢查時可定量測定軟骨生物化學成分,從分子水平對早期軟骨損傷作出準確評估。
1. MRI 擴散加權成像 ( DWI ):DWI 是一種測量自旋質子微觀隨機位移運動的技術,主要反映水分子的擴散程度,在分子水平分析組織結構變化的一種 MRI 技術。水是關節(jié)軟骨中最富含的成分,約占總重的 80%,由淺至深逐漸減少。軟骨 DWI 成像主要根據(jù)軟骨內各組分水含量不同而呈現(xiàn)出不同擴散特性,測得表觀擴散系數(shù)( ADC ) 值,進而反映軟骨組織結構和體系結構[14]。DWI已被證明可作為評估軟骨退變的實驗研究和修復術后監(jiān)測的方法[15]。Friedrich 等[16]強調 DWI 具有區(qū)分自體軟骨細胞移植術后患者的正常軟骨與修復軟骨的能力。而且DWI 能發(fā)現(xiàn)常規(guī)序列上形態(tài)尚未改變的更早期的軟骨病變信號[17]。
2. T2圖 ( T2-mapping ):T2-mapping 是指獲得 T2圖的技術過程。T2值通過描述組織橫向磁化衰減,即通過測量不同回波時間的 MRI 信號強度來反映組織的特異性。軟骨 T2弛豫率的測定和 T2量化圖的 MRI 掃描方法是采用多回波自旋回波 ( MESE ) 序列,掃描后獲得參數(shù)圖,選擇感興趣區(qū)測量得出組織的 T2值,用 T2圖計算每個體素的 T2值,從而達到量化評價組織結構的目的[18]。T2值對軟骨膠原基質結構的改變極為敏感,成為研究軟骨生化結構的影像標志[19]。Dunn 等[20]通過研究認為軟骨的 T2值與 OA 的嚴重程度正相關,故 T2-mapping 在 OA 的早期診斷中有明顯作用。根據(jù) Lüsse 等[21]的研究,量化的 T2-mapping 不僅能夠敏感地評估微骨折后修復組織的精確位置及其功能,還能從相似的軟骨里區(qū)分出修復的軟骨組織( T2值降低 ),因此是一種有潛力的檢測軟骨修復的技術。另外,有學者通過研究認為 T2-mapping 是一種臨床可行的評價膝關節(jié)負重后關節(jié)軟骨變化的檢查方法[22]??傊?,T2-mapping 的臨床應用潛力巨大,但在臨床常規(guī)化應用之前,須進一步探討其應用標準、方便性及可重復性[23]。
3. 軟骨延遲動態(tài)增強成像 ( delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage,dGEMRIC ):dGEMRIC 是于 1996 年首次報道的可以作為定量評估關節(jié)軟骨糖胺多糖 ( glycosaminoglycan,GAG ) 濃度的無創(chuàng)方法。此后的諸多研究表明,dGEMRIC 是一種潛力巨大的軟骨分子成像技術[24]。采用靜脈內雙倍劑量注射對比劑釓噴酸葡胺 ( gadoliniumdiethylene triamine pentaacetic acid,Gd-DTPA ),經(jīng) 2 h 的自主運動使對比劑滲入關節(jié)軟骨,進行多次反轉恢復序列采集并建立軟骨 T1圖曲線,通過后處理產生參數(shù)圖,測定 T1值,對軟骨的生化成分進行定量測定。T1圖在評價軟骨解剖上具有優(yōu)勢[25],定量測定軟骨的完整性對顯示關節(jié)軟骨蛋白多糖的缺失以及軟骨退變的早期診斷有重要意義。盡管在諸多研究中 T1被證實在關節(jié)軟骨的病變檢測中具有優(yōu)勢[26-28],但其應用還處于初步研究階段,T1值測定也缺乏統(tǒng)一標準,且存在有效滲透時間長、操控時間要求嚴格、易產生誤差等缺點,因此在臨床中的應用并不廣泛。
4.23Na-MRI 成像:23Na 譜成像作為非侵入性檢查用于關節(jié)軟骨的評估最早見于 1988 年[1]。23Na-MRI 的成像原理是根據(jù)鈉分布來顯示蛋白多糖崩解區(qū)域。黏蛋白的丟失導致固定電荷密度 ( fixed charge density,F(xiàn)CD ) 降低,從而釋放出 Na+,通過磁共振波譜成像測量 Na+在軟骨內的分布并與正常軟骨內的 Na 分布圖對照,觀察顯示軟骨內蛋白多糖的含量變化,以此來檢測軟骨病變。23Na-MRI 提供了一種可以替代 dGEMRIC 的成像方法,相對于 dGEMRIC,23Na-MRI 敏感度更高,無需造影劑。23Na-MRI 對蛋白多糖聚合物 ( proteoglycans,PG ) 檢測的特異性最高,可作為其它定量測量 PG 的金標準[29],但對掃描儀硬件要求高,需要在高場強下進行以及采集納譜信號的前置放大器和雙調諧線圈等特殊采集傳輸設備,并用較長的掃描時間來獲得足夠高的信噪比 ( signal to noise ratio,SNR )。雖然 Newbould 等[30]通過研究證明了在 3 T MRI 條件下23Na-MRI 的可重復性,但相關的臨床研究仍比較罕見,而且在臨床允許的時間內獲得足夠的 SNR 也是目前主要的技術難題[2]。
5. MRI T1ρ 成像:MRI T1ρ 成像技術是近年來發(fā)展的新技術,能間接反映軟骨基質蛋白多糖含量變化,可對早期的軟骨病變作出精確診斷[31]。T1ρ 成像是一種用來評估自由水中氫原子和大分子之間低頻流動的技術。在自旋回波序列的基礎上,用大量高頻脈沖鎖住橫斷平面磁場,而伴隨高頻脈沖來驅動縱軸恢復。獲得的幾個值可以解決衰減功能的坡度以及創(chuàng)建灰度或色度圖[32]。T1ρ 成像是dGEMRIC 的一種替代方法,無需高磁場,對蛋白聚糖含量敏感性高[33]。但 T1ρ 成像技術的有效性、可重復性、可行性以及對早期軟骨病變的評估仍需進一步的研究[34]。
MRI 軟骨成像是目前臨床最佳無創(chuàng)性檢查手段。常規(guī) MRI 序列可以顯示軟骨的形態(tài)學變化,在序列優(yōu)化選擇方面尚存在爭議。而定量 MRI 新技術可以用來評價軟骨早期退變損傷,近幾年國際關節(jié)軟骨影像技術研究也主要以 MRI 新技術為主,如 DWI、T2-mapping、dGEMRIC等[35]。總之,關節(jié)軟骨 MRI 下一步需要探究的問題應集中在臨床常規(guī)序列的優(yōu)化選擇及統(tǒng)一診斷標準的確立、各種定量 MRI 新技術在早期軟骨損傷中的更深入研究及其臨床價值的橫向比較。
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( 本文編輯:王萌 李貴存 )
Research progress on magnetic resonance imaging for articular cartilage injuries
WANG Zong-bo, NIU Guang-ming, YU Jing-hong. Department of Magnetic Resonance Imaging, the Affliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot, Inner Mongolia, 010050, PRC
Articular cartilage injury is one of the main reasons affecting the function of joint movement. Early diagnosis and correct assessment of the extent of damage are critical. Magnetic resonance imaging ( MRI ) is recognized as the best noninvasive imaging method of checking the articular cartilage. Especially in recent years, with the rapid development of quantitative magnetic resonance imaging ( QMRI ), the articular cartilage noninvasive technology has progressed from the morphological level to the molecular and biochemical level. More and more effective techniques have been proposed for the early detection and evaluation of articular cartilage injuries. Based on the previous literatures, the research status and progress of current and emerging MRI imaging rechniques of the articular cartilage are reviewed in this paper.
Cartilage, articular; Magnetic resonance imaging; Imaging, three-dimensional
10.3969/j.issn.2095-252X.2014.11.010
R445.2, R684
010050 呼和浩特,內蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院磁共振室 ( 王宗博、牛廣明 );內蒙古醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院 ( 于靜紅 )
牛廣明,Email: cjr.niuguangming@vip.163.com
2014-08-13 )