曹 珊,郭紅紅,張 皓

(1.蘭州大學第一臨床醫(yī)學院,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州大學第一醫(yī)院放射科 甘肅省智能影像醫(yī)學工程研究中心,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省婦幼保健院醫(yī)學影像中心,甘肅 蘭州 730000)

隨著人口老齡化加劇,骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)發(fā)病率呈逐年上升趨勢,其中膝關(guān)節(jié)炎致殘率較高,我國膝關(guān)節(jié)炎致殘率居世界第2位[1]。關(guān)節(jié)鏡是評估膝關(guān)節(jié)病變的常用侵入性手段,但無法觀察病變內(nèi)部改變,而OA早期非侵入性評估關(guān)節(jié)軟骨及半月板損傷對于診斷及進行臨床決策具有重要意義。MRI是診斷關(guān)節(jié)疾病的有效手段,但膝關(guān)節(jié)復雜的解剖結(jié)構(gòu)給早期診斷帶來諸多困難。超短回波時間(ultrashort echo time, UTE)和零回波時間(zero echo time, ZTE)MRI具有分辨率高、信噪比高、掃描速度快等優(yōu)勢,已用于評估多種骨關(guān)節(jié)異常,如膝關(guān)節(jié)OA小骨贅[2]、腰椎骨皮質(zhì)異常和骨贅[3-4]、骶髂關(guān)節(jié)[5]及強直性脊柱炎骨質(zhì)侵蝕[6]。本文就UTE和ZTE MR成像原理及其臨床評估膝關(guān)節(jié)炎應用進展進行綜述。

1 UTE、ZTE MR成像原理

半月板、韌帶及鈣化軟骨等屬于短T2結(jié)構(gòu),氫質(zhì)子含量較低且被束縛于大分子結(jié)構(gòu)中而難以被感應線圈采集,信號衰減易被周圍脂肪、肌肉等高T2信號組織掩蓋,導致利用傳統(tǒng)MRI難以對其解剖及功能改變進行評估。骨組織“類CT對比”MR技術(shù),如UTE、ZTE、T1加權(quán)梯度回波及磁敏感加權(quán)成像等,評價上述結(jié)構(gòu)具有與CT相似的診斷性能[7-8]。行UTE成像時,施加半射脈沖或短矩形硬脈沖后,于高靜磁場中經(jīng)梯度磁場編碼的氫質(zhì)子發(fā)生共振,射頻結(jié)束后其回波時間(echo time, TE)是常規(guī)MR成像的1/50～1/20(<100 μs),此時立即采集自由感應衰減信號并以多種填充軌跡(徑向、螺旋或錐形)由中心向外填充k空間可在信號衰減前顯示低T2信號組織[9]。ZTE技術(shù)是UTE技術(shù)的拓展,通過同步射頻激發(fā)并搭載接近于零的TE,基于MR設(shè)備的特殊硬件和處理系統(tǒng)可實現(xiàn)快速靜音成像及各向同性3D采集[10],以消除圖像中的T2權(quán)重,所獲圖像以質(zhì)子密度加權(quán)為主,可精準顯示骨骼皮質(zhì)結(jié)構(gòu),產(chǎn)生類似CT的組織對比度,且其分辨率略高于CT,在“類CT對比”MR技術(shù)中應用最為廣泛[11]。本院典型案例見圖1。

圖1 健康受試者,男,48歲 A、B.脂肪抑制質(zhì)子密度成像示內(nèi)側(cè)半月板骨軟骨連接(osteochondral junction, OCJ)呈低信號(白箭,A),前交叉韌帶顯示欠佳(紅箭,B); C、D.UTE T2加權(quán)脂肪抑制序列見內(nèi)側(cè)半月板OCJ呈高信號(白箭,C),前交叉韌帶呈束狀結(jié)構(gòu)(紅箭,D)

2 UTE、ZTE MRI評估膝關(guān)節(jié)炎

2.1 OCJ OCJ是由關(guān)節(jié)軟骨深部非鈣化軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨板形成的復合功能單位,可作為滑膜關(guān)節(jié)間隙和軟骨下骨之間的功能屏障。OA相關(guān)軟骨異?？赡茉从谏顚榆浌?、繼而波及表層結(jié)構(gòu),在此過程中,OCJ厚度變薄、屏障功能被破壞而致軟骨下骨暴露是OA發(fā)病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[12]。

利用UTE MRI能評估軟骨鈣化層的成分特征及關(guān)節(jié)軟骨退變程度。鈣化軟骨層(1～3.3 ms)與軟骨下骨(<1 ms)的T2弛豫時間均較短,常規(guī)MRI難以與骨皮質(zhì)區(qū)分[13]。UTE和ZTE MRI可識別未鈣化的軟骨層和鈣化軟骨層(即骨界面以上的線性高信號),顯示OA患者OCJ處高信號局限性減弱、鈣化軟骨線樣高信號消失或變寬,甚至可在常規(guī)MRI出現(xiàn)異常之前檢出鈣化軟骨和OCJ異常[14]。鈣化軟骨中的T2*值范圍為1.0～3.3 ms,T1ρ值范圍為2.2～4.6 ms[15],故UTE T2*WI可定量評估鈣化軟骨膠原含量和分布,利用T1ρ圖像可評估蛋白聚糖含量。MACKAY等[16]報道,UTE MRI可觀察OA早期病理改變,其中,健康年輕受試者脛骨內(nèi)外側(cè)線狀高信號出現(xiàn)率高于中年膝痛患者,而膝痛患者脛骨平臺OCJ淺層軟骨T2值增加。CHU等[17]利用UTE MRI觀察Outerbridge 1、2級前交叉韌帶(anterior cruciate ligament, ACL)損傷患者,發(fā)現(xiàn)其股骨后內(nèi)側(cè)髁軟骨UTE T2*值分別較對照組升高43%及46%,ACL重建術(shù)后2年,其UTE T2*值趨于正常,提示UTE MRI可用于識別鈣化軟骨損傷并監(jiān)測治療效果。LOMBARDI等[3]發(fā)現(xiàn),隨膝關(guān)節(jié)軟骨由深至淺,T1、T1ρ和T2*值逐漸增加,而大分子質(zhì)子分數(shù)(macromolecular fraction, MMF)逐漸減少;軟骨退變等級與T1、T1ρ和T2*值呈正相關(guān),與MMF呈負相關(guān)。UTE MRI可否用于監(jiān)測膝關(guān)節(jié)快速退變及其他關(guān)節(jié)病變有待進一步探索。

2.2 半月板 半月板完整性受損是導致膝關(guān)節(jié)OA進展的重要因素。ACL損傷常伴隨半月板擠壓性損傷,使半月板減震及負荷能力下降、脛骨軟骨暴露,進而增加OA患病風險。半月板UTE和ZTE成像包括T1 ρ、T2*和用于計算MMF的UTE磁化轉(zhuǎn)移(magnetization transfer, MT)成像。KIM等[18]對ZTE序列加以優(yōu)化,并與常規(guī)序列相結(jié)合,結(jié)果顯示可有效提高對于膝關(guān)節(jié)紊亂及半月板損傷的檢出率。既往研究[19]發(fā)現(xiàn),健康人半月板T1ρ值低于ACL損傷患者,而退變及撕裂的半月板T2*值高于正常半月板。WANG等[20]指出,部分急性ACL損傷關(guān)節(jié)鏡檢查可為陰性,但其半月板T1ρ和T2*值仍顯著增加,而T1ρ/T2比值與OA評分呈負相關(guān),與全膝關(guān)節(jié)MRI積分呈正相關(guān)。UTE MRI有助于鑒別ACL損傷并監(jiān)測治療效果,還可識別隱匿性、亞臨床半月板損傷及退變,但半月板中的蛋白聚糖濃度略低于透明關(guān)節(jié)軟骨,導致臨床實踐中UTE及ZTE T1ρ用于定量評估半月板的數(shù)量遠遜于軟骨。JERBAN等[21]報道,UTE T1ρ值還可作為檢測半月板在負重條件下應變能力的影像學標識;利用UTE-MT成像可進一步對比觀察年輕和老年膝關(guān)節(jié)離體標本半月板及關(guān)節(jié)軟骨負荷情況與MMF的關(guān)系。此外,MMF可檢測半月板大分子基質(zhì)密度,具有無創(chuàng)檢測膝關(guān)節(jié)軟骨功能及應變能力的潛力[22]。盡管這些技術(shù)尚未廣泛用于 OA患者,但UTE和ZTE技術(shù)有望成為臨床檢測半月板早期退化并指導治療的有力工具。

2.3 軟骨鈣沉積 軟骨鈣沉著病又稱焦磷酸鈣晶體沉積病(calcium pyrophosphate deposition disease, CPPD),在歐美國家成年人群中的患病率約為4%～7%,目前對其發(fā)病機制尚不明了[23]。既往研究[24]發(fā)現(xiàn)含鈣結(jié)晶沉積與半月板及軟骨退變加重有關(guān),觀察含鈣結(jié)晶沉積數(shù)量可能有助于評估關(guān)節(jié)退變進程及其惡變風險。X線和CT對于檢測關(guān)節(jié)軟骨和半月板鈣化較為敏感,而MR、即便超高場強MR診斷特異性較低。利用梯度回波和雙回波穩(wěn)態(tài)UTE MRI能可視化半月板鈣化,其中,CPPD表現(xiàn)為半月板內(nèi)多發(fā)點狀暗區(qū),軟骨鈣化表現(xiàn)為透明軟骨高信號背景下的環(huán)狀或不定形低信號區(qū)。GERMANN等[25]研究顯示,以7.0T MR機行三維雙回波穩(wěn)態(tài)序列掃描檢測CPPD較3.0T MR設(shè)備更為敏感。FINKENSTAEDT等[26]以UTE成像檢測離體半月板,發(fā)現(xiàn)CPPD晶體沉積幾乎僅分布于半月板中央無血管區(qū),所造成的硬性壓痕較正常半月板明顯增多。

2.4 含鐵血黃素沉積 滑膜和髕下脂肪墊可分泌多種促炎性因子調(diào)節(jié)軟骨蛋白含量[27],在血友病和非血友病含鐵血黃素性滑膜炎中,反復關(guān)節(jié)內(nèi)出血導致含鐵血黃素沉積、促炎因子釋放,引發(fā)滑膜及關(guān)節(jié)軟骨破壞。含鐵血黃素沉積可能是軟骨丟失和OA前兆。UTE定量磁化圖譜可用于評估血友病患者膝/踝關(guān)節(jié)內(nèi)含鐵血黃素[28]并顯示含鐵血黃素區(qū)域性沉積;在髕下脂肪墊撞擊癥患者也可見含鐵血黃素沉積[29]。未來UTE定量磁化圖譜技術(shù)將可用于評估OA或高OA風險患者。

3 小結(jié)及展望

UTE和ZTE MRI能獲得高分辨率、高對比度的“類CT對比”圖像,是評估膝關(guān)節(jié)炎早期改變的重要手段,可有效顯示傳統(tǒng)MRI無法檢出的短T2結(jié)構(gòu)并進行定性、定量評估,進而識別亞臨床損傷,促進早期干預和治療?！邦怌T對比”MR技術(shù)有望改變臨床診斷思路,實現(xiàn)軟組織和骨骼一站式高分辨成像;與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學習技術(shù)相結(jié)合,可用于規(guī)劃手術(shù)及導航,進一步擴大其應用范圍。