软骨损伤的MRI 诊断进展

李 涛

（广西医科大学第四附属医院医学影像科 广西 柳州 545005）

软骨损伤是临床常见疾病，外伤、关节退变、感染、自身免疫性疾病等多种原因均可造成关节软骨损伤，随着全球人口老龄化进程的加速，关节软骨损伤的发病率还在不断增加。关节软骨几乎没有淋巴液及血供，缺乏神经支配，损伤后软骨自我再生修复能力弱。关节软骨受损以后，软骨的微结构、成分比例及代谢都会发生改变，造成软骨细胞减少，软骨基质变少，胶原断裂[1]。目前，软骨损伤尚无治愈的药物，软骨修复、移植也不是普遍适用，软骨损伤晚期需要更换人工关节，费用高昂。因此，早期诊断、预防软骨损伤对于维持关节功能和避免残疾至关重要。理想情况下，损伤应在其可逆阶段、软骨组织大量丢失之前被及时诊断。目前，MR 的软骨定量成像及成分成像技术有望提供这些重要信息。

1 MR软骨定量成像

相对于常规MRI，MRI 定量评价对评估软骨结构及损伤程度提供了一种更有效和敏感的方法。定量评价需要高对比度和三维高分辨率成像序列来显示骨与软骨界面、软骨表面。图像采集后，后处理软件对软骨、软骨下骨和邻近组织的进行自动或手动分割，分离出关节软骨，以评估软骨厚度、面积、体积等定量特征[2]。研究表明，在不同程度的软骨损伤情况下，软骨定量评估与手术和组织学检查结果有很好的相关性。定量诊断的方法在预测软骨损伤方面具有更高的敏感性和特异性。软骨体积和厚度的改变被用作药物治疗、物理治疗和康复、外科治疗的效果评价[1,2]。软骨定量评价可作为生物标记物的新量化指标，以提高疾病进展评估的预后价值。定量成像应用于临床存在需要专用分析软件、耗时长等缺点。

2 MR软骨生化成分成像

关节软骨由软骨细胞、细胞外基质组成，细胞外基质主要由水、胶原纤维和胶原蛋白多糖（PG）组成，PG 的主要成分是糖胺聚糖（GAG）。胶原纤维以Ⅱ型胶原为主，水和PG 镶嵌在交叉排列成网格状支架的Ⅱ型胶原内[3]。软骨发生退变时，在软骨破裂前，基质结构逐渐破坏，GAG 和胶原丢失，含水量随之增加。值得注意的是，在组织学水平上软骨超微结构的生化改变要先于形态学改变，在损伤的早期阶段，常规MRI 序列并不能显示这些软骨基质的变化[4]。先进的MR 成像技术提供软骨超微结构和生化成分的信息，以检测和监测关节软骨损伤的早期改变。这些技术包括迟豫时间的测量（T2、T2*和T1ρ 成像）、软骨的延迟钆增强MRI（dGEMRIC）、超短回波时间成像（UTE）、扩散张量成像（DTI）、GAG 的化学交换饱和转移成像（GAG CEST）、钠成像等。

2.1 T2 mapping，T2* mapping

这些序列测量组织水平上分子的T2和T2*弛豫时间（以ms 表示），是目前应用最广泛的磁共振成分成像技术之一。T2、T2*分别使用多回波自旋回波或梯度回波序列扫描，数据经后处理软件处理得体现软骨T2 和T2*值的伪彩图，测量感兴趣区即可量化评估关节软骨成分。T2*具有扫描速度快的优点，但也更容易受到局部场不均匀性的影响。当胶原纤维与B0 场方向的夹角接近55°时，T2 和T2*均会受到魔角效应的影响，局部图像信号增高，需要与病灶鉴别。

T2和T2*值可以分析关节软骨内组织生化成分的变化，做出早期软骨损伤的诊断。软骨T2 和T2*值的主要受软骨内的水含量、胶原纤维的排列方向及含量影响[3]，正常关节软骨的测量值在软骨的浅层高于深层。关节发生退变时，软骨T2 值增高。T2 mapping 可以做作为术前MRI 评估的一部分，以便在进行关节镜检查时识别软骨中的损伤区域。有研究通过T2 mapping 追踪评价自体间充质干细胞移植治疗的骨关节炎患者，并经过一年的随访，发现T2 值和疼痛得分之间存在较好的相关性，是评价术后软骨再生的一种好方法[5,6]。T2 mapping 可以区分膝关节修复的软骨和邻近的健康软骨，有助于评估修复软骨的成熟度[7]。

2.2 T1ρ mapping

T1ρ 成像比T2 成像更具挑战性，由于B0 和B1 的不均匀性、特殊的射频脉冲序列要求、采集时间长、可能会导致高比吸收率等原因，采集T1ρ 成像有一定的难度，目前临床应用范围不是很广泛。T1ρ 成像方法由Redfield 第一次提出，用来测量大分子与自由水中氢原子之间低频流动的技术，以自旋回波序列为基础，用大量高频脉冲锁定横向磁场，并伴随高频脉冲使得纵向恢复，利用获得的T1ρ值重建灰度或伪彩图[8]。T1ρ 成像原理相当于T2 在磁化恢复到横向后额外加一个射频脉冲，使得磁化有序、自旋锁定。信号强度可以根据多个采集层面图像中自旋锁定脉冲的持续时间的变化计算得到的，由此可以测量软骨感兴趣区T1ρ 值。自由水的T1、T2 和T1ρ 弛豫时间相近，而在不同组织中的这些值是不相同的（T2＜T1ρ＜T1）[9]。

T1ρ 值主要受胶原蛋白的密度、胶原纤维的位置、蛋白多糖以及其他大分子物质影响。T1ρ 评估旋转框架中的自旋晶格（T1）迟豫，主要反映了细胞外基质中的蛋白多糖含量。在T1ρ 图像上，正常软骨呈现光滑连续的高信号，在后处理的伪彩图上呈现为分层的光滑连续的彩色信号。T1ρmapping 显示信号强度的改变可以检测出软骨退变的早期改变[10]，可预测软骨磨损。骨性关节炎患者T1ρ 值高于健康受试者。Cobb 等[11]对儿童的骺软骨进行 T1ρ 成像，测量骺软骨和关节软骨的T1ρ 值，结果表明T1ρ 序列可用于评价儿童的正常软骨和不同生长时期的软骨改变。

2.3 软骨的延迟钆增强MRI（dGEMRIC）

dGEMRIC 是一种无创性定量评估关节软骨GAG 含量的方法，在静脉注射钆对比剂后，活动关节，让对比剂扩散到关节内，60 ～90 分钟后进行延迟扫描。扫描序列采用反转恢复序列或多翻转角梯度回波序列获得T1 mapping图，划定感兴趣区可测量T1 值。dGEMRIC 依靠关节软骨内固定电荷密度分布的不同来成像，静脉注射的顺磁性钆对比剂带有负电荷，对比剂进入关节软骨细胞外基质后，与基质内的带负电荷的GAG 相互排斥。正常关节软骨中GAG 含量多，造影剂的浓度低；而在软骨缺损、变性的区域GAG 含量低，造影剂就浓聚，缩短T1 弛豫时间[12]。因此，dGEMRIC 技术能够在软骨内定位评估GAG 的含量，用于评价软骨修复组织、胫骨截骨术对软骨的影响、骨关节炎等情况[13]。在Endo 等[5]的家兔软骨细胞移植的动物模型研究中证实，T2 mapping 及dGEMRIC 均可以有效评价的软骨修复情况，dGEMRIC 的△R1 甚至在移植的早期与病理组织学和生物化学的也具有良好的相关性。Brown 等[14]学者的研究表明，T2 mapping 及dGEMRIC 的能反映同种异体软骨细胞移植术后早期病人恢复情况，并发现随着移植是时间延长，移植软骨的GAG 相对含量减少，胶原蛋白结构退变。

dGEMRIC 的主要缺点是需要静脉注射对比剂，为了将对比剂充分分布在软骨中，需要关节运动和较长时间等待。然而，在注射对比剂后的延迟扫描也间接获得的MR 关节造影图像，这对关节的形态学评估尤其有用。

2.4 超短回波时间成像（UTE）

与骨皮质、肌腱和半月板类似，软骨深部的钙化部分的T2 迟豫时间“超短”，造成射频脉冲信号衰减速率太快，无法进行信号采集。UTE 成像使用专门的采集和重建技术在信号衰减前捕获这些成分信号。UTE 成像可以显示软骨深部钙化层。UTE 成像还可以对含有大量超短回波成分的组织进行T2 和T2*成像[15]。

2.5 扩散张量成像（DTI）

DWI 的评价的是软骨基质胶原和蛋白聚糖中水分子的扩散运动。软骨的超微结构是由交错的胶原网络组成，胶原网络导致水的各向异性扩散。在软骨中，DTI 可以通过平均表观扩散系数（ADC）来评估蛋白多糖含量，也可以通过分数各向异性（FA）来评估胶原微结构。平均ADC 和FA 值均能区分OA 患者和健康软骨，FA 具有较高的特异性。胶原和蛋白多糖的丢失可导致平均扩散显著增加。DTI 在检测软骨损伤和分级软骨损伤方面具有较高的准确性[16]。

2.6 GAG 化学交换饱和转移成像（GAG CEST）

水在软骨中以两种状态存在，要么与大分子结合，要么处于自由水状态。与大分子结合的水质子具有独特的射频频率，可以用非共振射频脉冲饱和。结合水与自由水相互作用，导致自由水部分饱和。这种效应可以用来估算局部大分子含量。利用GAG CEST，非共振射频饱和脉冲被专门设计用于饱和残留在软骨GAG 羟基上的可交换质子。这项技术与钠成像有很好的相关性[17]。

2.7 钠成像

与钆相反，钠是一种自然存在的低浓度阳离子，被软骨细胞外基质的带负电荷的GAG 吸引并抵消了电荷。因此，钠离子的分布也可用于绘制软骨GAG 含量图，其中软骨变性导致钠离子的浓度较低。钠成像与dGEMRIC 有很好的相关性[13]。软骨中钠离子的浓度较低，但在MRI 中采集到的信号弱，导致图像噪声大和采集时间长。7T 磁共振成像的信噪比增益对于钠成像特别有用。因为钠的拉莫尔频率不同于氢质子，所以还需要专门的发射接收线圈来进行钠成像。与T2成像一样，钠成像可以区分软骨修复组织和健康软骨，在修复组织与健康软骨相比，反映出GAG 含量降低[18]。

本文回顾了当前的量化评价软骨损伤的MRI 技术。定量成像可以评价软骨的形态、厚度和体积。成分分析可以在软骨形态发生改变前，评价软骨的生化成分变化。这些无创、定量成像技术有望为软骨损伤的诊断和治疗提供更精确的指导。