mri在關(guān)節(jié)軟骨病變診斷與療效評估中的應(yīng)用

mri在關(guān)節(jié)軟骨病變診斷與療效評估中的應(yīng)用

關(guān)節(jié)軟骨是關(guān)節(jié)表面覆蓋的一層特殊組織，在維持關(guān)節(jié)負荷和運動功能方面發(fā)揮著重要作用。一項31516例膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的回顧研究證實,不同程度的關(guān)節(jié)軟骨損傷占膝關(guān)節(jié)病損的60.2%;并且關(guān)節(jié)軟骨全層剝脫占膝關(guān)節(jié)急性損傷的5~10%。由于關(guān)節(jié)軟骨損傷發(fā)病率高,人們越來越重視其早期診斷與治療。磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)在診斷關(guān)節(jié)軟骨及周圍組織病損時具有良好的分辨率和對比度,是目前評價關(guān)節(jié)軟骨損傷最有效的無創(chuàng)技術(shù)。本文對關(guān)節(jié)軟骨的MRI特征、成像最新進展及MRI在關(guān)節(jié)軟骨病變診斷與療效評估中的價值進行綜述。1小鼠骨折mri成像主要特點關(guān)節(jié)軟骨又稱透明軟骨,厚約1~5mm,由軟骨細胞與細胞外基質(zhì)組成。細胞外基質(zhì)主要包括膠原(collagen)、蛋白多糖(proteoglycans)和水分,分別約占軟骨濕重的15%、5%和80%。膠原纖維主要為Ⅱ型膠原,直徑8~25nm,4~6根纖維螺旋形成束狀。蛋白多糖由蛋白多糖亞單位、透明質(zhì)酸和連鎖蛋白組成,呈大分子聚合體狀態(tài)。其蛋白多糖亞單位的葡萄糖胺聚糖(glycosaminoglycans,GAG)側(cè)鏈被硫酸化,因此帶負電荷而彼此排斥;并且側(cè)鏈的毛刷樣大分子結(jié)構(gòu)能夠吸附大量陽離子。軟骨中的水分子大部分為游離狀態(tài),有利于軟骨形變及傳導負荷,但水分子的含量與活動受到軟骨基質(zhì)的影響。根據(jù)膠原纖維的走行方向?qū)④浌欠譃?層:表層、中間層、深層和鈣化層。表層膠原纖維平行于軟骨表面,又稱平行層,約占軟骨全厚的3~12%,不含軟骨細胞,膠原纖維交織成網(wǎng)狀,防止蛋白多糖等內(nèi)部大分子流失。中間層膠原纖維呈拱形排列,又稱過渡層,軟骨細胞較小,分布于膠原纖維網(wǎng)架間隙中。深層膠原纖維垂直于軟骨表面,又稱放射層,其厚度超過軟骨全厚的50%,此層中軟骨細胞相對較大。鈣化層膠原纖維附著于軟骨下骨,軟骨細胞很少,鈣化層與放射層之間稱為潮線。軟骨中水的含量從表層至鈣化層逐漸降低;膠原含量從表層至放射層逐漸降低,至鈣化層又升高;而蛋白多糖的含量從表層至放射層逐漸增加,至鈣化層又有所減少。軟骨的組織學構(gòu)成是其MRI成像特征的基礎(chǔ),使其在MRI上呈現(xiàn)由淺至深分層表現(xiàn)的特點,但相關(guān)學者的觀察結(jié)果仍存在差異。Modl等首先發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨在T2加權(quán)圖像上呈三層表現(xiàn),并且認為表面的低信號與軟骨淺層對應(yīng),中部的高信號與過渡層對應(yīng),而寬闊的深部低信號帶與放射層及鈣化層對應(yīng)。表層低信號帶的發(fā)現(xiàn),對于精確區(qū)分軟骨與周圍組織以及早期診斷軟骨變性有重要意義。繼Modl后,相關(guān)學者相繼發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨在MRI中的分層特征,但對于MRI中各層次是否與軟骨組織學構(gòu)成相對應(yīng)或是因MRI偽影所致,仍存在較大爭議。Kim等依關(guān)節(jié)軟骨組織學分層制成不同深度軟骨缺損以對其層次精確標記,在高場強梯度回波MRI中觀察到軟骨的四層表現(xiàn),通過與組織學對比研究證實其MRI與組織學各層次相對應(yīng),但因沿膠原分布的水分子具有各向異性,在MRI魔角效應(yīng)(magicangleeffect)作用下,依膠原排列方向與MRI主磁場方向的不同夾角關(guān)節(jié)軟骨便呈現(xiàn)不同的層數(shù);Kim等還通過改變相關(guān)MRI參數(shù)證實關(guān)節(jié)軟骨分層表現(xiàn)與磁敏感性偽影、截斷偽影等MRI偽影無關(guān)。此后相關(guān)研究也證實關(guān)節(jié)軟骨MRI的分層特征與其膠原纖維排列方向及在各層分布狀態(tài)密切相關(guān),但與蛋白多糖含量無明顯相關(guān)性。Xia等在股骨頭不同負重區(qū)截取骨軟骨栓,采用顯微MRI(MicroscopicMRimaging,μMRI)在標本軟骨面與主磁場方向垂直時進行觀測,結(jié)果顯示:股骨頭中央處標本的軟骨表現(xiàn)為兩層,大轉(zhuǎn)子處軟骨表現(xiàn)為3層,小轉(zhuǎn)子處軟骨表現(xiàn)為3~5層,因此Xia推測上述差異是由于軟骨受力狀態(tài)各異而引起內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)尤其是膠原的排列方式不同而造成。綜上所述,由于軟骨在組織構(gòu)成的各向異性使其在MRI中表現(xiàn)出的多層現(xiàn)象已被多數(shù)學者認可,但年齡、受力狀態(tài)、疾病等多種因素造成的關(guān)節(jié)軟骨組織構(gòu)成改變引起的MRI中軟骨層次總數(shù)、信號密度、條帶寬度等的相應(yīng)變化,仍需進行深入研究。2快速旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)鏡mtc分析關(guān)節(jié)軟骨厚度僅1~5mm,與骨質(zhì)緊密相接,且被關(guān)節(jié)液所包繞,因此需要較高的分辨率及與周圍組織的對比度才能使之清晰顯示。關(guān)節(jié)軟骨的T1馳豫時間變化幅度相對較小,大約為1秒;T2馳豫時間從表層向鈣化層逐漸降低,表層大約為70ms,鈣化層大約為35ms,因其深部信號衰減很快,故在長T2加權(quán)圖像上與軟骨下骨對比較差。在自旋回波(spinecho,SE)序列的T1、T2加權(quán)圖像上,關(guān)節(jié)軟骨通常表現(xiàn)為中等密度信號,T1加權(quán)圖像可以較好顯示關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu),但軟骨與關(guān)節(jié)液的對比較差,因此對軟骨表面病損顯示不佳;T2加權(quán)圖像關(guān)節(jié)液為高信號,與軟骨形成較為明顯對比,由于軟骨深層T2馳豫時間較短,使其與軟骨下骨的對比較差。在快速自旋回波(fastspinecho,FSE)序列中,關(guān)節(jié)軟骨也表現(xiàn)為中等密度的信號。由于此序列在一次重復時間內(nèi)采用了多次回聲和磁化傳遞對比(magnetizationtransfercontrast,MTC)技術(shù),依靠組織水分子內(nèi)質(zhì)子和大分子內(nèi)質(zhì)子間的磁化轉(zhuǎn)移率的差異而產(chǎn)生良好的軟組織對比,圖像上高信號的關(guān)節(jié)液和低至中等信號強度的軟骨形成明顯對比。T2加權(quán)圖像因可見軟骨與關(guān)節(jié)液的良好對比,提高了對軟骨表面病損的診斷準確率;而質(zhì)子密度加權(quán)圖像則對軟骨內(nèi)部的退變顯示良好。在梯度回波(gradinecho,GE)序列中,軟骨表現(xiàn)為中高信號,與關(guān)節(jié)周圍組織有良好對比,因此也作為軟骨損傷的常規(guī)檢查。為了增加軟骨與骨質(zhì)間的對比,采用了脂肪抑制(fatsuppression)技術(shù)。在脂肪抑制序列中,高信號的關(guān)節(jié)軟骨位于低信號周圍組織中,顯示清晰。在此基礎(chǔ)上,又引入了具有高分辨率、能對關(guān)節(jié)進行薄層掃描的三維(three-dimensional)序列。多項研究證實,三維擾相梯度回波(3Dspoiledgradientecho,3D-SPGR)脂肪抑制序列T1加權(quán)圖像結(jié)合了三維成像增加空間分辨率和脂肪抑制成像增加動態(tài)范圍的優(yōu)點,1mm薄層掃描減少了層間干擾及信息丟失,使軟骨和鄰近的骨髓信號對比增強,化學位移偽影減少,診斷關(guān)節(jié)軟骨病損的靈敏度為86%,特異度為97%,準確度為91%。但其缺點為掃描時間較長,因此有學者通過優(yōu)化其參數(shù)以縮短其掃描時間。綜上所述,三維擾相梯度回波脂肪抑制(3D-FS-SPGR)序列和快速自旋回波(FSE)序列是目前用于臨床診斷關(guān)節(jié)軟骨病損的兩個重要序列,針對此二序列的對比研究顯示,兩序列診斷關(guān)節(jié)軟骨病損的差異無統(tǒng)計學意義,但對軟骨表面病損,3D-FS-SPGR序列由于其良好的對比度而優(yōu)于FSE序列;對軟骨內(nèi)部病變,FSE序列顯示較好;3D-FS-SPGR序列較FSE序列掃描時間長,并較易產(chǎn)生偽影,故可將兩者聯(lián)合使用,作出全面評估。3新技術(shù)的應(yīng)用隨著MRI軟硬件的不斷發(fā)展,關(guān)節(jié)軟骨大體形態(tài)的成像方法、內(nèi)部成分的分子影像及MRI造影等技術(shù)不斷更新,對軟骨病損的早期、準確診斷與評估具有重要意義。3.1關(guān)節(jié)律結(jié)果3D-DESS通過在穩(wěn)態(tài)中兩次回波的聯(lián)合作用提高了關(guān)節(jié)軟骨的顯示分辨率,關(guān)節(jié)軟骨在此序列中表現(xiàn)為中等密度的信號,與滑液間有良好的對比度。3D-DESS序列對關(guān)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3D-SPGR序列無顯著差異。3.2滑液與關(guān)節(jié)軟骨間的信號比較在DEFT技術(shù)中,由于使用-90度脈沖將磁場強度回復至Z軸,組織間的對比主要由其T1/T2比值決定,并且由于采用短回波時間及重復時間,滑液與關(guān)節(jié)軟骨間的對比較GE、SE、FSE等傳統(tǒng)序列更顯著,但軟骨的信號也高于其FSE序列中T2加權(quán)圖像的信號。Gold等以關(guān)節(jié)鏡檢查為金標準,分別對104例膝痛患者行3D-DEFT、PD及T2加權(quán)FSE序列檢查,對比結(jié)果表明3D-DEFT序列的信噪比、關(guān)節(jié)軟骨與滑液間對比度以及對軟骨厚度的顯示都優(yōu)于其它序列,但對軟骨損傷檢查的敏感度及特異度三者無顯著差異。3.3傳統(tǒng)提取回波時的信號SSFP是獲得高信號三維磁共振圖像的有效方法,在此技術(shù)中,關(guān)節(jié)軟骨的信號高于其它傳統(tǒng)序列。由于軟硬件技術(shù)的進步,在較短的回波時間下,其偏磁場偽影可降至最低。Kornaat等在1.5T及3.0T場強環(huán)境下對比SSFP及SPGR序列,發(fā)現(xiàn)SSFP具有較高信噪比及對比噪聲比。3.4常規(guī)序列掃描表現(xiàn)術(shù)directMRA兼有T1WI序列的優(yōu)點和高信號關(guān)節(jié)腔內(nèi)對比劑的優(yōu)點,能夠增加關(guān)節(jié)軟骨與滑液的對比度以使軟骨清晰顯示。常用造影劑為Gd-DTPA,濃度為500μmol/L。在關(guān)節(jié)腔注入造影劑后行T1加權(quán)常規(guī)序列掃描,對關(guān)節(jié)軟骨病損診斷的敏感度及特異度可達85-100%。directMRA是提高關(guān)節(jié)軟骨的顯示分辨率及與周圍對比度的有效方法,但有創(chuàng)性是其致命弱點,使其應(yīng)用受限。3.5小鼠骨性回復突變試驗DWI的信號強度主要反映水分子自由擴散的程度。在正常關(guān)節(jié)軟骨中大分子基質(zhì)對水分子自由擴散有限制作用,而在骨性關(guān)節(jié)炎的早期階段,由于蛋白多糖和膠原的崩解,對水分子自由擴散的限制作用減弱,從而使水分子的自由擴散速度加快,軟骨的表觀彌散系數(shù)(apparentdiffusioncoefficient,ADC)增加,從而減低病變區(qū)的信號。劉斯?jié)櫟妊芯緿WI在早期骨性關(guān)節(jié)炎診斷中的價值,結(jié)果顯示骨性關(guān)節(jié)炎患者髕骨軟骨的ADC值明顯高于對照組,并且以髕軟骨內(nèi)側(cè)部分ADC值改變最為顯著。由于關(guān)節(jié)軟骨的T2馳豫時間較短,DWI必須縮短其回波時間以增強軟骨信號,但同時會造成其信噪比降低和偽影增多。將穩(wěn)態(tài)技術(shù)(steady-stateimaging)應(yīng)用于DWI后,不僅提高了對關(guān)節(jié)軟骨的信噪比,也減少了偽影的出現(xiàn)。3.6蛋白多糖缺失dGEMRI對顯示關(guān)節(jié)軟骨中蛋白多糖的缺失以及軟骨退變的早期診斷有重要意義。葡萄糖胺聚糖帶負電荷,而造影劑Gd-DTPA2-(gadopentetatedimeglumine,Magnevist?)也帶負電荷,將其從靜脈注入人體,經(jīng)過1~2小時代謝,由于關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部電荷與Gd-DTPA2-相互作用,便可使其分布于關(guān)節(jié)軟骨中蛋白多糖缺失的部分,在T1加權(quán)圖像上顯示為軟骨內(nèi)部局部信號增高。聯(lián)合使用數(shù)字圖像分析技術(shù),可對軟骨退變早期蛋白多糖的缺失作出定量診斷。Tiderius等對早期髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者及志愿者行dGEMRI檢查,結(jié)果顯示病例組dGEMRI指數(shù)顯著小于對照組20~30%,證實了其在關(guān)節(jié)軟骨退變早期診斷評估中的價值。3.7軟骨退變診斷因T2值反映了關(guān)節(jié)軟骨中的水含量,在軟骨大體形態(tài)變化前其內(nèi)部大分子的改變都會造成其水含量的相應(yīng)改變。T2地圖技術(shù)可形象顯示軟骨內(nèi)部T2值,因此可對軟骨退變作出早期診斷。Dunn等分析了55例分別經(jīng)X線診斷為正常、輕度及重度膝關(guān)節(jié)炎的對象的關(guān)節(jié)軟骨T2值,結(jié)果顯示健康者T2值為32.1~35.0ms,關(guān)節(jié)炎患者T2值為34.4~41.0ms,除外側(cè)脛骨平臺軟骨外,健康者膝關(guān)節(jié)各部分關(guān)節(jié)軟骨與關(guān)節(jié)炎患者間有顯著差異。3.8兩組患者t1地圖檢查T1ρ地圖可反映骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部成分的改變,對軟骨退變的早期診斷也具有重要意義。T1ρ為在一個射頻磁場影響下顯示磁自旋弛豫特征的時間常數(shù)。Li等對9例膝骨關(guān)節(jié)炎患者及10名健康志愿者行T1ρ地圖檢查,結(jié)果顯示對照組與骨關(guān)節(jié)炎組髕股關(guān)節(jié)軟骨的T1ρ時間分別為5.04±2.59ms與53.06±4.60ms,兩組間有顯著差異。綜上所述,隨著關(guān)節(jié)軟骨MR成像技術(shù)的不斷更新,其研究已不僅單純針對軟骨的形態(tài)成像,而且進行關(guān)節(jié)軟骨的功能成像,并對軟骨內(nèi)部成分的分子影像研究已集中在對于軟骨病損形態(tài)改變出現(xiàn)之前的生化、病理的改變,并可進行定量評估,具有重要的臨床及研究意義。4軟骨正常關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)觀察關(guān)節(jié)軟骨損傷是造成關(guān)節(jié)疼痛及功能障礙的重要原因,早期診斷關(guān)節(jié)軟骨病損對于恢復和保持關(guān)節(jié)功能具有重要作用。正確判斷軟骨損傷程度對治療及愈后有重要作用。Recht等將MRI診斷關(guān)節(jié)軟骨損傷分級分為5級:0級,正常關(guān)節(jié)軟骨,軟骨彌漫性均勻變薄但表面光滑,仍認為是正常關(guān)節(jié)軟骨;Ⅰ級,軟骨分層結(jié)構(gòu)消失,軟骨內(nèi)出現(xiàn)局限性低信號區(qū),軟骨表面光滑;Ⅱ級,軟骨表面輪廓輕至中度不規(guī)則,軟骨缺損深度未及全層厚度的50%;Ⅲ級,軟骨表面輪廓重度不規(guī)則,軟骨缺損深達全層厚度的50%以上,但未完全剝脫;Ⅳ級,軟骨全層剝脫、缺損,軟骨下骨暴露伴或不伴軟骨下骨質(zhì)信號改變。目前,診斷軟骨損傷的金標準是關(guān)節(jié)鏡手術(shù),而一項MRI與關(guān)節(jié)鏡的對比研究表明:MRI對軟骨損傷診斷準確率高達80-90%,故MRI是早期診斷關(guān)節(jié)軟骨病損的最有效的無創(chuàng)技術(shù)。4.1加強軟骨損傷的治療由外傷撞擊與剪切力所致的損傷多可見較銳利的邊緣,損傷深度依受傷程度不同可僅累及關(guān)節(jié)軟骨或深及軟骨下骨。僅累及關(guān)節(jié)軟骨表層的損傷可見軟骨表面不規(guī)則,或軟骨表層出現(xiàn)點狀低信號。累及深層的軟骨損傷可見瓣狀或大片軟骨缺失。若全層軟骨缺失,多可見軟骨下骨的信號改變,是判斷軟骨損傷的重要間接征象。未累及軟骨全層的部分軟骨損傷,由于缺乏自我修復的能力,隨著載荷應(yīng)力的持續(xù)刺激,損傷會逐漸加重;累及全層的軟骨損傷,由于在覆蓋于軟骨下骨的血痂中含有大量間質(zhì)干細胞,在各種生長因子刺激下能形成纖維軟骨,部分替代了關(guān)節(jié)軟骨的功能。對于軟骨急性損傷,MRI可對損傷軟骨的穩(wěn)定性作出判斷,以指導治療方式的選擇。對于不穩(wěn)定的骨軟骨損傷,可行關(guān)節(jié)鏡下摘除或固定,以防形成游離體,造成繼發(fā)損傷。4.2小鼠骨髓結(jié)構(gòu)損傷的機制骨關(guān)節(jié)炎是多種病因所致的關(guān)節(jié)退行性病變,其病理變化大致包括軟骨膠原纖維變性、排列紊亂,蛋白多糖缺失,軟骨腫脹變性;軟骨細胞肥大,大量分泌軟骨基質(zhì),增加軟骨厚度以修復損傷。關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)變化造成了軟骨生物力學特性改變,使之不能有效負重,最終導致軟骨侵蝕及斷裂,軟骨下骨硬化。不同于急性損傷,隨著年齡的增長,骨性關(guān)節(jié)炎表現(xiàn)為骨軟骨的退行性改變:早期為軟骨腫脹、厚度變薄,表面纖維化,MRI上可見軟骨表面不規(guī)則、信號不均一;接著出現(xiàn)軟骨的潰瘍與裂隙,此時MRI上可顯示較明顯的軟骨缺失與剝脫;軟骨退變引起應(yīng)力分布異常,導致軟骨下骨的硬化、壞死或囊性變,以及大量骨贅增生,MRI中的脂肪抑制技術(shù)對顯示骨髓水腫最敏感,GE序列可良好顯示骨質(zhì)退變與損傷。在骨關(guān)節(jié)炎軟骨病損形態(tài)改變之前,延遲間接造影磁共振檢查及T1ρ地圖可定量評估軟骨內(nèi)部蛋白多糖的缺失,T2地圖可定量反映關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部水含量的變化,以上對軟骨內(nèi)部成分的無創(chuàng)定量技術(shù)利于骨關(guān)節(jié)炎的早期診斷,也為深入研究骨關(guān)節(jié)炎的早期病理變化提供了有利手段[17,18,19,20,21,22,26,27,28]。4.3植入術(shù)中的mri表現(xiàn)關(guān)