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摘要：关节软骨损伤常见于髋关节、膝关节等负重大关节，易引起相应关节功能障碍，且晚期易发展为关节畸形。关节造影及关节镜检查可探测关节软骨表面的形态学改变，但其为有创性操作，因此其应用受到一定局限。常规磁共振成像（MRI）技术仅能评估关节软骨损伤后引起的形态改变，但无法直观反映关节软骨的生化变化及定量评估关节软骨损伤程度。MRI功能成像技术是一组用于评价关节软骨早期损伤的新技术，与传统MRI技术相比，其可通过探测软骨基质生化成分含量的变化及软骨生理结构异常进而反映软骨的病理生理状态，评价早期关节软骨损伤。因此，MRI功能成像技术可早期探测关节软骨形态轮廓尚未改变之前的损伤，对疾病的早期干预、治疗和评估具有重要意义。本文关节软骨损伤的MRI功能成像研究进展综述如下。
关键词：关节软骨损伤；磁共振功能成像
本文引用格式：宋凯,侯孟岩,张梦,等.关节软骨早期损伤的磁共振功能成像研究进展[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(61):52-53.
Progress of Functional Magnetic Resonance Imaging in Early Articular Cartilage Damage
SONG Kai,HOU Meng-yan,ZHANG Meng,WU Da-peng,WAN Guang,LIANG Qiu-dong*
(The First Affiliated Hospital of Xinxiang Medical University,Weihui Henan)
ABSTRACT:Articular cartilage damage is common in hip joints,knee joints and other negative joints,which can easily cause corresponding joint dysfunction,and it is easy to develop into joint deformity in the late stage.Arthrography and arthroscopy can detect morphological changes in the surface of articular cartilage,but it is an invasive procedure,so its application is limited.Conventional magnetic resonance imaging(MRI)can only assess the morphological changes caused by articular cartilage injury,but can not directly reflect the biochemical changes of articular cartilage and quantitatively assess the degree of articular cartilage damage.MRI functional imaging technology is a new technique for evaluating early damage of articular cartilage.Compared with the traditional MRI technique,it can evaluate the early articular cartilage damage by detecting the changes of the biochemical components of the cartilage matrix and the abnormalities of the cartilage physiological structure to reflect the pathophysiological state of the cartilage.Therefore,MRI functional imaging technology can detect the damage of the articular cartilage morphology before it has been changed,which is of great significance for the early intervention,treatment and evaluation of the disease.The research progress of MRI functional imaging of articular cartilage injury is summarized as follows.
KEY WORDS:Articular cartilage damage;Functional magnetic resonance imaging
人类关节软骨是保证关节正常活动最主要的结构，其由软骨细胞和大量软骨基质组成，是一组高度分化的无血管组织。关节软骨损伤是骨科临床常见疾病，其一旦损伤将难以恢复，并可导致关节疼痛，甚至引起关节畸形等症状，严重影响患者的日常生活，因此早期检测关节软骨损伤并施以预防保护措施对病情至关重要[1]。因关节造影和关节镜检查存在有创性的缺点，故其应用受到一定的局限。磁共振成像（MRI）技术具有安全无创、多参数、多序列及高分辨率等特点，对于关节软骨的诊断及预后评估方面具有重要的应用价值。但是，传统的MRI检查仅在关节软骨损伤达到一定程度时才可清晰显示，对于早期关节软骨损伤引起的生化成分及生理机构改变的显示具有一定的局限性。[2]近年来，MRI功能成像如T2 mapping、T2*mapping、自旋锁定（T1ρ）成像、扩散加权成像（(diffusion weighted imaging，DWI）、扩散张量成像（(diffusion tensor imaging，DTI）、钆延迟增强MR软骨成像（delayed gadolinium enhanced magnetic resonance imaging of cartilage，dGEMRIC）、钠（Na）谱成像等技术可对软骨构成的不同成分进行成像，来观察软骨基质的改变，反映关节软骨损伤的病理生理状态。本文对各种MRI功能成像在检测关节软骨损伤的进展做如下综述。
T2-mapping也称为T2弛豫时间，其采用多回波自旋回波序列，通过测量不同回波时间的MRI信号强度（signal intensity，SI），从而获得每个像素的T2值。关节软骨内胶原含量、胶原纤维排列方式、水含量及软骨所受应力的变化均可影响关节软骨T2弛豫时间，因此通过测量不同感兴趣区T2值可定量分析关节软骨内微观组织成分的改变[3]，因而其作为新的MRI技术，能早期且无创性评价关节软骨损伤时软骨成分的变化[4]，为关节软骨成像提供更多的信息。有研究显示[5]，关节软骨各层胶原纤维排列和含量存在差异，软骨深部的放射层胶原纤维排列高度有序，T2值较短，浅表层胶原纤维排列松散，T2值较长，因此从软骨表层到最深层T2值呈现逐渐递减的趋势。徐震[6]等在T2mapping应用于肾衰竭引起的膝关节软骨损伤中发现，T2 mapping成像可检测膝关节软骨内组织成分的变化，从而早期评价软骨的损伤，对肾功能不全引起的膝关节软骨损伤的诊断及监测具有一定的临床应用价值。Soellner,ST[7]等在早期关节软骨损伤的研究中发现，关节软骨T2值与软骨退变程度呈一定的正相关性，即退变等级越高相对应测T2值升高越明显，表明T2-mapping可检测膝关节骨关节炎引起的早期软骨损伤并评估软骨退变分级。T2-mapping成像技术研究较成熟，已部分应用于临床，但其具有成像时间较长、对早期软骨退变敏感性较低、魔角效应等局限性。
T2*-mapping技术与T2-mapping不同点在于，其采用多回波梯度回波序列，但并未采用180°聚相位脉冲，因此T2*值能够反映较真实的T2值。T2*-mapping在序列特点上和T2-mapping类似，因此两者在评估关节软骨损伤中具有相似的作用[8]，但部分研究发现两者仍存在一些差别。Bittersohl等[9]对33例可疑关节软骨退变的股骨髋臼撞击综合征（femoro-acetabular impingement，FAI）患者及10例正常受试者的髋关节软骨行1.5T MRI T2*mapping成像，研究结果显示正常人T2*值较高（32.4 ms），而伴有软骨厚度损伤者T2*值较低（29.4 ms），且关节软骨损伤级别间T2*值也存在差异。Welsch等[10]在T2*-mapping与T2 mapping评估软骨修复组织的研究中发现，正常软骨与软骨修复组织的T2值无明显差异，而正常软骨T2*值则明显高于软骨修复组织，T2*值可较敏感反映天然软骨与软骨修复组织在微观生理结构上的不同，T2*-mapping对软骨修复组织的评估更有价值。另有研究表明，相比T2-mapping技术，T2*-mapping具备成像时间更快、可进行三维采集、空间分辨力更高并可全面覆盖关节面等优点，在评估关节软骨损伤的诊断及疗效监测均具有独特的优势。尽管如此，其仍易受磁场不均等弊端的影响。
T1ρ是旋转坐标系下的自旋－晶格弛豫时间常数，是一种新的MR定量测量技术，可反映水质子与周围大分子物质之间的相互作用，目前已逐渐应用于全身多部位[11]。T1ρ值与关节软骨细胞外基质的改变密切相关，可能与胶原纤维的含量、蛋白多糖的变化等因素有关。Zhao J等[12]研究发现，T1ρ值随着软骨退行性变程度的增加而增大，表明T1ρ成像技术可在关节软骨形态学发生改变前检测到软骨基质的变化。刘宇[13]等研究发现，T1ρ和T2-mapping技术可通过定量分析试验组术区软骨内生化成分的变化，从而动态追踪术后软骨的修复情况，并观察软骨填充过程，对术后软骨修复的效果具有较高的诊断价值，且可为临床评估提供可靠的影像依据。Hu等[14]研究显示，T1ρ在反映关节软骨退变的生化成分变化时较T2 mapping及T2*mapping更敏感，可有效评估腰椎小关节软骨的早期退行性变。T1ρ成像技术具备独特的优势，可部分替代延迟增强成像，但同时也存在一些技术挑战：T1ρ序列需要较长的扫描时间，且其稳定性需提升，此外，引起T1ρ值变化的原因和机制仍不完全清楚，因而尚未广泛应用于临床常规扫描，今后有待就缩短序列扫描时间、T1ρ与组织生物化学成分变化的关系、T1ρ序列的稳定性等方面做进一步研究。磁共振弥散加权成像（DWI）是一种新的磁共振功能成像技术，其可通过定量测量关节软骨的表观扩散系数(ADC值)来探测关节软骨基质的含量变化，从而探测软骨内的代谢及生化信息，为临床早期诊断关节软骨损伤提供更客观的依据。相关研究表明[15]，关节软骨损伤时可引起胶原网络纤维破坏及蛋白多糖含量减少等一系列病理改变，此时软骨内水的含量相对增多，水分子扩散阻力降低，导致软骨ADC值升高。Xu等[16]发现早期膝关节退变软骨的ADC值明显高于正常志愿者膝关节软骨，测量ADC值可无创定量探测早期关节软骨损伤，并指导临床进行早期干预治疗，以防软骨发生不可逆性改变。鞠文萍等[17]对53例骨性关节炎及28例正常志愿者进行DWI的研究发现，ADC值可以诊断骨性关节炎患者轻度软骨退变，并且可以区分骨性关节炎患者膝关节轻度、重度软骨退变程度。DWI序列具有不需要注射对比剂、扫描时间较短等优点，但其仍存在一些局限性：首先与T2 mapping相比，它更易受到运动和伪影的影响；另外，其图像分辨率较低，因此需要采取适当的回波时间及良好的脂肪抑制来达到类似T2 mapping成像的效果；此外，DWI序列易受b值和组织各向异性等因素的影响。
磁共振弥散张量成像（DTI）是一种新的磁共振生理成像技术，其在DWI的基础上发展而来，用于关节软骨成像时，不仅可以获得ADC值，还可获取反映水分子扩散的各向异性分数（fractional anisotropy，FA），因此其可反映水分子的自由扩散程度及其各向异性，进而全面反映关节软骨的微观变化。李敏等[18]的研究结果显示，与正常组关节软骨相比，髌股关节软骨轻度损伤组软骨损伤区ADC值明显增高，FA值明显降低，说明DTI可量化髌股关节软骨的轻度损伤，为临床诊疗提供可靠的参考。Raya等[19]在对比DTI与T2鉴别正常软骨和膝关节骨关节炎软骨的能力中发现，与T2值相比，FA值具有较高的敏感度和特异度，ADC值具有较高的敏感度，故认为DTI序列在诊断早期膝关节骨关节炎更占有优势。DTI技术可量化水分子各向异性扩散，故其可避免魔角效应的影响，在评估关节软骨损伤方面具有巨大的应用前景，其局限性在于数据分析复杂、扫描时间较长。
软骨磁共振延迟增强扫描（dGEMRIC）是一种分子成像技术，其可通过钆对比剂成像间接评估软骨内糖胺聚糖及蛋白多糖含量的变化。关节软骨早期退变主要表现为糖胺聚糖的丢失，带有负电荷的钆对比剂可渗透进入关节软骨损伤区取代糖胺聚糖的位置，利用MR反转恢复序列扫描并经后处理技术可获得T1值。Wei W[20]等研究结果显示：dGEMRIC可定量测量关节软骨内糖胺聚糖的水平，且其具有较高的准确性和敏感度。Van Tiel等[21]对膝关节骨关节炎患者进行dGEMRIC及T1ρ的研究，发现dGEMRIC评估软骨内糖胺聚糖含量的效果优于T1ρ。该技术主要的缺点在于需要使用对比剂、扫描时间长、需要配合关节运动，因此使其在临床应用中受到一定的局限性。
钠成像与dGEMRIC的成像原理类似，其可通过测量Na+在关节软骨内的分布，反映关节软骨中的蛋白多糖含量及固定电荷密度。关节软骨损伤早期，蛋白多糖的丢失使软骨内钠离子被释放，钠成像可通过钠离子的浓度来反映关节软骨内蛋白多糖的含量，从而可监测关节软骨早期病变。Madelin等[22]研究发现，骨性关节炎患者关节软骨内Na+浓度较正常对照组显著降低，提示该技术可评估骨性关节炎关节软骨损伤。Wheaton等[23]对早期膝关节骨关节炎患者和健康人的关节软骨进行NA-MRI扫描，发现骨关节炎患者软骨变性区信号减低，提示钠成像可有效探测关节软骨内蛋白多糖的变化。钠成像在评价关节软骨早期损伤中具有广阔的应用前景，但仍存在较多局限性，包括空间分辨率及信噪比低、需要≥3.0 T的高场强条件、采集时间长、需有特殊射频线圈与相关硬件设备等。
与传统影像检查技术相比，MR功能成像序列可早期探测关节软骨形态轮廓尚未改变之前的损伤，为早期诊断关节软骨损伤提供了新方法。但是MR功能成像技术大多数仍处于临床研究阶段，各种技术仍存在其固有的局限性，因此目前仅少部分应用于临床。我们期待在不久的将来，关节软骨MR功能成像技术可以得到不断优化，为评价关节软骨损伤提供更可靠的诊断信息。
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