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MR对比剂及DWI成像在软骨病变中的应用
广州暨南大学附属第一医院  影像中心
刘斯润  
关节软骨是维持关节运动不可缺少的组织结构。关节软骨使关节可以活动自如，一旦受到损伤，软骨变性脱落，暴露软骨下骨质，骨与骨之间直接接触并相互摩擦，引起炎症反应，最终导致关节强直，关节功能丧失。近年来，随着关节软骨病变治疗方法的研究与进展，如：软骨保护剂、软骨生成因子的开发和软骨移植术等的研究，使关节软骨疾病早期治愈成为可能。因此，对早期诊断关节软骨疾病提出了更高要求，如早期精确诊断关节软骨病变的存在、数目及病变的范围等
软骨退变尤其生物化学成分变化开始，引起组织形态及生物力学的变化。水是关节软骨含量最丰富的成分，做为组织间液，其给软骨提供一定的坚硬度，在负重时部分水从软骨基质内挤入关节腔而具有润滑关节面的作用。胶原原纤维通过共价键连接成胶原纤维，一方面保持了其结构的稳定性，一方面产生了较强的张力。关节软骨表层胶原纤维的平行排列方式有助于缓冲部分剪切力和压力，其深层垂直排列的胶原纤维有助于垂直方向应力的传递。蛋白多糖聚合物为具有极端亲水性的高分子聚合体，能产生较强的张力，使软骨保持其弹性。该聚合体中的糖胺聚糖（GAG）侧链基团因带大量的负电荷而吸引Na及水进入软骨基质内，使关节软骨产生一定的坚硬度，同时在软骨基质内产生Donnan渗透压以维持软骨基质内的水含量。
MRI做为一种无创性的、多参数、多平面成像技术在显示关节软骨的功能状态方面的研究也取得了一定进展，在MRI，T2是鉴别蛋白多糖丢失和胶原丢失最有用的参数，T2WI信号在两种成份丢失时均增高，但在蛋白多糖丢失时，T2值增加更显著。T2与关节软骨的生物力学系数和蛋白多糖的生化成份有明显相关性，而蛋白多糖与软骨的坚硬度有关。同时，:在T1+C序列上，蛋白多糖丢失导致T1缩短的程度明显大于胶原的丢失。T1的缩短可能因为:当组织中的蛋白多糖降解时，Gadolinium 的静电排斥作用减少，从而使Gadolinium在局部浓聚之故。
一、静脉注射MR对比剂关节造影在关节软骨病变中的应用
蛋白多糖的丢失是在软骨退变中能最早被检测的成分之一，因此，运用离子型对比剂行MRI增强扫描在检测骨关节炎早期阶段软骨基质异常方面具有很大潜力。应用离子钆对比剂能评价关节软骨的生化改变，对早期软骨退变的检测有良好前景。其理论基础是，⑴关节软骨内几乎没有血管，其营养主要来自关节液，关节液内的对比剂可以通过渗透进入关节软骨，当关节软骨发生变性、坏死等病变时，对比剂可以渗透缺如或滞留。⑵正常关节软骨内蛋白多糖带负电荷，对带负电的螯合物具有排斥作用。软骨退变早期，蛋白多糖含量减少，对螯合物的排斥作用减低，使螯合物在病变区浓聚，其信号明显高于正常软骨区。钆溶液弥散后T1时间缩短的区域正好对应于组织学上蛋白多糖丢失的区域。
一组骨关节炎及外伤患者用美国GE signa MR/i 型1.5T磁共振扫描仪，梯度场强23mT，梯度场切换率为120mT/ms, 采用美国SUN公司生产的ADW3.1图像工作站行图像后处理。的关节造影（延时2小时）（延时4h）扫描。扫描方法及序列： （1）矢状位自旋回波T1加权像（SE T1WI） （2）轴位三维压脂扰相梯度回波序列（3D-FS-SPGR） (3) 轴位高分辨三维压脂扰相梯度回波序列（HR-3D-FS-SPGR） (4) 轴位压脂扰相梯度回波序列（FS-SPGR） (5)轴位扩散加权成像（DWI），  
SE T1WI、3D-FS-SPGR、FS-SPGR序列扫描；（1）静脉注射 MR 对比剂Gadolinium延时2小时扫描可清楚显示关节囊积液强化，信号增高；（2）延时4h 扫描看见关节囊内强化的关节积液信号减退，而关节软骨信号增高。而膝关节炎组关节软骨信号不均匀，或可见表面缺损
软骨退变早期，蛋白多糖含量减少，对钆螯合物Gadolinium的排斥作用减低，使螯合物在病变区浓聚，其信号明显高于正常软骨区。钆溶液弥散后T1时间缩短的区域正好对应于组织学上蛋白多糖丢失的区域。
经过2、4小时的延时扫描可见软骨强化，早期病变可有不均匀强化。
同时静脉注射对比剂显示关节囊内滑膜等病变。特别是对平扫不能显示的半月板撕裂的显示，可对临床症状明显而MR平扫不能显示的半月板撕裂的是一个良好的补充检查。静脉注射MR对比剂Gadolinium间接关节造影关节软骨成像可清楚显示关节软骨病变及关节其他病变具有良好的应用前景。
二、弥散加权成像在关节软骨病变中的应用
磁共振弥散加权成像是测量水分子的自由弥散的程度，从而在分子水平评估其组织结构改变。DWI的信号强度主要受水分子弥散速度的影响，正常关节软骨中的大分子基质对水分子的自由弥散有限制作用。骨性关节炎的早期阶段，由于基质的降解对水分子自由弥散的限制作用减弱，从而使水分子的自由弥散速度加快，表现为病变区DWI信号减低。退变性关节积液，其ADC值相对降低，而外伤性和感染性关节积液的ADC值相对增高。
本研究通过对一组正常健康成年人及一组老年骨关节炎患者行膝关节扩散加权成像，并结合彩色表观扩散系数图比较两组研究对象髌软骨的ADC值，探讨DWI在关节软骨早期病变诊断中的临床应用价值。旨在为临床早期发现病变和监测早期治疗效果提供客观依据及量化指标。美国GE signa MR/i 型1.5T磁共振扫描仪，梯度场强23mT，梯度场切换率为120mT/ms, 采用美国SUN公司生产的ADW3.1图像工作站行图像后处理。
扫描方法及序列： （1）矢状位自旋回波T1加权像（SE T1WI） （2）轴位三维压脂扰相梯度回波序列（3D-FS-SPGR） (3) 轴位高分辨三维压脂扰相梯度回波序列（HR-3D-FS-SPGR） (4) 轴位压脂扰相梯度回波序列（FS-SPGR） (5)轴位扩散加权成像（DWI），  图像后处理及资料分析方法：在DWI的彩色ADC图上，融合相同层面的FS-SPGR图，在层厚/层距＝4/1mm情况下，髌软骨轴位成像一般需要6层。选取其中髌软骨体积最大的3层（即第2、3、4层或第3、4、5层），分别代表髌软骨上、中、下部，沿髌软骨轮廓画出感兴趣区（ROI）。每部分髌软骨又被大致平均分为外侧份、中间份（约相当于髌尖）及内侧份。这样，每块髌软骨将被分割为9个小感兴趣区，分别代表上、中、下部髌软骨的内、中、外份。整块髌软骨的ADC值用以下公式代表：
ADCav=(ADC上部＋ADC中部＋ADC下部)/3
为了保证本研究的科学性和可靠性，勾画ROI时，坚持以下两项原则：①选用较大的阈值，使髌软骨能清晰显示；②沿髌软骨轮廓，避免将关节腔内积液误入ROI内，因为关节积液具有较高的ADC值。同时，在测量ADC值时，为了避免信息的损失，尽量选用低的阈值。  
分别测量各个感兴趣区的ADC平均值，使用SPSS10.0软件的单因素方差分析，比较正常组各个ROI间、各解剖部位ADC值及整块髌软骨ADCav的差异，分析发生差异的可能机制。  
本组骨关节炎患者髌软骨ADCav＝（10.45±4.05）×10－4mm2/s，明显高于正常组；而且除均数增大外，标准差也随之增大，说明骨关节炎组个体差异较正常组大，由上、中至下部，髌软骨ADC值均数呈逐渐降低的趋势，与正常组表现为不同的特征。
在骨关节炎早期，关节软骨表层中的Ⅱ型胶原首先出现衰变，增加了关节表面的摩擦作用和对水的通透性。软骨内的水分在承重作用下迅速流出、网架损伤和蛋白多糖的丢失，都将严重削弱软骨的液压机制作用，可降低其负重能力。胶原网架的断裂可使积聚的蛋白多糖分散展开，并暴露出更多的阴离子，故而增加了软骨内水的含量，可引起轻度的软骨肿胀。当蛋白多糖丢失时，残存的蛋白多糖就具有更大的伸展空间，也可增加水的含量。又因蛋白多糖的丢失则减少了水的流动阻力，故而降低了其液压机制的作用，使软骨表面的硬度及负重能力下降，造成更多的重力压迫在已受损的软骨基质固体上，以至于水肿的关节软骨更易受机械损伤，最终可使软骨发生碎裂、脱落或修复。退变软骨内水含量的增加扩散阻力的降低，水分子扩散速度加快，从而导致软骨ADC值增高。
将髌软骨不同部分（如上、中、下、内、中、外等）的ADC值测量比较，在髌软骨不同部位，正常志愿者组ADC值均低于相应的骨关节炎组，两者间除上外、中外、下中及下外份外，其余各部位均有统计学差异，而且以上内、中内、下内份ADC值差异明显。换言之，骨关节炎时髌软骨内侧水分子扩散程度改变较外侧明显。
关于膝骨关节炎时局部损伤的程度差异，我们曾统计发现，膝关节软骨慢性缺损中，髌软骨受累最常见，约90％。Boegard TL 等在中年慢性膝关节疼痛人群中研究发现，髌股关节软骨缺损发生于髌软骨者明显多于发生于股骨髁软骨，而且分布不均匀，以分布于髌软骨中部最多见。膝关节OA的特点之一是关节软骨变形,内侧间隙狭窄,股骨和胫骨弯曲变形,膝关节内翻变形，关节挛缩,胫骨扭转等改变。这些改变与下肢力学轴线异常有明显的关系,它们之间互为因果。
夏亚一等 比较正常人群与不同时期OA患者FTA角（股骨长轴与胫骨长轴之间的夹角）、颈干角（股骨颈长轴与股骨干长轴之间的内侧夹角）、股骨干倾斜角（股骨干长轴和股骨内外侧平台连接线之间的内侧夹角）、胫骨干倾斜角、关节间隙角（股骨内外髁之间连接线与胫骨内外侧平台连线之间的夹角）和股骨力学轴偏位角（股骨头中点与髁间窝中央连接线之间的夹角）之间的差异。结果发现，早期OA人群组颈干角、关节间隙角和股骨干倾斜角发生了明显的改变,OA中后期的改变主要是关节间隙角和胫骨倾斜角减少。而其中关节间隙角增大表明内侧关节软骨磨损严重。虽然该研究是针对股胫关节，但在OA时，由于下肢力线的改变，髌股关节也会发生同样的改变。但该研究需要特殊的摄影台及**，摄片时需要包括下肢全长，所用评价指标较多，在一般临床工作中难以普及。本研究利用MR DWI成像技术，采取常规的膝关节检查**，成像时间短，从髌软骨ADC值量化改变证实了这一结果，因此更易被临床所接受。
本研究采用量化的测量软骨ADC值，方法简单，结果客观、可靠；经过统计学分析，测量结果有良好的可重复性；而且在本组病例中，软骨特异性的高分辨序列亦未能发现软骨病变，但ADC值测量却能发现异常，说明DWI能发现常规MR软骨信号尚未改变的更早期软骨病变。对关节软骨创伤的评价从单纯定性到定量，从大体宏观到微观的水分子扩散，为今后关节软骨创伤的早期诊断提供了一个较为可靠的新方法。