关节软骨病损MR成像及其早期诊断的几个问题

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关节软骨病损MR成像及其早期诊断的几个问题

            
关节软骨是由少量软骨细胞和大量细胞外基质构成。细胞外基质主要包括水、胶原和蛋白多糖。从物理形态上可分为固态和液态两部分：固态包括软骨细胞、胶原、蛋白多糖和其他糖蛋白；液态包括水和离子。其中胶原主要是Ⅱ型胶原，占软骨干重的50%，构成软骨的支架结构。关节软骨的结构是高度有序的，从软骨表面到软骨下骨质，软骨细胞的形态和大小、胶原纤维的分布和排列方向、水和蛋白多糖的含量均有所不同。组织学上，软骨可分为四层：紧邻软骨下骨的是钙化软骨层，约占整个软骨的5%，有固定胶原纤维网的作用；其上方，胶原纤维最多且与关节面垂直排列，构成关节软骨的主要部分，称为放射层；再向上，胶原纤维逐渐稀疏，并由许多杂乱走向的纤维连结，以相互承受该部压力，称过渡层；在邻近关节面下方，胶原纤维呈束状汇合，形成一密实切线排列的不透水层，称为切线层或浅表层。在最表面，该板层以拱状相互连结形成一密实水平层，即关节表面。

关节软骨的病变主要有骨关节炎、创伤、类风湿等造成的关节软骨变性、糜烂、缺损、脱落等，最为常见的是骨关节炎。据国内最新资料报道，我国关节炎患者总数已经超过一亿人，大多为中老年人，发病率随年龄的增加而增高，50岁以上人群中50%，65岁以上人群中患有此病的女性和男性更高达90%和80%。过去骨关节炎的治疗仅限于缓解临床症状，而近年来分子生物学的进步提出了许多发展潜力广阔的治疗新方法，可能会改变病变的自然进程，有效缓解症状甚至完全治愈。这就需要一种能早期准确评价关节软骨变性和损伤并易于随访的方法。

传统的X射线平片因不能直接显示关节软骨而不能诊断早期软骨病变，只能依靠关节间隙的变窄情况以及关节面的骨质硬化等间接判断中晚期软骨病变，CT扫描的密度分辨率较高，但它是单一密度参数成像且只能横断面扫描，不能很好地反应关节软骨的全貌和内部结构改变。关节镜检查能较准确地诊断关节软骨表面病变，所以国内外有学者把关节镜检查结果作为关节软骨检查的金标准，以评价其他检查结果的准确性。但关节镜检查也存在不少弊端：第一，关节镜有一定的创伤性和并发症，而且在众多小关节上不能使用；第二，观察视野小，存在一些观察盲区，影响了诊断的准确性；第三，在软骨下骨质未**时判断关节软骨缺损的深度存在一定的困难，且只能观察关节软骨的表面而不能了解到关节软骨的内部情况，使分级诊断的准确性受到限制，因而关节镜诊断的准确性受到质疑。另外，对操作者的技术水平和经验要求较高，不同操作者检查的结果差异较大。磁共振成像能直接全面显示关节软骨，具有高分辨率、多参数、多平面成像和无创伤性等优点，是其他影像学手段无法比拟的，目前被公认为评价关节软骨病变的最佳手段。常规MR关节软骨成像一般为SE序列中的T1WI及T2WI+PDWI，在伴有软骨下骨质病变时可加STIR或T2WI抑脂序列，但目前观察关节软骨的较佳序列是3D-FS-SPGR，这是因为：关节软骨与软骨下骨质以软骨下终板分界。软骨下终板为一层很薄的致密骨板，MR非压脂序列扫描由于软骨同骨髓内的脂肪组织纵向驰豫差距较大，在分界处产生磁敏感伪影，而二维扫描亦会产生部分容积效应，形成较宽的黑线，造成软骨厚度显示变薄。3D-FS-SPGR序列抑制了骨髓内的脂肪组织，消除了磁敏感伪影的影响，同时三维采集又削弱了部分容积效应的影响，使软骨下黑线显示明显变薄，软骨厚度测量值较准确。本院一组正常人MR多序列比较就发现3D-FS-SPGR序列的关节软骨厚度测量最接近组织学所测量的厚度。3D-FS-SPGR序列软骨为明显的高信号，同骨髓、关节液分界明显，不但层面图像可清晰显示关节软骨表面和内部结构，三维重建后仍能清晰显示关节软骨。因此，除了常规的SE序列外，我们把3D-FS-SPGR序列也列为检查关节软骨的常规序列。另外，高分辨MR由于应用了薄层、512X512的矩阵和多次激发成像提高了分辨率，可以清晰显示软骨表面小的缺损及内部信号的改变，特别对显示髌骨软化症关节软骨表面的早期改变有一定的优势，但高分辨MR的扫描时间较长，可选择性应用（图1）。

对于早期关节软骨的变性而没有形态学改变前MR显示关节软骨改变的方法与序列有：

a. 扩散加权成像DWI

扩散是指分子的布朗运动，磁共振扩散成像是测量水分子之间的运动，从而在分子水平评估组织结构。正常软骨中的大分子基质限制了水的自由扩散，而在骨关节炎的早期阶段，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，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，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、扩散阻力的降低使水分子扩散速度加快，从而导致软骨ADC值增高。软骨扩散系数空间分布的测定，反映了软骨组织的空间各向异性。应用DWI（diffusion weighted imaging）序列的ADC值，可以诊断早期骨关节炎和区分骨关节炎的类型。本院一组骨关节炎患者髌软骨ADC值明显高于正常组，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。

b. Gd-DTPA关节造影与增强扫描   

正常软骨内带负电荷GAG侧链的蛋白多糖排斥负电荷离子。早期骨关节炎时软骨退变，蛋白多糖丢失，允许大量带负电荷的Gd-DTPA进入软骨，T1时间缩短，引起软骨信号增强。关节内注射负离子型钆对比剂Gd-DTPA2-（MR关节腔造影）是评价软骨生化成分改变的一种有前途的检测方法。另外，应用静脉注射非离子型Gd-DTPA的方法，可测定增强后T1值与组织学上软骨改变的关系及对比剂渗透和洗脱的时间，而延迟增强扫描是一种能在体内监测软骨蛋白多糖浓度改变的方法，与关节内应用对比剂相比，更安全、无创。

关节软骨内几乎没有血管，其营养主要来自关节液，胶原纤维的破坏、糖蛋白的丢失以及关节软骨中水分移动性增强可以增加关节液内通过渗透进入关节软骨的对比剂，当关节软骨发生变性、坏死时，对比剂渗透可缺如或滞留。利用静脉注入Gd-DTPA的MR延迟增强扫描，亦可监测蛋白多糖的含量变化，从而对关节软骨做出定性评价。本院一组骨关节炎患者在静脉注入Gd-DTPA后，MR延迟增强在2、4小时的延时扫描3D-FS-SPGR序列显示关节软骨信号不均匀的强化。（图2）

本院另一组动物试验研究的组织学检查与影像对照结果表明：在关节软骨的信号强度改变方面，关节软骨退变的最早期，即仅为蛋白多糖的轻度减少期（图3），影像学形态方面还没有发生变化，但所测得的MR

3D-FS-SPGR序列中关节软骨的信号强度就已经发生了变化，所以利用增强及延迟增强MR扫描监测关节软骨早期退变是可行的。到了中期关节软骨退变时，蛋白多糖几乎全部丢失，对比剂的阴离子就可以大量渗透入关节软骨内，但由于对比剂阴离子是通过扩散渗透的方式进入关节软骨，因此强化速度较慢。

c. T2的应用  

MR成像不仅能在形态学上对关节直接显影，且对关节软骨结构的异常情况也极其敏感，微细的组织生物化学成分的改变将会导致MR信号的改变。软骨的丢失和原有成分含量的下降，导致软骨的硬度及弹性下降，透明质酸的渗透性增加。在形态学上表现为软骨表面逐渐变薄，通常在负重最大的区域最薄而其他区域可能正常。这一复杂的软骨成分构成对MR信号有影响。由于MR对水含量的信号极其敏感，而胶原纤维的走向对MR参数也有影响，就像驰豫和弥散现象是由微观的水分子流动产生的。很多试验显示软骨T2值的增加可能是软骨退变诊断中重要的发现。弛豫率的测量是量化地评估软骨T1、T2的改变，关节软骨各层由于水含量、胶原纤维的方向和3D结构的不同，T2弛豫率亦不同。

正常人关节软骨的T2弛豫时间从软骨下骨到关节表面表现为在软骨下骨附近略微降低之后呈逐渐升高趋势。关节软骨的T2弛豫时间直接与水的含量有关，T2弛豫时间与软骨中水份的含量呈正相关而与蛋白多糖的浓度成反比。因此，T2值的变化能反应软骨退变早期水的活动性和大分子成份的变化。关节软骨退变早期，蛋白多糖和粘多糖成份减少，增加了基质中水的含量和其在软骨中的活动度，导致T2弛豫时间延长，而使T2值曲线及T2 Mapping图的信号发生改变。

T2驰豫时间的有效测量可能对退行性关节炎的特点和长期追踪有用。由于具有缩短T2效应的大量胶原排列的高度有序性，关节软骨的T2值非常短。T2弛豫率的测定和T2量化图的MR扫描方法是在同一层面用一个很长的回波链测量其信号衰减的过程，并根据其数值变化绘出T2量化图。T2量化图技术为骨关节炎的软骨破坏的病理生理机制提供信息，无论是对关节软骨的组织学还是生物化学分析结果都可与T2量化图相联系。通过对T2值作图定位及定量评价，像纤维化或水肿等内部结构的变形早于任何形态学改变。

T2弛豫率的测定和T2量化图可探查外伤后关节软骨损伤的水分子和蛋白多糖成份的变化，亦可检测出软骨退变早期蛋白多糖成份及水分子变化的程度。正常关节软骨T2量化图基本上为红色，从表面到深层为逐渐略变浅，本院一组骨关节病患者髌软骨的T2量化图示病变的软骨则颜色不均或为黄绿色。（图4）。

d. 磁化转换对比  

磁化转换对比MTC（magnetization transfer contrast）应用磁化转换敏感序列，可以增加软骨与周围组织的对比。正常软骨内含有大量大分子（胶原和蛋白多糖成分），有明显的磁化转换效应，因此信号减低。骨关节炎早期软骨退变，胶原结构破坏，磁化转换效应降低，异常软骨表现为高信号。但该项技术图像的采集时间长，而且可能存在运动伪影（misregistration

artifacts），因而限制其临床应用。

e. 短TE成像  

由于具有缩短T2效应的大量胶原排列的高度有序性，关节软骨的T2值非常短。要测定胶原的含量，必须使用超短TE时间（小于150μs）。使用超短回波时间（150μs）对显示早期软骨信号改变敏感度及特异度均达100%。这一技术比3D FSSPGR序列更能敏感地显示因胶原纤维排列异常而引起的信号改变。超短回波时间由于T2弛豫时间缩短，使其更能有效地检出关节软骨内短T2成分的改变。这一技术若应用于临床，对骨关节炎的诊断有很大帮助。

f. 钠成像  

主要是评价软骨内糖原蛋白的多少。钠在软骨内的含量依赖于糖原蛋白的含量，PG大分子的减少引起与之结合的Na+信号降低。通过测量钠在软骨内的分布并与正常软骨内的Na分布图对照可得出糖原蛋白的含量是否改变，这是骨关节疾病严重性的一个重要指标。通过23NaMRI和MRS测量Na分布图可诊断早期骨关节炎，但是需要复杂而昂贵的MR成像设备，且图像的信噪比亦较低，临床应用需进一步研究。双量子过滤MR成像（DQF NMR），其信号强度与不同组织的creation时间有关，而后者对有序组织的结合水敏感，可以选择性地显示肌腱、韧带和软骨，更好地观察组织的解剖结构，被认为是一种新的分析有序组织病变的方法，在骨关节炎患者，平均信号强度下降36%-15%。

总之，随着磁共振技术的不断发展及设备的不断更新，更多的新技术将不断完善且更广泛地应用于关节软骨病损的临床诊断和基础研究工作中。