肌骨關節系統磁共振成像臨床應用及進展

袁慧書，劉麗思

北京大學第三醫院放射科，北京100191

近年來，隨著MRI技術的飛速發展及診斷水平的提高，肌骨關節系統MRI在成像技術、早期診斷、術后評價及微觀結構定量測量方面均有較多進展。目前臨床應用研究熱 點主要集中在軟骨損傷定量診斷、超短回波時間成像技術顯示短T2組織成分、超高場強技術對骨質微觀結構的量化評估等。不同MRI技術的臨床應用與進展將逐步提高骨關節系統影像診斷水平，為肌骨關節系統MRI研究開辟新的途徑。

1 軟骨MRI定量技術

關節軟骨基質主要由水、Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖(proteoglycans，PG)組成，早期損傷中軟骨PG和膠原蛋白成分最先開始減少，然后導致軟骨內自由水含量增加和基質退化。MRI不但可以顯示軟骨的形態還可進行量化分析，目前有以下幾種MRI定量技術用于早期評估關節軟骨的病理生理改變。

1.1 軟骨延遲增強磁共振成像(delayed gadoliniumenhanced MRI of cartilage， dGEMRIC)

PG主要成分為氨基葡聚糖(glycosaminoglycans，GAG)，GAG側鏈帶有大量負電荷，而靜脈注射的釓劑DTPA2-為陰離子對比劑，兩者相互排斥。軟骨退變早期PG減少，釓劑進入異常軟骨區的量增加，在該區域濃聚。因此，dGEMRIC主要是根據釓劑在正常軟骨與異常軟骨中不同分布進行成像，間接反映PG的含量。已有大量研究證實了延遲增強成像可以較準確評價關節軟骨PG含量，對診斷軟骨早期退變有重要意義。研究顯示，正常軟骨T1值較高，損傷軟骨T1值降低。但由于該成像技術需要靜脈內注射對比劑，成像等待時間較長，因此，目前該技術在臨床中的應用并不廣泛[1]。

1.2 T2 mapping和T2* mapping成像

T2 mapping成像技術通過描述組織橫向磁化衰減來反映組織的特異性，T2值變化主要與軟骨中水分含量及膠原蛋白基質結構的改變有關。T2 mapping作為一種無創性軟骨定量檢查技術，主要應用于膝關節等大的承重關節。研究結果顯示退變軟骨的T2值升高。由于T2值受到年齡、體質量指數(BMI)及運動量大小的影響，且部分膠原纖維排列方向與穩定磁化矢量夾角會產生魔角效應，所以，不推薦單獨使用T2 mapping序列評估關節軟骨損傷。目前學者研究認為常規MR序列與T2 mapping 序列共同評估軟骨病變可明顯提高診斷的敏感性[2]。近年來也有關于T2 mapping序列評價關節術后軟組織的應用研究，通過T2值判斷術后軟組織是否有纖維化的趨勢，將來更多研究需著重于揭示T2值與病理改變之間的關系[3]。

T2*mapping是一個評估軟骨生化成分相對較新的方法，通常采用多梯度回波或者超短回波時間(ultrashort echo time，UTE)成像技術，成像原理與T2 mapping類似。研究認為關節軟骨T2*時間分為長T2*時間和短T2*時間，正常情況下，表層軟骨T2*時間相對較長，深層軟骨T2*時間相對較短。近幾年，T2*mapping在髖關節軟骨損傷方面有較多研究，T2*mapping較T2 mapping成像時間更短，對髖關節軟骨顯示較好[4-6]。將來T2*mapping有可能作為一種臨床評價軟骨的較常用工具。目前對于 T2*測量值的影響因素還未明確，需要進一步探索研究。

1.3 磁共振彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)

DTI序列是在彌散加權成像基礎上發展起來的功能磁共振成像技術，它不僅能測定反映水分子運動能力的表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)，而且能獲取反映水分子彌散各項異性的參數(fractional anisotropy，FA)，反映透明軟骨II 型膠原纖維走行方向的細微結構變化。ADC值(與PG含量有關)和FA值(與膠原蛋白結構有關)作為早期骨關節病的標志性測量值，具有良好的重復性及識別健康軟骨和早期軟骨損傷的能力。研究顯示，關節軟骨退變早期膠原纖維結構的破壞對水分子彌散產生顯著影響，導致FA值減低。PG減少導致結合水釋放增加，水分子彌散運動增加，ADC值增高。應該指出的是，與T2 mapping相比，DTI不受魔角效應的影響，ADC 值及FA值受影響因素較小，測量值在一定程度更準確[7-8]。另外，DTI序列還用于評估軟骨移植術后修復軟骨的結構變化[9]。總之，DTI序列可作為軟骨早期損傷及軟骨修復的檢測方法。目前DTI對于各層軟骨膠原纖維走行的各向異性、擴散率等還在研究階段，軟骨修復相關的內部變化需通過更多試驗研究進一步探索。

1.4 旋轉框架內自旋晶格弛豫(spin lattice relaxation in the rotating frame，T1ρ)

T1ρ成像技術主要是檢測射頻脈沖磁場中的組織自旋弛豫值，在常規序列前加用自旋鎖定的預脈沖進行預磁化。T1ρ成像與軟骨延遲增強成像一樣，主要是通過測定軟骨基質中PG含量來評定軟骨退變的過程。T1ρ成像作為一種近幾年新發展的成像技術具有一定的優勢，如無需注射對比劑，可部分替代延遲增強成像。目前研究得出，早期退變的關節軟骨T1ρ值增高，且半月板撕裂及局部關節運動增加會影響T1ρ值升高更明顯。T1ρ與T2 mapping序列評估軟骨損傷具有一致性，T1ρ對探測早期損傷較T2 mapping更敏感，值得進一步探討臨床應用[10]。

另外，利用T1ρ序列還可評估椎間盤終板纖維軟骨早期退變，隨著椎間盤退變的加重，T1ρ值逐漸降低[11]。T1ρ值變化與關節軟骨損傷中T1ρ值變化相反，可能是由于纖維軟骨與透明軟骨組織成分不同所致，相關病生理機制需要進一步的研究。

近幾年，學者們研究熱點不僅是軟骨移植術后的修復變化，更著重于韌帶重建術后軟骨的改變。關節面承重受力不同，軟骨各層修復機制不同，損傷的先后順序及程度也不同。T1ρ成像技術能定量評估膝關節術后軟骨基質成分含量的早期變化，有利于對創傷后骨關節炎發展進行定量評估，為臨床早期干預提供依據[12]。

2 MRI新技術——超短回波時間脈沖序列(Ultrashort echo time，UTE)

UTE成像中TE達到8 μs～200 μs，可探測T2弛豫時間在幾百微秒內的短T2組織，對軟骨、半月板、韌帶、肌腱及骨皮質等短T2組織細微結構顯示及病理學演變提供了潛在的應用前景[13]。

UTE成像中軟骨呈中等至高信號，使短T2 成分的軟骨深層和鈣化層突出顯示，軟骨與軟骨下骨的分界變得清楚，有利于顯示軟骨缺損的范圍及程度，還可以判斷骨端的病變是否累及軟骨深層。同樣，UTE對椎間盤終板纖維軟骨分層也達到了組織學水平[14-15]。UTE為目前可用于顯示鈣化軟骨層的理想方法，但其所面臨的層面選擇困難、采集時間等技術問題尚有待解決。

UTE脈沖序列能特異性地鑒別肌腱起止點的鈣化與非鈣化的纖維軟骨成份，將這些成份與纖維結締組織和骨組織區別開來，提供了一種新的認識解剖的方法，對于肌腱病變的診斷更加準確。UTE成像還能顯示韌帶陳舊性損傷后的纖維疤痕組織，在評價韌帶重建術后移植物方面具有潛在可行性[13,16]。

UTE成像中半月板表現為高信號，半月板的撕裂和退變表現為低信號，組織對比度較好。另外，UTE 成像還可區分半月板的不同區域(如紅區和白區)，為半月板損傷術前定位提供依據。最新研究發現，UTE對評價半月板不同形態鈣化具有可行性，相關研究尚在初步階段[13,17]。

UTE序列可以直接顯示骨及其周圍組織，并可以定量得到骨皮質的T1及T2*，這為定量評估骨質量提供了新方法。這些定量參數值會受到設備硬件的制約，這是常規醫用MR系統在定量骨皮質研究中面臨的一個挑戰[18]。

3 MRI水脂肪分離技術

Dixon和IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares)方法是基于化學位移的水脂分離技術。對水像和脂像進行量化，獲得脂肪比。IDEAL技術由Dixon技術發展而來，通過校正可得到更精確的數值。2pt-MRIDIXON(Two-piont Dixon-based MRI)技術不僅能直觀顯示解剖結構，還能對感興趣區內肌肉脂肪成分(Muscle fat content，MFC)進行定量。目前臨床主要應用于肌肉脂肪浸潤的定量測量，對肌肉萎縮相關疾病達到無創性隨訪監測的效果[19-20]。

4 動態增強MRI(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)

DCE-MRI通過注入對比劑后完成多個時間點的圖像采集，從而反映不同時間點病變對比度的特征變化。不僅能定性觀察病變的動態增強信號規律，且能利用MR圖像后處理軟件繪制動態增強曲線計算多個定量參數，更準確判斷病變組織的血流滲透情況。如早期增強率(early enhancement rate,EER)、最大增強率(max enhancement rate,MER)、相對增強率(relative early enhancement rate,RER)、轉移常數(KTrans)、速率常數(Kep)等，這些定量參數能直接且準確地反映病變的血供情況和毛細血管滲透性，早期發現疾病引起的組織學改變。目前，DCE-MRI對于早期診斷類風濕關節炎滑膜病變具有一定優勢，且能監測疾病的變化趨勢、評價療效[21-24]。另外，DCE-MRI對腫瘤的定性診斷、鑒別診斷以及區別腫瘤術后局部復發和瘢痕組織具有一定價值[25]。總之，DCE-MRI在評估疾病活動性及治療效果方面具有重要意義，為臨床提供早期診斷依據。

5 超高場強MRI技術

7 T超高場強MRI技術最初被用于神經系統成像，目前大量 研究已經證實超高場強MRI技術在肌肉骨骼成像系統方面的潛在能力。最有價值的優勢包括更高的信噪比、圖像分辨率及更短的成像時間。

5.1 MRI高分辨率成像

近幾年，7 T 高分辨率MRI對顯示骨骼微觀結構具有重要價值，能發現軟骨下骨超微架構的早期退化，骨超微架構比骨密度評分及X線吸收計量法(DXA)對判斷早期骨質疏松癥更敏感。早期軟骨下骨骨骼質量的減低與骨關節炎發生率有明顯相關性，因此，對骨骼質量的優先干預可作為骨關節炎潛在的治療靶點[26]。除此之外，7 T MRI還可對局部軟骨形態及軟組織進行高分辨成像，在實現臨床綜合應用方面具有可行性。7 T MRI不僅能將骨小梁可視化，顯示局部軟骨厚度、體積，也能清晰顯示關節盂唇、關節囊及肌腱[27]。未來通過7 T MRI成像觀察骨超微架構和軟骨病變，可進一步探索骨質疏松癥和骨關節炎發病機制中的微觀變化，并用于監測臨床疾病進展及治療反應[28]。

5.2 鈉成像(23Na－MRI)

PG主要成分為GAG。軟骨細胞外基質中GAG側鏈帶有負電荷，根據電中性原理，細胞外基質中陽離子濃度等于陰離子濃度，也就是GAG含量。因此，23Na+在正常軟骨中聚集主要依賴于PG含量。正常富含PG的透明軟骨含有高濃度的鈉，PG減少的區域，其鈉的濃度也較低。所以說，鈉成像對關節軟骨PG含量異常敏感，可用于顯示早期軟骨退變，對異常區域進行定量分析。最新研究認為7 T水抑制Na MRI序列對早期軟骨退變定量分析具有較高的準確性、敏感性和特異性，可作為一種潛在的定量測量工具。另外，鈉成像在評價軟骨修復術后軟骨生化成分變化中也具有一定可行性[29-30]。然而，由于MR鈉成像信噪比較低，需要在高場強MR設備上完成，此外還需要特殊的空間傳輸和接收線圈，用較長掃描時間來獲得足夠高信噪比。故目前該技術應用于臨床還尚待時日。

6 3D MR成像技術

各向同性3D MR成像具有較高的空間分辨率，在獲取局部容積影像數據的基礎上，進行MPR重建得到所需斷面圖像，消除常規MR 掃描二維平面的局限性，提高肌骨系統復雜細小結構的病變檢出率[31]。但也有研究指出3D各向同性序列和常規2D序列在診斷疾病方面的能力是相似的，只是3D各向同性序列掃描時間更短[32-33]。3D序列的空間分辨率較2D序列仍有差距，有待進一步改善。

7 金屬植入物MRI成像

術后金屬偽影的存在會使局部組織信號丟失，對MR圖像質量有較大影響。近幾年，層編碼金屬偽影校正(SEMAC)和多采集變諧波圖像融合(MAVRIC)這兩種MRI技術的開發有效減少了金屬偽影，圖像質量有進一步改善。SEMAC是一種優化自旋回波序列，與傳統SE成像比，SEMAC圖像的層內偽影減少高達80%，層間偽影減少高達65%。將MAVRIC和SEMAC技術結合起來，可得到人工關節置換金屬偽影最小的MR圖像。然而，由于信號容積現象不能完全被校正，在判斷假體周圍骨髓信號變化時仍需謹慎[34-35]。目前金屬植入物MRI成像仍面臨巨大挑戰。

綜上所述，近年MRI技術的不斷發展為肌骨系統疾病診斷提供了多種無創性活體成像新方法，包括軟骨成分定量分析、短T2組織結構顯示及骨微觀結構成像，為臨床早期診斷及治療監測提供依據。但由于MRI技術及硬件設施的限制，微觀水平成像及組織成分定量技術仍有待進一步提高。

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