彌散張量成像在早期骨性關節炎診斷中的應用進展

李明楷 于靜紅

[摘要] 骨性關節炎（OA）是臨床多見病，其早期有效診斷是預防和延緩OA病情進展的關鍵。磁共振成像（MRI）作為一種安全、無創的檢查方法，通過磁場中受激發氫質子弛豫釋放的能量來成像，全面顯示關節軟骨形態及信號改變，是關節軟骨檢查的重要手段。隨著磁共振成像技術的發展，彌散張量成像（DTI）技術通過反映軟骨內生化成分的變化， 對OA早期進行定量評估，從而使預防OA及減輕長期健康負擔成為可能。本文對DTI技術在OA早期診斷中的應用進展予以綜述。

[關鍵詞] 彌散張量成像;骨性關節炎;軟骨基質

[中圖分類號] R684? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2019）02（c）-0024-04

[Abstract] Osteoarthritis is a clinical common disease， its early diagnosis is effectively prevent and delay the osteoarthritis （OA） is the key to progress， magnetic resonance imaging （MRI） as a safe， noninvasive examination method， stimulated by a magnetic field energy release of the hydrogen proton relaxation to Imaging， a comprehensive display of articular cartilage morphology and signal change， is an important means of articular cartilage to check. Along with the development of MRI technology， diffusion tensor imaging （DTI） will be applied to evaluate the early OA quantitatively by reflecting the changes in the endogenous components of cartilage， so as to make it possible to prevent OA and reduce the long-term health burden. This article reviews the application of DTI in the early diagnosis of OA.

[Key words] Diffusion tensor imaging; Osteoarthritis; Cartilage matrix

骨性關節炎（osteoarthritis，OA）是一種以關節軟骨破壞為主的復雜的疾病，典型臨床癥狀為關節的壓痛、疼痛及功能受限，常伴有關節積液，晚期致殘率極高。早期OA臨床表現是隱匿的，患者可能多年沒有癥狀，但當癥狀出現時病情進展已經到了晚期。OA常用的臨床檢查方法有X線及CT檢查、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）及關節鏡檢查。X線及CT不能顯示關節軟骨病變，診斷的OA已屬于晚期，關節鏡雖然是診斷OA的“金標準”[1]，能顯示軟骨表面病變，但不能發現軟骨深層受損程度，而且屬于有創操作，臨床應用受限。MRI是目前唯一能在活體無創性顯示關節軟骨的檢查方法，它不但能彌補X線、CT及關節鏡檢查的不足，可以清晰地顯示關節軟骨病變，還能敏感地檢測到關節軟骨生化成分、組織學特點和生物力學結構方面的變化。目前，定量MRI技術包括彌散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）和彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）、T2-mapping、軟骨延遲動態增強MRI（delayed gadolinium- enhanced MRI of cartilage，dGEMRIC）、T1ρ成像、鈉譜成像、氨基葡聚糖化學交換飽和轉移技術（glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer，gagCEST）等，本文就DTI定量檢測技術在早期OA診斷中的應用進行綜述。

1 DTI成像技術基本原理及其量化參數

1.1 DTI成像技術原理

磁共振DTI是一種以活體組織中具有各向異性的水分子自由運動為基礎的新的磁共振生理成像技術，不僅能反應水分子的自由擴散程度及其各向異性，還可觀察組織的局部形態結構，從而全面反映軟骨的細微變化。DTI主要是通過計算機加權多種參數值進行成像，從而獲取較高信噪比的彌散張量圖像[2]，并在后處理工作站中通過選取感興趣區來進行定量分析。DTI成像技術最早應用于中樞神經系統，近年來廣泛應用于周圍神經系統及其他疾病的診斷和術前計劃中[3-4]，如臂叢神經、腰骶神經顯像[5]、腫瘤術前定位等，但DTI在膝關節軟骨方面的應用目前多用于動物實驗。

1.2 DTI量化參數

臨床常用的DTI量化參數包括部分各向異性指數（fractionalanisotropy，FA值）、表觀彌散系數（averagediffusioncoefficient，ADC值）。FA值表示水分子各向異性的彌散程度，FA值范圍為0～1，數值越趨近于1，表示水分子擴散的各向異性越強，在FA圖上信號顯示越強，圖像灰度也越高。ADC值用來反映不同方向的水分子擴散的程度和大小，ADC值越大，水分子的擴散能力越快，反之ADC值越小，其擴散能力越慢。ADC值越大，在ADC圖上顯示信號越強。

國外學者[6-8]研究表明，DTI可直觀的觀察軟骨內水的各向異性和擴散程度，可以評估軟骨內PG含量和Ⅱ型膠原纖維的走行方向。體內研究[9]顯示，DTI可通過計算ADC的均值來提示蛋白聚糖含量，通過測量觀察FA值等來反映膠原蛋白結構，能夠得到軟骨基質完整性的信息。DTI的優勢在于與其他MR生理成像比較，如T2-mapping，DTI不受魔角效應的影響，也不需要使用造影劑即可提供軟骨的解剖學變化。DTI定量檢測有望成為早期OA病情診斷的新技術，特別是成為對蛋白聚糖含量及膠原纖維結構敏感的方法。

2 OA病理改變及DTI在OA中的應用

2.1 OA的病理生理改變

關節軟骨為透明軟骨，呈藍白色，由軟骨細胞外基質（extracellularmatrix，ECM）和少量軟骨細胞組成[10]。膠原纖維、蛋白多糖（proteoglycan，PG）和水三部分組成ECM。正常關節軟骨組織內的水含量很高，膠原和蛋白多糖是軟骨主要有機成分，這些是關節軟骨保持特性的關鍵。軟骨內膠原主要是Ⅱ型膠原，Ⅱ型膠原自軟骨表層到深層逐漸減少，其結構為拱形，使軟骨具備張力特征，同時起框架作用。蛋白多糖是一種復雜的大分子聚合物，帶負電荷，通過吸引金屬陽離子（Na+、Ca2+等）產生的滲透壓作用來吸引水分子，加上PG表面負電荷之間的互相排斥，使ECM具有高膨脹力和極低水滲透性。軟骨內的水不僅與細胞生存環境密切相關，其含量的改變更是軟骨退變的標志之一[11-12]。正因為軟骨的這些生理特性，也成為生理MRI成像的研究基礎。

OA病理的核心是關節軟骨的退變，而軟骨退變的重要原因之一是細胞外基質合成和降解失衡。關節軟骨退變早期，膠原纖維網狀結構發生改變，軟骨蛋白多糖含量丟失及自由水含量增加，使關節軟骨腫脹變性，軟骨細胞局灶性死亡，晚期軟骨受侵蝕、軟骨細胞廣泛死亡、軟骨下骨增生硬化，承載關節的解剖結構發生改變，致不能承重[13]。

2.2 正常及OA患者關節軟骨常規MRI及DTI表現

正常膝關節軟骨在MRI常規序列上能很好地顯示，關節軟骨厚度均勻、表面光滑，關節間隙正常，周圍軟組織顯示清晰。一般在T2WI-FS序列上，關節軟骨信號由淺入深可顯示為低（淺層）-高（過渡層）-低（放射層和鈣化層）三層[14]。OA患者早期在T2WI上關節軟骨病變呈高信號，關節軟骨變薄，三層結構顯示不清，病變晚期可見軟骨部分或全層缺失、局部纖維化在T2WI上顯示為低信號。

正常關節軟骨在DTI的ADC偽彩圖上顯示其連續性完整，軟骨厚度均勻，色階一致。當軟骨早期退變時，出現點狀或片狀不均勻色階。隨著退變的加重，軟骨變薄、連續性欠佳，層次結構分界不清;病情進展到晚期時，軟骨部分或全層缺失，關節間隙變窄，骨質暴露，出現混雜色階或不能著色。

2.3 DTI技術在OA中的應用現狀

DTI用于檢測體內水分子彌散過程，臨床多用于評估脊髓損傷和腦梗死[15-17]。近年研究發現，DTI對OA軟骨退變具有一定潛在的臨床應用價值。方銳等[18]通過動物造模方式觀察膝骨性關節炎不同時期的臨床及病理特點發現，早期OA改變是以軟骨細胞的排列紊亂開始的，膠原的網絡結構遭到破壞，繼而出現細胞的分離和簇集現象，從而引起組織體積的增加，即早期腫脹，組織內PG、膠原等軟骨成分的合成增加。隨著病情進展，組織內膠原酶合成增加，關節軟骨進一步被破壞。隨著軟骨成分的丟失和含量下降，導致軟骨硬度和彈性下降，組織滲透性增加，水分子含量上升。由此來看，在軟骨損傷早期進行DTI檢查，膠原的退變和蛋白多糖的降解導致水分子含量增加，導致了ADC值增高，ADC圖顯示為異常高信號。而關節軟骨內膠原纖維走向異常、結構破壞，降低了軟骨內水分子的各向異性，FA值出現進行性下降。由于ADC值和FA值的差異在某種程度上能反映出組織內水分子擴散程度及組織結構的差異，因此，DTI成像技術可以通過測量FA值及ADC值從分子水平來評估OA的嚴重程度，為發現早期OA病變提供了新的定量檢測方法。

王俊江等[19]通過對正常成年兔脛骨平臺表面軟骨由前到后分組，進行DTI掃描后分析各組間ADC值和FA值，結果發現負重區退變程度較非負重區更為嚴重，FA值降低，ADC值升高。侯進等[20]通過采用3.0 TMR-DTI技術測量健康人和不同級別OA患者膝關節軟骨的ADC及FA值，發現早期OA的ADC值增加較明顯，而在病變中晚期的ADC值是逐漸降低的，OA早期及中晚期的FA值是進行性降低，并且通過建立動物OA模型，進一步證實了上述結果，其研究表明FA聯合ADC值的測量對OA早期診斷更為明確。趙丹丹等[21]通過對不同年齡階段健康成年人髕軟骨的研究表明，髕軟骨退變時，FA值下降，而ADC值升高。Raya等[22-24]對人離體膝關節軟骨進行DTI掃描，比較被證實受損區的ADC值與嚴重程度評估值，發現敏感性達95%，損傷程度分級準確性為63%。另一方面，通過DTI比較正常與OA膝關節的FA值，發現OA組的FA值較正常組顯著下降，靈敏度為81%，特異性為83%，提示ADC值、FA值對評估軟骨損傷是有用的。根據Watson等[25]的報告，軟骨被視為具有弱各向異性的生物組織，如大腦和心臟，因此，雖然認為FA值可用來OA的診斷，但很難評估OA造成的損害程度。Ukai等[26]通過對41例關節鏡術后被證實軟骨損傷的患者進行ADC值的分析，發現Outerbridge分級中0級與2級、3級，1級與2級、3級，2級與3級之間有顯著性差異，雖然0級與1級之間沒有顯著差異，但它確定了1級與2級之間的顯著差異，結果表明ADC值對評估早期軟骨損傷是具有臨床應用價值的。

3 小結與展望

綜上所述，利用DTI定量分析技術能夠在OA形態學改變發生前發現關節軟骨內的生化成分改變，而且其空間分辨率高，可多平面成像，重復性好，為OA的早期診斷、病情檢測提供了一種新的選擇，同樣也為MRI應用于軟骨研究打開了新的窗口。然而，目前相關實驗開展相對較少，缺乏數據及病理學結果來驗證，相信隨著MRI技術的發展及更多臨床實驗的開展，DTI定量分析技術可與磁共振常規形態學檢查結合，將會有助于臨床醫生發現早期OA軟骨基質的細微變化，幫助他們設計治療方案和相應的后續隨訪。

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（收稿日期：2018-05-21? 本文編輯：封? ?華）