MRI評估膝關節骨性關節炎病變

王 斌，任占麗，于 楠1,，張喜榮1,，賈永軍，賀太平1, *

(1.陜西中醫藥大學醫學技術學院，陜西 咸陽 712046；2.陜西中醫藥大學附屬醫院影像科，陜西 咸陽 712000)

膝關節骨性關節炎(osteoarthritis, OA)是以膝關節軟骨病變、半月板損傷、滑膜炎、骨贅及韌帶損傷等為主要病理改變的退行性關節病[1]，分為原發性和繼發性。原發性OA指無明顯病因逐漸發生的退行性變，可能與年齡、遺傳、體質、代謝等因素有關；繼發性OA指繼發于創傷、炎癥、關節不穩、積累性勞損等疾病致軟骨或關節結構破壞，后因關節面摩擦和負荷不平衡等因素發生退變[2]。X線片顯示骨性結構異常特異度較高，但對關節軟骨、滑膜等細微結構的敏感度及特異度較低。利用常規MR序列，包括自旋回波(spin echo, SE)、雙回波穩態(dual echo steady state, DESS)序列等可評估膝關節形態，于膝關節軟組織及周圍組織發生形態學變化前實現早期診斷。本研究對MRI在膝關節OA不同類型病變中的應用進展進行綜述。

1 軟骨病變

膝關節軟骨為透明軟骨，由水和細胞外基質(extracellular matrix, ECM)等構成，水在其中呈規律性分布，由深層至表層逐漸增多。膠原纖維和蛋白多糖聚合物是ECM的主要組成物質，蛋白多糖由帶負電荷的糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG)附著在蛋白上，能吸引陽離子(如Na+)。因多種因素導致關節生物力學改變，蛋白多糖丟失、膠原纖維網絡破壞及含水量變化，發生骨和軟骨形態學改變，軟骨出現局灶性缺損而致早期OA；晚期軟骨細胞大范圍壞死，嚴重者可完全破壞而剝脫。

T2 mapping成像獲得的T2值與軟骨含水量有關，故可間接測量ECM膠原含量。退變軟骨T2值較正常軟骨顯著升高，且隨軟骨退變程度加重升高，可采用T2閾值47.6 ms區分正常軟骨與退變軟骨[3]。CARBALLIDO-GAMIO等[4]以T2 mapping成像定量分析軟骨分層，表層軟骨T2值較深層高，而較高T2值可預測軟骨病變發生、發展。超短回波時間(ultrashort echo time, UTE)技術亦用于OA軟骨病變，包括超短回波時間磁化傳遞(UTE-magnetization transfer, UTE-MT)及UTE-T2*mapping序列，對膝關節中的短T2組織較敏感。定量觀察不同程度軟骨損傷OA患者，結果顯示正常組軟骨UTE-MTR值[(16.30±0.01)%]明顯高于OA組[(12.45±0.02)%，P<0.01]，中重度組的軟骨UTE-MTR值顯著降低；正常組軟骨UTE-T2*值[(20.30±7.26)ms]明顯高于中重度OA組(P<0.01)[5]。UTE-MT成像可顯示OA軟骨基質變化，而傳統MT成像只能檢出表面軟骨信號。

自旋晶格弛豫時間(the spin-lattice relaxation in the rotating frame, T1 rho)成像技術對蛋白多糖特異度較高，可反映ECM中蛋白多糖含量。WYATT等[6]采用7T MR儀采集OA組與正常組T1 rho圖像，發現2組T1ρ值差異有統計學意義，可依據T1值判斷關節軟骨中蛋白多糖含量。陳玲等[7]對不同程度軟骨損傷OA組與正常組分別行T1 rho和T2 mapping成像，重度OA組、輕度OA組和正常組T1ρ值分別為(48.37±5.80)ms、(44.26±4.16)ms和(40.34±2.10)ms，重度OA組T1ρ值顯著高于輕度OA組及正常組，且T1ρ值及T2值隨年齡增加而增大。化學交換飽和傳遞(chemical exchange saturation transfer, CEST)技術利用GAG的可交換質子間接測量體內GAG的局部濃度。非對稱性磁化轉移率值(magnetization transfer ratio asymmetry, MTRasym)越低，軟骨內的GAG濃度越低，軟骨損傷越嚴重，且MTRasym值與疼痛評分呈正相關[8]。

軟骨磁共振延遲增強成像(delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage, dGEMRIC)對軟骨蛋白多糖含量特異度及敏感度較高。健康軟骨dGEMRIC值較高，隨軟骨退變程度加重，dGEMRIC值降低。CREMA等[9]觀察不同程度OA中年女性患者，發現軟骨T1Gd值隨X線Kellgren-Lawrence分級增加而下降。鈉成像(sodium23Na+imaging)是針對軟骨中存在的23Na+進行成像，鈉離子能與ECM中GAG的負電荷相抵消；OA患者軟骨中Na+濃度低于較正常軟骨，人體中Na+含量較低且T2較短，給實際應用帶來很大困難[10]。

彌散加權成像(diffusion-weighed imaging, DWI)測量ECM內水分子ADC值可反映軟骨組織成分變化。淺層與深層軟骨中彌散系數存在明顯差異。早期OA膠原和蛋白多糖含量減少，軟骨中水分子含量相對增多，ADC值增高[11]。擴散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)能反映軟骨中水和蛋白多糖含量，其各向異性分數(fractional anisotropy, FA)值反映膠原纖維的排列變化。RAYA等[12]發現軟骨損傷早期膠原纖維結構發生變化，平均擴散系數值自淺層軟骨至深層軟骨逐漸升高。OA患者深層軟骨FA值顯著降低，提示DTI能檢出早期軟骨損傷并對其病變程度進行分級。

2 半月板損傷

半月板主要由纖維軟骨組成，且高度水化(水占比72%)，其余成分主要為ECM和細胞。半月板損傷是OA發生發展的重要危險因素。創傷或退變引起的半月板損傷可致關節穩定性降低，改變其生物力學狀態，導致軟骨損傷，促使OA發生；其他因素導致的OA也可引起半月板繼發性改變[13]。

WENGER等[14]采用DESS序列定量觀察OA患者半月板，發現OA患者內側脛骨平臺半月板覆蓋面積減少，外側半月板體積更大、脫出更嚴重。EIJGENRAAM等[15]發現半月板T2值與其組織學泡利評分(Pauli score)呈正相關，提示T2 mapping可用于檢測OA早期半月板成分變化。荘高明[16]發現，隨半月板損傷程度加重，T1 rho值升高，且半月板T1 rho值與其T2值呈顯著正相關。MATSUBARA等[17]分析22例早期OA退變型半月板撕裂患者及19名正常對照組膝關節不同區域，發現半月板撕裂組股骨端淺層及深層軟骨、脛骨端前后區域軟骨T1 rho值均高于對照組。曹明明等[18]發現半月板退變組軟骨T2值[(51.42±4.13)ms]高于非半月板退變組[(43.27±3.85) ms]，且半月板損傷程度與軟骨T2值呈正相關，提示半月板撕裂及退變可引起軟骨生化成分改變。WANG等[19]發現ACL損傷后半月板T1 rho值、T2值不同程度升高，提示ACL損傷可導致膝關節生物力學改變，引起半月板亞急性退變。

超短回波時間T2*加權(ultrashort echo time-enhanced T2*, UTE-T2*)技術對亞臨床半月板變性的敏感度較高，可定性和定量不同類型半月板損傷[5]。TE<1 ms時，正常半月板呈均勻稍高信號；TE為3～6 ms時，半月板膠原纖維網絡清晰可見。正常半月板平均T2*弛豫時間為4～10 ms，T2*值升高提示半月板存在亞臨床變性，T2*偽彩圖半月板信號不均勻提示膠原纖維組織紊亂，可見UTE-T2*技術能反映半月板內部的局灶性變化[20]。

3 骨髓水腫

骨髓水腫(bone marrow edema, BME)是OA典型表現，指軟骨下骨骨小梁異常改變，T2WI表現為高信號，常伴軟骨退變和關節疼痛，是OA進展的重要病理特征。HAYASHI等[21]采用中等加權脂肪抑制自旋回波序列(intermediate-weighted fat-suppressed spin echo, IW FS SE)和DESS序列對201例不同類型BME進行掃描，發現DESS序列有助于鑒別軟骨下骨髓水腫樣病變(bone marrow edema-like lesion, BMEL)與軟骨下囊腫；IW FS SE序列能更好地顯示軟骨下BMEL范圍。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy, MRS)是非侵入性探測骨髓內水和脂質變化的技術，可定量水和脂質含量。健康對照組軟骨下骨髓以飽和脂質為主要信號，峰值在1.3 ppm處；而OA組軟骨下骨髓不飽和脂質峰值和水峰值分別在5.35 ppm和4.65 ppm處，且顯著升高；BMEL內的水含量和不飽和脂質均高于周圍骨髓，BMEL內的飽和脂質明顯下降[22]。

4 滑膜炎

軟骨缺損及基線水平的BME與滑膜炎有關，膝關節軟骨及軟骨下骨異常變化可能是導致OA患者發生滑膜炎的原因?；ぱ诪镺A繼發性改變，各期均可出現，早期表現為局限性炎癥，晚期則表現為炎癥彌漫性分布，同時滑膜炎炎性改變可誘導軟骨降解，加快OA發生發展[2]。非對比增強MRI不能直接評估滑膜炎，但可利用T2WI髕下脂肪墊信號作為替代標志物，監測滑膜炎變化[23]。增強MRI(contrast-enhanced MRI, CE-MRI)可直接顯示滑膜炎癥，區分滑膜與關節周圍積液[24]。CE-MRI觀察結果示滑膜炎改變與疼痛評分無明顯相關，其嚴重程度與軟骨退變程度呈正相關[25]。WANG等[26]發現老年OA患者髕上囊、股骨后隱窩區域積液性滑膜炎與膝關節疼痛評分呈正相關，膝關節其他區域滑膜炎與疼痛評分無明顯相關，提示僅膝關節特定區域滑膜炎才可能導致膝關節疼痛。

5 骨贅

軟骨損傷后關節生物力學特性改變，早期OA軟骨下骨可出現骨質流失，進一步發展關節面邊緣可形成骨贅，關節輪廓粗糙、不規則，其過程與OA軟骨退變、關節間隙變窄等同步[27]。骨贅為OA典型標志，多經X線檢查發現，X線和MRI檢出存在骨贅提示OA患者軟骨缺損和BML程度更嚴重，且膝關節疼痛與骨贅病變程度呈正相關[28]。針對膝關節骨小梁的MRI研究[29]表明早期OA存在軟骨下骨骨體積分數、骨小梁數目和骨間距升高及骨厚度降低，晚期可見骨贅形成，提示X線檢查發現骨贅前軟骨下骨已出現微觀變化，MRI可用于早期監測軟骨上述改變。

6 韌帶損傷

膝關節韌帶主要包括ACL、后交叉韌帶(posterior cruciate ligament, PCL)及髕韌帶，是膝關節的重要穩定結構，其撕裂及退化致關節生物力學改變并影響穩定性，導致繼發性OA；而OA亦使關節生物力學變化，影響韌帶功能，進一步加快其發展[30]。WILSON等[31]應用T2 mapping成像發現急性或慢性PCL撕裂OA患者PCL平均T2值為(36±9) ms，高于無癥狀志愿者(31±5) ms；且PCL撕裂患者T2最高值位于PCL近端，而正常組T2最高值位于PCL遠端。肌腱、韌帶均為短T2組織，UTE-MRI可早期診斷其損傷和評估損傷程度。存在損傷及退行性改變的跟腱T1值與正常人有明顯差異；脂肪抑制UTE T2*mapping可反映韌帶和肌腱的生物組成及結構完整性，檢測韌帶早期退變[32]。

綜上，MRI可清楚顯示關節軟骨及半月板等軟組織，直觀了解膝關節解剖結構或病變類型，并根據OA的展及病理類型選擇特異度及敏感度均較高的技術，于膝關節軟組織及周圍組織發生形態學變化前早期診斷OA。