超短回波時間和零回波時間MRI評估膝關節炎進展

曹 珊,郭紅紅,張 皓

(1.蘭州大學第一臨床醫學院,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州大學第一醫院放射科 甘肅省智能影像醫學工程研究中心,甘肅 蘭州 730000;3.甘肅省婦幼保健院醫學影像中心,甘肅 蘭州 730000)

隨著人口老齡化加劇,骨關節炎(osteoarthritis, OA)發病率呈逐年上升趨勢,其中膝關節炎致殘率較高,我國膝關節炎致殘率居世界第2位[1]。關節鏡是評估膝關節病變的常用侵入性手段,但無法觀察病變內部改變,而OA早期非侵入性評估關節軟骨及半月板損傷對于診斷及進行臨床決策具有重要意義。MRI是診斷關節疾病的有效手段,但膝關節復雜的解剖結構給早期診斷帶來諸多困難。超短回波時間(ultrashort echo time, UTE)和零回波時間(zero echo time, ZTE)MRI具有分辨率高、信噪比高、掃描速度快等優勢,已用于評估多種骨關節異常,如膝關節OA小骨贅[2]、腰椎骨皮質異常和骨贅[3-4]、骶髂關節[5]及強直性脊柱炎骨質侵蝕[6]。本文就UTE和ZTE MR成像原理及其臨床評估膝關節炎應用進展進行綜述。

1 UTE、ZTE MR成像原理

半月板、韌帶及鈣化軟骨等屬于短T2結構,氫質子含量較低且被束縛于大分子結構中而難以被感應線圈采集,信號衰減易被周圍脂肪、肌肉等高T2信號組織掩蓋,導致利用傳統MRI難以對其解剖及功能改變進行評估。骨組織“類CT對比”MR技術,如UTE、ZTE、T1加權梯度回波及磁敏感加權成像等,評價上述結構具有與CT相似的診斷性能[7-8]。行UTE成像時,施加半射脈沖或短矩形硬脈沖后,于高靜磁場中經梯度磁場編碼的氫質子發生共振,射頻結束后其回波時間(echo time, TE)是常規MR成像的1/50～1/20(<100 μs),此時立即采集自由感應衰減信號并以多種填充軌跡(徑向、螺旋或錐形)由中心向外填充k空間可在信號衰減前顯示低T2信號組織[9]。ZTE技術是UTE技術的拓展,通過同步射頻激發并搭載接近于零的TE,基于MR設備的特殊硬件和處理系統可實現快速靜音成像及各向同性3D采集[10],以消除圖像中的T2權重,所獲圖像以質子密度加權為主,可精準顯示骨骼皮質結構,產生類似CT的組織對比度,且其分辨率略高于CT,在“類CT對比”MR技術中應用最為廣泛[11]。本院典型案例見圖1。

圖1 健康受試者,男,48歲 A、B.脂肪抑制質子密度成像示內側半月板骨軟骨連接(osteochondral junction, OCJ)呈低信號(白箭,A),前交叉韌帶顯示欠佳(紅箭,B); C、D.UTE T2加權脂肪抑制序列見內側半月板OCJ呈高信號(白箭,C),前交叉韌帶呈束狀結構(紅箭,D)

2 UTE、ZTE MRI評估膝關節炎

2.1 OCJ OCJ是由關節軟骨深部非鈣化軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨板形成的復合功能單位,可作為滑膜關節間隙和軟骨下骨之間的功能屏障。OA相關軟骨異常可能源于深層軟骨、繼而波及表層結構,在此過程中,OCJ厚度變薄、屏障功能被破壞而致軟骨下骨暴露是OA發病的關鍵環節[12]。

利用UTE MRI能評估軟骨鈣化層的成分特征及關節軟骨退變程度。鈣化軟骨層(1～3.3 ms)與軟骨下骨(<1 ms)的T2弛豫時間均較短,常規MRI難以與骨皮質區分[13]。UTE和ZTE MRI可識別未鈣化的軟骨層和鈣化軟骨層(即骨界面以上的線性高信號),顯示OA患者OCJ處高信號局限性減弱、鈣化軟骨線樣高信號消失或變寬,甚至可在常規MRI出現異常之前檢出鈣化軟骨和OCJ異常[14]。鈣化軟骨中的T2*值范圍為1.0～3.3 ms,T1ρ值范圍為2.2～4.6 ms[15],故UTE T2*WI可定量評估鈣化軟骨膠原含量和分布,利用T1ρ圖像可評估蛋白聚糖含量。MACKAY等[16]報道,UTE MRI可觀察OA早期病理改變,其中,健康年輕受試者脛骨內外側線狀高信號出現率高于中年膝痛患者,而膝痛患者脛骨平臺OCJ淺層軟骨T2值增加。CHU等[17]利用UTE MRI觀察Outerbridge 1、2級前交叉韌帶(anterior cruciate ligament, ACL)損傷患者,發現其股骨后內側髁軟骨UTE T2*值分別較對照組升高43%及46%,ACL重建術后2年,其UTE T2*值趨于正常,提示UTE MRI可用于識別鈣化軟骨損傷并監測治療效果。LOMBARDI等[3]發現,隨膝關節軟骨由深至淺,T1、T1ρ和T2*值逐漸增加,而大分子質子分數(macromolecular fraction, MMF)逐漸減少;軟骨退變等級與T1、T1ρ和T2*值呈正相關,與MMF呈負相關。UTE MRI可否用于監測膝關節快速退變及其他關節病變有待進一步探索。

2.2 半月板 半月板完整性受損是導致膝關節OA進展的重要因素。ACL損傷常伴隨半月板擠壓性損傷,使半月板減震及負荷能力下降、脛骨軟骨暴露,進而增加OA患病風險。半月板UTE和ZTE成像包括T1 ρ、T2*和用于計算MMF的UTE磁化轉移(magnetization transfer, MT)成像。KIM等[18]對ZTE序列加以優化,并與常規序列相結合,結果顯示可有效提高對于膝關節紊亂及半月板損傷的檢出率。既往研究[19]發現,健康人半月板T1ρ值低于ACL損傷患者,而退變及撕裂的半月板T2*值高于正常半月板。WANG等[20]指出,部分急性ACL損傷關節鏡檢查可為陰性,但其半月板T1ρ和T2*值仍顯著增加,而T1ρ/T2比值與OA評分呈負相關,與全膝關節MRI積分呈正相關。UTE MRI有助于鑒別ACL損傷并監測治療效果,還可識別隱匿性、亞臨床半月板損傷及退變,但半月板中的蛋白聚糖濃度略低于透明關節軟骨,導致臨床實踐中UTE及ZTE T1ρ用于定量評估半月板的數量遠遜于軟骨。JERBAN等[21]報道,UTE T1ρ值還可作為檢測半月板在負重條件下應變能力的影像學標識;利用UTE-MT成像可進一步對比觀察年輕和老年膝關節離體標本半月板及關節軟骨負荷情況與MMF的關系。此外,MMF可檢測半月板大分子基質密度,具有無創檢測膝關節軟骨功能及應變能力的潛力[22]。盡管這些技術尚未廣泛用于 OA患者,但UTE和ZTE技術有望成為臨床檢測半月板早期退化并指導治療的有力工具。

2.3 軟骨鈣沉積 軟骨鈣沉著病又稱焦磷酸鈣晶體沉積病(calcium pyrophosphate deposition disease, CPPD),在歐美國家成年人群中的患病率約為4%～7%,目前對其發病機制尚不明了[23]。既往研究[24]發現含鈣結晶沉積與半月板及軟骨退變加重有關,觀察含鈣結晶沉積數量可能有助于評估關節退變進程及其惡變風險。X線和CT對于檢測關節軟骨和半月板鈣化較為敏感,而MR、即便超高場強MR診斷特異性較低。利用梯度回波和雙回波穩態UTE MRI能可視化半月板鈣化,其中,CPPD表現為半月板內多發點狀暗區,軟骨鈣化表現為透明軟骨高信號背景下的環狀或不定形低信號區。GERMANN等[25]研究顯示,以7.0T MR機行三維雙回波穩態序列掃描檢測CPPD較3.0T MR設備更為敏感。FINKENSTAEDT等[26]以UTE成像檢測離體半月板,發現CPPD晶體沉積幾乎僅分布于半月板中央無血管區,所造成的硬性壓痕較正常半月板明顯增多。

2.4 含鐵血黃素沉積 滑膜和髕下脂肪墊可分泌多種促炎性因子調節軟骨蛋白含量[27],在血友病和非血友病含鐵血黃素性滑膜炎中,反復關節內出血導致含鐵血黃素沉積、促炎因子釋放,引發滑膜及關節軟骨破壞。含鐵血黃素沉積可能是軟骨丟失和OA前兆。UTE定量磁化圖譜可用于評估血友病患者膝/踝關節內含鐵血黃素[28]并顯示含鐵血黃素區域性沉積;在髕下脂肪墊撞擊癥患者也可見含鐵血黃素沉積[29]。未來UTE定量磁化圖譜技術將可用于評估OA或高OA風險患者。

3 小結及展望

UTE和ZTE MRI能獲得高分辨率、高對比度的“類CT對比”圖像,是評估膝關節炎早期改變的重要手段,可有效顯示傳統MRI無法檢出的短T2結構并進行定性、定量評估,進而識別亞臨床損傷,促進早期干預和治療。“類CT對比”MR技術有望改變臨床診斷思路,實現軟組織和骨骼一站式高分辨成像;與卷積神經網絡、深度學習技術相結合,可用于規劃手術及導航,進一步擴大其應用范圍。