膝关节软骨的MR应用研究进展

张国伟，隋鸿锦

（1.山东省烟台市烟台山医院CT/MR室，山东 烟台 264001；2.大连医科大学解剖教研室，辽宁 大连 116011）ZHANG Guo-wei1,SUI Hong-jin2

(1.CT/MR Room,Yantaishan Hospital,Yantai Shandong 264001,China; 2.Anatomy Department,Dalian Medical University,Dalian Liaoning 116011,China)

膝关节软骨在维持正常关节活动中起着重要作用，但它的耐受力较弱，年龄的增长、外伤及各种关节疾患均可导致软骨发生病理改变。X线、CT检查均不能显示软骨的外形和轮廓，亦不能显示软骨内部的病理改变，只能通过膝关节间隙的变窄、关节周围骨质增生等间接征象，来推测关节软骨的病变程度。MRI有良好的空间分辨率，可以多层面、多角度地显示软骨的外形及内部变化，且因其无创伤、重复性好等特点，是目前公认的膝关节软骨的最佳检查方法[1]。本文对膝关节软骨的正常组织结构及MRI表现、常规检查方法及热点的研究进展进行综述。

1 膝关节软骨的正常组织结构及MRI表现

膝关节软骨属透明软骨，是一种特殊的结缔组织，厚度约1~5mm，每个人的关节软骨厚度在青年时期最厚，且随着年龄的增长而逐渐变薄。关节软骨由表向里分为4层，最外层又称表面带或正切带，由沿关节面方同排列的致密胶原纤维组成，此层构成了关节的光滑表面，它的蛋白多糖含量最低，水分的含量最多。第二层又称为过渡带，由任意方向的胶原纤维交替排列构成，软骨细胞外观近似圆形。第三层称为深带或放射带，是构成关节软骨的主要部分，此层中的蛋白多糖含量最多，水分最少，胶原纤维最多而粗大，其排列基本与关节表面垂直。第四层也是最深层，称为钙化软骨层，关节软骨借此层与软骨下骨质分开。关节软骨的组织成分由软骨细胞和细胞外基质构成，细胞外基质主要由水、胶原、蛋白多糖组成。胶原蛋白是基质的主要结构，至少有15种不同的胶原种类，其中90%~95%为II型胶原。蛋白多糖是一种复杂的大分子，它的亚单位葡萄糖胺聚糖（Glycosaminoglycans，GAG）侧链被硫酸化，因此带负电荷，并呈不均匀分布[2-4]。正常关节软骨的MR表现为均匀光滑的弧线状高信号影，或三层结构，即中、高信号的软骨中央可见一线样略低信号影，软骨的厚度过渡自然，边缘光滑清楚，内部没有异常信号。目前，大多数学者认为胶原的各相异性分布是导致关节软骨MR分层现象的主要原因[5-6]。

2 膝关节软骨的MR常规检查方法

2.1 自旋回波序列（SE）

在该序列的T1WI、T2WI图像上，关节软骨表现为中等信号。T1WI图像可以较好地显示膝关节的解剖结构，但关节软骨与关节液的对比较差，对软骨表面的病损显示不佳。T2WI图像关节液为高信号，可以与软骨形成较为明显的对比，但由于软骨深层T2弛豫时间较短，使其与软骨下骨的对比较差[4，7]。而且该序列检查时间相对较长，较少用于软骨病变的检查。

2.2 快速自旋回波序列（FSE）

T2WI图像上关节软骨表现为中等信号，软骨与周围高信号的关节液形成了明显对比，相对SE序列而言，FSE序列提高了对软骨表面病损的诊断准确率。Potter等[8]研究认为T2-WI FSE序列检测软骨表面缺损的敏感度为87%。但FSE序列是二维成像，与三维成像序列相比，具有潜在的模糊伪影。

2.3 梯度回波序列（GRE）

为了更好地在GRE序列中显示软骨形态及改变，常在GRE序列中增加脂肪抑制及三维成像技术，即三维抑脂扰相梯度回波序列（3D FS SPGR）。它能对关节软骨进行薄层、高分辨率的扫描，关节软骨呈明显的高信号影，与周围低信号的组织形成明显对比。Disler等[9]、Daenen等[10]认为，在MR检查序列中，3D FS SPGR是评价关节软骨最有价值的序列，因为它不仅抑制了骨髓内的脂肪组织，消除了磁敏感伪影的影响，而且扫描层厚较薄，没有扫描间隔，使软骨下黑线明显变薄，软骨厚度测量值最接近实际厚度，Disler的研究结果显示3D FS SPGR序列对软骨病变的敏感度为93%，较传统的SE序列更高，但特异度相当，为93%~94%。3D FS SPGR序列现在已成为软骨病变的常规平扫检查方法，但该序列的扫描时间相对较长，对软骨内部早期退变的敏感度较低。

3 膝关节软骨的MR研究进展

随着MRI软硬件技术的不断发展，MR检查不仅能显示关节软骨的大体形态、也能显示软骨形态未发生改变前的内部生化和病理变化，如软骨内的水、胶原纤维、蛋白多糖的含量变化，并进行定量评估。

3.1 直接关节腔造影磁共振检查（direct MRA）

direct MRA是在关节腔内注入对比剂后行T1WI扫描，具有T1WI序列清楚显示解剖结构的优点，以及关节软骨和关节腔内高信号对比剂的对比优势，能够较好地显示关节软骨，对关节软骨病损诊断的敏感性及特异度可达85%~100%[11]。direct MRA是提高关节软骨病变的显示分辨率及与周围对比度的有效方法，但创伤性是其致命弱点，检查前的准备工作较繁杂，且易出现并发症，使其临床应用明显受限[12]。

3.2 扩散加权成像（DWI）

DWI的信号强度主要反映水分子自由扩散的程度，在正常关节软骨中，大分子基质对水分子的自由扩散有限制作用，水分子的扩散明显慢于纯水，而在骨性关节炎的早期阶段，由于蛋白多糖和胶原的崩解，对水分子自由扩散的限制作用减弱，从而使水分子的自由扩散速度加快，软骨的表观弥散系数（ADC）增加，导致软骨内病变区呈低信号。但该序列信噪比较低、伪影较多，易产生漏误诊，将稳态技术应用于DWI后，可以提高图像的信噪比，减少伪影的出现[13]。

3.3 T2地图

软骨T2地图采用多回波自旋回波序列，以显示软骨T2值的空间分布图。T2值受关节软骨的水含量和胶原纤维方向的影响，在软骨大体形态变化前，其内部胶原纤维破坏和胶原成分的改变会造成其水含量的增加，导致T2值延长，因此通过T2地图，可对软骨退变作出早期诊断。Dunn等[14]分析了55例骨关节炎的病例，结果显示健康者T2值为32.1~ 35.0ms，关节炎患者T2值为34.4~41.0ms，除外侧胫骨平台软骨外，健康者膝关节各部分关节软骨与关节炎患者间有显著差异，具有一定的诊断价值。

3.4 T1ρ地图

T1ρ是在一个射频磁场影响下显示磁自旋弛豫特征的时间常数。T1ρ地图可以反映骨关节炎患者关节软骨内部成分的改变，对软骨退变的早期诊断具有重要意义。Li等[15]对9例膝关节骨性关节炎的患者及10例健康志愿者行T1ρ地图检查，结果显示对照组与骨关节炎组髌股关节软骨的T1ρ时间分别为（5.04±2.59）ms、（53.06±4.60）ms，两组间有显著差异。

3.5 磁共振延迟增强软骨成像技术（dGEMRIC）

dGEMRIC是目前分析关节软骨GAG变化较敏感的MR技术。dGEMRIC的原理是：正常软骨内带负电荷的蛋白多糖排斥负电荷离子，其内没有Gd-DTPA聚集，而在软骨早期病变时，软骨内蛋白多糖的含量减少，大量带负电荷的Gd-DTPA由软骨下骨端及滑膜两个方向弥散进入软骨内，并在病变区域浓聚，引起T1时间缩短，导致软骨病变处信号增强[16-18]。Buchwalter[19]的研究也证实，关节软骨因外伤、退变、炎症等因素受到损伤时，软骨内蛋白多糖的降解是最早的。因软骨表面带含蛋白多糖最少，而深带含蛋白多糖最多且容易丢失，所以在dGEMRIC时，深带异常强化灶表现得更早、数量更多、范围更大。Tiderius等[20]对早期髋关节骨性关节炎患者及志愿者行dGEMRIC检查，结果显示病例组dGEMRIC指数显著小于对照组20%~30%，证实了其在关节软骨退变早期诊断评估中的价值。目前国内外对于dGEMRIC的扫描前准备及扫描方法不尽相同，大多数学者采用Tiderius等推荐的对比剂注射后2小时为最佳时间窗，静脉注射剂量为0.2mmol/ kg体重，患者膝关节适当运动后扫描，扫描序列主要为T1WI、2D IRSPGR、IR-TSE、3D FS SPGR序列等。由于前两种序列是二维成像方法，其扫描层厚及间隔较大，容易产生部分容积效应，而3D FS SPGR序列是三维成像方法，扫描层厚较薄，没有扫描间隔，优化后的扫描序列检查时间较短，关节软骨在周围低信号背景的衬托下呈明显高信号，软骨形态及内部病变的信号显示清晰，被越来越多的研究者应用于临床实践中[21]，具有广阔的发展前景。dGEMRIC的不足在于等待时间较长，对于急性严重性外伤、危重病人、以及对钆剂过敏的病人不宜做此项检查。

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