CT增强软骨成像技术的研究进展

贾艳辉，卢世璧，汪爱媛，郭全义



CT增强软骨成像技术的研究进展

贾艳辉，卢世璧，汪爱媛，郭全义

100853 北京，解放军总医院骨科研究所

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）发病率高，致残率高，造成社会经济负担重。骨性关节炎晚期的病变不可逆转，其早期主要表现为关节软骨糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）含量的丢失，而这个阶段的病理过程是可逆的。因此，无创监测关节软骨 GAG 含量的变化成为早期诊断及治疗骨关节炎的重要手段。CT 增强软骨成像技术（contrast- enhanced computed tomography，CECT）是一种新兴的检测关节软骨 GAG 含量变化的影像诊断技术。本文就 CECT 软骨成像技术定量检测关节软骨 GAG 含量的研究进展做一综述。

1 关节软骨的结构与功能

关节软骨覆盖在关节表面，首要功能是承受载荷，分散应力，润滑关节。关节软骨组织主要由II型胶原（10% ~ 20% 湿重）、蛋白多糖（5% ~ 10% 湿重）、水（68% ~ 85% 湿重）及软骨细胞组成[1]，其组成成分及结构直接影响到关节软骨的力学特性和功能。软骨的细胞外基质成分形成多孔结构，可以调节和保持水分，有利于软骨对抗压缩载荷，增强润滑功能。胶原成分是软骨细胞外基质的主要成分，在软骨组织中定向排列，有利于对抗拉伸应力，防止细胞外基质在压缩应力下膨胀，对抗关节软骨表面的剪切应力。蛋白多糖（proteoglycan，PG）主要位于软骨中间层及深层，蛋白多糖分子由线性蛋白核心及其周围的多个 GAG 侧链基团构成。生理状态下，GAG 含有丰富的羧基和硫酸盐组分而带负电荷，GAG 之间互相排斥并吸引阳离子，与周围水分子形成非共价交联，在软骨细胞外基质中形成膨胀力，构成软骨的压缩硬度及软骨面之间的润滑作用。关节软骨细胞关系到软骨细胞外基质的动态平衡，对于软骨的生物学功能和力学特性也很重要。

关节软骨的结构高度有序，从软骨表面到软骨下骨分为四层：切线层、过渡层、辐射层、钙化层。各层软骨细胞的形态、胶原纤维的粗细及排列方向以及水和蛋白多糖的含量均有所不同。切线层软骨细胞扁平，胶原纤维排列致密且与关节面平行，构成关节滑动面，具有抗张力、抗剪切力的作用。过渡层软骨细胞较小，圆形，散在分布，胶原纤维斜行交错排列，总体上呈弓形。辐射层软骨细胞最大，圆形，合成最为活跃，胶原纤维与关节面垂直成柱状排列。钙化层胶原纤维编织成网，紧密附着于软骨下骨。随软骨深度增加，蛋白多糖含量增加，水含量减少。

正常关节软骨能够维持细胞外基质成分合成与降解的动态平衡。发生 OA 时这种平衡被打破，基质降解增多，力学强度降低，软骨功能遭到破坏。在 OA 早期，关节软骨无明显形态学变化，而最早表现为软骨基质成分及结构的改变，即蛋白多糖的丢失、胶原网络结构的破坏及水分的增加[2]。一般认为，关节软骨 GAG 丢失是 OA 早期标志[3]，这个阶段是个可逆过程，及时治疗是有可能恢复的。因此，监测关节软骨 GAG 含量的变化是早期诊断及治疗骨关节炎的重要手段。

2 CECT 软骨成像技术的原理

为了监测关节软骨组织 GAG 含量的变化，近年来研究人员开发了多种软骨定量成像技术。这些技术大都是利用对比剂在软骨中的平衡分配原则来间接反映 GAG 的含量。磁共振延迟增强软骨成像技术（dGEMRIC）就是一种无创地反映软骨基质成分变化的技术，能敏感地检测软骨中的 GAG含量[4]。这项技术采用阴离子对比剂 Magnevist，根据 Gibbs-Donnan 平衡原理，认为平衡状态时Magnevist 在软骨内的分布与固定电荷密度（fixed charge density，FCD）的空间分布相反[5]。GAG 带有负电荷，构成软骨细胞外基质的 FCD。正常软骨 GAG 含量高，排斥负电荷，没有 Magnevist聚集；软骨退变时，局部 GAG 含量降低，FCD 也随之下降，对负电荷的排斥力减小，Magnevist 则会替代性进入并聚集在 GAG 缺损区，导致局部 T1 值下降。国内外大量体内外实验证实，软骨增强后，局部的对比剂浓度与 GAG 含量成反比关系，对比剂浓度也与 T1 值成反比关系。然而dGEMRIC 技术成本高昂，扫描时间长，图像分辨率相对较低，限制了其大规模临床普及。

CECT 软骨成像是最近发展起来的一种利用增强 CT 定量监测软骨 GAG 含量变化的技术。其原理与 dGEMRIC 类似，也是利用阴离子对比剂与软骨组织内 FCD 反向分布关系，通过 CECT 衰减度间接反映 GAG 含量及空间分布。CECT 技术不但图像分辨率高、费用低、扫描时间短，还能同时成像软骨与骨组织而不需要使用特殊的扫描序列[6]，在关节炎早期软骨病变的诊断及疗效量化评判方面具有广阔应用前景。

临床常用的 CT 扫描对比剂主要是水溶性的有机碘对比剂，分为离子型和非离子型两大类。CECT 技术定量检测关节软骨 GAG 含量只能使用离子型对比剂。文献报道CECT 技术最常用的离子型碘对比剂产品有两种：Hexabrix 及 CystoConray-II。Hexabrix 带 1 个负电荷，提供 6 个碘原子，分子量为 1269；CystoConray-II带 1 个负电荷，提供 3 个碘原子，分子量为 809.17。Magnevist 本是一种 MR 常用的对比剂，但是也有少数研究用于 CT 定量检测 GAG 含量[7]，带 2 个负电荷，分子量 548。以上三种对比剂都是市售的阴离子对比剂产品。美国波士顿大学 Grinstaff 研究小组在实验室合成了3种阳离子型碘对比剂[8]：CA1+ 带 1 个正电荷，提供 3 个碘原子；CA2+ 带 2 个正电荷，提供 3 个碘原子；CA4+ 带 4 个正电荷，提供 6 个碘原子。该研究小组也将阳离子对比剂用于关节软骨 GAG 的定量检测，并与常用阴离子对比剂进行了系列比较，认为该阳离子对比剂更具优越性。

CECT 软骨成像技术所用 CT 设备主要是显微 CT（μCT），图像分辨率高，但是成像范围小，仅用于小动物体内实验及离体软骨组织块检测。对于较大标本，也有人用四肢定量 CT（pQCT）[9-11]和临床 CT[12-13]。

3 CECT 软骨成像技术的应用研究进展

3.1 离体评估软骨 GAG 含量及生物力学特性

Cockman 等[7]首次在牛鼻软骨酶解模型中证实 Magnevist可结合 μCT 用于检测 GAG 含量的变化。Magnevist 虽然也为阴离子对比剂，但是极少用于 CT 检测。CECT 软骨定量成像最常用的对比剂是 Hexabrix。第一个将 Hexabrix 用于 CECT 定量软骨 GAG 的人是 Palmer[14]。他在IL-1 降解的牛关节软骨模型中证实这种离子型对比剂可以定量检测软骨 GAG 含量的改变。此后，CECT 软骨成像技术检测软骨 GAG 含量改变的相关研究也广泛展开。Silvast 等[11]用 pQCT 检测到了正常软骨及自然蜕变软骨的 GAG 含量差异，并证实对比剂浓度与表层或全层软骨 GAG 含量呈显著负相关。Silvast 等[15]还探索了阴离子对比剂在人膝关节软骨中的扩散及平衡分布规律，并把结果与组织成分及完整性做相关性研究。由于关节软骨的力学特性与软骨 GAG 含量密切相关，Bansal 等[9]于 2009 年用另一种离子型对比剂CystoConray-II证实 CECT 不但可以检测软骨 GAG 含量变化，还可以间接反映关节软骨的生物力学特性。然而上述研究都是将骨软骨柱标本浸泡在对比剂溶液中，对比剂可以从骨软骨柱的各个表面扩散进入软骨，不能完全模仿完整的软骨面。因此，有些研究者试图采用保留完整关节面的软骨模型。Xie 等[16]在完整的大鼠关节软骨降解模型上证实软骨组织 GAG 的吸光度随着酶消化逐渐降低，且与 CT 衰减度呈线性相关。同时还测定了 4、8、16 周龄大鼠的软骨 GAG 含量，发现 GAG 吸光度随着年龄逐渐降低，并与 CT 衰减度线性相关。Yoo 等[13]也在完整的猪髌骨模型上证实了离子型对比剂浓度与软骨 GAG 含量的相关性。

波士顿大学 Grinstaff 研究小组合成了 3 种阳离子型对比剂（CA1+、CA2+、CA4+）。与阴离子对比剂不同，这些阳离子对比剂在软骨细胞外基质中的分配与 GAG 含量成正比。体外研究证实阳离子对比剂与带负电荷的 GAG 之间亲和力高[17]，对 GAG 含量的变化比阴离子对比剂敏感 5 倍[10]。Joshi 等[8]在兔股骨体外模型中比较 2 种阴离子对比剂（Hexabrix、CystoConray-II）和 3 种阳离子对比剂（CA1+、CA2+、CA4+）的成像效果。研究发现 3 种阳离子对比剂都能显示 GAG 的空间分布情况，而且显示效果都比对应的阴离子对比剂更好，CT 衰减值也比相应的阴离子对比剂高出几倍。Bansal 等[18]证实阳离子对比剂在正常软骨的 CT 衰减度与 GAG 含量显著相关，而且阳离子对比剂在软骨细胞外基质中的摄取率和衰减度均显著高于阴离子对比剂。Lakin 等[19]采用阳离子对比剂，不但证实了 CECT 衰减度与牛软骨 GAG 含量的相关性，还发现了 CECT 衰减度与牛关节软骨的平衡压缩模量（E）及摩擦系数（μ）的相关性。该研究还间接表明阳离子对比剂不仅可以检测酶解软骨的 GAG 含量，还可以检测正常软骨组织天然存在的 GAG 含量差异。

3.2 关节内造影评估软骨 GAG 含量

Piscaer 等[20]首先将 CECT 软骨成像技术用于动物体内，大鼠关节腔内注射单碘醋酸钠（mono-iodoacetate，MIA）去除 GAG，4、16、44 d 后关节造影行 μCT 扫描。该研究显示 μCT 造影不仅能够检测体内软骨GAG 含量变化，还能显示 MIA 对关节软骨形态的影响。Siebelt 等[21]在3 种大鼠关节炎模型中用μCT 造影检测到了软骨 GAG 含量的改变。Siebelt 等[12]第一次用 CT 关节造影定量评价人关节软骨GAG 含量。该研究首先对膝关节标本分别行 CT 普通扫描及 CT 关节造影扫描，确定感兴趣区（region of interest，ROI）后重新用 μCT 增强扫描选定的 ROI，作为 GAG 含量的参考标准，发现 CT 关节造影与 μCT 增强扫描结果相关性良好。然而 CT 关节造影区分局部 GAG 空间分布差异需要较高辐射剂量，低辐射剂量只能评价大块 ROI 区软骨的整体质量[22]。Stewart 等[17]在兔膝关节内造影，比较阳离子对比剂（CA4+）及阴离子对比剂（Hexabrix）的成像效果。研究发现 CA4+ 在较低碘浓度（12 mg/ml）时能够清晰成像软骨，与软骨下骨及关节液区分明显，而 Hexabrix 即使在较高碘浓度（80 mg/ml）时成像质量也不满意。对比剂由关节内注射后会随时间延长扩散出关节腔，导致关节腔内浓度降低。阴离子对比剂因为受软骨 GAG 排斥，在软骨内浓度会比关节腔更低，不利于分辨软骨与周围组织。而阳离子对比剂与 GAG 存在静电吸引作用，亲和力高，在软骨内浓度始终高于关节腔，而且软骨内浓度保持相对恒定超过 80 min，似乎更适于体内应用。

3.3 对比剂在软骨组织中的扩散特点

多数离体实验都是将软骨标本浸泡在对比剂溶液中，待对比剂和软骨组织 GAG 的负电荷达到平衡后再进行扫描。虽然这些研究中 CT 衰减度与GAG 含量相关性极好[11, 14, 16]，但是对比剂在软骨中扩散很慢，在牛软骨或人软骨达到扩散平衡大约需要 12 ~ 24 h。如此低的扩散速率势必会影响临床应用。然而有研究发现，即使未达到平衡状态，对比剂的扩散也与 GAG 含量负相关[15, 23]。类似的体内研究[20]结果也有报道。由于对比剂在软骨中未达到平衡状态，这些 CT 衰减值只能反映组织整体结构变化导致的对比剂扩散流量的改变，而不能准确反映软骨组织内的 GAG 含量。最近，Kokkonen 等[24]利用 CECT 检测急性关节软骨损伤，发现机械损伤不影响 GAG 含量，也不会影响软骨扩散平衡的时间，但是对比剂在损伤软骨的扩散量在最初 30 ~ 60 min 最大，由此认为在扩散平衡前扫描更有助于检测软骨组织损伤。Yoo 等[13]也发现未达扩散平衡时（2 h）正常及酶解软骨两组 GAG 含量的差异较扩散平衡时（24 h）差异更明显。Salo 等[25]研究了 Magnevist在正常及胰蛋白酶降解的关节软骨内的扩散规律，发现对比剂在短时间内根本达不到完全平衡，造成对 GAG 含量的估计过高。正常关节软骨与酶解组软骨中对比剂含量只在扩散初始的几个小时差异比较明显，虽然据此估测的 GAG 含量不准确，但是对于检测软骨退变更为敏感，这也意味着检测软骨退变根本不需要等到扩散平衡状态。对比剂在软骨组织的扩散不仅与 GAG含量有关，还与胶原含量及扩散方向有关。上述两个研究均使用胰蛋白酶消化软骨而不是 GAG 特异性的软骨素酶 ABC，不仅能去除软骨 GAG 成分还可能影响部分胶原蛋白[26]，使酶解组软骨组织孔隙率变大，结构变疏松，空间位阻减小，对比剂扩散率加快[15, 27]，达到扩散平衡早于正常软骨组。酶解组达到扩散平衡之后正常软骨组仍继续吸收对比剂直到平衡状态。对于阴离子对比剂，扩散平衡时正常软骨组吸收少，酶解组吸收多，因此越接近平衡状态，两组差异越小；而对于阳离子对比剂，扩散平衡时酶解组吸收少，正常软骨组吸收多，越接近平衡状态，两组差异越明显。前面研究都使用阴离子对比剂，这也许就是扩散平衡前两组差异最明显的原因。

4 影响因素

4.1 对比剂的渗透压

关节软骨受周围离子环境的影响。关于周围介质的渗透压变化对软骨形态、生物力学及生物化学特性的研究已经广泛开展。高渗溶液导致软骨皱缩，降低机械弹性，而低渗溶液造成软骨膨胀，增加软骨细胞坏死。然而渗透压的变化对于对比剂检测 GAG 含量的能力是否有影响，这类研究尚不多见。正常关节软骨渗透压介于 350 ~ 450 mOsm/kg 之间[28]。用于 GAG 定量成像的对比剂大多是相对于软骨高渗的。对比剂渗透压越高，由于渗透梯度，扩散进软骨的越多。这就使得相同含量的 GAG 产生较多的 CT 衰减度。增加的渗透压也将使软骨容积变小，影响软骨形态学评估。而且，软骨容积的减小也会影响 GAG 的组织分布情况，还会增加组织密度。渗透压增加还会影响软骨细胞的活性[29]。因此，在开展实验时应格外注意对比剂的渗透压，尽量采用生理渗透压以增加不同的研究结果之间的可比性。

4.2 标本保存方法

CECT 定量评价离体软骨 GAG 含量的研究最常选用新鲜取材的软骨标本，并以蛋白酶抑制剂保护软骨 GAG。可是有些情况下，大量新鲜取材的标本不能立即进行检测，这就需要保存标本。常用的保存方法主要是冰冻法和福尔马林固定法。关于标本保存方法对检测结果影响的研究很少。Benders 等[30]检测了福尔马林固定标本对 CECT 检测结果的影响，发现固定标本与新鲜标本的 GAG 含量虽然无显著差异，但是其 CT 衰减度比新鲜标本低 14.3%。其可能原因为福尔马林固定使软骨组织网状结构变得致密，对比剂扩散的空间位阻增大，平衡所需时间变长，以致检测时仍未达扩散平衡。然而，Kotwal 等[31]报道固定的小鼠股骨标本 CT 衰减度与新鲜标本无异，但其浸泡对比剂的时间为新鲜标本的 8 倍。该研究还发现福尔马林固定几乎不影响小鼠股骨标本的 CT 衰减度、软骨厚度和软骨容积，而冰冻标本却能增加 CT 衰减度，减小软骨厚度和软骨容积。

5 小结

CECT 软骨成像技术不但可检测软骨 GAG 含量及分布情况，还可间接反映软骨组织的生物力学特性。既能检测到自然退变软骨及酶消化的软骨组织 GAG 含量的改变，也能检测不同部位的正常软骨天然存在的 GAG 含量差异以及与此相关的力学特性差异。不但研究了小鼠、大鼠、兔、猪等小动物的完整关节面的软骨，也研究了牛、人的骨软骨柱模型。虽然也曾用于活体小动物及人尸体关节内造影检测，但是其临床应用仍然存在许多问题，除了对比剂相关的过敏反应及放射线的危害外，对比剂在软骨组织的扩散和分布机制及其影响因素也有待深入研究。

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国家高技术研究发展计划(863 计划)（2012AA020502）；国家自然科学基金（81071458、81000810）

郭全义，Email：doctorguo@163.com

2013-02-03

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2013.02.012