肌骨关节系统磁共振成像临床应用及进展

袁慧书，刘丽思

北京大学第三医院放射科，北京100191

近年来，随着MRI技术的飞速发展及诊断水平的提高，肌骨关节系统MRI在成像技术、早期诊断、术后评价及微观结构定量测量方面均有较多进展。目前临床应用研究热 点主要集中在软骨损伤定量诊断、超短回波时间成像技术显示短T2组织成分、超高场强技术对骨质微观结构的量化评估等。不同MRI技术的临床应用与进展将逐步提高骨关节系统影像诊断水平，为肌骨关节系统MRI研究开辟新的途径。

1 软骨MRI定量技术

关节软骨基质主要由水、Ⅱ型胶原蛋白和蛋白多糖(proteoglycans，PG)组成，早期损伤中软骨PG和胶原蛋白成分最先开始减少，然后导致软骨内自由水含量增加和基质退化。MRI不但可以显示软骨的形态还可进行量化分析，目前有以下几种MRI定量技术用于早期评估关节软骨的病理生理改变。

1.1 软骨延迟增强磁共振成像(delayed gadoliniumenhanced MRI of cartilage， dGEMRIC)

PG主要成分为氨基葡聚糖(glycosaminoglycans，GAG)，GAG侧链带有大量负电荷，而静脉注射的钆剂DTPA2-为阴离子对比剂，两者相互排斥。软骨退变早期PG减少，钆剂进入异常软骨区的量增加，在该区域浓聚。因此，dGEMRIC主要是根据钆剂在正常软骨与异常软骨中不同分布进行成像，间接反映PG的含量。已有大量研究证实了延迟增强成像可以较准确评价关节软骨PG含量，对诊断软骨早期退变有重要意义。研究显示，正常软骨T1值较高，损伤软骨T1值降低。但由于该成像技术需要静脉内注射对比剂，成像等待时间较长，因此，目前该技术在临床中的应用并不广泛[1]。

1.2 T2 mapping和T2* mapping成像

T2 mapping成像技术通过描述组织横向磁化衰减来反映组织的特异性，T2值变化主要与软骨中水分含量及胶原蛋白基质结构的改变有关。T2 mapping作为一种无创性软骨定量检查技术，主要应用于膝关节等大的承重关节。研究结果显示退变软骨的T2值升高。由于T2值受到年龄、体质量指数(BMI)及运动量大小的影响，且部分胶原纤维排列方向与稳定磁化矢量夹角会产生魔角效应，所以，不推荐单独使用T2 mapping序列评估关节软骨损伤。目前学者研究认为常规MR序列与T2 mapping 序列共同评估软骨病变可明显提高诊断的敏感性[2]。近年来也有关于T2 mapping序列评价关节术后软组织的应用研究，通过T2值判断术后软组织是否有纤维化的趋势，将来更多研究需着重于揭示T2值与病理改变之间的关系[3]。

T2*mapping是一个评估软骨生化成分相对较新的方法，通常采用多梯度回波或者超短回波时间(ultrashort echo time，UTE)成像技术，成像原理与T2 mapping类似。研究认为关节软骨T2*时间分为长T2*时间和短T2*时间，正常情况下，表层软骨T2*时间相对较长，深层软骨T2*时间相对较短。近几年，T2*mapping在髋关节软骨损伤方面有较多研究，T2*mapping较T2 mapping成像时间更短，对髋关节软骨显示较好[4-6]。将来T2*mapping有可能作为一种临床评价软骨的较常用工具。目前对于 T2*测量值的影响因素还未明确，需要进一步探索研究。

1.3 磁共振弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)

DTI序列是在弥散加权成像基础上发展起来的功能磁共振成像技术，它不仅能测定反映水分子运动能力的表观弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)，而且能获取反映水分子弥散各项异性的参数(fractional anisotropy，FA)，反映透明软骨II 型胶原纤维走行方向的细微结构变化。ADC值(与PG含量有关)和FA值(与胶原蛋白结构有关)作为早期骨关节病的标志性测量值，具有良好的重复性及识别健康软骨和早期软骨损伤的能力。研究显示，关节软骨退变早期胶原纤维结构的破坏对水分子弥散产生显著影响，导致FA值减低。PG减少导致结合水释放增加，水分子弥散运动增加，ADC值增高。应该指出的是，与T2 mapping相比，DTI不受魔角效应的影响，ADC 值及FA值受影响因素较小，测量值在一定程度更准确[7-8]。另外，DTI序列还用于评估软骨移植术后修复软骨的结构变化[9]。总之，DTI序列可作为软骨早期损伤及软骨修复的检测方法。目前DTI对于各层软骨胶原纤维走行的各向异性、扩散率等还在研究阶段，软骨修复相关的内部变化需通过更多试验研究进一步探索。

1.4 旋转框架内自旋晶格弛豫(spin lattice relaxation in the rotating frame，T1ρ)

T1ρ成像技术主要是检测射频脉冲磁场中的组织自旋弛豫值，在常规序列前加用自旋锁定的预脉冲进行预磁化。T1ρ成像与软骨延迟增强成像一样，主要是通过测定软骨基质中PG含量来评定软骨退变的过程。T1ρ成像作为一种近几年新发展的成像技术具有一定的优势，如无需注射对比剂，可部分替代延迟增强成像。目前研究得出，早期退变的关节软骨T1ρ值增高，且半月板撕裂及局部关节运动增加会影响T1ρ值升高更明显。T1ρ与T2 mapping序列评估软骨损伤具有一致性，T1ρ对探测早期损伤较T2 mapping更敏感，值得进一步探讨临床应用[10]。

另外，利用T1ρ序列还可评估椎间盘终板纤维软骨早期退变，随着椎间盘退变的加重，T1ρ值逐渐降低[11]。T1ρ值变化与关节软骨损伤中T1ρ值变化相反，可能是由于纤维软骨与透明软骨组织成分不同所致，相关病生理机制需要进一步的研究。

近几年，学者们研究热点不仅是软骨移植术后的修复变化，更着重于韧带重建术后软骨的改变。关节面承重受力不同，软骨各层修复机制不同，损伤的先后顺序及程度也不同。T1ρ成像技术能定量评估膝关节术后软骨基质成分含量的早期变化，有利于对创伤后骨关节炎发展进行定量评估，为临床早期干预提供依据[12]。

2 MRI新技术——超短回波时间脉冲序列(Ultrashort echo time，UTE)

UTE成像中TE达到8 μs～200 μs，可探测T2弛豫时间在几百微秒内的短T2组织，对软骨、半月板、韧带、肌腱及骨皮质等短T2组织细微结构显示及病理学演变提供了潜在的应用前景[13]。

UTE成像中软骨呈中等至高信号，使短T2 成分的软骨深层和钙化层突出显示，软骨与软骨下骨的分界变得清楚，有利于显示软骨缺损的范围及程度，还可以判断骨端的病变是否累及软骨深层。同样，UTE对椎间盘终板纤维软骨分层也达到了组织学水平[14-15]。UTE为目前可用于显示钙化软骨层的理想方法，但其所面临的层面选择困难、采集时间等技术问题尚有待解决。

UTE脉冲序列能特异性地鉴别肌腱起止点的钙化与非钙化的纤维软骨成份，将这些成份与纤维结缔组织和骨组织区别开来，提供了一种新的认识解剖的方法，对于肌腱病变的诊断更加准确。UTE成像还能显示韧带陈旧性损伤后的纤维疤痕组织，在评价韧带重建术后移植物方面具有潜在可行性[13,16]。

UTE成像中半月板表现为高信号，半月板的撕裂和退变表现为低信号，组织对比度较好。另外，UTE 成像还可区分半月板的不同区域(如红区和白区)，为半月板损伤术前定位提供依据。最新研究发现，UTE对评价半月板不同形态钙化具有可行性，相关研究尚在初步阶段[13,17]。

UTE序列可以直接显示骨及其周围组织，并可以定量得到骨皮质的T1及T2*，这为定量评估骨质量提供了新方法。这些定量参数值会受到设备硬件的制约，这是常规医用MR系统在定量骨皮质研究中面临的一个挑战[18]。

3 MRI水脂肪分离技术

Dixon和IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares)方法是基于化学位移的水脂分离技术。对水像和脂像进行量化，获得脂肪比。IDEAL技术由Dixon技术发展而来，通过校正可得到更精确的数值。2pt-MRIDIXON(Two-piont Dixon-based MRI)技术不仅能直观显示解剖结构，还能对感兴趣区内肌肉脂肪成分(Muscle fat content，MFC)进行定量。目前临床主要应用于肌肉脂肪浸润的定量测量，对肌肉萎缩相关疾病达到无创性随访监测的效果[19-20]。

4 动态增强MRI(dynamic contrast-enhanced MRI，DCE-MRI)

DCE-MRI通过注入对比剂后完成多个时间点的图像采集，从而反映不同时间点病变对比度的特征变化。不仅能定性观察病变的动态增强信号规律，且能利用MR图像后处理软件绘制动态增强曲线计算多个定量参数，更准确判断病变组织的血流渗透情况。如早期增强率(early enhancement rate,EER)、最大增强率(max enhancement rate,MER)、相对增强率(relative early enhancement rate,RER)、转移常数(KTrans)、速率常数(Kep)等，这些定量参数能直接且准确地反映病变的血供情况和毛细血管渗透性，早期发现疾病引起的组织学改变。目前，DCE-MRI对于早期诊断类风湿关节炎滑膜病变具有一定优势，且能监测疾病的变化趋势、评价疗效[21-24]。另外，DCE-MRI对肿瘤的定性诊断、鉴别诊断以及区别肿瘤术后局部复发和瘢痕组织具有一定价值[25]。总之，DCE-MRI在评估疾病活动性及治疗效果方面具有重要意义，为临床提供早期诊断依据。

5 超高场强MRI技术

7 T超高场强MRI技术最初被用于神经系统成像，目前大量 研究已经证实超高场强MRI技术在肌肉骨骼成像系统方面的潜在能力。最有价值的优势包括更高的信噪比、图像分辨率及更短的成像时间。

5.1 MRI高分辨率成像

近几年，7 T 高分辨率MRI对显示骨骼微观结构具有重要价值，能发现软骨下骨超微架构的早期退化，骨超微架构比骨密度评分及X线吸收计量法(DXA)对判断早期骨质疏松症更敏感。早期软骨下骨骨骼质量的减低与骨关节炎发生率有明显相关性，因此，对骨骼质量的优先干预可作为骨关节炎潜在的治疗靶点[26]。除此之外，7 T MRI还可对局部软骨形态及软组织进行高分辨成像，在实现临床综合应用方面具有可行性。7 T MRI不仅能将骨小梁可视化，显示局部软骨厚度、体积，也能清晰显示关节盂唇、关节囊及肌腱[27]。未来通过7 T MRI成像观察骨超微架构和软骨病变，可进一步探索骨质疏松症和骨关节炎发病机制中的微观变化，并用于监测临床疾病进展及治疗反应[28]。

5.2 钠成像(23Na－MRI)

PG主要成分为GAG。软骨细胞外基质中GAG侧链带有负电荷，根据电中性原理，细胞外基质中阳离子浓度等于阴离子浓度，也就是GAG含量。因此，23Na+在正常软骨中聚集主要依赖于PG含量。正常富含PG的透明软骨含有高浓度的钠，PG减少的区域，其钠的浓度也较低。所以说，钠成像对关节软骨PG含量异常敏感，可用于显示早期软骨退变，对异常区域进行定量分析。最新研究认为7 T水抑制Na MRI序列对早期软骨退变定量分析具有较高的准确性、敏感性和特异性，可作为一种潜在的定量测量工具。另外，钠成像在评价软骨修复术后软骨生化成分变化中也具有一定可行性[29-30]。然而，由于MR钠成像信噪比较低，需要在高场强MR设备上完成，此外还需要特殊的空间传输和接收线圈，用较长扫描时间来获得足够高信噪比。故目前该技术应用于临床还尚待时日。

6 3D MR成像技术

各向同性3D MR成像具有较高的空间分辨率，在获取局部容积影像数据的基础上，进行MPR重建得到所需断面图像，消除常规MR 扫描二维平面的局限性，提高肌骨系统复杂细小结构的病变检出率[31]。但也有研究指出3D各向同性序列和常规2D序列在诊断疾病方面的能力是相似的，只是3D各向同性序列扫描时间更短[32-33]。3D序列的空间分辨率较2D序列仍有差距，有待进一步改善。

7 金属植入物MRI成像

术后金属伪影的存在会使局部组织信号丢失，对MR图像质量有较大影响。近几年，层编码金属伪影校正(SEMAC)和多采集变谐波图像融合(MAVRIC)这两种MRI技术的开发有效减少了金属伪影，图像质量有进一步改善。SEMAC是一种优化自旋回波序列，与传统SE成像比，SEMAC图像的层内伪影减少高达80%，层间伪影减少高达65%。将MAVRIC和SEMAC技术结合起来，可得到人工关节置换金属伪影最小的MR图像。然而，由于信号容积现象不能完全被校正，在判断假体周围骨髓信号变化时仍需谨慎[34-35]。目前金属植入物MRI成像仍面临巨大挑战。

综上所述，近年MRI技术的不断发展为肌骨系统疾病诊断提供了多种无创性活体成像新方法，包括软骨成分定量分析、短T2组织结构显示及骨微观结构成像，为临床早期诊断及治疗监测提供依据。但由于MRI技术及硬件设施的限制，微观水平成像及组织成分定量技术仍有待进一步提高。

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