膝关节软骨磁共振生理成像技术的应用与进展

李淑华综述，张俊祥审校

0 引 言

关节软骨是维持关节功能健康的重要结构之一，属透明软骨，易遭受创伤或出现退行性改变，损伤后不能自愈，以膝关节最易受累，且常继发出现软骨下骨质或关节其他组织的改变［1］。关节软骨主要由胶原蛋白、蛋白多糖和水组成，细胞成分含量极少。软骨退变与损伤主要是胶原纤维网状结构的破坏，蛋白多糖的丢失及软骨内自由水含量的增加。目前，磁共振生理成像技术提供了一种非侵入性评估软骨组成及超微结构的方法。文中就膝关节软骨的几种生理磁共振成像技术进行综述。

1 软骨组成及功能

关节软骨的主要成分为软骨细胞和丰富的细胞外基质(extracellular matrix，ECM)。软骨细胞含量极少，约占软骨含量的4%;ECM主要由水、较低浓度的蛋白多糖及Ⅱ型胶原蛋白组成，其中水约占ECM的65%～85%。蛋白多糖组成软骨重量的3%～10%，控制软骨的抗压程度。胶原蛋白约占软骨重量的15%～20%，负责组织的拉抻强度。关节软骨内缺乏淋巴、血管和神经，损伤后难以自愈和修复。因此，保证关节健康最重要的是保护软骨大分子基质。

关节软骨的大分子网络基质主要由Ⅱ型胶原以网状支架的形式排列而成。胶原蛋白网是拉力和剪力的主要来源，决定了组织的各向异性。按胶原纤维的含量及排列方式的不同，由软骨表面至软骨下骨可将软骨依次分为表浅层、中间层、深层和钙化层。表浅层主要由平行于关节面的胶原纤维及细长软骨细胞构成;中间层亦称过渡层，其胶原纤维杂乱无章排列，中间镶嵌有圆形软骨细胞;深层也称放射层，由粗大的胶原纤维束及细长软骨细胞组成，多以垂直于关节面方向排列;钙化层位于骨-软骨交界面间，其内胶原纤维呈交叉排列，将软骨固定于软骨下骨质中［2］。关节软骨的主要蛋白多糖成分是聚集蛋白聚糖，其由核心蛋白及带负电荷的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)侧链硫酸软骨素和硫酸角质素构成，聚集蛋白聚糖通过一个连接蛋白结合于透明质酸主链组装成高分子结构单体。核心蛋白由3个球状结构域(G1，G2和G3)和球间结构域构成。G1结构域位于N-末端，与连接蛋白相互作用将聚集蛋白聚糖附着于透明质酸主链，而G3结构域位于糖蛋白的C-末端。连接域在G2与G3结构域之间将硫酸角质素和硫酸软骨素侧链连接到核心蛋白［3］。

带负电荷的GAG侧链聚集一起固定在ECM，称为固定电荷;该固定电荷浓度被称为关节软骨的固定电荷密度(fixed charge density，FCD)，可吸引关节积液中的水分子和阳离子。同时带负电荷的GAG侧链间产生的排斥力，为负荷分配提供了潜在的粘弹性［4］。然而，胶原纤维网的拉伸强度限制了GAG侧链间的排斥力。因此，为了保证软骨的正常功能，ECM需要维持聚集蛋白聚糖的压力与胶原蛋白网拉抻强度间的微妙平衡。

2 磁共振生理成像技术

2.1 钠成像 钠存在于软骨基质内，其含量与软骨内FCD相平衡，具有特殊共振频率，软骨内蛋白多糖的硫酸盐和羧基带负电荷，使得软骨内钠浓度高于周围滑液和骨骼。通过Na+-MRI测量软骨内钠离子信号强度，进而换算成钠离子浓度，可评价软骨内GAG含量及FCD。正常透明软骨富含蛋白多糖，钠浓度较高，软骨损伤时，蛋白多糖减少，钠浓度则降低。

Madelin等［5］利用7.0T 磁共振对19例健康志愿者和28例骨关节炎患者进行膝关节钠成像，发现骨性关节炎组的Na+浓度比正常对照组显著降低，提示该技术在骨性关节炎软骨病变诊断中的价值。多个研究表明，钠成像亦可监测软骨修复过程中软骨内蛋白多糖的变化［6］。

虽然钠成像评价关节软骨具有广阔的前景，但技术方面仍然存在着多种挑战。由于生物组织内Na+含量相对较低及其低的磁旋比，导致采集到软骨内23Na的信号极低，同时23Na极短的纵向弛豫时间使得软骨内钠浓度的测量极其困难。目前采用多种K空间填充方式的三维成像技术提高了组织信噪比，缩短了图像扫描时间。另外钠成像需要专有的接受线圈，同时在鉴别关节软骨的高信号和关节积液方面比较困难。反转恢复脉冲及重复时间缩短的T1加权序列的运用可抑制关节积液信号［7-8］。

2.2 软骨磁共振延迟增强扫描(delayed gadolinium enhanced magnetic resonance imaging of cartilage，dGEMRIC)dGEMRIC为经静脉注射二乙三胺五乙酸钆(gadolinium diethyl triamine-pentoacetic acid，Gd-DTPA)后，在延迟期进行一系列T1加权扫描，所获得的T1加权像经计算得出定量T1弛豫时间图，通过测量 T1值，用来计算 Gd-DTPA2-，提供GAG的分布图，了解关节软骨中GAG含量，其基本原理是二价阴离子在软骨内的分布与GAG分布呈负相关，因而dGEMRIC可间接测量关节软骨内固定电荷密度。软骨内带负电荷的蛋白多糖与带阴离子的对比剂Gd-DTPA2-相互排斥，在富含蛋白多糖的健康关节软骨中浓聚低，而在蛋白多糖减少的软骨内浓聚较高，同时导致软骨横向弛豫时间缩短。大量研究证明dGEMRIC对软骨内蛋白多糖的含量测定具有很好的敏感性及特异性。

正常关节软骨基质中GAG含量从软骨浅层到深层逐渐增多。多项研究表明注射Gd-DTPA后，膝关节软骨深层T1值高于表浅层，承重区高于非承重区，这与蛋白多糖的空间分布相一致［9-10］。dGEMRIC可用于骨关节炎早期软骨改变及局灶性软骨缺损的纵向研究，van Tiel等［11］采用3.0T磁共振对20例早期骨性关节炎患者在7d内行2次3D dGEMRIC，结果显示该检查的可重复性好。国外有学者利用dGEMRIC对31例膝关节软骨修复手术后的患者进行纵向研究，证实dGEMRIC能够有效地评价软骨的修复过程［12］。同时，在膝关节软骨移植后效果评价方面，dGEMRIC能够监测软骨移植后GAG含量的变化，为评估软骨损伤程度和手术效果提供了更加科学、客观的参考指标［13］。将dGEMRIC用于膝关节前交叉韧带损伤及半月板病变的患者，结果与正常对照组相比，患者组软骨T1弛豫时间缩短，表明dGEMRIC可发现外伤后早期的膝关节骨性关节炎［14-15］。

由于大量对比剂的使用，该技术可能存在一些安全隐患，如出现过敏反应或肾源性系统纤维化等。在不同组织内对比剂的弛豫时间是可变的，以及对比剂可以不同的血液浓度进入软骨内，这些均可能影响 Gd-DTPA的平衡浓度，进而影响对软骨内GAG含量的评价。再者，Gd-DTPA影响T2弛豫时间的准确度及软骨厚度的测量，加上扫描时间长，软骨磁共振延迟增强扫描有待于在临床研究中进一步优化。

2.3 T1ρ成像 T1ρ成像技术主要评价处于射频脉冲磁场中的组织自旋弛豫值(T1)，目前较常采用的是在标准快速自旋回波序列前加用自旋锁定的预脉冲进行预磁化，通过设定不同自旋锁定脉冲的长度而得到一系列T1ρ加权图像，从而计算出T1ρ值。T1ρ弛豫时间易受低频水分子与周围大分子间相互作用的影响，在施加自旋锁定预脉冲过程中，结合水比自由水分子能量衰减迅速。软骨ECM可限制水分子运动，若细胞外蛋白多糖、胶原纤维的密度或排列方式发生变化，其T1ρ值则高于正常软骨，尤其对蛋白多糖丢失，T1ρ具有较高的敏感性和特异性。正常软骨内T1ρ值从软骨深层到表浅层逐渐升高。

T1ρ成像技术已经成功运用于观察骨性关节炎患者软骨基质的变化。Goto等［16］对32例膝关节无症状患者进行3.0T磁共振检查，发现膝关节软骨T1ρ值与年龄呈正相关，承重区T1ρ值高于非承重区。且T1ρ成像比T2mapping成像更能敏感地检测早期软骨退变。骨性关节炎患者软骨T1ρ的升高能预测软骨退变进程［17］。T1ρ成像技术能够敏感性评估创伤及手术后膝关节软骨基质的改变。Li等［18］采用3.0T磁共振对12例急性前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)损伤患者和10例健康者行膝关节检查，术后1年，胫骨软骨T1ρ值高于对照组，而T2值与对照组无显著性差异，提示T1ρ能够早期检测术后膝关节软骨基质的改变。Su等［19］对15例急性ACL损伤患者进行膝关节磁共振检查及术后2年随访，重建术后2年胫骨及股骨内侧髁区软骨T1ρ升高，说明T1ρ能够早期敏感性定量评价ACL损伤及重建术后软骨生化成分变化。且T1ρ成像在监测软骨修复过程中关节软骨基质变化方面较T2mapping技术更加敏感［20］。但T1ρ成像技术在施加自旋锁定预脉冲时需要高射频能量，将会导致射频能量吸收率升高，机体组织产热。

2.4 T2mapping成像 T2mapping采用多层面多回波序列成像，在静磁场内施加一个90°射频脉冲，偶极子吸收能量后变得极不稳定，通过向周围自旋-晶格系统释放能量维持平衡。T2值即代表偶极子在受激励后释放能量这一过程所需时间。T2横向磁化主要受软骨组织结构各向异性的影响，与胶原蛋白的含量、排列方向及水的含量有关［21］。通过测量T2弛豫时间可定量分析关节软骨内组织成分的变化。正常膝关节软骨T2值从深层至表浅层依次升高。

T2mapping已经被临床用于评估膝关节骨性关节炎患者软骨组织成分及超微结构。软骨T2值随年龄增长而升高，特别表浅层更易发生退行性改变。无论在体外研究或体内研究中，T2mapping可提高早期软骨退变的检出率［22］。随X线片膝关节骨性关节炎分级程度的升高，软骨T2值相应升高。此外，X线片未发现异常的骨性关节炎高危患者与正常志愿者相比，软骨T2值非均一性升高［23］。有研究报道，局部软骨损伤、半月板撕裂及骨髓水肿与软骨T2弛豫时间具有一定相关性，软骨T2值的升高可预测局部软骨损伤的进程［24］。T2mapping也可用于评估创伤或术后软骨的组织学变化以及监测软骨修复过程中软骨基质的改变。研究者利用3.0T磁共振T2mapping成像对6例基质诱导的自体软骨移植患者进行移植软骨分层定量评价，术后3个月、6个月移植区全层T2值显著高于邻近正常软骨，术后6个月、12个月修复区浅层软骨T2值显著高于深层，术后3个月、6个月、12个月修复区深浅层T2值纵向变化均有统计学差异［25］。该项研究提示基质诱导自体软骨移植术后T2mapping可作为评估关节软骨修复效果的重要依据。软骨的T2弛豫时间受多种因素的影响，包括成像序列的类型，成像参数及射频线圈的选择。

2.5 化学交换饱和传递(chemical exchange saturation transfer，CEST)CEST是在磁化传递及化学交换的基础上发展起来的一种磁共振成像技术，利用特定的偏饱和脉冲对软骨内的GAG进行充分预饱和，经过化学交换进一步影响水的信号强度，通过检测水的信号间接反映GAG的信息［26］。

CEST成像技术采用三维梯度回波序列，具有合理的扫描时间，对GAG变化有高度特异性，已经被用于 3.0T 及7.0T 磁共振。Schmitt等［27］采用7.0T磁共振对膝关节软骨修复术后的13名患者进行GAG CEST成像，发现与健康膝关节软骨相比，修复软骨 CEST值降低，认为 CEST是一种评估软骨GAG含量的有效方法。目前，CEST成像评估关节软骨的临床应用尚不明确。

2.6 扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)DWI是基于水分子运动成像，其定量测量主要依赖表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)。正常关节软骨中的大分子基质有效限制了水的自由扩散，而软骨损伤后，表层的Ⅱ型胶原退变或破坏，软骨内水含量增加、扩散阻力降低使水分子扩散加快，导致软骨ADC值增高。

DWI能够发现软骨形态改变前的早期软骨损伤。Xu等［28］对42例膝关节早期损伤患者及30例健康志愿者进行扩散加权成像，ADC值在早期膝关节软骨损伤患者组升高。DWI亦可用于关节软骨修复术后评估，鉴别不同软骨修复组织的生化成分，为临床外科治疗方法的选择提供新思路。

2.7 扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)DTI是在DWI基础上在6个以上线性方向上施加扩散敏感梯度而获取的图像。即通过量化水分子的各向异性来研究组织的微观结构和功能改变情况［29］，进而反映关节软骨胶原纤维结构的变化。DTI在骨关节炎早期软骨损伤诊断中具有一定价值。Raya等［30］利用7.0 T磁共振对10例健康志愿者和5例骨性关节炎患者行膝关节全区域DTI，发现ADC值在骨性关节炎患者股骨外侧髁、胫骨外侧髁及股骨滑车区明显升高，FA值在胫骨外侧髁明显降低。亦有研究证实DTI有助于软骨损伤的分级［31］。

然而，DTI运用于人体膝关节技术上仍具有一定挑战性。因为该扫描技术需要高的空间分辨率及薄层扫描，且需要高场强和专用线圈最大限度地提高信噪比。

3 结 语

多种生理磁共振成像技术可以非侵入性评估膝关节软骨化学组成及超微结构。大量现有可用方法说明每种成像技术都有其固有的局限性，在提供软骨蛋白多糖及胶原蛋白含量方面具有不同的敏感性和特异性。尽管存在其不足，但是生理磁共振成像技术已经被成功运用于临床，如生理磁共振成像技术能够发现早期软骨变性，监测软骨病变进展及治疗后改变。然而，目前仍需要更多的关于该先进成像技术的研究，以便更好地理解膝关节骨性关节炎发病机制及软骨病变进展。

［1］ 朱 华，田发明，张 柳.软骨下骨在骨性关节炎中的研究进展［J］.医学研究生学报，2014，27(10):1095-1098.

［2］ Pearle AD，Warren RF，Rodeo SA.Basic science of articular cartilage and osteoarthritis［J］.Clin Sports Med，2005，24(1):1-12.

［3］ Aspberg A.The different roles of aggrecan interaction domains［J］.J Histochem Cytochem，2012，60(12):987-996.

［4］ Nap RJ，Szleifer I.Structure and interactions of aggrecans:statistical thermodynamic approach［J］.Biophys J，2008，95(10):4570-4583.

［5］ Madelin G，Babb J，Xia D，et al.Articular cartilage:evaluation with fluid-suppressed 7.0-T sodium MR imaging in subjects with and subjects without osteoarthritis［J］.Radiology，2013，268(2):481-491.

［6］ Chang G，Madelin G，Sherman OH，et al.Improved assessment of cartilage repair tissue using fluid-suppressed 23Na inversion recovery MRI at 7 Tesla:preliminary results ［J］.Eur Radiol，2012，22(6):1341-1349.

［7］ Feldman RE，Stobbe R，Watts A，et al.Sodium imaging of the human knee using soft inversion recovery fluid attenuation［J］.J Magn Reson，2013，234:197-206.

［8］ Newbould RD，Miller SR，Upadhyay N，et al.T1-weighted sodium MRI of the articulator cartilage in osteoarthritis:a cross sectional and longitudinal study［J］.PLoS One，2013，8(8):e73067.

［9］ Mayerhoefer ME，Welsch GH，Mamisch TC，et al.The in vivo effects of unloading and compression on T1-Gd(dGEMRIC)relaxation times in healthy articular knee cartilage at 3.0 Tesla［J］.Eur Radiol，2010，20(2):443-449.

［10］ Nissi MJ，Rieppo J，Töyräs J，et al.Estimation of mechanical properties of articular cartilage with MRI-dGEMRIC，T 2 and T 1 imaging in different species with variable stages of maturation［J］.Osteoarthritis Cartilage，2007，15(10):1141-1148.

［11］ van Tiel J，Bron EE，Tiderius CJ，et al.Reproducibility of 3D delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage(dGEMRIC)of the knee at 3.0 T in patients with early stage osteoarthritis［J］.Eur Radiol，2013，23(2):496-504.

［12］ Bekkers JE，Bartels LW，Benink RJ，et al.Delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage(dGEMRIC)can be effectively applied for longitudinal cohort evaluation of articular cartilage regeneration［J］.Osteoarthritis Cartilage，2013，21(7):943-949.

［13］ Endo J，Watanabe A，Sasho T，et al.Utility of T2 mapping and dGEMRIC for evaluation of cartilage repair after allograft chondrocyte implantation in a rabbit model［J］.Osteoarthritis Cartilage，2014，23(2):280-288.

［14］ Wei B，Zong M，Yan C，et al.Use of quantitative MRI for the detection of progressive cartilage degeneration in a mini-pig model of osteoarthritis caused by anterior cruciate ligament transection［J］.J Magn Reson Imaging，2015，42(4):1032-1038.

［15］ Crema MD，Hunter DJ，Burstein D，et al.Delayed gadoliniumenhanced magnetic resonance imaging of medial tibiofemoral cartilage and its relationship with meniscal pathology:a longitudinal study using 3.0T magnetic resonance imaging［J］.Arthritis Rheumatol，2014，66(6):1517-1524.

［16］ Goto H，Iwama Y，Fujii M，et al.The natural degeneration course in the T1rho values of normal knee cartilage［J］.Kobe J Med Sci，2011，57(4):E155-170.

［17］ Schooler J，Kumar D，Nardo L，et al.Longitudinal evaluation of T 1ρ and T 2 spatial distribution in osteoarthritic and healthy medial knee cartilage［J］.Osteoarthritis Cartilage，2014，22(1):51-62.

［18］ Li X，Kuo D，Theologis A，et al.Cartilage in Anterior Cruciate Ligament-Reconstructed Knees:MR Imaging T1ρ and T2-Initial Experience with 1-year Follow-up［J］.Radiology，2011，258(2):505-514.

［19］ Su F，Hilton JF，Nardo L，et al.Cartilage morphology and T 1ρ and T 2 quantification in ACL-reconstructed knees:a 2-year follow-up［J］.Osteoarthritis Cartilage，2013，21(8):1058-1067.

［20］ Theologis AA，Schairer WW，Carballido-Gamio J，et al.Longitudinal analysis of T1ρ and T 2 quantitative MRI of knee cartilage laminar organization following microfracture surgery［J］.Knee，2012，19(5):652-657.

［21］ Wong CS，Yan CH，Gong NJ，et al.Imaging biomarker with T1ρ and T2 mappings in osteoarthritis-in vivo human articular cartilage study［J］.Eur J Radiol，2013，82(4):647-650.

［22］ Kijowski R，Blankenbaker DG，Munoz del Rio A，et al.Evaluation of the articular cartilage of the knee joint:value of adding a T2 mapping sequence to a routine MR imaging protocol［J］.Radiology，2013，267(2):503-513.

［23］ Baum T，Stehling C，Joseph GB，et al.Changes in knee cartilage T2 values over 24 months in subjects with and without risk factors for knee osteoarthritis and their association with focal knee lesions at baseline:Data from the osteoarthritis initiative［J］.J Magn Reson Imaging，2012，35(2):370-378.

［24］ Joseph GB，Baum T，Alizai H，et al.Baseline mean and heterogeneity of MR cartilage T 2 are associated with morphologic degeneration of cartilage，meniscus，and bone marrow over 3 yearsdata from the Osteoarthritis Initiative［J］.Osteoarthritis Cartilage，2012，20(7):727-735.

［25］ 张 君，徐 贤，李 雪，等.基质诱导的自体软骨移植术后3T磁共振 T2mapping成像对移植软骨的分层定量评价［J］.南方医科大学学报，2015，35(1):141-145.

［26］ Lee JS，Parasoglou P，Xia D，et al.Uniform magnetization transfer in chemical exchange saturation transfer magnetic resonance imaging［J］.Sci Rep，2013，3:1707.

［27］ Schmitt B，Zbyň Š，Stelzeneder D，et al.Cartilage quality assessment by using glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer and 23Na MR imaging at 7 T［J］.Radiology，2011，260(1):257-264.

［28］ Xu J，Xie G，Di Y，et al.Value of T2-mapping and DWI in the diagnosis of early knee cartilage injury［J］.J Radiol Case Rep，2011，5(2):13-18.

［29］ 朱建国，杨亚芳.功能磁共振成像对脑肿瘤的研究［J］.医学研究生学报，2013，26(1):103-106.

［30］ Raya JG，Dettmann E，Notohamiprodjo M，et al.Feasibility of in vivo diffusion tensor imaging of articular cartilage with coverage of all cartilage regions［J］.Eur Radiol，2014，24(7):1700-1706.

［31］ Raya JG，Melkus G，Adam-Neumair S，et al.Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage［J］.Radiology，2013，266(3):831-841.