NaMRI在定量诊断软骨退变中的应用

贺露姣， 李红， 符策岗



NaMRI在定量诊断软骨退变中的应用

贺露姣， 李红， 符策岗

软骨退行性改变引起的骨关节和下腰部疼痛是影响中老年人健康的重要因素，磁共振为主要的检查方法，主要是依赖H质子成像，但除此之外还可检测出23Na、31P、33S、127I等非零自旋原子。而NaMRI可弥补常规MRI的不足为退行性改变的早期提供生化信息。本文结合国内外相关文献对NaMRI在定量分析骨关节软骨和椎间盘退行性改变中的应用进行简要综述。

磁共振成像； 椎间盘退行性变； 软骨疾病； 诊断

软骨组织退行性改变是生物体自然老化、退化的生理过程之一。过度的生理活动和超负荷的承载都能加速软骨组织老化，严重时可引起疼痛甚至造成神经损害，严重影响患者的日常生活和工作。退行性改变的早期诊断和预防性治疗能有效提高其治疗质量，因此，对软骨组织早期量化分析显得尤为重要。常规的影像检查主要是依赖信号强弱及形态学改变评估软骨退行性改变，属于非定量方法，存在一定误差，并受评估者主观影响较大，且无法反应软骨退变早期细微成分的改变，然而NaMRI可以提供常规MRI不能提供的组织生化信息，为软骨退行性改变的早期诊断提供重要价值。本文主要介绍NaMRI在骨性关节炎和椎间盘退行性改变中的应用。

正常软骨的生化组成

软骨是一种致密的结缔组织，存在于人体的多个部位，如骨关节的透明软骨、耳朵和鼻子的弹性软骨、椎间盘的纤维软骨。软骨由软骨细胞、基质及纤维组成，而胶原纤维、蛋白多糖(proteoglycan,PG)和水等主要存在于软骨细胞外基质。软骨组织基质内无血管组织，因此对损伤的反映不同于其他的组织，主要变现为对组织损伤的修复能力很低。PG由核心蛋白和糖胺聚糖侧链(glycosaminoglycan,GAG)组成[1]，这些侧链被广泛的硫酸化和羧化后能使整个分子带大量的负电荷[2]，赋予软骨组织固有负电荷密度(fixed charge density,FCD)。同时，FCD可吸引大量游离的阳离子(主要是Na离子)，而Na离子又可以在软骨组织通过渗透压调节吸收水分子。从而影响椎间盘的膨胀压力和维持椎间盘的含水量，因此Na的测量可以直接评估PG含量，已有研究表明Na含量与PG/GAG含量成正比[3,4]。由于软骨的抗压应力作用使带有负电荷的GAG侧链在PG分子间形成了巨大的静电排斥力，而胶原纤维可以抵抗这些静电排斥力来稳定PG，正因如此，软骨能减少相邻两骨间的摩擦，缓冲运动时产生的震动[5]。

NaMRI的特性及组织Na浓度和FCD值的估算

NaMRI主要依靠23Na原子成像，通过脉冲激励接收被检测组织的23Na原子信号构建Na的MR幻影图像，其成像的敏感度是普通H质子成像的9.6%。健康软骨组织内Na原子的含量和横向弛豫时间T2要少于H原子，也因此NaMRI成像相比于常规MRI有较低的信噪比、空间分辨率和较长的成像时间。Na原子电荷的非球面对称性分布可产生磁偶极距和四级距，当原子核在电场梯度和四级距的相互作用下可影响Na核磁共振的性能。根据Na的分子环境，可发生以下4种运动机制：快速各向同性运动、缓慢各向同性运动、缓慢各向异性运动和快速各向异性运动[6]。在液体中Na原子的运动机制是快速各向异性运动，在电场梯度方向快速波动，因此，4级的相互作用“平均”为零，在此环境下T1和T2*呈单指数衰减；而在生物组织中(如胶原纤维等有序的半固体组织)，Na原子的运动机制是缓慢各向同性运动或缓慢各向异性运动，在这种情况下，4级的相互作用控制着弛豫时间，T1和T2呈双指数衰减，信号可产生短T2成分(T2*SHORT )、长T2成分(T2*LONG)和两个弛豫时间相似的T1成分。此外，NaMRI可对软骨组织中的Na浓度和FCD值进行估算。由于软骨退行性改变的过程中Na浓度和FCD值会发生相应的变化，因此NaMRI可以应用于软骨退变的定量分析。

1.Na浓度的估算

首先要将Na的幻影信号图像转化为Na浓度图像[7]；Na浓度的定量可以通过测量已知幻影Na浓度和与软骨相近的弛豫时间的琼脂糖凝胶体模或者盐水的信号强度，根据校准弛豫时间的幻影信号强度来绘制它们的Na浓度曲线，通过数据的线性拟合获得校准曲线，然后将软骨组织中每个像素的Na信号强度拟合到校准曲线可以得到每个像素的Na浓度，从而构建出组织的Na浓度图像(mapping[Na])。校准弛豫时间的幻影信号强度(Scorrected)可根据以下公式拟合计算得出[3]：

FA表示翻转角；S0表示原始Na信号强度；Na原子的T1和T2*可通过先进的饱和实验计算得出。

2.FCD值的估算 FCD值可根据Na浓度值用以下公式计算得出：

下标t表示组织，下标f表示周围液体，[Na+]f表示血清Na浓度，[Na+]t为之前测定的Na浓度。通过此公式拟合可计算得出mapping[Na]中每个像素的FCD值构建出FCD值图像(mapping[FCD])。

NaMRI在骨性关节炎(OA)中的应用

骨性关节炎(osteoarthritis,OA)是关节软骨的退行性改变，发病率随着年龄的增长而升高。早期主要的生化改变是FCD或GAG的减少、胶原纤维和PG聚合体结构和数量的改变。在病变早期采取有效的措施可恢复并且逆转，但如果发生胶原纤维崩解，软骨组织将出现不可逆性破坏[8]。正因为这些生化改变发生在形态学改变之前，所以通过分子水平对OA早期进行定量诊断具有重要意义。

常规MRI如T1、T2、质子密度加权成像以及X线检查只能够检查病变的形态学改变，并不能体现细胞外基质GAG含量和胶原纤维网状结构等分子水平的变化。研究表明在软骨组织中Na的浓度与FCD、GAG含量有很强的相关性[9]。Wheaton等[10]对9个无症状的健康患者和3个有症状的早期OA患者通过4T MRI研究发现，健康者膝盖软骨的平均Na含量为254mmol/L，相应的FCD平均值为-182mmol/L；有症状的早期OA患者的FCD值为-108到-144mmol/L。通过FCD值的大小反映GAG值的大小，并证实NaMRI能够定量检测OA早期GAG的减少[11]。此外，Wang等[12]首次对5位无症状的健康志愿者和5位被诊断为骨性关节炎的患者进行7TNaMRI，分别选取3个相同的软骨区域作为感兴趣区(region of interest,ROI)进行测量，结果显示健康志愿者的关节软骨的平均Na浓度范围在240～280mmol；骨关节炎患者的平均Na浓度比健康志愿者要低30%～60%。进一步证实Na与退行性变的相关性。但是，在Na原子成像中软骨成分稀薄(尤其是骨性关节炎患者)以及图像的低分辨率，无法分辨感兴趣区是否混有几种软骨成分及关节滑液的共同信号，为排除滑液对Na浓度测定，可在NaMR成像时加上水抑制序列来排除部分容积效应的影响[13]。综上所述，NaMRI在骨性关节炎的早期诊断中具有其独特的优势，能通过反映FCD和GAG的含量进一步反映病变的存在，弥补了传统检查仅通过形态学改变来反映病变的局限，能更早，更客观的反映退行性改变。

NaMRI在椎间盘退变中的应用

椎间盘主要由中央的髓核(nucleus pulposus,NP)、外层的纤维环及骨终板3层结构组成。主要的作用是保持身体的稳定性，缓冲机械压力。椎间盘为无血管组织，营养只能通过被动转运获得，椎间盘的静水压和高渗透压保证营养的正常运输。椎间盘退变早期的生化成分变化与关节软骨类似，NP主要由带电荷的PG和去离子水组成，PG存在于NP的细胞外基质。椎间盘退变早期的主要变化是大量PG和水分的减少，最终导致椎间盘水合作用和静水压的下降[14]。常规MRI 是评估腰椎间盘退变的重要影像学手段，主要依靠Pfirrmann分级对其进行评估，但受主观影响较大，不能在分子水平对其做出早期诊断。

Haneder等[15]分别对55个健康志愿者和12个下背部疼痛者在3.0T MRI扫描仪进行Na原子成像和形态学H质子成像，结果显示Na与Pfirrmann 分级有一定的相关性，Pfirrmann 4、5级椎间盘的Na明显减少具有统计学意义(P<0.01)。此外，Moon等[16]对兔子的椎间盘进行3T NaMR成像，分别对15个正常椎间盘和9个退变的椎间盘进行分析，结果显示正常椎间盘和退变椎间盘Na的平均值分别为(274.8±40.2)mM和(190.6±19.1)mM (P<0.01)，同样反映Na值与病变存在明显的相关性。相似的，Wang等[17]对牛的椎间盘进行3TNaMR成像，研究显示在冠状面、矢状面、轴状面3个层面的Na图像上清楚看到在椎间盘的正中心NP的位置Na可达300mM；而接近纤维环处降至150mM左右，轴面的FCD图像与Na图像趋势相同显示NP有大量的FCD，此外又采用1，9-二甲基亚甲蓝法测定对应椎间盘样本中蛋白聚糖含量，结果表明PG含量与Na成正相关(r=0.71，P<0.05)；有症状者椎间盘的钠较无症状者显著降低。综上所述，NaMRI在椎间盘退行性改变的早期诊断中具有重要的意义，不仅能帮助诊断且对评估病变的严重程度具有重要的指导意义。

随着MRI技术的发展，目前可用于定量诊断的技术有T1ρ mapping[18]、T2mapping[19]、糖胺聚糖相关化学交换饱和转移(gagCEST)[20-22]，软骨延迟钆增强MRI (delayed gadoliniumenhanced MRI of cartilage，dGEMRIC)[23]和扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)[24]。T2mapping 和弥散加权成像能够提供胶原纤维和水分子扩散速率等信息，而其他技术可通过对比剂或者直接的T1ρ mapping,gagCEST成像提供 FCD或GAG含量等信息，因此NaMRI技术可以联合其他定量技术提供多种生化标记对软骨退行性改变进行准确的分析和早期诊断，弥补了常规MR成像仅通过形态改变判断病变的不足，为临床诊断提供有效的诊疗信息。NaMRI新技术的发展使其已用于临床前的研究，全身超高磁场MRI系统的出现[25]，专用的高频相控阵线圈[26]，优化的MR序列[27]能够在较短的时间提供较高的信噪比和空间分辨率。关于NaMRI基于Na定量研究技术的运用已有相关文献报道，如牛关节软骨的体外NaMRI技术[7]；测量牛关节软骨Na含量与PG含量的相关性[3]；高血压患者组织Na含量的测量[28]；人体内踝关节软骨的NaMRI[29]等。但是这些技术仍然处于研究发展阶段，仍有不足之处，组织中Na的T2值很短，所以Na离子具有较低的旋磁比和较高的横向磁化，信噪比和空间分辨率以及成像时间有待进一步提高，仍需对磁共振仪器的软件和硬件进行研究使NaMRI更成熟的应用于临床诊断。

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443000湖北，三峡大学第二临床医学院/三峡大学仁和医院放射科

贺露姣(1990-)，女，湖北咸宁人，硕士研究生，主要从事影像医学与核医学诊断工作。

李红，E-mail：lihong0717623@sina.com

R681.5； R445.2

A

1000-0313(2016)06-0550-03

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.06.017

2015-09-08

2015-11-23)