MRI 超短回波时间序列评价膝关节半月板的研究进展

郑孝众 周静 张晏境 姚婉贞 丁建平*

半月板是膝关节的重要结构，具有复杂的解剖、生物力学和功能特征，对维持膝关节正常功能至关重要。传统MRI 序列检查时，由于半月板的T2/T2*值较短（5～10 ms），因而采集不到半月板信号，影像表现为低或无信号，造成短T2/T2*组织的结构和生理信息丢失。MRI 超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）序列可直接采集短T2/T2*的组织，无论在半月板定性观察, 还是定量研究方面都具有较大的应用价值。本文就UTE 序列在半月板中的研究进展予以综述。

1 半月板的解剖及功能

半月板是位于膝关节股骨和胫骨关节面之间的纤维软骨，横截面大致呈三角形，内侧半月板呈“C”形，外侧半月板呈“O”形。半月板主要由水（65%～70%）、胶原纤维（20%～25%）和蛋白多糖（proteoglycan，PG）（＜1%）组成[1]。胶原纤维是半月板的主要成分，大约98%的胶原纤维为I 型，类似于肌腱和韧带，对半月板承受应力及抗拉强度起主要作用[2]。半月板中存在表面网状纤维、片状层、周向纤维、径向纤维、垂直纤维和周向纤维周围的网状纤维6 种纤维组，各组具有不同的胶原走行及成分，共同维持着半月板的机械稳定[3]。半月板是一种相对无血管的结构，外周血液供应有限，腘动脉的分支是滋养半月板的主要血管，血流灌注仅限于外侧半月板的外周10%～25%和内侧半月板的外周10%～30%，其余部分则通过滑膜扩散或机械运动接受营养[4]。因此，根据半月板血流灌注情况将其分为外1/3区（红区）、中1/3 区（红白区）及内 1/3 区（白区），这对损伤愈合具有重要意义[5]。半月板的主要功能是传递胫股关节的负重及稳定关节。半月板胶原成分为膝关节提供减震作用，其凹形表面限制了膝关节过度运动，增加了关节的稳定性。此外，半月板还有润滑、营养及本体感觉等功能[1]。

2 UTE 序列概述

传统回波（快速自旋回波和梯度回波）序列使用相对较长的回波时间，因此短T2/T2*组织在系统开始接受信号前已经衰减到或接近于0，影像表现为低或无信号，导致大量信息丢失，难以进行定性及定量研究。UTE 序列采用硬脉冲激发后直接检测自由感应衰减，但其影像具有梯度回波序列的特征，其回波时间受到射频线圈发射与接收开关时间（0～70 μs）的限制，如果配合专用硬件设备更可以降至 8 μs，因此可以使短 T2成分成像[6]。二维 UTE（2D UTE）由2 个带有相反层面选择梯度的半sinc 函数射频脉冲激发后，立刻采集自由衰减信号，2 个半脉冲的回波信号叠加在一起填充成一条K 空间线；为避免在信号衰减至0 之前未填充至K 空间中心，数据直接由K 空间中心开始采集，并呈放射状填充K空间。在上述2D UTE 序列设计的基础上，又开发出三维UTE（3D UTE）序列，该序列应用短硬脉冲进行激发，数据进行三维放射状采集，即由K 空间中心向外并呈圆锥形填充[7]。

在人体膝关节半月板周围有多种长T2组织，如脂肪、肌肉等，在采集半月板信号的同时，周围的长T2信号也被不同程度的采集。因此，在UTE 序列的基础上出现了多种包含长T2组织抑制的序列，提高了短T2成分的影像对比度，如脂肪饱和技术、双回波减影等[8-10]。另外，UTE 还可结合 T1ρ、T2/T2* 对组织成分进行研究。UTE 双成分分析是测量长T2*和短T2*中组织成分的技术，能够反映组织内不同生化成分的含量[11]。

3 UTE 序列在半月板中的应用

3.1 半月板的定性观察 传统MR 影像上半月板通常表现为低信号，其周围存在很多相似的短T2组织结构，如韧带、肌腱，因此其病变的诊断常常受到影响；而在UTE 序列影像上，正常半月板表现为高信号[12]，半月板撕裂和退变时则信号减低[13]，可以更加直接地观察病变。Lee 等[14]采用3D UTE 加权减影的方法观察膝关节中短T2组织的影像信息，使用最佳加权因子有效抑制长T2组织信号，提高短T2组织对比度，最佳加权因子通过调节UTE 减影影像的信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）来确定，综合SNR 和CNR，确定了半月板的最佳加权因子为1.0，表明UTE 序列可以提供常规MRI 无法显示的短T2组织。也有研究者[15]通过3D UTE 双回波序列对半月板成像进行参数调试，结果显示通过改变翻转角和将2 次回波影像经多平面重组后再相减可增加影像SNR，并且缩短第1 次回波时间可增加影像质量。

3.2 半月板 UTE-T2* 和 UTE-T1ρ的测定

3.2.1 UTE-T2*测定 T2*主要用于评估组织含水量和胶原纤维取向，定量测量半月板的T2*值对生化成分的研究具有重要意义。有研究者[16-17]测得半月板的平均 UTE-T2* 值为 4～10 ms；Gatehouse 等[18]研究表明半月板不同区域的T2*值不同，白区、红白区和红区的平均UTE-T2*值分别为（7.8±1.2）ms、（6.5±1.4）ms 和（12.6±1.9）ms，提示不同区域半月板的生化成分不同，这为进一步研究病变状态的半月板提供了参考。

Williams 等[17]首次将 UTE-T2* mapping 技术与半月板的组织切片进行比较，发现正常半月板的UTE-T2*值较低，而撕裂或退变组则较高，并通过偏振光显微镜证实半月板组织UTE-T2*值增加代表的不是半月板胶原纤维的减少而是胶原纤维的紊乱。Yi 等[19]应用常规 T2*mapping 与 UTE-T2*mapping 对半月板进行对比定量研究，结果发现半月板前角撕裂组的UTE-T2*值高于正常组和变性组，而3 组常规T2*值的差异无统计学意义，提示UTET2*mapping 技术对诊断半月板变性及撕裂或许更加敏感。

膝关节病变中骨关节炎（osteoarthritis，OA）的发病率较高，而前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是导致 OA 的重要原因[20]。Williams 等[17]发现UTE-T2*值的变化可预测ACL 损伤后半月板的早期变性，UTE-T2*值升高提示ACL 损伤已造成半月板胶原成分的破坏。另有研究者[21-22]在对ACL重建术后病人的随访时发现，UTE-T2*值降低提示半月板损伤的愈合，表明UTE-T2*定量研究不仅可以早期发现ACL 损伤造成的半月板变性，还可以反映半月板的愈合情况。

UTE 双成分分析也已成功地应用于半月板检测，并且测得正常半月板与退化半月板的长T2*及短T2*成分存在明显差异，表明UTE 双成分分析对诊断半月板退化有一定价值[11，23]。然而，目前研究尚无法确定半月板中长T2*及短T2*的具体成分来源。

3.2.2 UTE-T1ρ测定 T1ρ主要用于评价组织内水分子与蛋白多糖大分子之间的相互作用，其与蛋白多糖的含量呈负相关[24]。Du 等[16]研究测得健康人的半月板UTE-T1ρ值约为7.98 ms，为今后研究半月板退变及损伤提供了参考。Chang 等[25]研究发现去除PG 的半月板在UTE 序列影像上表现为组织肿胀、轮廓异常、纤维紊乱；并且测得 UTE-T1ρ值随 PG 含量的减少而增加，提示UTE-T1ρ值增高与半月板变性有关，其可作为评价半月板退变的生物学指标。

3.3 半月板胶原纤维的成像 胶原纤维是半月板承载应力的主要成分，不同区域的纤维走行决定了半月板组织承受应力的不同，对半月板生物力学具有重要作用。Bae 等[2]通过2D UTE 技术调节回波时间并确定回波时间为3～6 ms 时，其影像可以清楚显示半月板的纤维结构；亦可准确识别半月板胶原纤维组中的片状层和径向纤维。半月板6 种胶原纤维组中的片状层尤为重要，其位于半月板表面，半月板撕裂时一定累及该层，因此观察片状层的改变对检测早期半月板损伤具有重要作用[26]。Choi 等[26]发现2D UTE 序列影像上正常半月板片状层表现为新月形，而异常则表现为局部不均匀增厚；并且测得正常片状层平均厚度为（232±85）μm，异常片状层厚度为（353±98）μm；压缩试验证明正常半月板的片状层厚度与硬度呈正相关，提示片状层在抗压方面起着重要作用；此外，异常片状层UTE-T2*值较正常片状层显著增加，提示UTE-T2*定量测量可用于区分正常和异常增厚的片状层。

3.4 半月板钙化的成像 膝关节创伤、退行性疾病和晶体关节疾病（如焦磷酸钙晶体沉积病等）会导致半月板钙化，影响其生物力学效能，进而造成骨关节炎[27]。Omoumi 等[28]以传统 X 线为标准，对 10 个半月板标本进行UTE 序列扫描，结果显示在UTE影像上半月板钙化成分的信号高于周围正常半月板组织，并可以准确地观察到点状、线状或球状等各种形态的钙化成分；同时定量测得钙化区的T2*值明显低于邻近正常半月板的T2*值，表明UTE 序列对于半月板钙化的诊断优于常规序列。Finkenstaedt 等[29]研究发现半月板钙化的主要成分为焦磷酸钙晶体（calcium pyrophosphate crystal ，CPP），其分布与半月板血供密切相关；钙化成分几乎都分布于非血管区，即红白区和白区，这可能是由于CPP 主要在低氧环境中形成并沉积；并且所有半月板样本的UTE-T2*值均与半月板硬度呈负相关，表明UTE-T2*可以作为评价含有钙化成分的半月板硬度的合适指标。

3.5 半月板红白区的成像 半月板的血流灌注对于半月板至关重要，发生在红区的撕裂较发生在白区的撕裂更易愈合，因此准确识别红白区对半月板的治疗具有重要意义[5]。动态增强MRI 是血流灌注研究中广泛应用的一种无创方法，UTE 序列的出现为半月板的动态增强成像提供了可能。Gatehouse等[30]对正常志愿者的半月板进行UTE 序列成像，在静脉注射对比剂后的减影影像上观察到半月板外周部分信号明显增强，并且测得其强化范围与红区解剖学范围相符；此外，在UTE 增强影像上观察到条状的信号增高影，其可能为半月板的血管结构，提示UTE 减影技术联合静脉注射对比剂对半月板红白区的成像具有临床意义，为进一步研究半月板的血流供应提供了基础。

3.6 半月板pH 值的评估 软骨和半月板细胞外的酸碱度会影响参与软骨降解几种蛋白质的表达和功能，软骨细胞在酸性条件下会抑制软骨基质合成，从而导致骨关节炎[31]。临床上半月板的pH 值只能在体外测量或者通过有创方法体内测量。无创性的测量方法如化学交换饱和转移MRI 可以用于肌骨系统，但是传统的化学交换饱和转移序列回波时间较长，不适用于T2*较短的组织如关节软骨、半月板，UTE 序列与该序列的结合解决了这一问题。High 等[32]和Ma 等[33]通过关节内注入对比剂并进行化学交换饱和转移-UTE 序列成像，测得半月板的平均pH 值为6.72，为体内测量半月板pH 值提供了新方法。

4 小结

相较于传统MRI 序列，UTE 序列最大的优势在于其超短回波时间可以显示人体短T2/T2* 组织。UTE 序列对半月板的研究包括疾病的定性观察，半月板胶原纤维、钙化成分和红白区的显示以及半月板pH 值的评估等多个方面，对早期诊断半月板病变具有重要意义。但是，目前针对半月板的研究多为体外模拟及体外标本实验，与临床疾病相关的研究仍有待进一步开展。