UTE-MRI 常用技术在软骨定量研究中的应用进展

苏晓莲 万丽娣 汤光宇

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种常见的退行性关节病。近年来，OA 的患病率持续上升，对社会健康、经济成本以及个人生活质量产生重大影响。然而，迄今为止OA 晚期除全膝关节置换术外，尚无有效的药物阻止其进展[1]。因此，早期无创诊断OA对其早期干预有重要的临床意义。OA 是累及关节多组织（软骨、半月板、韧带、肌腱、骨及关节滑膜）的系统性疾病，但其早期以关节软骨变性为主要特征[2]。软骨中含有大量短T2成分，其平均T2值较短，信号衰减较快。常规MRI 回波时间（TE 10~80 ms）只可获得自由水的信号，无法直接获得软骨其他成分的信号[3]。因此，常规MRI 对软骨定量研究的价值有限，检测早期OA 的敏感性较差。近年来，随着超短回波时间（ultrashort echo time，UTE）-T2*mapping、UTE Adibatic-T1ρ、UTE- 磁 化 传 递（magnetization transfer, MT） 以及酸性化学交换饱和转移(acid chemical exchange saturation transfer，acidoCEST） －UTE 等基于UTE 序列开发的定量成像技术的发展，使得识别早期软骨变性成为可能，本文就上述常用于软骨定量研究的UTE-MRI 技术的基本原理、优缺点及其应用进展予以综述。

1 OA 发生机制

关节软骨由少量软骨细胞和大量细胞外基质（extracellular matrix,ECM）组成。ECM 主要由水、胶原纤维和蛋白聚糖（proteoglycan，PG）组成，具有维持软骨的结构完整性和机械性能的作用[4]。软骨组织是高度有序的层状结构，从浅至深分为4 层：浅表层、过渡层（中间层）、深层（放射层）和钙化层。钙化层（zone of calcified cartilage，ZCC）是关节软骨中高度矿化的区域，通过潮线结构与透明软骨相连，通过黏合线与软骨下骨相接。OA 早期阶段，ZCC 重塑，软骨变薄；ZCC 中的细胞表达肥大性软骨细胞表型并分泌X 型胶原，然后发生软骨基质矿化。因此，潮线结构前移，软骨下骨发生异常，导致软骨变性[5]。有研究[6]表明ZCC 在轻度和中度OA 软骨中表现出增厚，并且这种改变在轻度OA 中是可逆的。作为软骨下骨和透明软骨的桥梁，ZCC 的形态可以反映软骨下骨和透明软骨的病理生理状态，因此研究软骨ZCC 的特征对了解和早期诊断OA 具有重要意义。但是，由于ZCC 的T2值很短，常规MRI 序列上ZCC 几乎显示无信号；而UTE 序列是针对短T2组织的一种成像技术，相比常规MRI 序列能够直接观察到ZCC 并定量其组成成分[7]。

目前普遍认为软骨退变不仅是机械磨损，还是一种由生物化学介导的病理生理过程。软骨生化组成的改变包括PG [主要成分为糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）]丢失及胶原纤维断裂，这是OA 发生的标志[8-9]。OA 早期阶段，软骨形态结构无明显改变，但其内PG 开始丢失，胶原纤维开始分解；而OA 的后期阶段，软骨的形态结构被破坏，PG大量丢失，胶原纤维断裂严重。其中，PG 丢失可逆，而胶原纤维断裂则无法逆转[4]。因此，在OA 发生过程中，PG 丢失是关键，及时发现软骨PG 丢失对OA的早期诊断意义重大。

正常软骨组织的生理代谢有赖于细胞内外的环境稳态平衡，软骨细胞对外环境（如氧饱和度、热量和pH 值等）的微小变化特别敏感。Das 等[10]研究发现细胞外pH 值变化是OA 发生的一个重要原因，提示了监测软骨细胞外pH 值的重要性。有研究[11]发现软骨细胞外pH 值降低抑制PG 的合成。还有研究[12]发现，细胞外pH 值降低可诱导软骨细胞凋亡，软骨细胞是ECM 合成的唯一来源，其减少可诱发软骨变性。此外，软骨酸性环境可激活基质金属蛋白酶，进而降解PG；组织蛋白酶K 在酸性条件下自动激活，降解Ⅱ型胶原，从而导致OA 的发生[13-15]。

2 UTE-MRI 概述

UTE 序列是TE＜1 ms 的序列的总称，其使用半切片选择和可变速率选择性激励使TE 短至8 μs，仅为信号激发与接收的硬件切换时间，相比常规MRI 检查时间缩短为1/10～1/20，因而有效缩短了TE，实现短T2组织的直接成像[3,16]。2D UTE 序列通常采用半激励脉冲，并从中心向外径向采样k 空间，随后将来自2 个半激励的数据合并，以生成k 空间的单个径线。将径向k 空间数据映射到笛卡尔网格并通过2D 逆傅里叶变换进行重构。3D UTE 序列则是在2D UTE 序列的基础上采用短硬脉冲激发结合三维放射状数据采集技术[7,17]。为了更好地显示软骨等短T2组织，需要抑制周围的长T2组织信号，常用的方法有双脉冲回波序列、双重反转恢复UTE 技术和长 T2饱和 UTE 技术[18]。

3 UTE-MRI 软骨定量研究

3.1 T2* mapping 和 UTE-T2* mapping 技术 T2*mapping 采用多回波梯度回波序列，经后处理获得伪彩图，利用单指数或双指数衰减拟合模型获取T2* 值[19]。相比 T2mapping，T2*mapping 具有更短的扫描时间、更大的空间分辨率以及3D 兼容性等优势[20]。基于UTE 序列的T2*mapping 可以直接观察深层软骨的形态特征，并可对其进行定量研究，反映早期OA 中深层软骨组织的变化。

软骨早期变性时PG 含量减少、胶原纤维网断裂以及水的渗透性增加。与PG 和胶原纤维结合的水变成了自由水，使得自由水增加、结合水减少，自由水与结合水的比例增高，使软骨的T2*值升高。Du 等[21]采用双重反转恢复UTE 序列对尸体标本ZCC 的T2*值进行定量研究，测量出ZCC 的T2*值范围为1.0~3.3 ms，实现了ZCC 的无创性评估。Liu等[7]采用3D-UTE-Cones 序列检测出健康正常者体内 ZCC 的 T2* 值为 0.93~3.52 ms，表明 3D-UTECones 序列可以实现ZCC 在体直接成像及定量研究。ZCC 与OA 的发病机制密切相关，UTE 序列上ZCC 的可视化和量化有助于OA 的早期诊断及治疗监测。Williams 等[22]研究显示深层软骨中的UTET2* 值通常随着软骨变性的增加而升高，UTET2*mapping 可以检测关节软骨深部组织损伤和重塑的早期细微征象；研究还比较了2D 和3D UTE-T2*mapping 测量股骨内侧髁和胫骨内侧平台的UTET2*值，结果发现3D-UTE-T2*mapping 对胫骨平台的深层软骨变化更加敏感，而2D UTE-T2*mapping可以作为评估OA 早期股骨内侧髁软骨变化的影像学生物标志物。

UTE-T2* mapping 易受磁场磁敏感性的影响，产生磁敏感伪影[19]。UTE-T2*值受魔角效应影响较大，有研究[23]发现肌腱标本的纤维走行与主磁场的夹角由0°变为55°时，UTE-T2*值增加了6 倍。可见，UTE-T2*定量结果的不稳定性使其在OA 早期诊断的应用中存在较大的局限性。

3.2 UTE Adibatic-T1ρ技术 T1ρ序列是当磁化矢量倾斜90°到横向平面后施加一个长时间、低能量的自旋锁定射频脉冲，锁定横向磁化强度，使质子保持同相。多次采集后，获得不同的自旋锁定时间，根据曲线拟合指数衰减模型获得T1ρ衰减时间常数，测量软骨兴趣区 T1ρ值[24]。T1ρ反映了运动受限的水分子及其局部大分子之间的相互作用，可反映组织的生化特征，在组织发生形态学变化前，定量T1ρ值即可发生变化。软骨胶原基质内的GAG 分子与水相互作用产生肿胀压力，这种压力有助于关节软骨黏弹性的形成。因此，高GAG 含量和完整的胶原结构可以维持正常软骨和关节的机械功能，而GAG的丢失会造成机械响应差，可作为软骨退变的早期标志[25]。Shen 等[26]通过测量OA 模型兔股骨髁软骨的 T1ρ值，发现 PG 含量变化与 T1ρ值之间有显著相关性，PG 含量的减少会导致T1ρ值的升高，并且T1ρ值的增加与软骨变性程度成正比。由于偶极-偶极效应，魔角效应严重影响连续波T1ρ（continuous wave-T1ρ，cw-T1ρ）对关节软骨的成像。Adibatic T1ρ技术使用了绝热自旋锁定脉冲，对魔角效应的敏感性更低，有利于减少磁场不均匀性的影响并降低特定吸收率[27]。Rautiainen 等[28]通过测量不同退变程度软骨标本的Adibatic T1ρ值发现，该值与生物力学测量和国际骨关节炎研究学会（Osteoarthritis Research Society International,OARSI）分级密切相关，表明 Adibatic T1ρ序列对软骨变性高度敏感，而且由于其具有降低特定吸收率值和对磁场不均匀不敏感的特性，临床应用更具有优势。

常规 Adibatic T1ρ使用笛卡尔采集，TE 为几毫秒甚至更长，无法实现短T2*组织如关节软骨深层、半月板、韧带和肌腱的可视化，而3D-UTE-Cones Adibatic T1ρ序列可对关节软骨深层以及膝关节其他组织进行全面、稳定的成像及定量研究。Wu 等[29]对 8 个膝关节样本在与主磁场夹角 0°、30°、55°、70°、90°时分别进行扫描，结果发现深层软骨的角度依赖性较浅表层软骨明显；此外，Cones Adibatic T1ρ值随角度变化的幅度小于 Cones-cw-T1ρ值和Cones-T2* 值，表明 3D-UTE-Cones Adibatic T1ρ序列不仅可以对所有关节组织及其成分进行系统评估，而且其受魔角效应的影响较小。

定量T1ρ成像需要获取具有不同自旋锁定时间的多个图像，扫描时间相对较长，可以通过减少自选锁定时间的个数或者使用具有加速技术（例如并行采集成像或压缩感测技术）的快速3D 采集缩短扫描时间[30]。

3.3 UTE-MT 技术 MT 成像是一种以极快的横向弛豫提供质子池信息的间接技术[31]。双池MT 模型主要研究关节软骨中可自由移动的水质子池和运动受限的大分子质子池之间的相互作用[32]。在射频脉冲前施加一个额外的饱和脉冲，选择性饱和大分子池中的质子，随后被饱和的大分子质子将磁化传递到水质子池，使得一部分水质子饱和；被饱和的水质子无法产生共振，因此水质子信号减少，从而反映软骨中大分子的含量。MT 定量参数包括大分子质子分数、大分子质子的T2值和磁化转移率（magnetic transfer ratio，MTR）等[31-33]。

虽然MT 可用于间接研究大分子质子池，但由于大分子质子池平均横向弛豫极快，使用常规的采集方法无法获取足够的信号[34]。与UTE 结合后的UTE-MT 则可以获取和量化这些“不可见”的组织信号成分；与只能检测到表面软骨信号的常规MT成像相比，UTE-MT 可以获得软骨基质在OA 进展过程中的完整影像变化，从而实现软骨的定量研究[35]。Yang 等[36]通过在体外对不同程度退变的股骨前外侧髁软骨标本进行3 T MRI，测量兴趣区的UTEMT 值、UTE-T2*值和T2值，并对相应软骨区域进行Mankin 评分，发现UTE-MTR 值随着软骨变性的升高而降低，早期软骨退变中UTE-MTR 值与Mankin评分相关，并且其诊断效能高于UTE T2*mapping和T2mapping，表明UTE-MT 对软骨退变的敏感性较高，具有全面检测和诊断早期软骨退变的临床应用潜力。Ma 等[23]用跟腱标本研究魔角效应对UTE-MT定量参数的影响，发现UTE-MT 定量参数均显示出最小的角度依赖性（变化小于10%），并且这些参数的变异系数均较小，表明UTE-MT 参数对魔角效应不敏感，有助于识别早期疾病、监测疾病的进展以及评估疾病治疗效果。

由于MT 技术需要采集多个饱和脉冲功率和频率偏移的数据，因而扫描时间过长[37]。可以尝试通过减少MT 建模使用的数据集来减少扫描时间，也可尝试利用克拉罗下限理论选择MT 功率和频率偏移量进行MT 建模[23]。此外，MTR 值还易受到许多因素的影响，包括偏差频率、射频角度和场强，限制了其在软骨变性评估中的准确性[36]。

3.4 acidoCEST-UTE 技术 软骨ECM 的合成与降解、蛋白水解酶的活性及软骨细胞的凋亡均受软骨细胞外pH 值的影响[38]；此外，关节组织的酸化还与OA 相关的疼痛有关[39]，因而监测软骨细胞外pH 值有重要的临床价值。以往软骨的细胞外pH 值只能通过体外检测或者采用有创的方法进行体内测量。近年来随着acidoCEST-UTE 技术的发展，使在体无创测量软骨细胞外pH 值成为可能。

CEST 技术是MT 技术基于化学交换理论的延伸，其基本原理是首先施加预饱和脉冲，使可交换质子达到饱和状态，并与周围水分子发生化学交换作用，使水分子饱和。通过测定水分子在施加饱和脉冲前后的信号变化，间接获取特定分子的含量以及组织pH 等重要的生物学信息[40-41]。为了提高acidoCEST-MRI 技术软骨成像信噪比，经常需要使用碘帕多或碘海醇等非离子型碘对比剂，才能更好地测量水和酰胺侧链之间的质子交换产生的CEST信号。CEST 信号与pH 值呈线性相关，因而能够敏感地反映pH 值[41]。然而，基于梯度序列或者快速自旋回波的传统acidoCEST 序列，TE 值较长，无法用于短T2组织（如软骨、半月板等肌骨组织）的pH 值测量，因此以往acidoCEST MRI 主要用于测量肿瘤的pH 值[40]。与UTE 技术相结合的acidoCEST-UTE技术克服了TE 较长的缺点，可用于在体测量肌骨组织的 pH 值[42]。Ma 等[42]和 High 等[43]分别通过体外、体内实验验证了acidoCEST-UTE MRI 用于测量软骨细胞外pH 值的可行性，acidoCEST-UTE 成像技术可实现快速评估软骨细胞外pH 值的变化，在OA 的超早期诊断及疾病监测中具有重要意义。

acidoCEST-UTE 成像作为一种新兴的UTE 定量技术，存在扫描时间较长、容易产生运动伪影等不足，但是随着该技术的不断发展与优化，后期将可以通过减少采集数据点（如减少非共振数据点采集）、进一步优化UTE 序列、缩小扫描覆盖范围以及结合先进的加速技术（如压缩感知和并行采集成像等）来缩短扫描时间，使其更适用于临床[42]。此外，acidoCEST-UTE 技术的CEST 效果取决于饱和频率，因此还需要开展更多大样本量的实验，以进一步优化饱和频率，获得最佳成像方案[43]。

4 小结与展望

UTE 序列以超短TE 为特征，可通过全面精准评估软骨PG、胶原及细胞外pH 等生化指标，获得主要成分表现为短T2值的关节软骨结构的清晰成像及定量研究；在OA 的超早期诊断、进展评估以及治疗指导等方面具有重要的意义和临床价值。虽然由于种种限制，UTE-MRI 的研究更多处于实验阶段，尚未得到临床上的广泛应用和推广。但是，随着UTE-MRI 技术的持续发展以及软硬件设施的优化升级，UTE-MRI 技术仍存在很大的发展空间，通过进一步开展更多的临床和基础研究，以及制定规范的应用流程，将有助于该技术为早期OA 的诊断和治疗提供更精确的指导。