MRI T1ρ在骨关节炎软骨退变诊断和治疗中的进展

张逸轩， 汤光宇

(同济大学附属第十人民医院放射科，上海 200072)

骨关节炎(osteoarthritis， OA)是一种严重的退行性关节疾病，膝关节和髋关节是最常见的发病部位。在全球范围内，每年大约有150万患者因为疾病进展至终末期而接受全膝关节置换术(totalkneearthr-oplasty， TKA)，预测在未来数量将增加4～6倍。关节软骨(articular cartilage)的损伤退变是OA发病的最初因素[1-2]。OA的早期诊断有助于临床在早期进行干预，因此，关节软骨损伤的早期发现显得尤为重要。MRI能够显示出软骨受损、骨质侵蚀、滑膜增生以及骨髓水肿等病变[1]。MRI T1ρ序列作为一种定量MRI技术，用于关节软骨定量检测已有十余年历史[2]，现对其近年研究进展进行综述。

1 关节软骨的生理结构与OA的病理生理改变

正常关节软骨是由少量的软骨细胞(约占4%)及所处的细胞外基质(extracellular matrix， ECM)组成，后者主要由水(占60%～80%)、胶原蛋白(占15%～20%)和带有负电荷的蛋白多糖(占3%～10%)组成。软骨组织结构一般分为4个区域，从浅至深分别是表层(切线层)、中间层(移行层)、深层(放射层)和钙化层，钙化层之下是软骨下骨和松质骨。由表及里，水的含量逐渐减少，且大部分水处在游离状态，少部分与胶原结合存在。胶原蛋白主要为Ⅱ型胶原蛋白，一般认为胶原纤维在深层是垂直分布，在中间层随机分布，而在表层平行于软骨的平面。蛋白多糖(proteoglycan， PG)以刷状蛋白作为核心，延长区域有糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)链附着。PG上的负电荷吸引金属离子，进而通过渗透作用从组织外吸收水分，起到扩张软骨的作用。PG有助于软骨组织维持低水渗透性和高膨胀压；胶原在各层间存在的排列差异，产生了相对PG的反拉力和剪切力的作用[3]。这两者在各层浓度不一，表层最少，中层最多，这种分布方式有助于正常软骨形态的保持。

OA发生早期时，关节软骨的退变主要表现在细胞外基质中的PG减少和胶原网络的疲劳、破坏，包括了PG浓度下降，水含量上升，基质大分子合成、降解速率的下降，这些变化影响了软骨力学性能，明显早于软骨形态学变化[4]。因此，通过明确软骨成分的改变能够实现软骨早期退变的判断，进而实现OA早期诊断。

2 MR T1ρ成像原理

常规自旋回波序列下，在射频脉冲后，磁化会沿着一个Z轴翻转到XY平面，之后会在空间内自由弛豫，恢复到主磁场方向；而通过外加沿磁化矢量翻转的轴线方向的、连续的、长周期的脉冲，使得受激发的物质仅在新加脉冲场方向上衰减，称之为自旋锁定，通过拟合曲线得到的这个弛豫时间(T1ρ)被称为在旋转坐标系里的自旋-晶格弛豫时间，是一时间常数。

在传统弛豫里，纵向磁化可以在拉莫频率下发生晶格内能量的交换。在自旋锁定脉冲下，横向磁化会在自旋锁定脉冲下晶格内交换能量，这直接与脉冲的幅度相关。T1、T2弛豫时间是组织的固有特性，一般不会受到脉冲序列参数的影响；而T1ρ的值是由组织特性和自旋锁定脉冲的特征所决定。通过改变自旋锁定脉冲的幅度和频率，能影响晶格间的相互作用，产生不同的弛豫时间，进一步通过计算得到组织的T1ρ值。T1ρ对晶格间慢作用运动敏感，而慢运动与大分子相关，因此T1ρ弛豫参数提供了在低频领域下的生物信息，范围是几百到几千赫兹，故用在研究大分子与游离水低频相互作用上[5]。在关节软骨中，这主要体现在PG和水的相互作用上，当PG含量减少时，T1ρ值增大，故MRI T1ρ应用于关节软骨中主要反映两者的变化。

3 T1ρ在关节软骨退变早期诊断的价值

膝关节OA发生早期，关节软骨PG含量的减少使得T1ρ升高。体外研究表明，发生OA的关节区域相比较于正常区域，软骨的T1ρ值更高，进一步试验证实T1ρ与软骨、滑膜液中的PG含量成负相关，而与组织含水量、通透性成正相关[6]。Regatte等[7]较早开始了在体T1ρ定量扫描，初步计算出志愿者的定量T1ρ值。Wang等[8]通过在体MRI T1ρ扫描，明确了OA患者的关节软骨T1ρ值高于正常人。在此基础上，Baboli等[9]采用三维各向同性的0.7 cm×0.7 cm×0.7 cm分辨率MRI进行正常人膝关节T1ρ扫描，在数据处理上，同时采用单指数和双指数弛豫的算法，得到了正常人全膝关节的T1ρ基线值。研究均发现了运动负荷会影响T1ρ[10-11]。Taylor等[10]对同一批志愿者分别于清晨和傍晚两次扫描，获得的T1ρ值傍晚较清晨增高7%，这提示日常活动所造成的运动负荷一定程度上影响T1ρ。Kester等[12]对接受TKA的患者在术前进行T1ρ扫描，术后取扫描部位标本进行病理检查，发现患者MRI图像显示软骨形态无异常，而T1ρ数值升高，与镜下所见软骨退行性变相符合，证实了T1ρ对OA早期诊断的价值。

髋关节畸形是造成青壮年OA的主要原因，对畸形分类评估、诊断有助于临床开展进一步诊断和治疗，而关节软骨退变可以早期反映髋关节畸形的病理变化。Nemeth等[13]完成了30例正常人的髋关节T1ρ扫描，并在扫描后30 min进行第2次扫描，14 d后进行第3次扫描，3次扫描结果的一致性确认了T1ρ扫描髋关节软骨的可重复性。Anwander等[14]对髋关节畸形进行评估，在1.5 T场强下进行T1ρ序列扫描，并采用六分区进行图像数据的采集与分析，获得了较好的数据的结果，并在Cam畸形诊断中得到了验证，为新的研究提供了一种可行的数据分析策略。Samaan等[15]把肌电图与MRI T1ρ相结合，证实了在股骨撞击综合征患者中常伴有关节软骨的受损。Han等[16]对不同的ARCO(Association Rese-arch Circulation Osseous)分级的股骨头坏死患者同时进行T1ρ和T2 mapping检查，发现与T2 mapping相比，T1ρ对股骨头坏死的不同分级间的差异显示更灵敏，表明T1ρ在分级诊断里价值更高。

肩关节脱位是一种肩部外伤最常见的疾病，发生前脱位的患者并发盂肱关节病变风险较高，存在再次脱位的风险，评估关节软骨的改变有助于临床判断再脱位发生的风险。Hayes等[17]较早采用MRI T1ρ检测盂肱关节软骨病变，发现其对于定性检测软骨病变具有较好的灵敏度、特异度。在此基础上，研究利用T1ρ可以定量评估软骨病变程度的特点，通过一项前瞻性研究，揭示了原发性肩关节脱位中，肱骨头软骨损伤程度高于关节盂软骨损伤，有助于指导临床制定相应的治疗方案；同时，他们还进一步尝试建立关节盂和肱骨头软骨的T1ρ值基线，便于早期肩关节脱位发生后及时对患者的软骨损伤程度进行评估，这对复发性脱位的早期发现与治疗有着重要意义[18]。

慢性踝关节不稳是运动后外踝扭伤常常导致的一种慢性关节病变，当理化因素改变时，会进一步导致OA发生。Wikstrom等[19]采用MRI T1ρ对患有慢性踝关节不稳的患者进行评估，发现T1ρ值和变异率较正常人明显增高，验证了慢性踝关节不稳和创伤后OA在关节软骨的改变上是相仿的，这一改变早于形态学的变化，故MRI T1ρ可以早期评估踝关节创伤后患者的远期生活质量。

常规的自旋回波序列T1ρ扫描存在的不足之处，如耗时较长，射频脉冲能量高[20]，且因回波时间较长，不能够采集短T2、T2*软骨组织成分的信号。超短回波序列(ultrashort echo time， UTE)是一种能对短T2、T2*成分(软骨深层和钙化层)进行直接显示及生化定量分析的方法。Ma等[21]针对关节软骨中的短T2组织，采用UTE T1ρ扫描，发现较常规T1ρ扫描能更好地显示短T2、T2*的软骨深层和钙化层，提出了将UTE T1ρ作为一种新型定量MRI技术用于关节软骨的研究，用于区分肌骨系统中的短T2组织。

4 其他关节软骨定量MRI技术

T2 mapping是采用多回波自旋回波序列进行扫描，经后处理得到T2值，通过T2值进行关节软骨的定量评估。软骨组织的T2值主要和细胞外基质内胶原纤维和水的变化相关[22]；离体实验表明，软骨损伤发生后，水含量增加，而GAG的浓度降低，关节软骨的T2值增高，并且随着退变程度的加重，T2值将会逐渐增高[12,23]。T2 mapping扫描所得的T2值受到魔角效应的影响，即当胶原蛋白的排列方向与主磁场方向成55°角时，T2值会发生较大偏差，这样会使得定量评估软骨退变的准确性下降[24]。

T2*mapping同样是一种反映关节软骨中水、胶原纤维含量变化的磁共振定量评估技术。在软骨退变的不同阶段，水分子的含量不同，胶原纤维排列方式亦存在差异，试验表明T2*值会随软骨退变程度的加重而降低[25-27]。T2*mapping相比T2 mapping有着成像快、重复性好等优势，但是敏感性不如T2 mapping[28]。除此之外，T2*值还更容易受到磁场不均匀的影响[29]。

延迟钆增强磁共振软骨成像(delayed gadolin-ium-enhanced magnetic resonance imaging of cartil-age， dGEMRIC)是用钆对比剂来进行增强成像，用于评估关节软骨中GAG含量的变化。在关节软骨退变的早期，随着PG、GAG含量的下降，阴离子减少，此时电荷分布不均，所以对具有负电荷的顺磁性钆螯合物的排斥力下降，从而使对比剂能够进入到软骨的退变区域，在信号上表现为T1值的缩短[30]。dGEMRIC中钆对比剂的用量为常规增强MR剂量的两倍，给药后患者需进行长时间运动，从而使得对比剂进入关节里，再完成多次反转恢复序列的扫描，通过数据处理得到软骨的T1值。因此，dGEMRIC可以定量反映软骨内PG、GAG的含量；软骨的T1值降低时，表明软骨内PG、GAG含量下降，软骨的损伤程度增加[31]。但dGEMRIC技术存在扫描时间相对长、需要患者运动配合以及钆对比剂用量大等缺点，限制了进一步临床试验的开展。

磁化传递对比(magnetization transfer contrast， MTC)技术是一种新型软骨成分MR定量分析方法，它利用大分子与水间偶联的磁化传递效应进行成像。关节软骨内有着大量的大分子，这些大分子内质子与水之间的磁化传递率(magnetization transfer ratio， MTR)会随着大分子含量、结构的改变而不同；MTC技术可以计算出两者间的MTR，从而反映出软骨结构的病变。目前的试验表明软骨中PG含量减少的时候，MTR值会降低，但同时报告了MTC技术的准确度、特异度欠理想[32]。

与其他软骨定量MRI技术相比，T1ρ可特异性反映PG含量的变化，部分实验表明灵敏度、特异度较T2、T2*高[13,16,33]；同时T1ρ受到魔角效应的影响不显著[34]；与dGEMRIC相比，MRI T1ρ无需对比剂，无需较长的等待时间；同时UTET1ρ作为T1ρ新的发展方向，能清楚地显示软骨深层和钙化层，在膝关节软骨成像方面有一定优势。

5 T1ρ在关节软骨病变疗效评估中的应用

MRI T1ρ除了在关节软骨疾病的早期诊断中起到重要作用，现在更多地应用于评估疗效。Hirose等[35]比较了类风湿性关节炎治疗前与治疗(甲氨蝶呤、泼尼松龙)后1年的关节软骨MRI，显示软骨层厚有所下降，T2 mapping升高，而T1ρ未见明显升高，提示药物治疗作用的原理可能与PG提高相关。Knox等[36]在一项长达两年的随访研究中，发现前交叉韧带损伤重建术后外侧半月板后角的T1ρ值明显下降，而内侧半月板后角的T1ρ值在全部随访时间内一直保持增高，说明ACL重建术有益于外侧半月板恢复，但可能加重内侧半月板的变性，这有助于外科手术疗效的评估随访。Haraguchi等[37]采用自体骨软骨移植(autologous osteochondral transplan-tation， AOT)治疗距骨剥脱性骨软骨炎，通过2年的疗效随访，他们发现移植骨的T1ρ升高，提示其中的PG成分减少，这与临床上AOT术后患者的运动水平下降一致，展示了T1ρ在术后随访中的重要作用。还有更多的学者将MRI T1ρ应用在膝关节交叉韧带损伤重建术后的评估中，分别采取了术后不同时间段随访，扫描获得移植物的T1ρ值，并与临床膝关节评分、化验结果、运动能力等比较，均获得T1ρ有着良好一致性的结果，表明T1ρ作为一项量化指标在评估疗效应用有着广阔前景[38-41]。

6 展 望

OA是老年人最常见的慢性病之一，随着老龄化社会的进展，更早、更精准的影像学评估手段有着很大需求。MRI T1ρ作为一项定量磁共振检查方法，可特异性反映PG含量的变化，当软骨变性PG含量减少时，T1ρ值增大，能较早地发现、诊断疾病。MRI T1ρ也具有着无须对比剂、无须较长等待时间、灵敏度相对高等优点；同时，UTE T1ρ作为T1ρ新的发展方向，能清楚地显示软骨深层和钙化层，可以展示出病变的更多细节。MRI T1ρ作为一种无创、敏感的定量检查手段，已在关节软骨评估中发挥着不可替代的作用，随着技术的不断优化，将在软骨变性早期定量评估和疗效监测中发挥重要作用。