陈骏军　郭成茂　陈武标

【摘要】 膝关节骨性关节炎是现代人生活中的常见病，不仅影响膝关节的活动功能，也给生活带来了诸多的不便，因此早期诊断关节炎，可以及时预防及治疗关节面下软骨的损伤，减少后期因关节损伤造成的关节畸形及残疾。常规的影像学检查对骨性关节炎的诊断价值不高，本文就新型磁共振成像技术在膝关节软骨中的应用研究进展进行综述。

【关键词】 磁共振成像 膝关节软骨 骨性关节炎 软骨损伤

Application and Research Progress of MRI Imaging Technique in Knee Osteoarthritis/CHEN Junjun， GUO Chengmao， CHEN Wubiao. //Medical Innovation of China， 2022， 19（14）： -183

[Abstract] Knee osteoarthritis is a common disease in modern life， which not only affects the function of knee joint， but also brings a lot of inconvenience to life， therefore， early diagnosis of arthritis can prevent and treat the injury of subarticular cartilage and reduce joint deformities and disabilities caused by joint injury in the later stage. Conventional imaging examination is of low value in the diagnosis of osteoarthritis， this paper reviews the application of new magnetic resonance imaging in knee cartilage.

[Key words] Magnetic resonance imaging Knee cartilage Osteoarthritis Cartilage injury

First-author’s address： The First Clinical Medical College of Guangdong Medical University， Zhanjiang 524000， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2022.14.044

膝關节骨性关节炎（keen osteoarthritis，KOA），在中老年人中发生率较高，临床以关节僵硬，肿胀伴疼痛，间歇性弹响，活动和功能障碍为主，后期往往导致关节畸形及残疾[1-2]。骨性关节炎的主要病理机制表现为关节软骨的损伤变性及退变，但关节软骨早期损伤常常因临床症状不严重容易被忽略，因此利用相关辅助手段早期诊断KOA，既有助于医生尽早干预和治疗患者，也能减少患者的痛苦。临床上常利用关节镜及影像学检查诊断KOA，其中关节镜检查是临床诊断关节软骨损伤的金标准，它不仅是一种有创侵入性检查方法，对操作人员的技术要求很高，最大的缺点在于检查过程中观察视野存在一定的盲区，并且并不能观察到软骨在发生形态学改变之前的软骨内部成分的变化[3]。X线及CT检查对KOA早期诊断价值不大[4]，不能直观了解膝关节软骨内部组织结构成分的改变，往往都是到了中后期才出现关节间隙变窄、骨赘形成及骨质疏松等间接征象。磁共振成像技术（magnetic resonance imaging，MRI）是一种非侵入性的安全成像技术，其不仅可以设计多种方向，增加新型序列，修改参数和调整多级成像的特征，而且极佳的软组织分辨率是其他影像检查无法替代的，这为诊断KOA软骨损伤及退变提供了巨大的帮助。近年来，出现了众多关于研究KOA关节软骨成像的新技术[5]，比如弥散张量成像技术、软骨延迟增强成像技术、钠离子成像技术等，现将新型MRI一系列软骨成像新技术在KOA诊断中的应用进行简要综述。

1 关节软骨成像的MRI新技术

1.1 T2-mapping与T2*-mapping T2-mapping是目前在研究关节软骨中相对成熟并得到广泛运用的MRI生理成像技术[6]，通过测量软骨中的T2值来定量评估组织学结构，利用多层面多回波自旋回波SE序列提取T2-mapping成像图像，由工作站相应的软件处理原始图像，产生T2伪彩图。在T2伪彩图上，通过人工自主挑选出相应的兴趣区（ROI）并测量T2值，定量分析关节软骨生化成分的变化[7-8]。关节软骨T2值还能反映软骨内含水量、胶原含量及排列式变化。正常的关节软骨在T2图上连续光滑，色阶均一，当关节软骨发生不同程度慢性损伤时出现复杂不一的色阶，病变部位T2值明显升高。文献[9-12]研究表明，T2-mapping显像能检测出早期KOA，随着软骨损伤程度逐渐增加T2值也随之升高，与其含水量成正相关。张堃等[13]通过Meta软件的分析（KOA组：420例，健康对照组：450例），研究结果提示可以利用T2-mapping技术来区分KOA和健康人群，KOA组关节软骨T2值显著高于健康对照组，且升高的程度与软骨损伤的级别有关。Mackay等[14]通过对超过2 000个膝关节进行回顾性分析，也进一步验证了T2-mapping成像技术诊断KOA的重要性及可靠性，根据T2值的变化程度检测软骨形态出现损伤前的病理生理改变，对于轻度KOA患者的早期诊断更具潜在价值。T2-mapping序列在膝关节软骨损伤的疗效及术后评价等方面也具有重要作用。胡忆文等[15]对100例前交叉韧带重建术患者间隔一年的追踪。结果表明，即使患者膝关节活动功能恢复状态良好，相应临床症状减轻或消失，但膝关节软骨损伤退变继发KOA风险仍较高。

T2*-mapping成像技术也主要运用于组织生物学领域的研究，与T2-mapping对比，前者成像时间更短，图像信噪比（signal to noise ratio，SNR）更高，所以临床上应用T2*-mapping效果要好于T2-mappping。Hesper等[16]研究表明，正常关节软骨T2*值由浅至深逐渐下降，但KOA患者关节软骨T2*值逐渐上升。

1.2 弥散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）與弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI） DTI与DWI均能反映水分子在生化组织中的自由扩散程度和各向异性，定量评估关节软骨内水含量及分布。利用DTI的原始图像，不仅可以得到软骨组织的表观弥散系数（average diffusion coefficient，ADC），而且还可以得到反映水分子部分各向异性指数（fractional anisotropy，FA），从而可以定量地研究组织中水的含量和胶原纤维结构的变化情况[17]。大多数研究表明，膝关节软骨随着退变或损伤程度增加，ADC值也逐渐增加，相应软骨信号逐渐减弱。赵丹丹等[18]采用Philips 3.0T MRI对114例不同年龄阶段健康志愿者的髌股关节软骨进行DTI研究发现，随着年龄增长，ADC值逐渐升高，FA值逐渐降低;DTI成像技术对关节软骨成分及胶原纤维的排列方式和含量达到了量化的效果。李文文等[19]发现，在前交叉韧带损伤合并软骨损伤的观察中，FA值特异性为80%，敏感性为96.7%，可见FA值用于检测软骨损伤意义重大。张新慧等[20]研究发现，早期KOA患者软骨的ADC值明显高于正常人，在软骨出现不可逆的损伤时进行早期干预治疗具有较高临床价值。鞠文萍等[21]对81例膝关节（OA组：53例，健康对照组：28例）DWI研究表明，ADC值不仅能诊断KOA患者软骨退变，而且能区分软骨损伤的轻重程度。DTI以及T2-mapping成像技术，对早期膝关节软骨发生形态学改变前的损伤评估及诊断均有很重要的价值[22]。DTI成像技术的局限性在于数据测量的重复性较差，后处理耗时长，结果也会因为分析系统及个体差异得出不同结论。

1.3 旋转框架内自旋晶格弛豫（the spin-lattice relaxation in the rotating fram，T1ρ） T1ρ成像是一种新型的MRI定量测量技术，主要以常数T1ρ作为信号衰减时间的检测指标，在常规序列的基础上，通过预先施加自旋锁定脉冲来实现成像。T1ρ可以反映软骨组织大分子之间的关系，可根据软骨中蛋白多糖含量分布的变化判断软骨损伤的程度，现已逐步应用人体诸多关节[23]。刘宇等[24]对24例膝关节Ⅰ型胶原蛋白基质置入术后软骨修复及20例正常健康对照组研究表明，T1ρ和T2-mapping成像可以监测术后不同时期软骨生化成分的T1ρ和T2值，动态跟踪软骨术后修复情况，为术后软骨修复效果评估提供可靠参考价值。Hu等[25]研究（腰椎小关节OA组：176例，健康对照组：21例）表明，T1ρ成像技术反映关节软骨损伤比T2-mapping和T2*-mapping成像技术更有优势。文献[26]通过T1ρ扫描健康和KOA模型猪，结果显示KOA区关节软骨T1ρ弛豫时间越长，蛋白质含量逐渐降低。尽管T1ρ成像技术有独特的优点，但T1ρ成像扫描时间较长，且图像质量不稳定，因此在临床常规扫描中并不能得到广泛的应用。

1.4 软骨延迟钆增强成像（delayed gadolinium enhanced magnetic resonance imaging of cartilage，dGEMRIC） dGEMRIC是通过测量T1弛豫时间来定量评估早期软骨损伤中缺失的蛋白多糖。临床上常常用于骨性关节炎的诊断，特别是评估早期软骨形态学改变前的损伤程度[27]，但这项技术具有一定局限性[28]，不仅需要注射对比剂，且对比剂的潜在副作用和它渗入软骨内需要时间偏长，仍需患者配合关节活动，以至于不能很好地控制注射对比剂和扫描时间。Wei等[29]通过对8名健康志愿者膝关节软骨研究表明：dGEMRIC被证明是一种评估关节软骨内蛋白多糖含量更准确、更灵敏的影像工具。Engen等[30]对21例软骨（10例软骨基质置入术后，11例健康志愿者）研究表明，dGEMRIC还可用于评估软骨术后患者的恢复情况。

1.5 钠离子成像（NA-MRI） 钠离子成像与dGEMRIC的成像原理相似，主要是通过MR特殊序列及特定线圈等硬件来测定软骨内钠离子分布的位置及信号强度，根据软骨中释放的钠离子浓度，在软骨发生形态变化之前，对软骨中蛋白质多糖的分布和含量进行早期监测。Räsänen等[31]通过对早期OA和晚期OA模型研究也证实了钠离子成像技术可以有效测定OA关节软骨内蛋白多糖的变化。Brinkhof等[32]使用钠离子成像技术，比较健康人和早期症状性OA患者软骨显像，结果表明健康人的软骨固定电荷浓度（fixed charge density，FCD）普遍偏高，而早期OA患者软骨局灶性FCD较低，表明缺乏蛋白多糖。钠离子成像技术在早期诊断关节软骨损伤方面具有良好的应用前景，但也存在一定局限性，比如空间分辨率和SNR低，扫描时间较长，场强高，特殊线圈等硬件设备。

2 膝关节软骨生理及病理改变

细胞外基质（extracellular matrix，ECM）和软骨细胞是关节软骨的主要组成部分。软骨对关节运动的稳定性和正常活动起巨大作用，比如在ECM作用下，关节软骨可以吸收机械应力，保证骨骼的平稳无摩擦运动，软骨的力学性能也得到了提高[33-34]。在微观水平上，ECM主要由水、蛋白多糖和胶原纤维组成，其中胶原纤维以Ⅱ型胶原主，约占15%的比例，错杂交叉的胶原纤维形成稳固的网状结构，具有较强的韧性和抗拉性，对软骨具有保护作用;另外水分约占ECM总重量的70%，在负重、运动、关节损伤时，关节表面软骨水含量减少或渗入关节腔是引起T2值变化的重要原因[35]。MRI多个序列可以探测到软骨水分含量的微小变化，比如T2-mapping成像技术可以在软骨损伤早期的软骨厚度及形态改变之前[36]，最早出现T2弛豫时间的增加。目前关于关节软骨损伤机制尚无明确说法，但一般认为白细胞介素-1β（IL-1β）在软骨损伤中起重要作用，并通过多种途径参与软骨损伤的发生发展[37]。

3 总结及展望

尽管传统MRI技术在软骨显像方面可以克服X线片和CT成像的不足，但大多数MRI常规序列只能显示软骨发生损伤后的形态学变化。为了更直观地发现早期软骨病变的微观生化成分变化，从软骨基质成分、软骨组织组成、胶原纤维排列方式等方面进行分析，帮助临床提高早期软骨损伤准确率，促进早期干预和治疗，研究者们更加注重对早期关节软骨损伤进行组织病理、软骨内显微生化结构变化的成像技术进行深入研究。笔者也期待在不久的將来，MRI在关节软骨成像技术方面不断发展创新，评估关节软骨损伤更加精细化、标准化，提高早期OA诊断的准确率。

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（收稿日期：2021-10-14） （本文编辑：张爽）