王 斌，任占丽，于 楠1,，张喜荣1,，贾永军，贺太平1, *

(1.陕西中医药大学医学技术学院，陕西 咸阳 712046；2.陕西中医药大学附属医院影像科，陕西 咸阳 712000)

膝关节骨性关节炎(osteoarthritis, OA)是以膝关节软骨病变、半月板损伤、滑膜炎、骨赘及韧带损伤等为主要病理改变的退行性关节病[1]，分为原发性和继发性。原发性OA指无明显病因逐渐发生的退行性变，可能与年龄、遗传、体质、代谢等因素有关；继发性OA指继发于创伤、炎症、关节不稳、积累性劳损等疾病致软骨或关节结构破坏，后因关节面摩擦和负荷不平衡等因素发生退变[2]。X线片显示骨性结构异常特异度较高，但对关节软骨、滑膜等细微结构的敏感度及特异度较低。利用常规MR序列，包括自旋回波(spin echo, SE)、双回波稳态(dual echo steady state, DESS)序列等可评估膝关节形态，于膝关节软组织及周围组织发生形态学变化前实现早期诊断。本研究对MRI在膝关节OA不同类型病变中的应用进展进行综述。

1 软骨病变

膝关节软骨为透明软骨，由水和细胞外基质(extracellular matrix, ECM)等构成，水在其中呈规律性分布，由深层至表层逐渐增多。胶原纤维和蛋白多糖聚合物是ECM的主要组成物质，蛋白多糖由带负电荷的糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG)附着在蛋白上，能吸引阳离子(如Na+)。因多种因素导致关节生物力学改变，蛋白多糖丢失、胶原纤维网络破坏及含水量变化，发生骨和软骨形态学改变，软骨出现局灶性缺损而致早期OA；晚期软骨细胞大范围坏死，严重者可完全破坏而剥脱。

T2 mapping成像获得的T2值与软骨含水量有关，故可间接测量ECM胶原含量。退变软骨T2值较正常软骨显著升高，且随软骨退变程度加重升高，可采用T2阈值47.6 ms区分正常软骨与退变软骨[3]。CARBALLIDO-GAMIO等[4]以T2 mapping成像定量分析软骨分层，表层软骨T2值较深层高，而较高T2值可预测软骨病变发生、发展。超短回波时间(ultrashort echo time, UTE)技术亦用于OA软骨病变，包括超短回波时间磁化传递(UTE-magnetization transfer, UTE-MT)及UTE-T2*mapping序列，对膝关节中的短T2组织较敏感。定量观察不同程度软骨损伤OA患者，结果显示正常组软骨UTE-MTR值[(16.30±0.01)%]明显高于OA组[(12.45±0.02)%，P<0.01]，中重度组的软骨UTE-MTR值显著降低；正常组软骨UTE-T2*值[(20.30±7.26)ms]明显高于中重度OA组(P<0.01)[5]。UTE-MT成像可显示OA软骨基质变化，而传统MT成像只能检出表面软骨信号。

自旋晶格弛豫时间(the spin-lattice relaxation in the rotating frame, T1 rho)成像技术对蛋白多糖特异度较高，可反映ECM中蛋白多糖含量。WYATT等[6]采用7T MR仪采集OA组与正常组T1 rho图像，发现2组T1ρ值差异有统计学意义，可依据T1值判断关节软骨中蛋白多糖含量。陈玲等[7]对不同程度软骨损伤OA组与正常组分别行T1 rho和T2 mapping成像，重度OA组、轻度OA组和正常组T1ρ值分别为(48.37±5.80)ms、(44.26±4.16)ms和(40.34±2.10)ms，重度OA组T1ρ值显著高于轻度OA组及正常组，且T1ρ值及T2值随年龄增加而增大。化学交换饱和传递(chemical exchange saturation transfer, CEST)技术利用GAG的可交换质子间接测量体内GAG的局部浓度。非对称性磁化转移率值(magnetization transfer ratio asymmetry, MTRasym)越低，软骨内的GAG浓度越低，软骨损伤越严重，且MTRasym值与疼痛评分呈正相关[8]。

软骨磁共振延迟增强成像(delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage, dGEMRIC)对软骨蛋白多糖含量特异度及敏感度较高。健康软骨dGEMRIC值较高，随软骨退变程度加重，dGEMRIC值降低。CREMA等[9]观察不同程度OA中年女性患者，发现软骨T1Gd值随X线Kellgren-Lawrence分级增加而下降。钠成像(sodium23Na+imaging)是针对软骨中存在的23Na+进行成像，钠离子能与ECM中GAG的负电荷相抵消；OA患者软骨中Na+浓度低于较正常软骨，人体中Na+含量较低且T2较短，给实际应用带来很大困难[10]。

弥散加权成像(diffusion-weighed imaging, DWI)测量ECM内水分子ADC值可反映软骨组织成分变化。浅层与深层软骨中弥散系数存在明显差异。早期OA胶原和蛋白多糖含量减少，软骨中水分子含量相对增多，ADC值增高[11]。扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)能反映软骨中水和蛋白多糖含量，其各向异性分数(fractional anisotropy, FA)值反映胶原纤维的排列变化。RAYA等[12]发现软骨损伤早期胶原纤维结构发生变化，平均扩散系数值自浅层软骨至深层软骨逐渐升高。OA患者深层软骨FA值显著降低，提示DTI能检出早期软骨损伤并对其病变程度进行分级。

2 半月板损伤

半月板主要由纤维软骨组成，且高度水化(水占比72%)，其余成分主要为ECM和细胞。半月板损伤是OA发生发展的重要危险因素。创伤或退变引起的半月板损伤可致关节稳定性降低，改变其生物力学状态，导致软骨损伤，促使OA发生；其他因素导致的OA也可引起半月板继发性改变[13]。

WENGER等[14]采用DESS序列定量观察OA患者半月板，发现OA患者内侧胫骨平台半月板覆盖面积减少，外侧半月板体积更大、脱出更严重。EIJGENRAAM等[15]发现半月板T2值与其组织学泡利评分(Pauli score)呈正相关，提示T2 mapping可用于检测OA早期半月板成分变化。荘高明[16]发现，随半月板损伤程度加重，T1 rho值升高，且半月板T1 rho值与其T2值呈显著正相关。MATSUBARA等[17]分析22例早期OA退变型半月板撕裂患者及19名正常对照组膝关节不同区域，发现半月板撕裂组股骨端浅层及深层软骨、胫骨端前后区域软骨T1 rho值均高于对照组。曹明明等[18]发现半月板退变组软骨T2值[(51.42±4.13)ms]高于非半月板退变组[(43.27±3.85) ms]，且半月板损伤程度与软骨T2值呈正相关，提示半月板撕裂及退变可引起软骨生化成分改变。WANG等[19]发现ACL损伤后半月板T1 rho值、T2值不同程度升高，提示ACL损伤可导致膝关节生物力学改变，引起半月板亚急性退变。

超短回波时间T2*加权(ultrashort echo time-enhanced T2*, UTE-T2*)技术对亚临床半月板变性的敏感度较高，可定性和定量不同类型半月板损伤[5]。TE<1 ms时，正常半月板呈均匀稍高信号；TE为3～6 ms时，半月板胶原纤维网络清晰可见。正常半月板平均T2*弛豫时间为4～10 ms，T2*值升高提示半月板存在亚临床变性，T2*伪彩图半月板信号不均匀提示胶原纤维组织紊乱，可见UTE-T2*技术能反映半月板内部的局灶性变化[20]。

3 骨髓水肿

骨髓水肿(bone marrow edema, BME)是OA典型表现，指软骨下骨骨小梁异常改变，T2WI表现为高信号，常伴软骨退变和关节疼痛，是OA进展的重要病理特征。HAYASHI等[21]采用中等加权脂肪抑制自旋回波序列(intermediate-weighted fat-suppressed spin echo, IW FS SE)和DESS序列对201例不同类型BME进行扫描，发现DESS序列有助于鉴别软骨下骨髓水肿样病变(bone marrow edema-like lesion, BMEL)与软骨下囊肿；IW FS SE序列能更好地显示软骨下BMEL范围。磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy, MRS)是非侵入性探测骨髓内水和脂质变化的技术，可定量水和脂质含量。健康对照组软骨下骨髓以饱和脂质为主要信号，峰值在1.3 ppm处；而OA组软骨下骨髓不饱和脂质峰值和水峰值分别在5.35 ppm和4.65 ppm处，且显著升高；BMEL内的水含量和不饱和脂质均高于周围骨髓，BMEL内的饱和脂质明显下降[22]。

4 滑膜炎

软骨缺损及基线水平的BME与滑膜炎有关，膝关节软骨及软骨下骨异常变化可能是导致OA患者发生滑膜炎的原因。滑膜炎为OA继发性改变，各期均可出现，早期表现为局限性炎症，晚期则表现为炎症弥漫性分布，同时滑膜炎炎性改变可诱导软骨降解，加快OA发生发展[2]。非对比增强MRI不能直接评估滑膜炎，但可利用T2WI髌下脂肪垫信号作为替代标志物，监测滑膜炎变化[23]。增强MRI(contrast-enhanced MRI, CE-MRI)可直接显示滑膜炎症，区分滑膜与关节周围积液[24]。CE-MRI观察结果示滑膜炎改变与疼痛评分无明显相关，其严重程度与软骨退变程度呈正相关[25]。WANG等[26]发现老年OA患者髌上囊、股骨后隐窝区域积液性滑膜炎与膝关节疼痛评分呈正相关，膝关节其他区域滑膜炎与疼痛评分无明显相关，提示仅膝关节特定区域滑膜炎才可能导致膝关节疼痛。

5 骨赘

软骨损伤后关节生物力学特性改变，早期OA软骨下骨可出现骨质流失，进一步发展关节面边缘可形成骨赘，关节轮廓粗糙、不规则，其过程与OA软骨退变、关节间隙变窄等同步[27]。骨赘为OA典型标志，多经X线检查发现，X线和MRI检出存在骨赘提示OA患者软骨缺损和BML程度更严重，且膝关节疼痛与骨赘病变程度呈正相关[28]。针对膝关节骨小梁的MRI研究[29]表明早期OA存在软骨下骨骨体积分数、骨小梁数目和骨间距升高及骨厚度降低，晚期可见骨赘形成，提示X线检查发现骨赘前软骨下骨已出现微观变化，MRI可用于早期监测软骨上述改变。

6 韧带损伤

膝关节韧带主要包括ACL、后交叉韧带(posterior cruciate ligament, PCL)及髌韧带，是膝关节的重要稳定结构，其撕裂及退化致关节生物力学改变并影响稳定性，导致继发性OA；而OA亦使关节生物力学变化，影响韧带功能，进一步加快其发展[30]。WILSON等[31]应用T2 mapping成像发现急性或慢性PCL撕裂OA患者PCL平均T2值为(36±9) ms，高于无症状志愿者(31±5) ms；且PCL撕裂患者T2最高值位于PCL近端，而正常组T2最高值位于PCL远端。肌腱、韧带均为短T2组织，UTE-MRI可早期诊断其损伤和评估损伤程度。存在损伤及退行性改变的跟腱T1值与正常人有明显差异；脂肪抑制UTE T2*mapping可反映韧带和肌腱的生物组成及结构完整性，检测韧带早期退变[32]。

综上，MRI可清楚显示关节软骨及半月板等软组织，直观了解膝关节解剖结构或病变类型，并根据OA的展及病理类型选择特异度及敏感度均较高的技术，于膝关节软组织及周围组织发生形态学变化前早期诊断OA。