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MR_T2图在关节软骨中的应用和研究进展

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MR_T2图在关节软骨中的应用和研究进展 ·894· 塞旦丝盟堂苤查!Q!Q生!旦箜!!鲞筮!塑』£望生墅鱼迪!!』坚璺:!Q!Q!!里!:!!!塑2:垒 MDCT[-J].AJR,2005,185(4):978--984. [73EibelR。HerzogP。DietrichO,eta1.Pulmonaryabnormalitiesin immunoeompromisedpatientsI comparativedetectionwithparallel acquisitionMRimagingandthin--sectionhelicalCT...

MR_T2图在关节软骨中的应用和研究进展
·894· 塞旦丝盟堂苤查!Q!Q生!旦箜!!鲞筮!塑』£望生墅鱼迪!!』坚璺:!Q!Q!!里!:!!!塑2:垒 MDCT[-J].AJR,2005,185(4):978--984. [73EibelR。HerzogP。DietrichO,eta1.Pulmonaryabnormalitiesin immunoeompromisedpatientsI comparativedetectionwithparallel acquisitionMRimagingandthin--sectionhelicalCT[J].Radiolo— gy,2006,241(3):880一891. E8]WebbWR.Theroleofmagneticresonanceimagingintheassess— meritofpatientswithlungcancerlacomparisonwithcomputed tomography[J].JThoracImaging,1989,4(2):65—75. [91GamovaEV.NudnovNV.PotentialitiesofMRIinthedifferential diagnosisofperipherallungcancerandinflammatorychanges[J]. VestnRentgenolRadiol,2006,(4):19—23. [103YiCA。JeonTY,LeeKS,eta1.3一TMRI:usefulnessforevalua— tingprimarylungcancerandsmallnodulesinlobesnotcontai— ningprimarytumors[J].AJR。2007.189(2):386--392. [11]SatohS,KitazumeY,OhdamaS。eta1.Canmalignantandbenign pulmonarynodulesbedifferentiatedwithdiffusion——weighted MRI?口].AJR,2008,191(2):464—470. 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MRT:图在关节软骨中的应用和研究进展 StudyProgressandApplicationofMRT2mappinginArticularCartilage 阴 骏综述,王海林审校 (广州医学院附属广州市第一人民医院放射科,广东广州510180) doi:10.3969/j.issm1002—1671.2010.06.033 中图分类号:R322.7+1;R445.2文献标识码:A 文章编号:1002—167112010)06--0894--05 过去10年,骨关节影像学重要的发展在于对关节 软骨的有效可信的图像再现,MRT:图(T:mapping) 是近年来一种新的分析评价软骨的有效可行的方法。 软骨在人体中存在于关节、椎闻盘等组织中,软骨一旦 收稿日期:2009—11-27;修回日期:20lo一01—20 作者简介:阴骏(1980一),男,四川省攀枝花市人,顼士,住院医 师,主要从事骨关节放射诊断。 损伤,自我修复能力非常有限,但它却对维持正常关节 功能和保持身体平衡有着重要的作用。本文将对 MRIT。mapping技术对评价关节软骨技术的新进展 进行综述。 1软骨的组织学结构 关节软骨又称为透明软骨,是具有黏弹性的物质, 万方数据 塞旦丝盟堂蓥查!Q!Q堡!旦笙!!鲞笙!塑』£!!生垦!堕i壁!!』里坠:!Q!Q!!旦!:!!!塑旦:! ·895· 具有各向异性的生物力学特点。关节软骨对压力的弹 梯度回波MRI中观察到软骨的4层表现,通过与组织 性功能,可以传导和分散负荷,减少软骨下骨受到的最 学对比研究证实其与组织学各层次相对应。此后相关 大压力。关节软骨还可以提供一个平滑的活动表面并 研究也证实关节软骨MRI的分层特征与其胶原纤维 起到润滑作用,使对应的关节面活动时受到最小的摩 排列方向及在各层分布状态密切相关,但与蛋白多糖 擦力。软骨容积中,只含有不到10%的软骨细胞,其 含量无明显相关性。Xia等[7]在股骨头不同负重区截 他则是细胞外基质(ECM)。细胞外基质主要包括胶取骨软骨栓,采用显微MRI(MicroscopicMRima一 原(collagen)、蛋白多糖(proteoglycans,PGs)和水分。ging)在标本软骨面与主磁场方向垂直时进行观测,结 而其中水分则占有很大的比重(约80%)。水分大部果显示:股骨头中央处标本的软骨表现为2层,大转子 分为游离状态,有利于软骨变形和传导负荷,但水分子 处软骨表现为3层,小转子处软骨表现为3~5层,因 的含量与活动受到软骨基质的影响。 此Xia推测上述差异是由于软骨受力状态各异而引起 根据从软骨表面到软骨深层的基质成分的不同, 内部组织结构尤其是胶原的排列方式不同而造成。 以及其不同的机理特性和细胞功能,可将软骨分为4 层或4个区域。分别为表层、过渡层、放射层和钙化 3 MRIT。mapping在分析关节软骨中的应用 层。①表层是最薄的一层,又可以分为2层,最表面的 T。弛豫时间图(T:mapping)技术作为软骨磁共 是一层无细胞的区域,含有少量的蛋白多糖,以及平行 振生理成像的新技术,在临床上还没有得到广泛应用。 于关节表面紧密排列的胶原纤维;深层含有表达蛋白 目前通过磁共振建立关节软骨T。弛豫时间图成像和 的软骨细胞,有润滑和保护功能。这些纤维使这一区 量化分析的技术,可以探讨关节软骨T。弛豫时间测定 域比其他深层的区域具有更强的抗张强度和力量,增 的价值和意义;并为进一步应用于探测外伤和早期骨 加其稳定性,并在关节运动中可能产生剪切力。②过 关节炎等疾病软骨分子水平的变化,建立一种敏感、可 渡层含有不同方向排列的胶原纤维,它起到使压力分 靠和无刨的影像学量化评价方法。 散并更均匀的通过负重组织[1]。过渡层占软骨厚度的 3.1关节软骨T。弛豫时间图成像技术基本原理 40%~60%,与表层比较,它聚集了更多的蛋白多糖,T。弛豫时间为横向磁化弛豫衰减至最大信号强度的 但含有较少的胶原和水分。③放射层的软骨细胞和胶 37%所需的时间,是一个可以用T。弛豫时间图进行量 原纤维呈柱形,垂直于软骨表面排列。放射层含有的 化测定的指标。T。弛豫时间图成像(T:relaxation 胶原纤维直径最大,并且含有蛋白多糖的密度也最大,timemapping),是指获得T。弛豫时间图的技术过程; 但水分含量最低。这些胶原纤维通过所谓的潮线 一般分为2个基本步骤,首先采用多层面多回波SE序 (tidemark)区,潮线是软骨钙化区和非钙化区的大致列,用同一的TR时间和多个不同的TE时间进行扫 分界线。在成人的骨骼中,潮线也被认为是关节软骨 描,获得系列T。加权图像。然后,用公式S(t)一 的潜在剪切平面,是关节软骨最脆弱的地方,在外伤或 S。exp(--t/T。)计算T。如权图像中每个体素(voxel) 炎性病变导致软骨剥离时,分离的位置往往在潮线结 的T。值,经过对像素与像素的计算,重构成可以进行 构[2’3]。④较薄的钙化层是放射层和软骨下骨的分界。量化分析的彩色阶或灰阶Tz弛豫时间图像。 钙化层以凹凸不平的梳齿状结构与软骨下骨相互铆 T。图成像就是对每个像素的T。弛豫时间曲线的 合,钙化层以下的软骨下骨微环境氧和营养丰富,主要 处理。Tz弛豫时间呈指数曲线下降,反映了在干扰射 来源于骨髓和干骺端血管;钙化层以上软骨微环境氧 频脉冲实施后,受激的细胞核的相移改变的时间,以及 和营养缺乏,主要来源于关节腔内的滑液[43。 信号的快速衰减。有些组织(比如肌腱的I型胶原、韧 带、半月板、软骨的基质成分包括软骨的钙化层)的衰 2软骨的MRl分层特征 减过快从而只有很短的T:弛豫时间,为了得到这些组 在传统的MRI诊断中,有很多脉冲序列可用于评 织的很短的T。信号,应用一种特殊的脉冲序列——超 价关节软骨。Modl等口3首先发现关节软骨在T2加权短回波时间技术(ultrashortechotimetechniques 图像上呈3层表现,并且认为表面的低信号与软骨浅 UTE)成为必要手段[8]。 层对应,中部的高信号与过渡层对应,而宽阔的深部低 关节软骨磁共振T:弛豫时间受多种因素影响,与 信号带与放射层及钙化层对应。表层低信号带的发 软骨组织结构的各向异性,胶原排列方向,胶原和水的 现,对于精确区分软骨与周围组织以及早期诊断软骨 含量变化等有关。目前研究主要集中在对软骨胶原结 变性有重要意义。Kim等[6]依关节软骨组织学分层制构与磁体角度不同所致的“魔角效应”(magicangle 成不同深度软骨缺损以对其层次精确标记,在高场强 effeet)和胶原含量[9’10。,以及糖胺聚糖(glycosamin— 万方数据 ·896· 实用放射学杂志2010年6月第26卷第6期JPractRadiol,Jun.2010,V01.26,No.6 oglycans,GAG)含量对T2值的影响也受到关注[11。。 此外也有学者研究性别、年龄、OA等因素对Tz弛豫 值的影响。 3.2软骨组织成分对T。弛豫时间的影响 3.2.1 胶原在关节软骨中也具有高度有序排列的 胶原。当这种有序的排列与水结合后,可以为维持软 骨部分结构的完整提供重要的网状结构。国外许多学 者认为T:弛豫值改变主要与软骨胶原含量及胶原排 列方向有关[12’1引。而胶原构成的各向异性对Tz弛豫 时间也造成影响。Mosher等[14]研究了正常人运动前 后膝关节软骨T。值,发现关节表面的Tz值较高,且 运动后该层T:值下降明显,这与胶原纤维的各向异性 增加有关。 胶原中受激的氢偶极与磁场的长轴间有着明确的 关系。在传统的封闭式MR机中,主磁场的走行与检 查者身体的长轴平行。当外部磁场与自旋的氢核相交 角度接近55。时,辐射层产生T。值延长的现象,这就是 所谓的“魔角效应”(magicanglephenomenon)[14“引。 魔角效应临床上显示为信号的增强,典型表现于关节 软骨中水分受限的基质成分,对应关节软骨的放射层。 Tzmapping是评价关节软骨胶原成分的一种技 术。关节软骨的这种定向排列可以通过彩色的T。图 来观察显示。在用偏振光显微镜检查作为标准的情况 下,软骨的Tz信号特点与其胶原纤维方向的组织学各 层次相对应Ds,ls]。 3.2.2水分部分学者认为软骨内水分的改变同样 影响T。弛豫值[17|。关节软骨中水分的增加是软骨退 变的一个早期表现,由于胶原纤维破坏和胶原成分改 变及排列方式改变,导致了软骨组织中水分的增加,进 而T2值延长n81。 3.2.3蛋白多糖有些研究者认为蛋白多糖的缺失 对软骨的T。值影响不大[1引。即使蛋白多糖相对比例 增高,但对T:弛豫值影响并不大。目前研究表明Tz 弛豫值反映蛋白多糖的降解也并不敏感[203。Mly— narik等n1]发现人体离体的正常软骨与用酶降解了蛋 白多糖的软骨的T。值没有显著差异。 3.2.4软骨超微结构 根据对关节软骨超微结构的 研究,Goodwin等[z1]认为在临床应用的MR图像中, 利用关节软骨排列的3D结构和局部的差异可以来解 释MR图像中的各种表现,而不是利用个别纤维排列 的方向,其结果与T:图的定量分析相同。认识到细胞 间基质的这种3D结构,它被认为和线圈、参数选择、信 噪比、体素大小等因素一样,是导致T,和T。图定量 错误的原因。因此,在进行以MRI定量分析为测量结 果的试验之前,应该修改编码(codemodification),使 试验设计标准化(standardizationofprotocols),并且 有定量的方法学(quantitativemethodologies),这样才 能控制各种因素导致的结果错误[22]。对弛豫时间更 多有效地定量分析可以通过平行并列的图像得到,这 是利用来自接受排列的个体线圈因素进行空间编码, 使编码步骤减少,并加速数据的采集[23|。 3.3其他因素对T:弛豫时间图的影响 3.3.1骨关节炎对T:弛豫值的影响骨关节炎(OS— teoarthritis0A)是一种中老年人群的常见病与多发 病。OA是在力学因素和生物学因素的共同作用下, 软骨细胞、ECM及软骨下骨板之间分解与合成代谢失 衡,导致了关节软骨胶原纤维断裂,PGs进行性降解, 水分的增多,从而引起0A的发生、发展。T。弛豫时 间的延长与骨关节炎和关节软骨结构的破坏有 关[z6~281。Kelly等[27]用羊的半月板切除术后的骨关 节炎模型也提供了这方面的有力的证据,研究者发现, 在半月板切除术后,以Mankin标准进行分析,利用偏 振光显微镜观察到胶原的退行性变,而与之相关的T2 值也随之延长。同时,当用压陷探针(indentation probe)进行分析时,T:值的延长与生物力学性质的改 变也密切相关。Dunn等[28]分析了55例分别经X线 诊断为正常、轻度及重度膝关节炎的对象的关节软骨 T。值,结果显示健康者T:值为3z.1---35.0ms,关节 炎患者T。值为34。4---41.0ms,除外侧胫骨平台软骨 外,健康者膝关节各部分关节软骨与关节炎患者间有 显著差异。国内瞿楠等[z9]利用3.0T超导型磁共振 仪,将不同年龄组的髌软骨进行多回波SE序列扫描, 发现随着年龄的增长,髌软骨的T。值随之增加,并具 有统计学差异。说明对髌软骨T。图及T:弛豫值研 究可以为早期关节软骨病变诊断提供参考价值。 软骨基质中与胶原和PG结合的水分子可使T: 信号减弱,导致T:加权图像上软骨低信号。退变软 骨中胶原和PG的减少,引起自由水增加,使T:加权 图像上信号升高∞引。有作者用软骨素酶ABC消化软 骨。使PG含量减少后,T:没有变化;当用胶原酶消 化后,则可使T2升高[313。Dardzinski等[32]测量正常 自愿者及经关节镜证实软骨病变患者的髌软骨的T。 空间分布。病变软骨内T。明显高于正常,越接近软骨 表层,T:时间越长。推测是由于软骨退变,对水的通 透性增加,软骨内水分含量增高所致。 3.3.2性别对T。弛豫值的影响流行病学研究证实 退行性骨关节炎、类风湿关节炎等疾病女性患病率明 显高于男性。在退行性骨关节与性别的相关性研究 中,发现男性20~50岁患病率较高,但50岁以上女性 患病率大大高于男性。国外研究机构开始利用MRI 万方数据 实用放射学杂志2010年6月第26卷第6期JPrattRadiol迪2010,V01.26,No.6 ·897· 评价男女关节软骨的差异。但目前MR用于评价性别 对关节软骨影响尚停留在形态学层面,性别所反映的 软骨生理变化对弛豫时间是否影响,目前研究尚不多。 国外Mosher等∞3也做了相似的研究,发现性别对正 常青年(22~29岁)软骨Tz值空间分布并无明显影 响。鉴于激素对关节软骨的影响,围绝经期女性与同 年龄男性关节软骨Tz值空间分布是否有统计学意义 有待进一步研究。 3.3.3年龄对T2弛豫值的影响Mosher等[343将自 愿者分为18-~30岁、31~45岁、46~65岁、66~86岁 4组,发现前2组T2弛豫值并无明显差异,46~65岁 组的T。弛豫值升高仅限于软骨浅层,随着年龄增长, 才出现各层T。弛豫值均升高现象。由于Tz弛豫值 受年龄因素影响,同时,年龄增高也被认为是发生退行 性骨关节炎的危险因素,因此,鉴别Tz弛豫值升高是 生理性还是早期oA表现显得非常重要。Dardzinski 等[3阳指出3种不同病理性Tz弛豫值升高表现:①放 射层局限性T。值升高,而年龄相关性退行性变局限于 软骨过渡层。②延伸至软骨表面的不均匀Tz弛豫值 升高。③伴有T:空间分布改变的局限软骨撕裂。 3.3.4外伤性膝关节软骨早期损伤Tz值的变化关 节软骨早期损伤首先表现在软骨表面胶原退变破坏及 胶原纤维的形态和排列方式发生变化,增加了关节表 面的摩擦作用及对水的通透性,从而增加了软骨内水 分的含量导致T:弛豫时间升高;同时蛋白多糖合成受 到抑制且丢失,残存的蛋白多糖就具有更大的伸展空 间,也可增加水的含量。另外,具有短T。效应的胶原 纤维丢失,也使MR像上软骨的信号强度增高。因此, T:弛豫时间升高是关节软骨损伤最早出现的征象,大 多在软骨厚度和形态发生变化之前即可看到。国内郑 红伟等[36]研究20例膝关节外伤性半月板撕裂患者 中,关节软骨表面T:值范围39.9~65.3ms,平均 (52.54±7.63)ms,对照组关节软骨表面T。值范围 37.36~43.8ms,平均(41.18±1.66)ms。病例组与 对照组关节软骨表面T:值差异有统计学意义,由此说 明了T2mapping成像可以发现没有形态学改变的损 伤性关节软骨组织成分的改变,对诊断外伤性膝关节 软骨早期损伤有很高的应用价值。 4 T:图技术目前存在的一些问题 目前,T:图技术仍存在一些问题:①该技术敏感 性高但特异性低。关于T:反映胶原含量变化、胶原网 架结构变化还是水分变化,目前尚无统一结论。②Tz 值受很多因素影响:背景均一性、磁化率改变、胶原纤 维排列方向、数学运算方式等。③软骨深层及表层分 别接近软骨~骨交界面及软骨一关节液交界面,因此 Tz弛豫值易受化学位移及容积效应影响。 5软骨Tz弛豫时间图技术应用前景 近年来,随着磁共振分子成像技术的发展,一些 可检测软骨代谢和生化信息的磁共振分子成像新技术 开始从实验研究进入临床应用【37|。Tz弛豫时间图技 术与T,P地图(T。pmapping)、软骨延迟增强磁共振成 像(delayedgadolinium—enhancedMRimaging, dGEMRl)和23Na磁共振成像新技术是目前国外研究 的热点。研究者选择动物模型如大鼠、犬、猪、牛等的 离体标本或oA模型,采用磁共振成像新技术对在体 或离体标本进行扫描,并测定软骨PG含量和胶原网 络结构等特异性改变与磁共振参数的变化关系。作为 关节软骨生理成像最常用的技术,T:弛豫时间图技术 与其他3项技术不同,对硬件要求不高,也不需要增加 特殊的软件,可通过探测软骨形态学改变之前软骨基 质大分子的早期变化,为临床提供可靠、敏感、无创的 量化评价方法,在临床上的应用会更为普遍。 近十几年来,MR新技术作为一种有效的无创性 工具,为科研和临床机构在关节软骨的组织学研究和 疾病的分子学基础提供帮助。大量的研究机构认为, T:图对于定量和纵向评价软骨组织学基础和疾病诊 断方面有着显著的作用,也能帮助理解OA、外伤等病 理过程、疾病进展和治疗的监测。同时,作为含有大量 软骨组织成分的椎间盘,是否可以利用T。图进行评价 和对其退行性变进行早期的诊断,将尝试进一步的长 期努力和研究。 参考文献: [1]AskewMJ,MowVC.Thebiomechanicalfunctionofthecollagen ultrastrnctureofarticularcartilageFJ].JBiomeehEng,1978,100 (2):105—115. 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