0 引言

       创伤性骨关节炎（post-traumatic osteoarthritis, PTOA）是一种继发于关节创伤的骨关节炎（osteoarthritis, OA）亚型，与特发性非创伤性骨关节炎相比，PTOA具有明确的诱因和发病起点^[1]。PTOA的特征是细胞外基质成分受损以及关键大分子的降解与丢失，这些改变可引发显著的生物力学与生化异常^[2]。前交叉韧带损伤、半月板撕裂、髌骨脱位是膝关节PTOA的主要危险因素^[3]，研究表明约50%的膝关节创伤患者以后的十年内会出现有症状的PTOA影像学表现^[4]。在早期PTOA的“治疗窗口”内采取预防措施或临床干预可能会为疾病管理提供更佳的临床预后^{[5, 6]}。由于MRI能够可视化膝关节OA的若干病理特征^{[7, 8]}，现已广泛应用于PTOA的动物实验^[9]、临床研究及纵向MRI随访研究中^{[10, 11, 12]}。传统MRI半定量评分系统主要反映关节结构形态学异常，对早期软骨基质生化和生物力学改变的敏感性有限^[13]。因此，形态测量和MRI软骨定量分析技术成为近期研究热点：基于软骨厚度和膝关节几何结构等参数的研究，为揭示PTOA的宏观结构改变与生物力学机制提供了依据^[14]。而T2 mapping、T1ρ mapping等软骨定量MRI技术也被广泛应用于PTOA的评估^{[15, 16, 17]}。然而，多数研究仅采用单一类型定量指标，缺乏对形态测量参数与成分定量参数的系统比较与整合分析。本综述系统对比软骨形态测量参数（厚度、几何结构）与成分定量参数（T2 mapping、T1ρ mapping）在PTOA早期评估中的应用，重点总结各项技术的应用现状与存在问题，以期为PTOA的早期识别与康复策略制定提供影像学参考。

1 文献检索策略

       检索包括PubMed、Web of Science、Cochrane Library、中国知网、万方数据知识服务平台、维普中文期刊服务平台等中英文数据库。检索时间范围主要限定为2022年1月1日至2026年5月31日，同时补充检索近10年（2016年1月1日至2021年12月31日）的高影响力文献及更早的经典奠基文献。

       采用主题词+自由词组合、AND/OR逻辑运算检索，英文检索式：（“post-traumatic osteoarthritis” OR “traumatic knee injury” OR “knee osteoarthritis” OR “PTOA”）AND（“morphometry” OR “morphological measurement” OR “bone shape” OR “cartilage thickness”) OR（“Magnetic Resonance Imaging” OR “MRI” OR “quantitative MRI” OR “T2 mapping” OR “T1ρ” OR “T1rho”）。中文检索式：（“创伤性骨关节炎” OR “创伤后膝关节炎” OR “膝关节骨关节炎” OR “膝骨关节炎”）AND（“软骨厚度” OR “骨形态” OR “形态测量” OR “形态学测量”）OR（“T2 mapping” OR “T1ρ” OR “T1rho” OR“定量磁共振” OR “磁共振成像”），并根据各数据库特点适当调整检索式。

       纳入标准：（1）研究内容涉及膝关节PTOA的形态测量或定量MRI技术的应用与评估；（2）研究对象明确为膝关节创伤后OA群体，或包含PTOA亚组的队列研究；（3）文献类型为临床研究、基础研究、综述；（4）可获取全文文献。排除标准：重复发表的文献。

       依据检索策略，初检共获得文献2127篇。经去重后剩余1851篇；通过阅读标题和摘要初筛，剔除不符合纳入标准的文献，剩余188篇；进一步阅读全文复筛，剔除研究内容或研究人群与纳入标准不符的文献，排除137篇，最终纳入文献51篇。在最终纳入的51篇文献中，按研究类型分，临床研究占39篇，基础研究（含动物/细胞实验5篇及体外实验1篇）占6篇，综述类文献6篇，鉴于综述存在二次引用及结论重复风险，仅用于背景介绍，不作为核心证据来源。针对PTOA的评估指标，涉及软骨厚度测量者5篇，几何结构测量文献6篇，T2 mapping成像文献9篇，T1ρ mapping成像文献14篇，另有5篇采用T2 mapping与T1ρ mapping联合评估。

2 基于MRI形态测量参数评估PTOA

2.1 基于MRI软骨厚度测量评估PTOA

       MRI形态测量参数在评估PTOA中具有独特的应用潜力，尤其软骨厚度测量可依托高分辨率三维序列实现。膝关节创伤后软骨厚度的变化可能与接触应力的改变有关，通过MRI测量的膝关节软骨厚度，可作为PTOA发生和进展的重要指标^[18]。CASULA等^[19]对118名进入亚急性期前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）损伤患者的双膝进行MRI检查，发现在损伤后亚急性期，T2弛豫时间的区域性延长与局部软骨厚度的变薄同时存在，这些结构改变早于临床症状出现，提示其可能为PTOA发生的前驱信号。PIUS等^[20]对接受前交叉韧带重建（anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR）的患者在手术后约4年进行评估，发现ACLR术后，软骨在不同关节区域呈现增厚与变薄的表现模式，且该模式具有性别差异，不同性别间软骨增厚与变薄的部位及变化幅度均存在显著差异。一项针对ACL损伤患者的2年随访研究^[21]发现，ACL损伤侧与健康对照组膝关节软骨均出现变薄，且变薄的区域数量相近，但损伤膝在最严重区域的变薄幅度显著更大。这些研究提示软骨厚度既能反映生理性退变，又能捕捉ACL损伤所致的额外丢失，对评估PTOA结构性进展至关重要。此外，尽管MRI软骨厚度的测量通常是在T1WI和T2WI序列图像上进行的，但现已有研究在T1ρ mapping和T2 mapping序列图像中测量软骨厚度^[18]，结果显示，基于T1ρ mapping序列测量的软骨厚度与常规序列的测量结果具有高度一致性，使同步检测软骨厚度与基质成分成为可能。

       值得注意的是，软骨厚度在创伤后并非单向变薄，而是呈现“先增厚、后变薄”的时间依赖性演变过程：早期可因水肿、基质肿胀或代偿性改变而增厚，进展期则可因软骨细胞和细胞外基质的丢失而变薄^[22]；软骨增厚并不一定代表保护性改变，也可能是早期基质损伤和水分增加的表现。因此，在采用MRI测量软骨厚度作为PTOA发生和进展的指标时，必须将术后或损伤后的时间点作为关键协变量纳入研究设计，并优先选择纵向随访方案，否则单一时间点的厚度测量极易将早期肿胀性增厚误判为预后良好，可能会错过最佳的干预窗口期。软骨厚度可结合其他定量MRI技术，如T2 mapping、T1ρ mapping、软骨延迟钆增强MRI（delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage, dGEMRIC），进行联合解读，以避免因早期软骨厚度“正常”或“轻度增厚”而忽视潜在的基质损伤，从而低估PTOA的发生风险。

2.2 基于膝关节几何结构测量评估PTOA

       研究表明，PTOA风险升高的潜在机制主要是胫股和髌股关节骨形状变化、对线和随后由损伤引起的生物力学改变^[23]，这些几何结构（骨形状和对线）可以通过从MR图像测量相关结构的距离、角度和比率来量化，它们的异常改变可能影响关节负荷，并导致软骨形态改变和恶化。LI等^[24]对近2年内接受过ACLR的受试者研究证实，髌股关节对线与形态参数如髌骨倾斜角（patellar tilt angle, PTA）、滑车沟角（sulcus angle, SA）、静态胫骨前移（static anterior tibial translation, SATT）、等分偏移（bisect offset, BO）及Insall-Salvati比率（Insall-Salvati ratio, ISR）等的异常改变，与早期髌股关节炎的发生显著相关。ROMERO-PADRON等^[25]针对SATT与软骨早期退变关系的探索性分析显示，ACLR术后6个月时SATT的肢体间差异与前侧股骨髁（外侧和内侧）软骨T2弛豫时间的百分比增加呈正相关（r=0.386~0.426），提示持续性SATT可能与局部软骨基质的早期改变存在关联。DEMIRJIAN等^[26]用K-means聚类分析发现，PTA、SA、关节接触面积等多个结构参数并非孤立异常，而是高度共聚于同一高危表型中；通过识别这种多重异常共存的结构模式，可有效区分ACL损伤后易患髌股关节炎的高危个体。BLANEY等^[27]基于既往研究筛选出37项与膝关节损伤及OA相关的几何特征，并开发了一款半自动化软件，能够在MRI图像上快速、准确地提取包括PTA、BO在内的关键对线参数，该方法具备良好的准确性、可重复性与高效性，为形态参数在PTOA早期预测中的规模化临床研究与应用奠定了坚实的技术基础。除骨性结构和对线参数外，近期一项研究指出ACL损伤后半月板后角中心点的位置变化会改变关节软骨的接触应力分布，从而导致软骨厚度异常和基质代谢失衡，未来研究应将半月板位置参数与骨性几何特征联合分析，从而更完整地理解PTOA相关的关节结构变化^[28]。

       综上所述，尽管目前基于MRI的形态测量在PTOA领域的研究仍相对有限，且部分对线参数异常可能是创伤前解剖易感因素，也可能是创伤后或手术后继发改变，目前多数证据仍属横断面相关层面，未来需借助纵向设计才能明确几何结构参数在PTOA病程中的实际贡献，进一步验证其价值，但它们有作为PTOA早期预警生物标志物的潜力，有助于在结构性破坏之前识别PTOA风险。上述几何结构参数测量方法、意义及适用场景见表1。

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表1  常见膝关节MRI几何参数及其临床意义
Tab. 1  Common knee MRI geometric parameters and their clinical significance

3 定量磁共振技术评估PTOA

3.1 T2 mapping评估PTOA

       早期退行性软骨变化包括由于合成有限和过度流失导致蛋白聚糖含量下降，以及胶原纤维结构破坏和排列变化，这些改变增加了软骨表面对水分子的渗透性，以及软骨内游离水的流动性，导致T2值升高^[29]。T2 mapping能敏感检测出这种T2值的变化，在PTOA的早期识别、进展监测和风险分层中展现出了重要价值。

       HUPPERTZ等^[30]体外实验中，对软骨施加低能量和高能量机械冲击后，T2值分别升高了8.3 ms和20.4 ms，且升高幅度与冲击能量及时间呈正相关，提示T2 mapping技术能识别因创伤导致的早期基质破坏。这一发现在SINGH等^[31]的动物模型中得到进一步验证，兔膝关节机械损伤后2周和14周，T2 mapping显示撞击侧软骨的T2值均高于非撞击侧，且与糖胺聚糖等生化分析结果一致。有临床研究表明，T2 mapping能够揭示不同损伤时间点的软骨动态变化。CASULA等^[19]研究表明，在ACL损伤后的亚急性期，损伤侧膝关节多个软骨区域的T2值已出现显著升高，表明创伤后早期即发生微结构改变。为捕捉损伤后软骨动态变化，有研究者开发了“T2簇分析”^[32]，该方法通过量化局部高T2区域，比传统的整体平均T2值更敏感地反映ACLR术后软骨退变的纵向进展，但该方法也有一定局限性：第一，阈值设定高度依赖于特定队列的数据分布特征，且阈值的改变会系统性影响效应量的估算；第二，目前尚缺乏可跨数据集、跨扫描设备直接迁移的绝对量化标准。此外，HERGER等^[33]通过对软骨进行分层分析表明，ACL损伤后膝关节负重区软骨的深层T2值升高早于软骨厚度的变薄，然而，基于上述横断面研究所依托的同一母研究队列，该团队对完成2年随访的受试者进行纵向分析后发现，ACL损伤膝、对侧膝及健康膝之间的T2值变化量并无显著差异，而软骨厚度在整个随访期间表现出持续且广泛的变薄，在外侧胫骨内部亚区和基于位置无关的有序值分析中，ACL损伤膝的软骨变薄显著高于健康对照组^[21]。这些发现提示，T2 mapping更适用于损伤后早期的基质评估，而软骨厚度变化则更适合作为ACL损伤后中长期软骨结构进展的监测指标。

       在T2 mapping的图像后处理方面，近期研究通过训练卷积神经网络，实现了膝关节软骨的全自动分割与T2值分析^[34]。该方法在1.5 T MRI上展现出与人工分割高度的一致性，标志着该技术正朝着高效、可重复、适于大规模临床研究的方向演进。

3.2 T1ρ mapping评估PTOA

       T1ρ mapping是一种定量MRI技术，通常采用自旋锁定结合多种采集序列来实现^{[35, 36]}。通过该技术拟合计算得出的T1ρ值反映了运动受限的水分子与蛋白聚糖等大分子之间的相互作用，在软骨退化的早期，软骨基质中蛋白聚糖含量减少，因此该技术对早期软骨变化很敏感，通常T1ρ值更长表示蛋白聚糖含量减少^[37]。

       在预测远期结构性OA进展方面，术前基线T1ρ值显示出关键作用。WATANABE等^[38]的长期随访研究指出，尽管术前T1ρ值与患者自我报告的功能结局无直接关联，但术前胫骨后外侧软骨较高的T1ρ值，能有效区分出在ACLR术后10年出现Kellgren-Lawrence分级进展的患者。这表明，ACL损伤后至ACLR术前这一期间，已存在T1ρ mapping可检测的软骨基质退变。此外，T1ρ mapping具有明确的临床相关性，O’CONNELL等^[39]的研究发现，在ACLR术后12个月，患侧与健侧股骨外侧髁的T1ρ比值大于1.11的个体，出现与膝OA临床症状相关的风险显著增加，提示通过T1ρ mapping可以检测软骨成分相对恶化，MILLER等^[13]研究进一步表明，ACL术后患者6至12个月间T1ρ的变化与疼痛和负荷模式改变相关，提示可能作为创伤后早期OA标志物。在识别特定损伤机制下的高危人群方面，T1ρ mapping同样有效，针对易发PTOA的青少年髌骨脱位群体，研究发现其髌股关节软骨在急性损伤后即出现广泛而显著的T1ρ值升高^[40]，且T1ρ值的升高与首次髌骨脱位者的异常髌股解剖测量值相关，强调了在此群体中进行早期监测和干预的必要性。

3.3 T1ρ mapping与T2 mapping联合评估PTOA

       将T1ρ mapping与T2 mapping两种定量MRI技术相结合，能够从蛋白聚糖代谢和软骨胶原纤维组织与网络结构变化两个互补的生化层面，对创伤后软骨进行更全面评估。T1ρ延长反映蛋白聚糖含量变化，T2延长反映胶原纤维结构变化，两者针对细胞外基质的不同核心成分，单一参数只能反映退变的一个维度，而同步检测两项指标可揭示蛋白聚糖丢失与胶原网络瓦解是否同时发生。

       在揭示损伤后早期动态变化方面，DAVIDSON等^[41]的纵向研究显示，ACL损伤后一年内，损伤膝关节在出现进行性形态学软骨损伤的同时，其股骨髁及滑车等多个区域的T1ρ值与T2值均呈现显著同步延长，以股骨内侧髁中央-前部为例，基线至1年T1ρ延长6.34 ms（P<0.01），T2延长4.65 ms（P<0.01）；滑车（Trochlea）区域T1ρ延长3.63 ms（P<0.01），T2延长2.24 ms（P<0.01），这一发现表明，早期软骨退变并非单一成分的改变，而是涉及蛋白聚糖丢失与胶原基质瓦解的复合性病理过程。这种早期复合性改变与远期关节结构性结局具有强相关性，WATANABE等^[42]长达10年的随访研究证实，ACLR术后1年时内侧胫骨软骨的T1ρ值与T2值的升高，均显著地与术后10年基于MRI的WORMS总分呈正相关（T1ρ：r=0.604，P=0.031；T2：r=0.566，P=0.046）。为实现更早期的个体化风险分层，XIE等^[43]不仅同时获取基线T1ρ值和T2值，更采用体素级弛豫分析定位微观异常区域。研究发现，基线时在特定部位同时出现T1ρ值与T2值升高的患者，在术后2年发生髌股关节软骨病变进展和报告更严重疼痛的风险显著更高。

       上述研究均采用了形态学评分与T1ρ mapping/T2 mapping定量分析相结合的研究方法，但在联合使用的具体设计上，各研究的思路有所不同。DAVIDSON等^[41]将改良Noyes评分与T1ρ mapping/T2 mapping定量结果置于同一横断面进行对比，旨在明确两种方法检测范围的差异；WATANABE等^[42]以远期全器官磁共振成像积分（whole-organ magnetic resonance imaging score, WORMS）评分为结构性结局终点，旨在验证早期定量指标对远期结构改变的预测价值；XIE等^[43]则以WORMS评分的纵向变化进行分组，旨在检验基线T1ρ mapping/T2 mapping结果能否区分未来发生形态学进展的人群。形态学评分反映已发生的结构性改变，而T1ρ mapping/T2 mapping定量捕捉的是基质层面的早期退变，二者结合可从结构和基质两个层面更全面地评估软骨退变状态，为ACL损伤后PTOA的早期识别与风险分层提供方法学参考。

       以T1ρ mapping和T2 mapping为代表的定量MRI技术，其应用已渗透至PTOA的生物学机制^[44]、生物力学^{[45, 46, 47]}影响等方面；T1ρ mapping与T2 mapping的联合应用已用于构建多中心标准化研究流程^[48]。然而，T2 mapping与T1ρ mapping定量MRI技术的临床推广仍面临从数据获取到结果判读的多重挑战。在扫描成像环节，T2 mapping与T1ρ mapping均易受魔角效应影响^{[30, 49]}，且T1ρ mapping还受限于较高的比吸收率（specific absorption rate, SAR）和较长的采集时间^{[50, 51]}，在图像后处理环节，手动分割的准确性高度依赖操作者的个人知识和经验，可能引入主观偏倚^[19]。在结果判读与推广环节，目前尚缺乏区分异常与正常值的标准化阈值，且不同扫描仪间的定量序列存在显著差异，限制了多中心研究的外部验证。

4 小结

       基于MRI的形态测量能够量化软骨厚度及膝关节几何结构（如骨性对线、半月板位置等），反映创伤后关节宏观结构与生物力学改变，为PTOA的风险分层与机制研究提供了重要依据；以T1ρ mapping与T2 mapping为代表的MRI定量技术能够无创评估软骨基质的早期生化改变，二者联合应用可从不同维度全面反映创伤后软骨退变的病理过程。不同MRI的PTOA软骨评估技术对比可见（表2），形态测量与定量MRI技术各自反映了软骨不同维度的病理改变：前者侧重于宏观结构与生物力学机制，后者敏感于基质成分的早期生化变化，两类技术在应用中各有优势与局限。

       尽管上述技术展现出广阔的应用前景，但其临床转化仍面临多重限制。在成像物理层面，T2 mapping与T1ρ mapping均受魔角效应干扰，且T1ρ mapping成像受限于较高的比吸收率和较长的采集时间；在后处理与判读层面，手动分割依赖操作者经验，设备间测量差异及缺乏统一的异常阈值标准也限制了多中心推广；在形态测量研究层面，软骨厚度呈现“先增厚、后变薄”的时间依赖性演变，单时间点测量易误判损伤进展，部分对线参数异常也可能源于创伤前解剖易感因素而非创伤本身，且目前多数证据来自横断面研究，缺乏纵向设计验证因果关系，性别差异机制及小样本问题亦待进一步明确。

       未来研究可从以下几方面深入：（1）建议开展创伤后立即开始的纵向研究，延长随访时间、扩大年龄覆盖范围，以明确形态测量参数和定量MRI值在PTOA进程中的动态变化规律，明确正常生理波动与病理性改变之间的界限。（2）积极引入新型定量序列以突破现有技术局限。已有研究表明超短回波时间序列与绝热T1ρ结合，可有效减轻魔角效应^[49]，未来可进一步优化T1ρ mapping和T2 mapping序列，或将其与其他新型磁共振技术相结合，以突破现有方法在成像效率和软骨定量准确性方面的局限。（3）推动多参数MRI的整合分析。除形态测量和T1ρ mapping/T2 mapping外，可联合扩散加权成像、dGEMRIC及钠成像等多种技术获取互补性的软骨生化信息，并通过统计学方法筛选出对PTOA进展预测效能最优的指标组合。（4）着力推进定量技术的标准化与自动化。一方面制定跨设备、跨场强的统一序列标准，并基于大样本健康人群，按年龄分层和关节的不同分区建立正常的参考值范围。另一方面借助深度学习实现软骨自动分割、分区定量及纵向配准，以减少人工干预、提高测量可重复性。

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表2  基于MRI的PTOA软骨评估技术对比
Tab. 2  Comparison of MRI-based cartilage assessment techniques for PTOA