磁共振图像良好的组织对比度在骨关节疾病的诊断中弥补了X线胶片和CT图像的不足，极大地丰富了这些疾病的诊断信息，近年来一些容积成像技术，如西门子的MEDIC、DESS、SPACE序列，可提供高分辨率的关节组织的任意平面显示，对一些微小损伤及早期病变的诊断有了很大的促进，但仍有一些关节疼痛的受检者，在常规对比度图像上无异常表现。有人推测，无影像表现的关节疼痛可能是关节软骨的微观改变所致。新近推出的量化参数图，正是针对这一临床指征的研发成果，被称为关节软骨的生化成像。本文将对这类技术及其应用现状作一介绍。

1　关节软骨的组织结构和生化组分

       关节软骨是透明软骨，由外向里分为四层：表层（切线层）、中间层（过渡带）、深层（放射带）和钙化层。从组织学来说，软骨由软骨细胞和细胞外基质组成，而细胞外基质的主要成分包括：蛋白多糖（PGs由葡胺聚糖和核心蛋白组成）、胶原纤维和水。软骨中的蛋白多糖主要是硫酸软骨素和透明质酸，这些分子中的葡胺聚糖的羟基和硫酸软骨素的硫酸根带有负电荷，可吸引带有正电荷的Na⁺，进而产生渗透压而吸引水分子进入软骨，从而保持软骨的弹性。由此可知，葡胺聚糖在维持关节软骨的正常结构和功能方面起着十分重要的作用，而胶原纤维由于其高度组织的结构，倾向于限制水质子的运动并促进自旋-自旋相互作用和T2衰减。同时定向排布的胶原纤维和短的横向弛豫时间相关联。研究发现许多疾病的早期，在关节结构和组织形态出现异常改变之前，关节软骨的生化成分首先发生变化。

2　量化参数图的成像序列和技术

       几种软骨量化参数图的成像方法学要点见表1。

       经典的关节软骨T2mapping技术是采用快速自旋回波序列。为了提高扫描效率以及T1Map和T2map的失配准问题，有人采用SE和IR交替的联合采集技术，即把SE采集后的信号恢复期作为IR检测的准备期。IR检测的反转脉冲后，允许一个弛豫期。这一时期的长短决定SE检测前的纵向成分的大小。该序列可通过使用计算的比值和非线性最小平方算法而求得用SE和IR测值计算T1和T2的算术方程，从而由同一组数据获得软骨的T1map和T2map。该研究首先使用经典的多回波TSE序列和新开发的杂交序列，扫描T1、T2值经谱技术确认的水模，然后对两种方法获得的数据进行统计学相关分析。结果发现，该研究所用技术获得的数据与经典技术获得的数据具有很好的相关性。所以认为，该杂交序列用于关节软骨的T1mapping和T2mapping是可行的^[1]。新近还有文章^[2]提出基于梯度回波采集的联合T1、T2mapping技术。

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表1  几种软骨量化参数图的成像方法学要点
Table 1  Key Technique of MR imaging in articular cartilage

3　正常软骨的定量参数图

       各路学者在3.0 T和1.5 T MR系统上获得的关节软骨的T2弛豫时间的测值基本一致。3.0 T上髌软骨的T2分别为32~67 ms^[3], 34~60 ms^[4], 45.3~67 ms^[5],而股骨、胫骨软骨的T2范围是45.5~55.5 ms。随后的研究发现：所有软骨区域的T2呈现相似的空间变化模式，即：靠近关节表面区域的T2值较长，即在T2map上可区分出两个区域，即靠近软骨-骨界面的较短T2值部分和靠近关节表面的长T2值部分。从软骨深部到关节表面，T2值逐渐延长。深层软骨的T2值的变化范围在30~45 ms，平均值为36.8ms±1.4；而浅层软骨在41~65 ms之间，平均值为50.8±3.2，配对t检验结果显示，二者的差异具有显著性意义^[6]。

       宾西法尼亚大学的学者们在3.0 T系统上，采用多回波TSE序列观察无症状成人和一例有关节内软骨片的志愿者的膝关节软骨T2Maps，结果发现：所有7例无症状成人均表现出关节软骨T2值由深层向表面逐渐增加的空间演变。深层放射带为（32±1） ms，深过渡带：(48±1) ms，而接近软骨表面的浅过渡带为(67±1) ms。而关节镜观察到软骨表面纤维化的志愿者的T2空间分布则发生明显变化，而且软骨的T2值表现显著的统计学差异。结合软骨的组织学形态，他们认为，关节软骨内可重复性的T2空间有序变化，与已知的软骨内水分的分布呈正相关，而与软骨内糖蛋白的分布呈负相关。作者推断，该关节软骨的T2空间变化是由于软骨水分在各向异性的固态结构中运动受限的结果^[3]。

4　发育和增龄对软骨定量参数图的影响

       关节软骨随年龄增长会发生一些变化，比如细胞形态和密度，软骨厚度、以及基质的生化组分及生理特性的变化。一组法国学者在8.5 T微型扫描议上，对不同周龄、月龄的大鼠行髌骨横断位扫描，并计算出T2伪彩图。同时作了相关的生化学和组织学研究，探索MR T2 Mapping在定性成熟和增龄过程中软骨组分和厚度变化的价值。结果发现，在发育过程中，10周之前，髌骨的T2值和厚度都逐渐减低。生化数据显示，糖蛋白逐渐减低而胶原成分逐渐增加，而组织学检查揭示，软骨基质微细结构从表面到深部的带状变化，随年龄增长，T2值无一例外地变小，而整个软骨的厚度逐渐减薄。软骨基质中纤维成分增多，尤其在最深的层面。生化分析揭示，在发育成熟和增龄的过程中，胶原含量比糖蛋白含量对MR信号强度的影响更明显。他们认为，T2 Mapping可用于对软骨基质的成分和厚度的空间变化进行描绘^[7]。

       在骨尚未发育成熟的儿童膝关节MRI图像观察到：在TSE T2图像上看到，矢状位图像上在股骨远端和胫骨近端干骺交界处后侧的条状高信号区，在横轴位像上呈袖边状。在注射对比剂后的T1像上，同样的区域也呈现高信号，而且胫骨高信号消失的年龄较股骨高信号消失的年龄小。采用TSE序列对相应区域进行T2 Mapping，观察股骨远端和胫骨近端干骺的条状高信号区的T2值，发现该区域的T2值（50~80 ms）与邻近骨骺相近。组织切片显示该区域为骨膜下的富血管疏松纤维结缔组织^[8]。

       有人采用多回波自旋回波序列采集了髌软骨的T2map，并观察了增龄和症状与T2空间变化的关系，对无症状的健康自愿者和有症状的髌软骨软化患者的结果进行比较，发现所有无症状自愿者都表现出自辐射带到软骨表面的T2增大。而有症状的髌骨软化者表现局灶性的T2显著增大(> 95%)，增龄可引起关节软骨过渡带的T2值增大，而且这种高龄软骨的弥漫性T2增大与损伤所致的局灶性T2增大表现不同^[4]。

       正常软骨需要来自体力运动产生的压缩以形成并维持正常的形态和功能，但过高的强度和持续时间过长，又可导致软骨损伤。但生物力学和软骨之间关系的复杂性又使运动在骨性关节炎发生发展中的作用十分不确定。有一组学者探究采用T2mapping去评价跑步锻炼后软骨反应的可行性，7位年轻健康志愿者参加了该实验。他们分别在30分钟跑步锻炼前和跑步后立即接受3T MR系统扫描，获得股骨和髌骨负重关节软骨的T2map，结果发现髌软骨的T2值在跑步前后无显著性差异，而股骨关节软骨承重部分的靠近关节腔的表面40％软骨的T2值有显著减低．该结果支持软骨压缩引起表层胶原纤维的各向异性增大的假设^[9]。

5　骨性关节炎

       骨性关节炎研究的主要限制是没有一个监测疾病进展和治疗疗效的敏感指标，目前对骨性关节炎的治疗主要依靠监测症状的变化以及软骨损失和反应性骨改变在X光平片上的表现，但这些指标既不敏感也不能准确反映病理改变的进展。近几年有人把关节镜作为关节内退行性变的诊断标准指标，但其有创性限制了它作为纵向观察工具的可行性。磁共振成像因为可以直接显现关节软骨，在骨性关节炎的临床研究中有非常优越的地位。新的MR成像参数图技术，如，关节软骨的T2mapping，T1ρ Mapping和延迟钆剂增强MR T1mapping显示出对细胞外软骨基质的生化和结构改变的敏感性。作为一个临床测定指标，应该具备可应用于同一个体的全身各个关节，从而区别系统性疾病的关节表现和特定关节的局部生化因素。

       有学者观察健康志愿者和不同程度骨性关节炎患者的股骨和胫骨软骨的MR图像上T2值的差异^[10]。进而开发可用于观察评估和并分级OA患者软骨异常的基于T2值计算Z评分的伪彩显示方法。他们先采用散相梯度回波序列对关节软骨进行分区，分别测定健康志愿者、轻度OA和重度OA患者的膝关节软骨各部分的T2值，然后对各组人群测值的差异进行协方差分析。同时对T2值与临床症状、软骨厚度和体积的相关性进行了统计学分析。他们还根据正常人群软骨各部分的测值将软骨各部分的T2值换算为各像素Z记分，以更好地理解软骨的改变。

       结果发现，健康志愿者的T2均值为32.1~35.0 ms，而轻症、重症OA患者为34.4~41 ms．软骨各部分的T2值在OA患者都明显增大。但在轻症和重症患者之间无显著性差异。而T2值和临床症状以及软骨形态的相关性主要以中部软骨为主。他们的结论是，股骨和胫骨中部软骨T2值随着OA病变的加重而逐渐增加一项在马膝关节的研究，对正常软骨以及OAT（关节境下自体软骨移植术）和MFx（微骨折疗法）术后进行T2定性和定量观察，并与组织学结果和极化光学显微镜检查相比较。T2 Map被划分为有序和紊乱，结果发现：有序T2和组织切片中的透明软骨，紊乱T2和组织切片中的纤维修复组织间有很高的吻合度。而有序T2与极化光学显微镜中的正常软骨相一致，而T2紊乱则和PLM的异常软骨相吻合。而且，深层、中层和表层软骨的修复纤维组织的T2值分别为53.3、58.6和54.9 ms，透明软骨的相应区域分别为：40.7、53.6和61.6 ms，由此可以看出，从深层到表层的透明软骨，T2呈现明显的增大趋势，而对修复纤维组织而言，表层与深层则无明显变化。由此，作者认为在1.5 T MR成像系统上的定性、定量T2mapping有助于区别透明软骨和软骨修复术后的纤维软骨^[11]。

6　T2*在骨质疏松症诊断中的应用

       骨小梁和骨髓交接面的磁化率不同导致磁场的空间不均匀性，这便引起横向磁矩的散相，从而导致骨髓T2^*的缩短，T2^*缩短及其衰减的特性便可提供周围骨小梁网络的密度和结构信息。早先的研究发现，T2^*随年龄增长而增加^[12,13]。

       髋骨骨折是高龄骨质疏松症患者最严重的表现之一。目前测量骨矿物质密度来推断发生骨折的风险，但BMD降低和髋骨骨折风险之间的相关关系已经确定，而且应用中还有一些限制。几个研究报道显示，BMD作为骨量判断的唯一尺度可能误导诊断和治疗，而且有骨质疏松骨折和没有骨质疏松骨折的绝经后妇女的BMD有重叠。在骨质疏松妇女，除外骨量，增加骨折机会的第二个因素是骨结构的退化。而新近报告MRI可提供骨密度和骨结构的信息。骨组织中的矿物质成分，由于磁化率与周围生物组织很不同，从而引起的局部磁场不均匀，MR T2^* mapping可敏感反应骨髓边沿的这种微观磁场改变。有人探索T2^* mapping用来判断骨质疏松症的可行性^[14]，他们分别对23例绝经后骨质疏松症髋骨骨折患者、27例年龄匹配的绝经后正常对照组和5例绝经前健康正常组受试者，采用多回波梯度回波序列采集数据，然后，选择5个ROI：股骨颈、Ward三角、股骨粗隆、粗隆间区和整个近端股骨，另外，用X线吸收测定仪测得这些受试者的髋骨骨密度值。结果发现：三组之间的T2^*map有显著性差异，对照组的T2^*最短，而骨折患者的T2^*最长。三组的BMD测值也有显著性差异。T2^* map和BMD的让步比和Receiver operating characteristic分析曲线下面积相近。股骨近端T2^* map显示空间变化。健康对照组的股骨颈的T2^*低，Ward三角和股骨粗隆区的T2^*值最高，而在患者组，股骨粗隆区的T2^*值最低，而Ward三角区和粗隆间区的T2^*值最高。1/T2^*和BMD之间呈显著相关性。作者认为：MR T2^* mapping可以用来判别绝经后妇女是否有髋骨的骨质疏松性骨折。

7　其他应用

       量化参数图在大脑疾病诊断中的价值，也有不少研究报道。Josef等观察大脑皮层和基底节区的T1、T2的差异^[15,16,17]，以及左旋多巴治疗对T2值的影响^[16]，探究该应用对发现和定量帕金森氏病和多系统萎缩症患者脑内铁沉积的价值。他们分别对23例帕金森病、8例多系统萎缩患者和18例年龄匹配的健康志愿者进行T1 mapping和T2 mapping扫描，扫描采集2个层面，一个包括尾状核头部、壳核、苍白球和丘脑，另一个层面包括中脑，在黑质和红核水平。结果发现，脑皮层、尾状核、壳核和苍白球的数据显示弛豫时间和铁含量之间有显著相关性。可用下列方程式拟合：

       1/T1=0.65+0.027[Fe]

       1/T2=10.3+0.189 [Fe]

       式中[Fe]为每100克湿组织中含铁的mg数。

       多系统萎缩患者脑皮质和苍白球的T1、T2值与对照组比较有显著变化。其中苍白球的T1值缩短8.9%, T2值缩短6.4%，皮质的弛豫变化方向相反。帕金森病患者和对照组相比，仅皮层的弛豫参数发生显著改变(T1,-7.0%;T2, +8%)，白质的T2值增大（+6.8%）其他感兴趣区的变化无显著性差异。

       这些研究结果提示：含铁基底核的MR信号和铁含量之间存在一个线性相关关系，同时使用T1和T2可以更特异、更准确地测定这些区域铁的含量和存在形式。多系统萎缩患者，由T1值、T2值分别推断出的苍白球的铁蛋白含量和组织化学分析得出的铁蛋白量一致。而壳核的T1、T2改变和神经黑色素的积聚相一致。但壳核后部，弛豫参数的改变与含铁血黄素的积聚相符合。

       为了寻求早期发现MS病变的方法，加拿大学者通过对30例做过MR常规扫描、MT成像和临床评估的MS患者进行长达5年的跟踪观察。发现T2图像上显示的病变，有明显的MT ratio随时间的减低。该变化在那些后来演变为病变的体素也观察到了，而该变化发生在T2像异常1年半之前。提示MT可显示MS患者的局灶性病变演进性异常而且该变化在T2图像显示异常2年之前就能观察到。所以他们认为该MTR可作为MS病变的预测因子^[18]。

       还有人对尸体冠脉标本的非进行性AIT、IXA病变和活动性PIT病变在9.4TMRI系统上进行显微成像，他们采用饱和反转序列（TR200-5000, TE 12）获得T1图, 16回波的TSE序列（TR/TE: 5000/12-192）获得T2图和IW (intensity-weighted) Map，IW值被标准化到琼脂糖胶的IW值并以百分比形式报告。MT(magnetization transfer)图由下式计算而得：1－ Mso/Mo，即施加和不施加5 Sec 12 µT 6000 Hz偏振饱和脉冲图像信号强度的比率。并将这些图像与冰冻切片和石蜡固定染色切片观察结果相比较，结果发现，属于稳定斑块的IXA和AIT病变内膜在MR显微图像上为两层（即腔层和内层），腔层与内层相比，T1和T2值较高，而MT值较低。这些发现与组织切片观察到的组分差异相一致。而在IXA病变，两层的T2值明显低于AIT病变的相应值，这是因为载脂巨噬细胞的积聚。而PIT病变在T2和IW图上呈现典型的多层表现或在靠近中层区域的低T2值、低IW值的灶点，而在AIT和IXA病变没有看到这些表现。从而作者认为，MR的显微成像可以辨别动脉壁的形态学特性从而把不稳定性PIT斑块从稳定性的AIT或IXA斑块中区别开来^[19]。

       综上所述，量化参数图的临床应用研究报道还相当有限，方法和结果评判还不是很成熟，而且几种方法中对各种关节软骨损伤的敏感性和特异性还不确定，有待大量的临床实践来丰富和验证。期待随着技术发展和应用经验的积累，量化参数图成像技术在人类骨关节，尤其是软骨损伤或退变的预防和治疗中发挥重要作用。