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　　膝骨关节炎是一种常见的退行性关节疾病，随着年龄的增大，发病率明显升高，每10例男性中就有1例患病，而60岁以上的女性中几乎有一半患病。膝骨关节炎是造成残疾的主要原因，给家庭、社会造成巨大的经济负担。膝骨关节炎的危险因素有很多，包括年龄增长，肥胖，遗传因素，营养，参与体力劳动、密集型工作或运动，以及有创伤性事件如关节内骨折或半月板撕裂。

　　研究表明，早期确诊膝骨关节炎后，如减肥疗法等干预措施可能具有修改甚至逆转疾病进程的能力。正因为如此，临床急需寻找一个敏感、可靠且精确的工具，以期早期诊断膝骨关节炎，并进行疗效评价以及预后评估。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）生理学定量成像可以在形态学发生变化之前将关节软骨分子水平细胞外基质发生的变化反映出来，是一种早期诊断关节软骨退变的影像学方法。

　　MRI生理学成像方法近年来发展十分迅速，现已成为膝骨关节炎早期诊断以及定量评估的重要研究方法之一。T2 mapping和T1ρ旋转坐标系下的自旋晶格弛豫时间（the spin-lattice relaxation in the rotating frame，T1rho）成像技术均属于MRI生理学成像方法，由于设备要求简单，无特殊要求，且成像时间较短、不必引用对比剂、拥有较高的图像分辨率等优点而获得极大关注，成为研究热点。现就T2mapping和T1rho在膝骨关节炎中的应用进行综述，以期为诊断、治疗以及预防膝骨关节炎提供新的方法。

　　1.膝骨关节炎的发病机制

　　膝骨关节炎的标志是关节软骨的退化改变，关节软骨是一种重要的解剖结构，其目的是为关节提供光滑、低摩擦的表面。与其他组织相比，关节软骨的细胞含量相对较低，形状各不相同，关节表面的细胞具有相对平坦的外观，而更深区域的细胞结构则相对较圆。关节软骨的主要成分是由80%水分子构成的细胞外基质、Ⅱ型胶原纤维以及蛋白多糖分子。关节软骨最重要的生物力学性质是黏弹性，这种黏弹性主要来源于胶原蛋白聚糖基质的固有性质，部分来源于施加载荷期间及之后，在组织间流入流出的基质所产生的摩擦阻力。

　　关节软骨结构可分为表层、中间层（过渡层）、放射层以及钙化层。钙化层可将软骨固定在软骨下骨上；放射层与高度各向异性的胶原纤维有关；中间层含有较少的各向异性胶原纤维，优化了其抵抗剪切力的能力；表层中的胶原纤维很大程度上平行于下面的骨骼。浅表区域中的胶原纤维具有优选取向，主要取决于位置，如内侧髌骨面上的软骨用针刺破，分裂线将形成近端到远端的取向，但如果是外侧髌骨面上的软骨被刺破，则分裂线将出现在外侧向内侧定向。拉伸平衡模量取决于拉伸载荷是平行还是垂直于局部分裂线取向施加的。

　　关节软骨没有血管，这限制了其在受伤后的愈合能力，关节软骨也缺乏伤害感受器，因此在其他组织受累之前，软骨损伤往往不易察觉。在膝骨关节炎早期，细胞外基质逐渐被降解，蛋白聚糖含量降低，游离水含量增加，胶原纤维变得更加紊乱。T1rho和T2mapping（采用多回波自旋回波序列，测量不同回波时间的MRI信号强度）这两种MRI检查技术可用于检测蛋白多糖的消耗以及膝骨关节炎早期其他的生化改变。

　　2.MRI生理学定量测定

　　2.1T1rho

　　T1rho成像原理的基础是梯度回波或自旋回波序列，其反映的是自旋晶格弛豫时间。磁化矢量从纵轴翻转到横轴上时，在其横向方向上给予两次不同相位的自旋锁定脉冲，同时射频磁场B1锁定旋转坐标系弛豫，磁化矢量变为有序或自旋锁定，自旋锁定的磁化矢量根据T1rho时间常数在旋转坐标系中自旋晶格弛豫。随着自旋锁定时间（spin-locking times，TSL）的不断增加，不同强度的T1rho加权信号被收集，同时T1rho图被算出。MRI检查时，患者被放置在静态磁场内，身体中的质子在磁场周围运动，使得所有单个质子的磁矩之和（净磁化矢量）变为非零，然后施加射频脉冲，将纵轴方向的磁化矢量翻转到横轴上。

　　在常规MRI中，当射频脉冲关闭时质子发生相移，发生T1弛豫和T2弛豫，从而产生图像对比度。常规MRI序列可以对关节软骨进行形态学评估，但反映软骨生化特性的信息较少，可利用磁共振脉冲序列获取关于组织生物化学性质的数据。T1rho是适用于软骨成像的技术，T1rho初始射频脉冲之后是长时间的低功率射频脉冲，该脉冲可用于TSL的用户自定义时间设置以及自旋锁定横向平面的磁化。自旋锁定脉冲也抑制纵向弛豫（T1），T1rho描述了旋转坐标系中自旋晶格弛豫的特定自旋锁定频率，由射频脉冲的功率决定。因此，任何射频脉冲强度下，给定组织的T1rho值总是高于相同组织的T2值。

　　为确定不同组织的T1rho值，需获得几个MRI采集，每个采集具有略微不同的TSL，然后使用曲线拟合指数衰减模型，以体素为基础获得T1rho的衰减时间常数。基于获取的T1rho数据集，计算出软骨区域的T1rho值，可以采用颜色编码图的形式呈现出来。T1rho是软骨成像中的敏感参数，其对运动受限的水分子质子，以及正常关节软骨细胞外基质中的蛋白多糖大分子间的相互作用比较敏感。关节软骨的蛋白多糖含量在膝骨关节炎的早期阶段即开始减少，这很可能是更少的水分子与蛋白聚糖结合导致了T1rho值的增加。因此T1rho提供了一种量化蛋白多糖丢失的方法，并可鉴定软骨是否有可能进入不可逆的膝骨关节炎后期阶段。在膝骨关节炎早期阶段，T1rho值也与胶原纤维紊乱呈正相关。目前T1rho不仅被用于研究关节软骨退变，还可用于研究膝关节半月板等纤维软骨的结构。

　　2.2T2mapping

　　T2mapping是软骨横向弛豫时间T2值的空间分布图，通过多回波自旋回波序列的数据计算，T2值是同一组织下同一场强的稳定指标。T2值是一个时间常数，描述磁场中水质子之间发生能量转移的速率，从而导致信号的去相位。T2值主要受软骨水含量和周围胶原排列两方面的影响，当软骨细胞外的基质胶原被破坏或软骨细胞内水含量增加可导致T2值延长。在正常关节软骨中，T2值取决于各个层面胶原的密度和结构。水质子是通过与结构良好的胶原纤维组织上的基质大部分结合到位，允许快速去相位，因此T2值可以降低。胶原纤维均匀密集的分布在软骨表层，呈一种平行于软骨表面的趋势，并且在下一层的过渡区随机排列分布。底层胶原纤维垂直排列于软骨表面，T2值受其影响呈自表层向深层递减的趋势。

　　在膝骨关节炎关节软骨中，胶原纤维变得紊乱，并且存在更多流动的水质子，导致较高的T2值。T2值的数值和空间差异与年龄密切相关。研究显示，当年龄不断增长时，软骨表面的胶原纤维会进行重塑，不同层面软骨间的T2值以及关节软骨的T2值均会增加。因此T2可用作软骨退变的定量生物标志物，有助于评估蛋白多糖的消耗。与T1rho值一样，T2时间常数也可通过获取多个图像组获得，每个图像组的回波时间略有不同。定量评估以逐个体素为基础获得T2常数的曲线拟合指数衰减模型。T2mapping是一种应用范围非常广泛的技术，已成功用于多中心膝骨关节炎影像学成像研究，有研究采用具有7个回波的多回波自旋回波序列。

　　T2mapping可以区分关节区域的软骨，如放射区具有较低的T2值（暗信号），因为此区域包含高度各向异性的胶原纤维；而过渡区具有较高的T2值（亮信号），因为该区域不仅含有较少的各向异性胶原纤维，而且还含有更多的水分。对浅层、过渡层以及深层的单独分析可以更灵敏地检测T2值的变化。Mosher等的研究显示，不仅T2值从较深的软骨层向较浅层移动时不均匀，而且从关节表面中心向关节表面边缘移动时，T2值也不均匀。在人体膝关节中，股骨髁前后缘的软骨具有比位于中心的软骨更高的T2值，因为此处位置的胶原纤维更倾斜。这种区域分化受魔角效应的强化，其中与主磁场成55°的高度各向异性胶原纤维表现出T2弛豫时间延长。

　　虽然魔角效应目前也用在T1rho中，但效果不如T2mapping中明显。高龄是膝骨关节炎的危险因素，因此也有很多研究评估年龄增长对软骨T2值的影响。Mosher等的研究显示，年龄的增加与软骨T2值的升高相关，46～65岁的患者与18～30岁的患者相比，在关节软骨浅表区可以检测到增加的T2值，支持关节衰老的理论。膝骨关节炎在影响软骨深层之前，先影响软骨浅表层。Rauscher等和Chiang等的研究显示，在膝关节半月板组织中，年龄与T2值呈正相关。Friedrich等发现，关节畸形患者的膝关节软骨的T2值升高。研究发现，运动后即刻软骨的T2值短暂下降，这是急性关节负荷引起的软骨水含量暂时下降的结果。剧烈运动对软骨T2值的影响与轻度运动的影响相反，尤其是在膝骨关节炎发展进程中同时具有其他风险因素的患者。如完成马拉松48～72h后，运动员膝关节软骨T2值增加，3个月后恢复到基线，而软骨T1rho值也增加，但3个月后未恢复到基线。以上提示，长距离跑步可能会对膝关节软骨造成不可逆转的损害。

　　2.3T1rho与T2mapping的比较

　　尽管T1rho和T2mapping均为软骨退化的无创检测手段，但两者之间存在显著差异。早期研究认为，T1rho可能优于T2mapping，因为T1rho能检测蛋白多糖的消耗，而T2mapping只能检测水含量和胶原纤维组织的变化。由于蛋白多糖消耗先于水含量和胶原纤维组织在膝骨关节炎的改变，因而T1rho可较T2mapping更早地反映膝骨关节炎的生化改变。但T1rho和T2值可显示不同的空间分布，因此两者可以提供补充信息。

　　2.4T1rho和T2mapping面临的挑战

　　尽管T1rho和T2mapping检测膝骨关节炎的早期生化改变对于确定可从早期治疗干预中获益的患者是非常有利的，但这两种技术还存在若干与技术和后处理相关的问题，这些阻碍了这两种技术的广泛应用。从成像的角度来看，这两种技术的扫描持续时间过长，扫描期间对运动敏感以及扫描间期移位会导致定量困难。目前还没有被广泛接受的用于T1rho和T2定量分析关节软骨的商业软件。这些基于手动或半自动感兴趣区域的分析技术都耗费时间，并受操作者影响。最近开发了一些全自动后处理方法，如基于体素的测量法。此外当前缺乏足够的T1rho和T2值的参考数据库。

　　Joseph等建立了第1个形态学正常的膝关节软骨T2值参考数据库，但该数据库是基于45～65岁的481例受试者。执行T1rho时选择合适的TSL也至关重要，正如在执行T2mapping时选择合适的回波时间一样，因为过长的TSL和回波时间会导致误导性的T1rho和T2值以及低信噪比和噪音比。另外，不同厂商之间的数据采集技术还缺少标准化，但纵向体模研究表明，只要采集参数保持一致，可在不同部位获得可重复的T1rho和T2值。

　　3.T1rho和T2mapping在前交叉韧带损伤后膝骨关节炎中的应用

　　前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤非常普遍，尤其好发于年轻和喜欢运动的人群中。据估计，多达半数患有ACL撕裂的患者可继续发展成膝关节创伤后膝骨关节炎，ACL撕裂可引起膝关节不稳定，导致膝关节后内侧和外侧关节的接触应力增加。ACL损伤受伤后1年的随访发现，ACL撕裂在后外侧胫骨平台软骨和内侧股骨髁负重表面软骨的T1rho值持续升高。ACL重建手术6个月后，患者股骨内髁软骨内T2值升高。

　　4.小结

　　T1rho和T2mapping是两种MRI技术，在软骨退化的无创MRI生理学定量测定中具有重要作用。每种技术都有其独特的优缺点：T1rho能够较T2mapping更早地检测到膝骨关节炎的变化，但T2mapping较T1rho具有更广泛的商业可用性。T1rho和T2mapping已被用于研究导致膝骨关节炎软骨改变的风险因素，如年龄、关节错位以及身体运动等，T1rho和T2mapping也用于研究ACL损伤后与膝骨关节炎之间的复杂关系。

　　其他研究软骨退变的MRI生理学定量测定序列如延迟对比增强技术、钠MRI成像等也存在自身缺点，如需要静脉注射造影剂，而且延迟对比增强技术并不总是可行的，而钠MRI技术主要使用并非临床普遍应用的7T扫描仪进行扫描，且生成的图像信噪比低。相比之下，T1rho和T2mapping技术为非侵入性，不需要静脉注射造影剂，并且能生成信噪比相对较高的图像，因此具有更广泛的应用价值。在今后应着重研究T1rho和T2值的参考数据库，优化T1rho和T2mapping技术。