软骨MRI成像技术

软骨的 MRI 技术及其在软骨类病变诊断中的应用 (A)一、软骨的 MRI 技术1. 常规 MRI 序列 :(1) SE T1WI因软骨与滑液、脂肪之间缺乏对比，难以准确显示软骨结构。T2WI在关节 积液时，可产生类关节造影的效果， 利于显示软骨表层的缺损。对软骨下骨质显示不清，软 骨病变检 出敏感度不高。生长软骨的成熟过程伴随着血管的改变。新生儿骺软骨内包含很多血管，随着骨化中 心的形成及 不断扩大，血管逐渐减少。骺板也有很多穿通血管。Gadolinium ( Gd) T1WI 增强扫描可以反映生长软骨内的血供情况。(2) FSE 增加 SNR ，缩短成像时间，可减少运动伪影、磁敏感伪影，对关节软骨病变具有 高度敏感 性！ FSE-T2WI 上软骨信号增加。(3) GR 3D-GR 可行薄层、容积扫描并可多平面3D 重建，可对软骨进行厚度及容积的定量测量。稳定旋进快速成像(FISP) /稳态旋进梯度回波(GRASS )用小翻转角T2* WI ,利于显示软 骨的细节。扰相梯度回波(SPGR)或快速小角度激发(FLASH)，其组织的对比除与TR、TE有关外，还赖于翻转角的大小。 Recht等报道翻转角为45图像质量最好。三维 SPGR 序列经 MPR 或 MIP 重建后可以对骺板的面积、体积进行定量测量，并 对骺板内骨桥的面积进行定量测量。(4) 三维双回波稳态(3D-DESS)能够准确识别髌骨软骨的异常，与矢状面FSE相比，横断面3D-DESS更利于显示软骨软化而不是表面的缺损。稳态自由进动(SSFP)像上滑液高信号可产生类似关节造影的作用。3D-DESS结合多点水脂分离技术能够获得高信噪比、高分辨率的 图像。(5) 驱动平衡傅立叶转换( DEFT) 是一种不等待 T1 完全恢复的信号增强方式，能清楚显示关节软骨并提高软骨与邻近组织的对比，其软骨-滑液的对比噪声比(CNR)是SPGR和FSE 的 4 倍。( 6)磁转化对比( MTC ) 是利用水分子和大分子物质内质子间磁转移率差异而产生对比 的序列。 T2*WI 和 T2WI ，软骨有明显的磁转移 (MT) ，信号强度降低； 而滑液无明显的 MT， 信号几乎无 变化，因此软骨和滑液的对比增加。MTC 与软骨中胶原纤维的结构和浓度有关，胶原基质的断裂或缺失，会导致质子 密度轻度升 高及消除胶原产生的T2驰豫及MT衰减作用，因此，在基质损伤或软骨软化时信号增高。(7)脂肪抑制技术该技术与所有序列兼容，可以减少化学位移伪影。常用ST I R、Dixon法、预 饱和法、反相位( outphase) 和水激发等。( 8)波动平衡磁共振 ( FEMR ) 是一快速 3D 水脂分离序列， 可在 2 分钟内得到膝关节 3D 高 分辨率图象，其 SNR 、 CNR 明显优于 PD-FSE 、 T2-FSE 和 3D-SPGR 。2其他显示软骨的新技术：弛豫率的测定、3D-EPI-DWI、钠成像、短TE成像、定量MRI (qMRI ) 等具有潜在的临床应用价值。(1)弛豫率的测定：在T1WI和T2WI中，随着TE值得增大，即T2权重加大，骺软骨与骺板的信 号对比度越来越显著。Dardzinski用1.5T MRI对儿童膝关节的T2弛豫时间图分析，认为骺软骨、骺板、关节软骨的T2弛豫时间空间分布图可以描绘，而且T2空间变量相似，但形式和峰值不 同。Dardzinski研究认为T2值的增加与软骨中水的分布成正比，与蛋白粘多糖的分布成反比。骨骺 软骨中蛋白粘多糖分子比骺板内更大、更紧密；而骺板在矿化前， 蛋白粘多糖聚体被打破，故骺软骨中 的水比在骺板中与蛋白粘多糖的结合更紧密。(2) MR 弥散加权成( DWI )： DWI 反应组织内水分子的自由运动 34，弥散与骺板及骺软 骨的血流量 相关，因此DWI可用于显示缺血所致的生长软骨微观结构改变。在T2WI和T1WI增强扫描没有任 何改变时， DWI 就可相对定量反映出缺血早期弥散程度的降低，从而做出 缺血的早期诊断 16 。骺软骨 和骺板弥散系数不同，因此骺软骨和骺板在DWI 上信号强度不同。二、软骨的 MRI 敏感序列MRI 在关节软骨病变诊断中的重要应用价值已经被广泛认识与接受。虽然目前抑制脂 肪的快速自旋双回波质子和T2加权像(FS-FSE-T2WI/PD )及抑制脂肪的三维快速扰相梯度回波(FS-3D- T1*-FSPGR )序列被认为是软骨的敏感序列，但是对于何者为最敏感序列尚无统一认识。 为寻求显示软骨的最佳序列，我们将反相位T1 加权三维快速扰相梯度回波序列(UnilateralTSpecial-3D-FSPGR)，FS-FSE-T2WI/PD 及 FS-3D- TFSPGR 应用于关节软 骨病变 的检查，并进行比较分析，以评价 MR 对软骨病变的应用价值。我们研究了有明确急性外伤者 76例，其中行关节镜检查的 31人，年龄 15 岁77 岁。 采用 GESigna 1.5T MR/i 进行检查。选用膝关节线圈及表面线圈，行矢状面、冠状面及横断 面扫描。扫描序 列包括：快速自旋回波加权像(FSE-T1WI)、快速自旋回波T2加权像(FSE-T2WI)、抑制脂肪的快 速自旋双回波质子和T2加权像(FS-FSE-T2WI/PD )、抑制脂肪的三维快速扰相梯度回波(FS-3D- r *-FSPGR )、反相位加权三维快速扰相梯度回波(UnilateralT 1-Special-3D-FSPGR)、T2*梯度回波(GR)，弥散加权像(DWI, b=300)。结果：FSE-T1WI 关节软骨呈中低信号，软骨缺损处积液为较低信号；FS-FSE-T2/PDWI 关节软 骨 呈 中 等 信 号 ， 软 骨 缺 损 处 积 液 为 明 显 高 信 号 ； FS-3D-T1*-FSPGR ， UnilateralT1-Special-3D-FSPGR 及 T2*GR 关节软骨均为高信号；关节积液在前两者为低信 号，后者 为高信号； FS-FSE-T2WI 软骨与软骨下骨的界限不甚清楚，但缺损处被高信号的 关节积液充填，可行 定量分析； FS-3D-T1*-FSPGR ， UnilatrealT1-Special-3D-FSPGR 软骨与 软骨下骨的分界清晰，易 于测量缺损的深度。四种序列关节软骨 SNR 的比较 (Xs) ： FS-FSE-T2WI 、 FS-FSE-PD、 FS-3D-T1*-FSPGR 及 UnilateralT 1-Special-3D- FSPGR 序列的 SNR 分别为 5.75 0.47 、 51.57 2.28、 43.96 5.23 和 45.0010.18。 ;将矢状面和横断面的FS-FSE-T2WI/PD 结合分析 ,其诊断的敏感度为 91%、特异度为 99%、准确度为 97%、阳性预测值为 98%、阴性预测值为 94%， Kappa 值为 0.80； FS-3D-T1*-FSPGR 和 UnilateralT1-Special-3D- FSPGR 诊断的敏感度为 81%、特异度为 97%、 准确 度为 95%、阳性预测值为 96%、阴性预测值为 87%， Kappa 值为 0.71 。由 此 可 见 ， FS-FSE-T2WI/PD 是 诊 断 关 节 软 骨 病 变 的 最 敏 感 序 列 ；UnilateralT 1-Special-3D-FSPGR 和 FS-3D-T1*-FSPGR 序列对关节软骨病变具有相同病变检出 力，但 是前者 SNR 优于后者，且扫描时间明显缩短，完全可以替代前者用于临床；将软骨 敏感的 FS-FSE-T2WI/PD ， FS-3D-T1*-FSPGR， UnilateralT1-Special-3D- FSPGRMR 和 T2* GR 应用于软 骨类肿瘤的诊断，其中T2*GR 是显示软骨类肿瘤的最有价值序列。FS-FSE-T2/PDWI 部分容积效应导致的空间分辨率低是其大的弊端。 如联用 Sag 、 Cor 及 Ax. 扫描，最大限度地减少部分容积效应影响。FS-FSE-T2/PDWI 优点：1 缺损处有关节造影效果，可做定量分析2对软骨基质成分敏感，早期软骨异常信号强度增加，重T2WI产生MTC，突出T2对3 减少运动伪影及磁敏感伪影。FS-3D-T1*-FSPGR三维容积数据采集，任意层厚无间隔扫描，多个角度重建对显示关节软骨这 一薄而曲面分布的特殊组织具有优势 FS-3D-T1*-FSPGR缺点：1 图像采集时间过长2 对早期软骨基质成分的改变不敏感3 易受金属伪影及移动伪影的影响4 有脂肪抑制不均匀现象三、软骨类病变的 MRI 应用研究一）、关节软骨的MRI应用此类研究报道最多，如急性软骨损伤的MRI表现为：1. 软骨局限性轻度增厚，其内信号异常2. 压缩性骨软骨骨折 软骨及软骨下低信号线局限性内陷，软骨下斑片状 T2WI 高信 号3. 软骨表面部分缺失，凸凹不平，边缘锐利，伴有软骨下低信号线模糊4. 软骨连续性中断，游离端呈瓣样掀起，软骨与软骨下骨之间见线样T2WI 高信号，邻近髓内 T2WI 高信号影（抑脂） 。二）、生长软骨的 MRI 应用生长软骨有骺软骨和骺板，都是透明软骨，与未成熟骨骼的生长密切相关。 MRI 能直 接显示生 长软骨及其病变。创伤、内分泌代谢紊乱、炎症、缺血等可导致生长软骨病变，从 而造成骨骼发育障碍、 畸形等。 MRI 能直接显示生长软骨及其病变。 MRI 在生长软骨的显 示及其病变的诊断中发挥越来越重 要的作用。 3D-SPGR 可定量测定骺板及骨桥的面积； T2 弛豫率与软骨中蛋白粘多糖的的量相关，从 而间接显示软骨内生化信息； Gd 增强扫描可显 示软骨内血管槽的变化等。1、急性生长软骨创伤创伤6个月内，骨桥还没形成。MRI显示生长软骨和其内部血管的异常， 并为骨折分型：水平损伤骺板形态增宽， T1WI 和 T2WI 骺板内可见低信号；.骨折线穿过骺板的损伤， T2WI 或 T2*GR 可见高信号线状影穿过骺板。 .骺板损伤使胶原纤维丢失， 软骨内含水量增 加， T2WI 上信号 增高，这是最早出现的征象。3D-SPGR 可显示软骨表面不光整，软骨厚度不均，骨骺分离时显示软骨厚度改变， 信号不均匀。2、骺板损伤并发症最严重的就是骨桥形成并穿过骺板，造成生长停滞和畸形。当骨桥形成时， MRI 示骨桥的部位及范围，从而指导治疗方法。T1WI 上显示骺板信号中断，骨桥可为高或低信号，高信号是骨桥内所含的脂肪，低 信号为修复 过程产生的纤维或密质骨。 FS-3D-SPGR 为高信号骺板中断， 高信号骨折线穿过 骺板向干骺端或骨 骺延伸；PDWI表现为骺板信号减低，骨折线为低信号。3D-SPGR上显示高信号的骺板信号不连续， MPR 或 MIP 三维重建后显示为大小不等的 “洞 ”即骨桥。3、骺板发育障碍 所有患儿骺板骨化延迟并产生一系列的异常表现： 生长板增宽或变窄、 软骨呈 针状侵入干骺端、骨骺及干骺端水肿等。MR对胫骨内髁骨软骨的早期诊断及手术方案制订很有帮助。.Mukai通过对25个患有胫骨内髁 骨软骨病儿童MRI分析认为，MRI具有早期诊断的价值。4、生长软骨感染.骺板是阻止炎症蔓延的有利屏障。骨的闪烁扫描法是诊断骨髓炎的 最好手段， 但是骺板是否受感染，此方法无法诊断。 . MRI 可以判断骨髓炎是否累及骺板， 是否有瘘道形成。 . 当 骨髓炎累及骺板时， 骺板 T2WI 信号增高， 瘘道形成处骺板信号中断。三）、软骨类肿瘤的 MRI 应用MRI 可准确界定软骨类肿瘤病变范围及与周围组织之间的关系，显示病变内成分、软 骨形态及软 骨类肿瘤并发症。常规 MRI 可提供软骨类肿瘤更丰富的信息， MR 功能成像的 发展可相对定量的提供 软骨肉瘤血供情况，从而有利于其鉴别诊断。软骨瘤MRI平扫多呈混杂信号，钙化部分呈低信号，未钙化部分T1WI上呈等低信号，T2WI上 不均匀高信号；增强扫描病灶轻度强化，可见明显强化的环包绕，这是肿瘤表 面含有小血管的薄壁。软骨母细胞瘤 T1WI 为低信号或略高于肌肉信号， T2WI 为低信号，周围可见低信号 的硬化环包 绕； MR 增强扫描时病灶实质和分隔明显强化。软骨母细胞瘤的 MRI 对其与其 鉴别骨髓炎和侵袭性肿 瘤提供了有价值的信息。 病灶信号的均匀性与不成熟软骨基质、 钙化 量及是否变性相关。 FS-3D-T1*-FSPGR 呈略高，内可见低信号； FSE-T2WI 病灶为混杂信 号，以低信号为主，内散在点 状高信号，呈“蜂巢”样改变；FSE-PD和STIR病灶以等信号为主，内散在点状高信号；T2*GR呈 高信号，内散在更高信号。各序列中病灶边缘均可见 低信号环包绕。软骨母细胞瘤及内生软骨瘤的瘤体与外生软骨瘤的软骨帽有相似的 MR 信号特征；外 生软骨瘤中 覆盖于T2*GR高信号软骨帽表面的低信号软骨膜，* T2*GR序列对软骨帽的测量值与大体标本实测 值吻合。 MR 可以准确显示软骨帽的厚度， 有利于帮助判断肿瘤是否有 恶变倾向及术前计划制定等。 FS-3D-T1*-FSPGR序列水和脂肪均为低信号，软骨为高信号。因此是显示软骨类肿瘤的最佳序列。 FSE-PD 、 STIR 和 T2WI 有助于显示肿瘤的合并症， 可为临床提供更丰富的信息。软骨母细胞瘤和内 生软骨瘤 DWI 上均匀高信号， DWI 是诊 断软骨类肿瘤的一种有价值的成像方法。四、问题与展望一）、关节软骨的 MRI 技术问题1 部分容积效应由于软骨很薄， 可造成假病灶， 隐藏小病变， 特别是成像层面与软骨表面不垂直时更加明显。办法薄层扫描；2截断伪影发生于相位编码方向上2种组织信号差异明显的界面处，在软骨表面产生层状伪影， 办法改变 FOV ，增加相位编码数目；3化学位移伪影 因水 /脂内的 H 进动频率有微小差距， 在软骨和软骨下骨界面产生带 状低或 高信号。办法脂肪抑制序列，或经转换频率方向、相位编码梯度及增加带宽而降低。4磁敏感伪影 见于术后膝关节内有金属或气体时，办法 用快速回波序列 （ FSE ）可 减少。二）、展望 3.0T MRI 增加的 SNR ，超过 1.5TMRI 超高场强 MRI 在软骨成像的运用 广泛， 更 清晰显示解剖学细节或组织成分， 对软骨进行定性以及定量成像， 监测软骨的生长 发育以及修复。将 会对软骨的组织成像 /疾病诊断 /治疗随访发挥更大的作用。MRI 后处理技术的发展使所显示的图像越来越直观，数据越来越精确；软骨敏感序列的开发和应用， 使 骺软骨和骺板病变得到以早期发现， 并能在分子水平提供生化及生物力学变化 的信息，为临床医生评 价生长软骨及病变提供丰富的资料。随着 MRI 技术的不断研发应用， MRI 必将在软骨类肿瘤的诊断及鉴别诊断中发挥越来