于海霞 沈怡穎 張晏境 丁建平

跑步運動尤其是馬拉松運動是一種高強度、高負荷的運動，可能會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)慢性骨關(guān)節(jié)炎[1]。隨著影像檢查技術(shù)的進步，出現(xiàn)了T1ρ、T2mapping、T2*mapping、T1mapping、擴散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）及軟骨延遲動態(tài)增強MRI（delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage,dGEMRIC）等定量MRI技術(shù)，可以對關(guān)節(jié)軟骨早期解剖、病理、生化等變化進行定量評估，有利于指導(dǎo)跑步愛好者進行合理健康的跑步運動，也有助于臨床對關(guān)節(jié)軟骨病變的診斷和治療。本文就定量MRI技術(shù)在跑步運動導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨改變的應(yīng)用進行綜述。

1 膝關(guān)節(jié)軟骨的組織結(jié)構(gòu)和生理特性

膝關(guān)節(jié)軟骨是一種透明軟骨，由軟骨細胞（1%～4%）和細胞外基質(zhì)高度有序排列而成。其中，細胞外基質(zhì)主要由水（65%～85%）、膠原纖維（15%～20%）和蛋白多糖聚合物（proteoglycans，PG；10%）等成分構(gòu)成。水在其中呈規(guī)律性分布，含量由表層到深層逐漸減少；膠原纖維的主要組成成分為Ⅱ型膠原纖維，在軟骨內(nèi)由深層到表層呈垂直向上轉(zhuǎn)向平行于軟骨面，構(gòu)成拱形網(wǎng)架，對膝關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力傳導(dǎo)起著重要作用；PG主要由帶負電的糖胺聚糖（glycosaminoglycan,GAG）附著在核心蛋白上而構(gòu)成，能夠吸引陽離子（如Na＋）。GAG鑲嵌在膠原網(wǎng)格上，共同維持著軟骨的構(gòu)成，并賦予關(guān)節(jié)軟骨一定的生物力學(xué)彈性[2]。

微量軟骨細胞、膠原纖維、細胞外基質(zhì)共同構(gòu)成膝關(guān)節(jié)軟骨的不同區(qū)域。最深層為鈣化層，然后依次為放射層、過渡層和淺表層。鈣化層與軟骨下骨連接最緊密，膠原纖維呈網(wǎng)狀排列；放射層約占軟骨厚度的30%，它具有高度各向異性的膠原纖維，此層膠原纖維含量最高，PG含量豐富，水分含量最低，保證了軟骨的抗壓縮能力；過渡層約占軟骨厚度的60%，此層膠原纖維交錯分布，彎曲呈拱形；淺表層約占軟骨厚度的10%，其中膠原纖維大部分與關(guān)節(jié)下骨平行，此層PG及軟骨細胞含量最低，水分含量豐富。

2 定量MRI技術(shù)在膝關(guān)節(jié)軟骨成像中的應(yīng)用

2.1 T1ρ成像T1ρ成像即MR自旋鎖定成像，其主要作用是自旋鎖定磁化橫向平面，使磁化變得有序，同時使質(zhì)子相位保持一致。其定量參數(shù)T1ρ值是描述施加自旋鎖定脈沖后旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)自旋-晶格弛豫時間的常數(shù)，可敏感地反映關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)內(nèi)的蛋白多糖含量，與軟骨內(nèi)蛋白多糖含量呈負相關(guān)，而與膠原纖維含量無顯著相關(guān)性[3]。有研究[4]發(fā)現(xiàn)，與T2mapping相比，T1ρ成像可更加敏感地識別骨關(guān)節(jié)炎早期關(guān)節(jié)軟骨的理化特性的變化。分析原因可能是由于在軟骨病變的早期階段，關(guān)節(jié)軟骨因PG的降解及膠原纖維網(wǎng)絡(luò)的破壞使得T1ρ值升高。

目前，國內(nèi)外研究者們主要借助T1ρ的成像特點，對照跑步前后T1ρ值變化，分析跑步對軟骨內(nèi)PG含量的影響。Chen等[5]觀察了年輕健康成人在步行、跑步和爬樓梯活動30 min前后的右膝T1ρ值和T2值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與步行相比，跑步后T1ρ和T2值下降更多。除股骨軟骨外，其余關(guān)節(jié)軟骨在樓梯活動后T1ρ和T2值比跑步后下降更多。分析其原因可能是由于跑步和樓梯活動時產(chǎn)生更大的壓力負荷引起軟骨內(nèi)水分流出及膠原纖維變形，從而使PG濃度相對增加。Subburaj等[6]研究發(fā)現(xiàn)跑步30 min后除外側(cè)脛股軟骨外所有區(qū)域的膝關(guān)節(jié)軟骨的T1ρ值均降低，并且不同軟骨區(qū)域的變化存在差異，中央承重區(qū)T1ρ值降低較非承重區(qū)更顯著，這表明跑步時膝關(guān)節(jié)軟骨各區(qū)域壓力負荷分布不均，負荷越大，T1ρ值降低越明顯。Nathani等[7]通過T2mapping和T1ρ成像研究了關(guān)節(jié)內(nèi)注射透明質(zhì)酸是否可以保護關(guān)節(jié)軟骨免受馬拉松跑步造成的損傷，結(jié)果顯示馬拉松運動后，透明質(zhì)酸組和正常對照組間關(guān)節(jié)軟骨T2值和T1ρ值變化的差異沒有統(tǒng)計學(xué)意義，從而表明加入透明質(zhì)酸對馬拉松跑步運動者的膝關(guān)節(jié)軟骨的保護作用不顯著。有研究[8]也利用T2mapping和T1ρ成像序列對比有無骨關(guān)節(jié)炎女性跑步者在30 min的跑步運動后膝關(guān)節(jié)軟骨T2值和T1ρ值的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎跑步者T2值增高，表明軟骨的變化較慢且持續(xù)，因此骨關(guān)節(jié)炎跑步者在跑步后需要較長的恢復(fù)時間。Heckelman等[9]對無癥狀男性跑步者在跑3英里（1英里=1.609 344 km）和10英里之前、之后和24 h后的優(yōu)勢膝關(guān)節(jié)進行了T1ρ成像，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨的T1ρ值在跑步3英里和10英里后立即顯著降低，未觀察到運動前和恢復(fù)T1ρ值之間的顯著差異。由此可知，通過觀測跑步引起的膝關(guān)節(jié)軟骨成分的變化，能夠為無癥狀男性跑步者的安全鍛煉和恢復(fù)方案提供信息。

2.2 T2mapping成像T2mapping通過描述組織橫向磁化衰減反映組織特性。T2mapping成像序列采用多回波快速自旋回波序列，即通過采集相同TR、不同TE的一系列加權(quán)影像，測量不同TE的MR信號強度，計算每個體素的T2值，從而使研究者可以在體素水平上對組織的T2值進行定量分析[10]。T2mapping序列對軟骨內(nèi)的水含量、膠原纖維含量以及膠原纖維在基質(zhì)內(nèi)的排列方向敏感[11]。其在關(guān)節(jié)軟骨中的應(yīng)用顯示出一定的臨床價值。Hirose等[12]研究顯示，因淺表層膠原纖維排列松散無序而軟骨深部的膠原纖維排列高度有序，使得軟骨深層到最表層T2值呈逐漸升高的趨勢。相比健康軟骨，病變關(guān)節(jié)軟骨的膠原纖維雜亂無章，并且會產(chǎn)生更多的自由水分子，導(dǎo)致T2值升高。因此，T2值主要與膠原纖維的各向異性及含水量呈正相關(guān)，與膠原纖維含量呈負相關(guān)。退變軟骨的T2值較正常軟骨顯著升高，且隨軟骨退變程度加重而升高[13]。Lindner等[14]研究發(fā)現(xiàn)，跑步30 min后，半月板切除術(shù)后者的膝關(guān)節(jié)軟骨比健康者的膝關(guān)節(jié)軟骨T2值更低，由此推斷跑步產(chǎn)生的關(guān)節(jié)負荷可能對半月板切除術(shù)后的膝關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生有害影響，導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎。Wang等[15]觀察了18名非專業(yè)馬拉松運動員全程馬拉松前后T2值，發(fā)現(xiàn)前內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)軟骨的T2值升高與體質(zhì)量和體質(zhì)量指數(shù)（BMI）密切相關(guān)，而與身高、年齡、性別無顯著相關(guān)性。

T2值的變化可以反映跑步運動后關(guān)節(jié)軟骨的適應(yīng)性、壓縮性及生化成分的變化等。Kyung Kim等[16]發(fā)現(xiàn)赤足跑步的新手在赤足跑步后脛骨軟骨的T2值顯著增加，而經(jīng)驗豐富的運動員T2值變化不明顯，這表明跑步者經(jīng)驗越豐富，膝關(guān)節(jié)脛骨軟骨適應(yīng)性越強。Karanfil等[17]研究發(fā)現(xiàn)，30 min的跑步運動導(dǎo)致優(yōu)勢膝和非優(yōu)勢膝關(guān)節(jié)的脛骨平臺和股骨髁T2值顯著降低，優(yōu)勢膝內(nèi)側(cè)脛骨平臺的厚度測量值增加，跑步前后優(yōu)勢膝關(guān)節(jié)外側(cè)髁軟骨厚度減少，脛骨平臺內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度增加。該結(jié)果可能與軟骨組織內(nèi)的水分流出有關(guān)，脛骨平臺內(nèi)側(cè)軟骨的T2值減少越顯著，表明其分擔的負荷越大。Cha等[18]比較了青年組和老年組跑步30 min前后膝關(guān)節(jié)軟骨MRI上的T2值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在股骨和脛骨軟骨的淺層，老年組的T2值相對較高，表明與年齡相關(guān)的軟骨變化可能主要發(fā)生在軟骨的表淺層。Mosher等[19]觀察了不同的年齡和體能的志愿者在跑步30 min前后的軟骨改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有志愿者跑步后軟骨厚度下降，股骨和脛骨軟骨淺層的T2值明顯下降，軟骨深層未見顯著變化，這可能與表面軟骨層的壓縮性有關(guān)。

2.3 T2*mapping成像T2*mapping成像在一個TR時間內(nèi)采集多個TE，分別測量MRI信號強度，計算出組織的T2*值。該方法成像速度快、影像分辨力高、無需對比劑即可行各向同性三維重建對軟骨多方位評價[20]。T2*mapping的TE比T2mapping更短，因此T2*mapping成像對軟骨的膠原纖維排列方式比軟骨內(nèi)水含量更為敏感[21]。

Behzadi等[22]首次定量評估了45 min跑步對年輕健康成人膝關(guān)節(jié)軟骨T2*值的即時影響，并將這些結(jié)果與T2測量結(jié)果聯(lián)系起來，研究發(fā)現(xiàn)T2和T2*值在每個軟骨區(qū)域均顯著減少，這表明軟骨細胞外基質(zhì)中自由水分子的減少，且軟骨成分的急性變化對T2和T2*的影響幾乎相等。可見，T2和T2*這2種定量參數(shù)在評估跑步后軟骨超微結(jié)構(gòu)的即時變化中均有一定價值。Zhang等[23]對12名業(yè)余馬拉松運動員分別于馬拉松運動前24 h內(nèi)、馬拉松運動后12 h內(nèi)、2個月康復(fù)期后進行T2*mapping成像，結(jié)果顯示膝關(guān)節(jié)軟骨大部分亞區(qū)T2*值在馬拉松運動后即刻升高，2個月后恢復(fù)至基線值，這表明馬拉松運動對膝關(guān)節(jié)軟骨的厚度、體積和T2*值有一定的影響，馬拉松運動后關(guān)節(jié)軟骨的細微變化和即時變化可在2個月后恢復(fù)。Schütz等[24]觀察22名受試者的多階段超級馬拉松運動對其股脛關(guān)節(jié)軟骨生化方面的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在最初的1 100 km內(nèi)，膝關(guān)節(jié)軟骨所有區(qū)域T2*值均顯著增加，在超級馬拉松運動的后半程未見進一步的T2*升高，但在3 500 km后觀察到T2*值下降。由此推論膝關(guān)節(jié)軟骨具有適應(yīng)負荷的能力。Hesper等[25]對10名非專業(yè)馬拉松運動員在馬拉松運動前后48 h內(nèi)以及4周后的T2*值進行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)跑完馬拉松48 h后T2*值略有增加，而馬拉松運動前和馬拉松運動后4周的T2*值差異無統(tǒng)計學(xué)意義。這表明重復(fù)關(guān)節(jié)載荷對T2*值具有很小的瞬時影響。脛骨內(nèi)側(cè)平臺的低T2*值可能與功能需求或早期軟骨退化有關(guān)。

MRI超短回波時間（ultrashort echo time,UTE）序列是一種較新的MRI技術(shù)，張等[26]研究發(fā)現(xiàn)，UTET2*mapping序列在膝關(guān)節(jié)成像中可更為清晰地顯示肌腱和韌帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其測得的定量T2*值的延長可作為肌腱、韌帶等高度有序的膠原組織變性或受到破壞的生物標志物，以檢測結(jié)構(gòu)損傷的早期變化。同時,蘇等[27]采用UTE序列成像對軟骨進行定量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)UTE序列不僅能清晰顯示關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)，還可以精準評估軟骨PG、膠原纖維及細胞外pH值等生化指標，表明UTE序列在骨關(guān)節(jié)炎超早期診斷、進展評估及治療指導(dǎo)等方面具有重要價值。Williams等[28]比較了2D和3D UTE-T2*mapping測量關(guān)節(jié)軟骨的UTE-T2*值，研究發(fā)現(xiàn)3D UTE-T2*mapping對關(guān)節(jié)軟骨的深層軟骨變化更加敏感。Williams等[29]對曾接受前交叉韌帶重建術(shù)的病人進行步行運動的研究，通過UTE-T2*mapping成像技術(shù)評估病人在術(shù)后2年軟骨UTE-T2*值的變化率與步行力學(xué)的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)可改變的力學(xué)因素（過度的脛骨外旋轉(zhuǎn)、膝關(guān)節(jié)伸直的喪失等）會引起髕股關(guān)節(jié)軟骨UTE-T2*值升高，可能與軟骨基質(zhì)破壞有關(guān)，UTE-T2*值有可能成為未來優(yōu)化運動過程中髕股旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的有用指標。

2.4 T1mapping成像T1mapping技術(shù)又稱為縱向弛豫時間定量成像技術(shù)，基于反轉(zhuǎn)或飽和脈沖序列采集。與傳統(tǒng)MR成像方法不同，T1mapping不僅可直觀顯示關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)和信號變換，還能定量評價關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)不同生化成分含量變化，更有望在關(guān)節(jié)軟骨尚未出現(xiàn)形態(tài)學(xué)改變之前發(fā)現(xiàn)其生化成分改變，為臨床早期干預(yù)、治療、預(yù)防關(guān)節(jié)軟骨退變和延緩其發(fā)展，甚至逆轉(zhuǎn)早期軟骨退變提供了可能[30]。有研究[31]表明關(guān)節(jié)軟骨T1值主要受水和蛋白多糖含量的影響。方等[32]利用合成MRI對業(yè)余馬拉松運動員參加全程馬拉松運動前后的膝關(guān)節(jié)軟骨進行探究，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)軟骨T1mapping測得的T1值在馬拉松賽后降低，這可能是由于運動使軟骨內(nèi)水分流出，蛋白多糖濃度相對增加，同時也證實了T1mapping可有助于檢測馬拉松運動前后膝關(guān)節(jié)軟骨的生化改變。錢等[33]利用T1mapping定量測量膝關(guān)節(jié)軟骨在20 min平地跑步運動前后的變化，并研究了BMI和性別這2個因素與T1值變化的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T1值不能有效反映膝關(guān)節(jié)軟骨運動前后的生化成分變化，且T1值與BMI無顯著相關(guān)性，僅髕骨軟骨的T1值具有性別差異，女性組的絕對變化值較男性組大，可能原因是髕骨軟骨受激素水平影響較大。

2.5 DTI DTI在多個方向上施加敏感梯度磁場來測量各個方向上的信號衰減量，同時對水分子擴散特征進行量化，獲取不同狀態(tài)下組織細微結(jié)構(gòu)解剖變化和功能改變信息[34]。DTI目前常用的量化參數(shù)為部分各向異性分數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和表觀擴散系數(shù)（ADC）。FA值的大小與擴散方向的異性程度呈正相關(guān)（FA=0～1）。而水分子的擴散只發(fā)生在膠原纖維排列的方向上，故FA值可用于評估關(guān)節(jié)軟骨膠原纖維結(jié)構(gòu)排列的方向。ADC值可反映不同方向水分子擴散的能力，ADC值越大，水分子擴散能力越強。

DTI的優(yōu)勢在于可以同時對蛋白多糖和膠原進行監(jiān)測。國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)研究利用DTI技術(shù)證實適度的運動使軟骨單位體積內(nèi)蛋白多糖含量升高，膠原纖維各向同性增加，如崔等[35]采用DTI技術(shù)測量了在30 min慢跑運動前后關(guān)節(jié)軟骨不同部位的FA值、ADC值及其變化率，探討了DTI評估膝關(guān)節(jié)軟骨生化改變的可行性，研究發(fā)現(xiàn)中等強度運動使膝關(guān)節(jié)軟骨大部分區(qū)域的FA值升高、ADC值降低，DTI的FA值及ADC值能夠客觀反映關(guān)節(jié)軟骨的微細結(jié)構(gòu)變化，有效指導(dǎo)跑步愛好者合理進行跑步運動。另有研究[36]通過對健康志愿者中等跑步運動負荷前后行膝關(guān)節(jié)常規(guī)MRI和DTI檢查發(fā)現(xiàn)，健康志愿者運動后膝關(guān)節(jié)軟骨FA值增高、ADC值減低，且運動后膝關(guān)節(jié)軟骨各區(qū)域FA值、ADC值變化存在差異，這提示軟骨負重時受壓縮的膠原纖維各向異性提高，且數(shù)值變化越大的軟骨區(qū)域所承受的負荷量越大。

2.6 dGEMRIC軟骨dGEMRIC經(jīng)靜脈注射釓對比劑后行延遲掃描，通過測定T1值可以檢測出軟骨內(nèi)GAG含量的變化[37]。有研究[38]表明T1值與GAG含量的變化具有很高的相關(guān)性，可以作為間接評估關(guān)節(jié)軟骨GAG變化的影像檢測方法。

在跑步運動相關(guān)性膝關(guān)節(jié)軟骨的研究中，Tiderius等[39]研究發(fā)現(xiàn)，與久坐者相比，運動群體膝關(guān)節(jié)軟骨dGEMRIC T1值更高，表明軟骨可以通過增加GAG含量來適應(yīng)運動。又有研究[40]比較了跑步人群和久坐人群膝關(guān)節(jié)軟骨厚度及增強前T1值（原生T1值），發(fā)現(xiàn)跑步人群具有更厚的軟骨且原生T1值更高，這些都會影響dGEMRIC T1值，即原生高T1值和對比劑引起T1縮短的綜合效應(yīng)。另有研究[41]利用dGEMRIC技術(shù)對跑步人群運動前后和久坐者膝關(guān)節(jié)軟骨的dGEMRIC T1值進行測量比較發(fā)現(xiàn)，為期10周的適度的跑步運動后，dGEMRIC T1值的變化在跑步者和對照組之間存在顯著差異，且dGEMRIC T1值隨著體力活動的增加而增加。這一結(jié)果表明適度的跑步運動可增加軟骨GAG含量，對膝關(guān)節(jié)軟骨具有積極的作用。

2.7 其他定量MRI技術(shù) 主要包括GAG化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移（glycosaminoglycan chemical exchange saturation transfer,gagCEST）成像和鈉MRI（23Na-MRI）。gagCEST成像是基于化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移原理，通過測定非對稱性磁化轉(zhuǎn)移率即MTRasym值準確評估軟骨GAG的濃度變化[42]。23Na-MRI可以通過關(guān)節(jié)軟骨中的鈉離子自身具有核自旋動力進行軟骨成像，與dGEMRIC技術(shù)具有相似的成像方式，但23Na-MRI無需靜脈注入對比劑，減少了由于對比劑帶來的毒副作用（如肝、腎毒性）[43]。23Na-MRI也存在一些不足，如后處理復(fù)雜、對磁場的不均勻性敏感及掃描時間長等。目前這兩種定量MRI技術(shù)在跑步人群中膝關(guān)節(jié)軟骨的研究尚未見報道。

3 常用定量MRI的技術(shù)優(yōu)勢及限度

T1ρ成像無需注射對比劑，可在關(guān)節(jié)軟骨尚未發(fā)生形態(tài)學(xué)改變時，依據(jù)T1ρ值的變化發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨早期的病變，但是其掃描時間長、病人配合度低，穩(wěn)定性有待進一步提高。T2mapping成像在關(guān)節(jié)軟骨成像研究中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其成像質(zhì)量高，組織分辨力高且可獲得定量參數(shù)T2值，但是由于其掃描時間較長、病人的配合度低，減少了檢查量。T2*mapping成像的優(yōu)點在于影像采集速度更快，空間分辨力更高，可以對影像進行三維采集，但是受局部場強異質(zhì)性影響較大，容易產(chǎn)生易感性偽影，同時也具有魔角效應(yīng)。UTE-T2*mapping成像可以對關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)進行清晰成像及定量研究，但是其成像易受部分容積效應(yīng)及磁敏感效應(yīng)的影響，同時雙成分分析無法區(qū)分與膠原或PG結(jié)合的水。T1mapping成像可直觀顯示關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)和信號變換，能定量評價關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)不同生化成分含量變化，但是其掃描時間較長，對早期關(guān)節(jié)病變的敏感性也較低。DTI可以通過定量參數(shù)值來反映關(guān)節(jié)軟骨膠原纖維結(jié)構(gòu)排列的方向及監(jiān)測關(guān)節(jié)軟骨中蛋白多糖和膠原變化，但是需要采集較多梯度方向的DTI影像，計算量大，耗時較長。dGEMRIC成像對早期關(guān)節(jié)軟骨GAG缺失導(dǎo)致的電荷密度的改變非常敏感，可在軟骨發(fā)生形變前對軟骨代謝異常做出判斷，但是其需要靜脈注射對比劑，可能會對腎功能造成影響。

綜上，T1ρ、T2mapping、T2*mapping、T1mapping、DTI及dGEMRIC等定量MRI技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)外諸多研究者用于研究跑步運動對膝關(guān)節(jié)軟骨的即時及長期影響，在顯示膝關(guān)節(jié)軟骨的細微結(jié)構(gòu)變化、損傷的累積、軟骨退變及修復(fù)等方面具有不可替代的優(yōu)勢。對于確定跑步時最佳閾值及尋找損傷修復(fù)手段具有極大幫助。然而，定量MRI在臨床應(yīng)用上還存在一些局限性，國內(nèi)外的研究結(jié)果尚存在一定差異，仍然需要進一步探索這些新技術(shù)，使其更好地從科研進入臨床實踐，以發(fā)揮更大的價值。