膝骨关节炎MRI半定量评估及软骨T2mapping、T1ρ定量成像的应用研究

时间:2017-03-30 21:05来源:www.020lunwen.com 作者:feifei 点击:
本论文是医学硕士论文,笔者通过对膝关节OA的形态学及生理学定量评估两部分的研究,为膝关节OA提供一个全面、早期、准确的影像学评估手段,以便应用于关节软骨早期退变的诊断。
第 1 章 绪 论
 
在我国60岁以上膝关节骨关节炎发病率也高达49%[2]。随着人口老龄化和肥胖人群的增多,预测到2020年患病人数会加倍[3]。OA不仅严重影响中老年人的生活质量,也给家庭、社会造成巨大的经济负担。在美国骨关节炎每年造成的医疗费用开支和其他经济损失高达1250亿美元。骨关节炎对人类的威胁正在迅速增加,有效的预防和治疗方法已成为亟待临床和科研解决重大的问题。对于膝关节OA的早期预测、早期诊断、全面有效准确的评估和疗效评价等多方面都亟需一个有效的诊断和监测工具。OA是一种缓慢进展的慢性退行性疾病,其发生与多种因素有关,包括遗传、年龄、性别、体重以及局部的应力因素、外伤、手术史等。很长一段时间人们对膝关节OA的认识停留在单纯的关节软骨疾病,但最近越来越多的研究证明全膝关节,包括关节软骨、滑膜、半月板、韧带、骨、肌肉等多个组织发生的结构和功能改变参与到疾病的进程中。软骨细胞凋亡和基质降解是OA最初的基本病理改变,胶原纤维变性、排列紊乱,蛋白多糖丢失,进而造成软骨生物力学改变,出现软骨的侵蚀、断裂、溃疡,同时导致软骨下骨硬化、囊变及大量骨赘增生,以及滑膜炎、附着体炎[4-8]。X线平片是膝关节OA最简便、廉价和常用的影像学检查方法,主要通过观察膝关节骨赘、关节间隙和软骨下骨硬化的改变对OA进行诊断和评估。其中关节间隙狭窄的变化更是X线评估的重点,不论是临床药物实验还是全膝关节置换术,都以膝关节间隙狭窄的情况做为对病情评估的重要标准。但膝关节间隙的狭窄只能进行间接判断、不能直观显示关节软骨退变情况,其判定结果还受到不同阅片人标准和拍摄体位的影响,结果可重复性和可靠性较低[9]。
磁共振成像(Magnetic Resonce Imaging,MRI)做为无创性检查,具有高分辨率、多参数、多平面的特点,不仅能直接全面显示关节软骨,对关节软骨的厚度和体积进行精确的测量和长期监测,而且可以对半月板、软骨下骨病变等全膝关节特征进行准确的评估,同时因为MRI反映的是质子和大分子之间的相互作用,受组织内在结构的影响,使MRI更能在形态学发生变化前发现组织生化成分的改变[4, 8, 10-13]。近年来随着MRI技术的飞速发展,特别是多种半定量、形态学及生理学定量成像的出现,使对OA的早期诊断和全面、准确的评估成为可能。MRI全膝关节的半定量评分可同时观察多个膝关节结构特征,包括关节软骨的完整性、软骨下骨髓水肿、关节面下囊肿、软骨下骨磨损、骨赘、半月板、韧带、滑膜炎和积液、关节游离体以及关节周围囊肿或滑囊炎等[14],并对各个特征进行半定量评分,敏感性、特异性、可重复性高[15-17]。MRI生理学定量成像是一种对OA关节软骨退变进行早期影像学诊断的方法,可以在形态学变化前敏感的反映关节软骨分子水平细胞外基质发生的变化。虽然MRI生理学成像方法起步晚,但发展迅速,已经成为现在OA早期诊断及定量评估的研究热点。目前主要方法包括T2 mapping、T1ρ、dGEMRIC、DWI、Na23成像等,不仅能反映细胞外基质中胶原纤维网状结构、蛋白多糖以及水含量的变化,并且可以对感兴趣区进行定量的数值测定。虽然MRI全关节半定量评分在国外已经应用较多,但国内目前仍少见有对此的系统应用研究报道。而MRI生理学定量成像中的T2 mapping、T1ρ图因为对磁共振设备无特殊要求、不必引入对比剂、成像时间短、图像分辨率高而受到更多关注。本研究的主要内容分为两个部分:一部分是采用WORMS评分系统,对我院近期的膝骨关节炎进行MRI全膝关节诊断和半定量评估,旨在探索全膝关节半定量评估手段对膝关节OA的应用价值,对国人膝关节OA进行全面准确的评估、探索膝关节OA的多方面特征在OA中的相互作用;另一部分是在活体内同时应用T2 mapping、T1ρ这两种新兴的MRI生理学成像方法,对关节软骨退变进行定量检测,初步探索其在关节软骨退变中的应用价值。通过对膝关节OA的形态学及生理学定量评估两部分的研究,为膝关节OA提供一个全面、早期、准确的影像学评估手段,以便应用于关节软骨早期退变的诊断和长期纵向比较、选择OA早期干预靶点和治疗时机、对各种保守和手术治疗效果进行准确的评价等方面。
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第 2 章 文献综述
 
2.1 前言
目前OA的影像学诊断仍主要依赖于X线平片,可依据Kellgren-Lawrence分级系统分为5级:0级为没有阳性发现;1级为(可疑)微小骨赘;2级为有明确的轻度骨赘但没有关节间隙狭窄;3级为中度骨赘形成和(或)关节间隙明确狭窄;4级为重度骨赘形成、关节间隙明显狭窄和(或)软骨下骨质硬化。X线平片仅能依靠关节间隙的变窄、关节面下骨质硬化囊变以及骨质增生等间接征象判断中、晚期病变,不能直接显示关节软骨及早期病变,更不能对关节其他软组织进行评估。MRI做为无创性检查,具有高分辨率、多参数、多平面的特点。不仅能直接全面显示关节软骨,而且可以对半月板、软骨下骨病变等全膝关节进行准确的评估,对OA的早期诊断具有重要的意义。MRI与X线平片的对比研究已经表明,在评价膝关节OA程度和进展方面具有明显优势,单独应用X线平片会遗漏大部分关节软骨已经缺失的OA[18, 19]。随着MRI技术的飞速发展,特别是多种半定量、形态学及生理学定量成像出现,使对OA的早期诊断和全面、准确的评估成为可能。越来越多的问题也逐渐摆在人们面前,例如如何提供更高分辨率的图像对软骨和其他组织的变化做出准确评估;如何能更早期的发现OA关节软骨损伤,甚至发现形态学变化前分子生理水平的变化;OA的多种症状及病理变化与OA进程间有何联系、如何进行定量评估和纵向比较;如何选择早期干预靶点和治疗时机、对各种保守和手术治疗效果进行准确的评价等。本文将就近年来有关MRI在膝关节OA中的应用和进展进行回顾。
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2.2 膝关节 OA 的病理生理
(1)关节软骨
关节软骨退变是OA的最初病理改变,也是临床医师、影像医生和科研工作者进行膝关节OA早期诊断和早期干预的靶点,通过对关节软骨退变的监测进而判断OA的发生和进展。关节软骨的主要成分是细胞外基质和少量软骨细胞,细胞外基质是由水(60-80%)、II型胶原纤维(5-10%)和蛋白多糖(10-20%)构成的[11]。细胞外基质中的水分大多数与蛋白多糖相关联,并可以与关节滑液中的水分自由交换。关节软骨按胶原的排列方式自表面向基底可以分为四层,分别是表层、中间层(过渡层)、放射层和最深层(钙化层)。在软骨表层胶原纤维走向与软骨表面平行,其下一层过渡层胶原随机排列,放射层为与软骨表面垂直排列的胶原纤维[20]。大分子蛋白聚糖存在于II型胶原纤维所组成的网络结构中。大分子蛋白聚糖由一个蛋白核心及其周围向四周扩张的糖胺聚糖侧链组成,带有大量的负电荷。这些负电荷可以吸引更多的正离子(多为Na+)和水分子,并且可以使糖胺聚糖分子之间产生巨大的阻力,这种膨胀性压力对于正常软骨的抗压刚度及正常软骨的功能维持是必不可少的。蛋白多糖通过软骨表层聚集胶原纤维超滤膜吸收水分并与水相互作用,使得关节软骨富有弹性,是软骨组织承受压力的基础。关节软骨中最丰富的成分是水,位于胶原纤维的空隙内。水做为组织间液,在关节软骨浅表层水平流动,具有主要的承重作用,给关节软骨提供一定的坚硬度,关节负重时,水由软骨基质渗透到软骨表面挤入关节腔而具有润滑关节面的作用。软骨不同分层中胶原纤维、蛋白多糖和水含量不同,随深度增加胶原成分逐渐减少,而关节软骨表面蛋白多糖浓度最低、放射层最高,水含量则在关节软骨表面最多,深层水含量逐渐减少[21, 22]。关节软骨细胞外基质中的这几种成分共同组成网架结构,维持着关节软骨正常的压力、弹力及硬度。OA早期软骨细胞外基质的合成与分解失去平衡,引起软骨胶原纤维网络的形态和排列方式发生变化,增加了关节表面的摩擦作用和对水的通透性,同时伴随蛋白多糖聚集方式的改变,导致蛋白多糖的释放和浓度减低,细胞外基质膨胀性渗透压增加以及暴露出的更多的阴离子间隙,使水含量进一步增加。细胞外基质中胶原纤维网状结构的破坏、蛋白多糖的降解以及水含量的增多,这些分子生理水平的变化,导致软骨的正常压力作用严重受损、负重能力减弱,进而发生形态学的变化,出现关节软骨表面毛糙、裂缝、磨损、体积减小,最终全层缺失[23]。这些变化为OA的早期诊断及疾病进展评估提供了基础。目前有多种不同的技术可以检测关节软骨在结构(形态学)和分子水平(生理学)发生的变化,其中MRI做为一种非侵入性的手段,不仅能对关节软骨的厚度和体积进行精确的测量和长期监测,同时因为MRI反映的是质子和大分子之间的相互作用,受组织内在结构的影响,使MRI更能在形态学发生变化前发现组织生化成分的改变[4, 8, 10-13]。

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第 3 章 膝骨关节炎 MRI 全膝关节半定量评估的应用研究..............14
3.1 引言 .....................................................14
3.2 研究对象及方法.........................................15
第 4 章 膝关节软骨的 T2 mapping、T1ρ 生理学定量成像........29
4.1 引 言 ...................................................29
4.2 研究对象与方法...........................................30
第 5 章 结 论.................................................41
 
第 4 章 膝关节软骨的 T2 mapping、T1ρ 生理学定量成像
 
4.1 引 言
膝关节OA是一个由关节透明软骨退行性改变做为初始病理改变的多因素、全膝关节病变。X线平片是膝关节OA最简便、廉价和常用的影像学检查方法,主要通过观察膝关节骨赘、关节间隙和软骨下骨硬化的改变对OA进行诊断和评估。其中关节间隙狭窄的变化更是X线评估的重点,不论是临床药物实验还是全膝关节置换术,都以膝关节间隙狭窄的情况做为对病情评估的重要标准。但膝关节间隙的狭窄只能进行间接判断、不能直观显示反映关节软骨退变情况,其判定结果还受到不同阅片人标准和拍摄体位的影响,结果可重复性和可靠性较低[9]。磁共振成像(Magnetic Resonce Imaging,MRI)做为无创性检查,具有高分辨率、多参数、多平面的特点,不仅能直接全面显示关节软骨,对关节软骨的厚度和体积进行精确的测量和长期监测,同时因为MRI反应的是质子和大分子之间的相互作用,受组织内在结构的影响,使MRI更能在形态学发生变化前发现组织生化成分的改变[4, 8, 10-13]。
关节软骨的主要成分是细胞外基质和少量软骨细胞,细胞外基质是由水(60-80%)、II型胶原纤维(5-10%)和蛋白多糖(10-20%)构成的[11]。关节软骨按胶原的排列方式自表面向基底可以分为四层,分别是表层、中间层(过渡层)、放射层和最深层(钙化层)。在软骨表层胶原纤维走向与软骨表面平行,下一层过渡层胶原随机排列,放射层为与软骨表面垂直排列的胶原纤维[20]。大分子蛋白聚糖存在于II型胶原纤维所组成的网络结构中。大分子蛋白聚糖由一个蛋白核心及其周围向四周扩张的糖胺聚糖侧链组成,带有大量的负电荷。这些负电荷可以吸引更多的正离子(多为Na+)和水分子,并且可以使糖胺聚糖分子之间产生巨大的阻力,这种膨胀性压力对于正常软骨的抗压刚度及正常软骨的功能维持是必不可少的。蛋白多糖通过软骨表层聚集胶原纤维超滤膜吸收水分并与水相互作用,使得关节软骨富有弹性,是软骨组织承受压力的基础。关节软骨中最丰富的成分是水,位于胶原纤维的空隙内。水做为组织间液,在关节软骨浅表层水平流动,具有主要的承重作用,给关节软骨提供一定的坚硬度,关节负重时,水由软骨基质渗透到软骨表面挤入关节腔而具有润滑关节面的作用。软骨不同分层中胶原纤维、蛋白多糖和水含量不同,随深度增加胶原成分逐渐减少,而关节软骨表面蛋白多糖浓度最低、放射层最高,水含量则在关节软骨表面最多,深层水含量逐渐减少[21,22]。关节软骨细胞外基质中的这几种成分共同组成网架结构,维持着关节软骨正常的压力、弹力及硬度。OA早期软骨细胞外基质的合成与分解失去平衡,引起软骨胶原纤维网络的形态和排列方式发生变化,增加了关节表面的摩擦作用和对水的通透性,同时伴随蛋白多糖聚集方式的改变,导致蛋白多糖的释放和浓度减低,细胞外基质膨胀性渗透压增加以及暴露出的更多的阴离子间隙,使水含量进一步增加。细胞外基质中胶原纤维网状结构的破坏、蛋白多糖的降解以及水含量的增多,最终导致关节软骨大体结构发生明显破坏而出现碎裂,病变开始向中晚期发展。因此对OA关节软骨退变的早期影像学诊断就需要在形态学变化前,真实敏感的反映这些分子水平细胞外基质发生的变化。
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第 5 章 结 论
 
我们的研究结果也显示T2值和T1ρ值之间存在着正相关性。有一些研究对T2值和T1ρ值这两种同为反映关节软骨细胞外基质变化的MR生理学定量指标的敏感性进行了对比。Li等人的研究结果表明T1ρ值与T2值之间显著相关(r值为0.86, P<0.0001),而且T1ρ值对关节软骨的改变更敏感[94]。另外该研究还显示虽然二者数值之间存在相关性,但在空间分布上二者具有统计学意义的分区并不同。这与我们的结果也是一致的。其他研究结果也显示T1ρ值较T2值在监测前交叉韧带重建术后关节软骨退变方面更敏感,与患者的疼痛、僵硬和功能受限程度更相关[49, 164]。但介于T2值和T1ρ值代表的是组织内不同的驰豫时间、受到的影响因素不同,对关节软骨退变进行检测时应该将二者结合起来判断、互相补充。
本研究的主要不足首先是样本量小、缺乏长期对比研究;其次是在筛选超重肥胖组做为关节软骨早期退变的研究对象时,X线平片Kellgren-Lawrence 0级和1级会包含一些在MRI上已经出现关节软骨形态学变化的情况,这在一定程度上增加了超重肥胖组的整体T2值和T1ρ值;另外虽然在研究设计和扫描时,已经尽量减小年龄、性别、运动等情况的影响,但难免存在一些影响结果的未知因素;因为测量工作需要手动勾画感兴趣区、工作量较大,且关节软骨菲薄,在感兴趣区确定时难免存在容积效应和误差,另外只是选取了股骨髁关节软骨进行测量,也未能进一步区分关节软骨的深层和浅层。下一步的研究方向将是扩大样本量和完善扫描、测量方案,将T2值和T1ρ值这两种MRI生理学成像的方法应用于OA患病预测及预防、治疗效果长期监测评估中。
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参考文献(略)
 
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