放射学在关节疾病认识演变中的作用

　

作者：MingqianHuang，MarkE.Schweitzer

石溪大学放射学系；电子邮件：Mark.Schweitzer

stonybrookmedicine.edu

学习目标：

■解释随着时间的推移，技术变化如何影响成像诊断

■过去的技术如何指导目前的放射学实践

■成像和成像引导治疗如何有助于患者护理

关节疾病包括各种各样的肌肉骨骼疾病。由骨关节炎（OA）和类风湿性关节炎（RA）和痛风引起的髋膝关节疼痛，给个人、医疗保健系统和社会护理系统带来巨大负担。北美放射学会及其旗舰期刊放射学使我们对关节疾病的理解产生了巨大影响，远远超出了影像学范围。先进的生理磁共振（MR）成像技术，如钠成像，延迟钆增强的软骨MR成像，以及旋转框架（T1ρ）中的自旋晶格弛豫，引领我们探索和评估OA患者早期结构改变的新领域。这些技术将预示着放射学新的潜力，以及成像生物标志物的真实表现。与OA类似，许多关于RA的开创性文章，在这几十年间，改变了RA的整体医学方法。许多关于结晶性关节病的描述，包括痛风、CPPD和羟基磷灰石沉积疾病（或HADD），都在放射学中提出。临床医生对这些疾病的自然病史的理解已被我们的影像学发现直接和实质性地改变了。

退行性OA

OA是最常见的关节炎形式，并且是老年人慢性残疾的主要原因（1）。随着肥胖流行和人口老龄化，OA对我们的医疗保健系统来说是一个很大的负担，而且会变得更加严重。通过早期诊断，更好地了解发病机制，对于OA预防和治疗的发展至关重要。多篇放射学文章有助于我们对这种社会重要条件的理解。

放射科医师一直在OA的诊断和治疗中发挥关键作用。随着X射线的引入，医生们第一次能够无创地观察各种骨结构的变化。手和手腕是OA最常见的位置之一，我们都记得伦琴的第一张X光片是他妻子的手。在过去的年中，新成像技术的快速发展与我们对OA的理解的演变并行并直接有关。

OA的X线照相评估

自放射学开始以来，射线照相和临床检查一直是评估OA的标准方法。放射科医生长期观察到OA的关节间隙狭窄，硬化，骨赘和软骨下囊肿形成的影像学表现。在20世纪30年代，关节炎在成像时被分类为创伤性，传染性，萎缩性或肥厚性（2，3）。软骨在发病机制中的重要作用已经得到认可。然而，软骨损伤和损失的影像学评估，仅取决于此时关节间隙缩小的二级征象（图1）。后来，放射科医师认识到炎症的分化，对关节间隙变窄的退行性原因的重要性。发表的文章描述了每个关节的典型骨关节炎受累（4）。

图1、膝关节的正位X线片显示OA（3-图6）

年，引入了Kellgren-Lawrence分级方案（5）。该系统主要基于X线照相结果，目前仍在广泛使用。在20世纪60年代和70年代，实施胫骨切开术作为膝关节OA的治疗方法，需要改进关节间隙宽度评估。外科医生进行截骨术以改变退化的狭窄关节表面的承重轴。在年的放射学文章中，Leach等人（6）在评估关节间隙时，主张使用负重前后视图，以指导接受治疗的患者的术前和术后评估。他们还强调了在负重前后位图像上检测内翻和外翻畸形的附加值（6）（图2）。在此后的几十年中，膝关节伸展X线片（即双膝完全伸展的双侧负重前后视图），已成为评估胫股关节的标准X线片。标准化膝关节造影术已取得进展，现在更多的做法是在Lyon-Schuss位置获得膝关节的前后X线片，X射线束有10°的十字形角度（固定屈曲X线片，有或没有使用定位框架）。这样，在45°膝关节屈曲时，最容易在股骨后部发生的软骨损失可以更容易识别（7），关节空间与x射线束平行或近似平行对齐。

图2、膝关节的非负重（左）和负重（右）射线照片显示OA（6-图1）。

OA的CT关节造影评估

关节软骨异常是OA的重要组成部分。关节间隙宽度顶多是间接测量弥漫性软骨损失。计算机断层扫描（CT）关节造影，改善了软骨的可视化和异常的检测。然而，该方法涉及辐射暴露，并且需要关节内注射造影剂材料。随着多排CT的引入，CT关节造影软骨研究的新机遇已经形成。在年放射学文章中，El-Khoury等人（8）表明，当用于测量尸体踝关节软骨厚度时，双对比多排螺旋CT关节造影比稳态MR成像中的三维（3D）脂肪抑制损坏梯度回波更准确。艾伦和同事们（9）年发表了他们关于尸检髋臼软骨厚度测量的研究，并使用年放射学多层螺旋CT关节造影进行三维重建。通过使用多检测器CT关节半自动重建的三维表面数据，髋臼软骨厚度可估计在真实值的0.46mm内，容差为95％。（图3）。使用商业分割软件，在Allen等人的研究中，估计髋臼软骨厚度具有非常好的可重复性。有了这个精度，从多排CTCT关节造影数据重建髋臼软骨几何，可能可以作为术前规划工具。

图3、（a）CT关节造影和（b）为软骨评估获得的髋关节3D图像（9-图3）。

在年放射学文章中，Yoo等（10）用延迟对比增强材料对离体正常和退化关节软骨进行CT评估，定量检测软骨中糖胺聚糖（GAG）浓度，他们研究了40只完整的猪髌骨，将CT图像与番红O染色的组织切片进行比较，并用二甲基亚甲基蓝测定法测定实际GAG含量。研究表明，对比增强CT图像可以通过测量软骨中积累的阴离子造影剂的浓度来反映软骨内的GAG含量（10）。因此，对比增强CT可以是潜在的非侵入性评估工具，用于检测关节软骨的早期退化。

OA的MR成像

磁共振成像有助于我们诊断和分期OA，它从根本上促进了我们对这种疾病的自然病史的理解。虽然OA通常表现为软骨疾病，但它实际上是一种全器官疾病。成像在这种关于OA发病机制的思维方式转变中发挥了至关重要的作用;它已经从“磨损”疾病转变为多因素发病机制，包括缺血，炎症，遗传和不稳定等重要致病因素（11）。采用全器官方法的概念，评估各种特征，包括关节软骨完整性，关节下骨髓异常，软骨下囊肿，关节下骨质减少，边缘和中央骨赘，半月板完整性和挤压，前交叉韧带和后交叉韧带完整性，内侧和外侧副韧带完整性，滑膜炎和积液，关节内松动体，关节周围囊肿和滑囊炎。

在临床膝关节OA试验中，至少有四种全器官评估的半定量评分方法（全器官MR成像评分[或WORMS][12]，波士顿-利兹骨关节炎膝关节评分[或BLOKS][13]，膝关节骨性关节炎评分系统[或KOSS][14]和MR成像骨关节炎膝关节评分[或MOAKS][15]）已发表。在关于胫股关节OA危险因素的多中心骨关节炎（或MOST）纵向研究中，根据WORMS系统读取MR图像。受试者在30个月时进行随访。通过使用多变量逻辑分析，评估年龄，性别，体重指数，种族，膝关节排列和几种MR特征（骨髓损伤，半月板损伤，挤压和滑膜炎或积液），与快速软骨损失风险之间的关系模型。结果显示，在基线软骨损伤最小的参与者中，存在高体重指数，半月板损伤，滑膜炎或积液，16）。因此，这些患者可能是预防性或早期治疗试验的理想候选者。

使用MR成像对关节软骨进行形态学评估。到20世纪80年代，用常规自旋回波（SE）序列进行MR成像，以评估内部紊乱。Yulish等（17）表明，与关节镜检查结果相比，常规SEMR成像是检查髌骨后软骨的准确方法。

像大多数MR成像领域一样，脉冲序列的发展在20世纪90年代和21世纪初迅速发展。用于评估软骨的第一脉冲序列之一是三维梯度回忆回波（GRE）MR成像技术，称为具有稳态进动（或FISP）的快速成像。薄的连续部分，增加的信噪比和减少的总成像时间，是其优于传统SE序列的优点。Tyrrell等（18）发现快速3DMR图像与关节镜检查结果在高级别软骨病变方面表现出良好的相关性（图4）。

图4、具有稳态进动的3D快速成像MR图像以（a）10°和（b）90°的翻转角，并且与关节镜检查结果在高级软骨病变方面显示出良好的相关性（18-图2）。

后来，Heron和Calvert的一项研究（19），与关节镜相比，3DGREMR成像用于准确评估膝关节软骨，并且在评估半月板撕裂（98％）和十字韧带（96％）时具有高的阴性预测值。随着后来开发更先进的MR技术，GRE序列不再被认为是软骨形态学评估的参考标准;然而，一些医生仍然使用它们进行容量评估。

随后开发了各种3D技术，包括3D损坏梯度回波（或SPGR），3D双回波稳态（或DESS），3D平衡稳态自由进动（或SSFP）和3D驱动平衡傅立叶变换技术。3D损坏的梯度回波序列被广泛认为是膝关节软骨定量形态学评估的标准，因为它与关节镜相比具有高精度（20，21）。缺点是采集时间长，液体和软骨之间的对比度不理想，以及对易感性伪影的高度敏感性;因此，这种方式对骨髓异常评估的表现很差。Recht等（22）使用脂肪抑制的3DGRE序列来研究尸体膝关节的透明关节软骨，并将这些图像与标准SE序列获得的图像进行比较（图5）。他们发现，优化的脂肪饱和（FS）损坏梯度回波序列获得的结果明显优于其他序列获得的结果，具有高灵敏度和特异性，准确度为95％。此外，正常的软骨一直表现为三层结构，FS损坏的梯度回波序列，这一特征似乎有助于识别软骨病变。

图5、（a-g）不同序列MR图像和（h）病理标本显示，83岁女性的髌骨内侧面的表面纤维化。髌骨内侧面具有精细的表面纤维化，对应于2级病变（22-图2）。

3D双回波稳态技术是另一种常用技术。与传统的MR成像相比，它具有更高的信噪比和更高的软骨-液体对比度。然而，具有3DGRE序列的软骨和关节液之间的相对较差的对比，使得它们在局部软骨缺损的描绘中不如标准的FSE序列（23-25）。三维各向同性平衡稳态自由进动MR成像产生优秀的滑液与软骨对比（26）。这些序列在成像关节软骨和测量无症状志愿者的软骨体积时非常有效，并且它们有助于检测有症状患者的手术证实的软骨损伤（27-30）。Kijowski等（31）表明，与用常规MR方案获得的图像相比，在一次5分钟采集后获得的多平面内插投影重建稳态自由进动图像具有相似的灵敏度，特异性和准确性，用于检测软骨损伤，前后交叉韧带韧带撕裂，内侧半月板撕裂，内侧和外侧副韧带撕裂。然而，图像显示低于常规MR方案检测膝关节外侧半月板撕裂和骨髓水肿病变的敏感性（31）。

快速水激发MR成像已应用于常用的GRE技术，并用于软骨评估的容积方法（30）。该技术在磁场不均匀性区域提供均匀的脂质抑制（32，33）。最近，研究主要集中在术后成像和早期软骨损伤的检测上。已经引入了具有稳态的水激发真正快速成像，以及相当短的采集时间。Duc等（30）表明，与通常用于膝盖成像的其他序列相比，具有稳态进动序列的3D水激发快速成像具有显着更高的对比度-噪声比和软骨与流体之间的对比度-噪声比效率。（图6）。

图6、（a-f）用各种序列获得的矢状MR图像显示正常的软骨（箭头）。Fe=股骨，Ti=胫骨（30-图2）。

目前，二维中加权或T2加权脂肪抑制快速自旋回波（FSE）序列在临床实践中最常用于评估形态软骨。脂肪抑制在关节软骨中提供更宽范围的信号强度并减少化学位移伪影。中间加权序列产生比纯T2加权序列更高的内在软骨对比度。然而，二维FSE序列通常在当前协议中在多个平面中重复，因此是耗时的。另外，

最近，随着更高效的成像技术和高性能MR成像工作站的发展，已经引入了具有各向同性分辨率的3DFSE序列，以解决各向异性体素，截面间隙和二维FSE技术的部分体积效应的缺点（图7）。三维FSE成像有可能产生高质量的多平面重组，可用于评估软骨形态和评估半月板，十字韧带和软骨下骨（34）。Kijowski等（34）显示5分钟的矢状FSE立方体序列与多平面重组具有更高的灵敏度，但比常规磁共振成像协议在检测膝关节软骨损伤3.0T时具有更低的特异性。采用多平面重组的单采集3DFSE技术目前在质量方面与源序列不具有可比性;然而，这种技术有可能取代标准的二维FSE技术，从而有助于大大缩短检查时间。

图7、矢状面MR图像。43岁的男性患有股骨滑车的手术证实的2B级软骨病变。显示（a，b）股骨滑车上的正常出现的关节软骨（箭头），和（c）股骨滑车上的软骨病变（箭头）（34-图1）。

关节软骨主要由II型胶原，蛋白多糖，软骨细胞和水组成的细胞外基质组成。蛋白聚糖由线性蛋白质核心组成，许多GAG附着在该核心蛋白质核心上。OA的发病被认为与GAG浓度的降低，胶原纤维的大小和组织的变化以及水含量的增加有关（38-42）。MR成像具有突出不同组织类型的能力，提供了一种极好的非侵入性手段，可用于研究软骨的成分变化。T2映射，T1ρ成像，软骨的延迟钆增强MR成像，钠成像和扩散加权成像是该类别中的当前技术。

T2映射

就胶原蛋白含量的变化和随水活动性增加而排列的早期软骨退化增加T2弛豫时间。因此，T2映射通过生成表示弛豫时间变化的颜色或灰度图并提供关于水分子与关节软骨内胶原网络相互作用的地理信息来产生客观数据（43，44）。对于大多数临床MR成像系统，T2映射可以相对容易地实现，这有利于纵向监测。

Dunn等（45）发表了他们的数据在放射科于年，他们发现，除了胫骨外侧软骨的所有舱室表现出健康的膝盖和膝盖骨关节炎之间的T2弛豫时间显着上升;然而，轻度OA膝关节与严重OA患者膝关节无明显差异。T2值与临床症状和软骨形态的相关性主要发生在内侧室（45）（图8）。

图8：软骨的T2弛豫时间图。轻度或重度OA患者的高z评分区域（黄色区域）面积增加（45-图3）。

T1ρ序列

T1ρ序列提供另一种生理成像替代方案。Duvvuri等（48）在他们的工作中引入了这项技术的潜力，该技术在人关节软骨中显示出显着的T1ρ分散并且描绘了软骨病变，与可比较的T2加权图像相比，信号差-噪声比率提高了25％。后来，Regatte等（49）显示了从1.5TT体内采集的质子磁共振成像数据计算人髌股关节的3DT1ρ弛豫图的可行性。二维和3DT1ρ值之间存在良好的相关性。早期研究表明，牛髌骨软骨的松弛率（1/T1ρ）随着蛋白多糖损失的百分比线性下降（50）。

延迟钆增强的软骨磁共振成像

观察到透明软骨中的间质液中的离子，相对于带负电的GAG分子的浓度分布，反映了蛋白多糖含量的量。延迟钆增强的软骨MR成像已显示出描绘形态完整软骨变化的能力，可预测进展为OA（51）。Bashir等（52）表明，钆二亚乙基三胺五乙酸在关节腔内注射后从关节面穿透软骨，静脉注射后从关节面和软骨下骨穿透。后者导致整体渗透率降低。他们的数据表明，钆二亚乙基三胺五乙酸增强的MR成像具有监测体内软骨GAG含量的潜力

钠成像

钠MR成像在早期退化软骨和正常软骨之间的区别方面显示出前景（53）。然而，较低的信噪比限制了该技术的临床实施，并要求仅使用较高的场强。

炎性关节炎

基于类风湿因子的存在，炎性关节炎通常分为血清阳性和血清阴性组。关节炎的原型血清阳性形式是RA。其他亚型包括胶原血管疾病，如系统性红斑狼疮，硬皮病，血管炎和Sj?gren综合征。本文仅详细介绍RA。

类风湿关节炎

RA是最常见的炎性关节病类型;它影响一般人群的0.3％-1.0％，并且发生在4.5％的55岁以上的人群中（57，58）。RA是一种全身性疾病，其特征在于关节滑膜衬里的炎症，并导致软骨和骨基质的破坏（59）。RA的诊断基于临床，实验室和放射学检查结果。

RA的X线评估-在20世纪40年代，放射科医师观察了RA患者的影像学表现。最初，有弥漫性和梭形的关节周围肿胀，通常涉及近端指间关节。如果疾病进展，当关节间隙变窄时，关节软骨的破坏变得明显。将出现不规则的侵蚀，并且皮质边缘的消失将采取不同形式，例如小的冲孔缺陷或骨表面的细微粗糙。所有这些变化都可以在手和手腕看到。实际的脱位发生在疾病过程的后期。RA可能在任何阶段自发停止，甚至是关节周围肿胀阶段。更复杂的是，RA可能发生在先前发生退行性变化的关节中，使得对原发疾病过程的识别成为放射科医师面临的挑战（4）。年，斯坦布罗克等人（64）引入了第一种定量评分方法，用于主要根据骨质疏松症、节间隙变窄、糜烂、错位和关节强直的X线表现进行RA诊断的患者。用这种方法对手和手腕进行整体评分。拉森等人（65，66）描述了另一种评分方法，其中对手和手腕中的各个关节进行评分。其他常用的分数由Sharp等人开发（67-69）和凯伊等人（70）。

断层合成具有将X射线技术的分辨率与CT的横截面成像能力相结合的优点。Canella等（79）以CT为参考标准，比较断层合成与X线摄影检测RA患者的手腕和腕骨侵蚀。他们的结果显示，与放射线照相相比，在断层合成中检测骨侵蚀的灵敏度增加，放射剂量增加相当小（79-图9）。

图9、（a）前后位X线片，（b）四个断层合成图像，以及（c）冠状CT。63岁男性RA患者，显示掌指关节有三处糜烂（箭头）（79-图2）。

RA.-MR成像的MR评估具有描绘软组织结构的卓越能力，为放射科医师提供了一种优秀的工具，可用于评估RA的X线未发生明显改变前的变化。放射科医师现在可以直接评估滑膜，软骨，肌腱和韧带，所有这些都经常受到RA的影响。

MR成像目前被称为用于描述发炎滑膜的非侵入性成像模式（图10），并且它被认为是评估既定RA的有用工具（84）。MR成像已被证明最能描述RA患者的骨炎（增强骨髓水肿），目前的数据表明这是早期RA患者随后放射学进展的最强预测因子（86）。

图10a：33岁女性，3个月持续的早期炎性关节炎。手和手腕的双侧对比增强（a）轴向和（b）矢状T1加权脂肪饱和MR图像。注意右手第二和第三位屈肌腱的2级腱鞘炎（a中的箭头），和双侧指间关节滑膜炎和左桡腕关节滑膜炎（pisotriquetral滑膜凹陷）（b中的虚线箭头）。b中的实心箭头表明掌指关节水平（85-图1）。

RA的超声评估-在过去十年中，肌肉骨骼超声（US）已被公认为RA评估中有用的成像工具。它是非侵入性的，成本低于磁共振成像，门诊实践和发展中国家的可用性更高。与MR相似，US可实现血管的可视化，滑膜厚度的测量（使用高频20-MHz换能器）和血管可视化，以及早期检测糜烂（87-89）。

成像对RA治疗的影响-帕尔默等人于年在Radiology上发表的对比增强磁共振成像和正电子发射断层扫描（PET）能够量化关节炎症的体积和代谢变化，并比较抗炎药物的功效（91）。年，抗肿瘤坏死因子剂依那西普被批准用于临床;这开始了RA治疗向改善疾病的抗风湿药物的范式转变。面临的挑战是开发检测和监测治疗反应的方法。在年发表的放射学文章中，Ribbens等人（92）显示US是一种可行的成像方式，用于测量RA患者小关节滑膜炎的反应，用抗肿瘤坏死因子α治疗（图11，12）。

图11、在掌指关节中获得的US滑膜厚度测量值。在英夫利昔单抗治疗后6周，在A和B处的背侧面的矢状平面中获得图像，并且显示滑膜厚度减少（92-图1）。

图12、在英夫利昔单抗治疗后6周，患者的手腕的US图像A和B显示治疗后多普勒信号（红色区域）消失（92-图2）。

血清阴性脊柱关节病

血清阴性脊柱关节病是指，通过共同的临床特征和常见的免疫病理学机制相关联的多种肌肉骨骼综合征。脊柱关节炎的特征在于背部关节，骶髂关节和脊柱的关节部位的炎性疾病。脊椎关节炎包括强直性脊柱炎，银屑病性关节炎和肠病，反应性，幼年和未分化形式的脊柱关节炎。

图13、27岁女性，冠状脉短反转时间反转恢复MR图像，其临床特征（炎性背痛），诊断强直性脊柱炎。左骶髂关节（箭头）有中度软骨下骨髓水肿（-图2）。

反应性关节炎

关节炎，尿道炎和结膜炎的三联征称为反应性关节炎。该综合征的成分可能不会同时存在，使得放射学评估对于正确诊断有价值。长期以来观察到，患有反应性关节炎的患者的关节变化与患有其他形式的炎性关节炎的患者相似。

图14：一名28岁男性的手的射线照片显示反应性关节炎（-图1）。

痛风

第一跖趾关节的急性痛风性关节炎，称为podagra，首先由埃及人在公元前年确定，并且今天仍然是一个主要的健康问题（）。

在更好地了解痛风性肉芽肿的临床过程和病理特征的基础上，放射科医生试图在不同阶段研究该疾病。年，罗森伯格和阿伦斯（）发表了他们在放射学中的观察结果，并描述了每个临床阶段痛风的影像学表现。年出版的放射学，Martel（描述边缘糜烂与边缘突出（图15）。

图15：射线照片显示了指骨边缘（箭头）和跖骨头外侧边缘有边缘糜烂的边缘糜烂（参考图2））。

已经使用不同的先进成像技术来更好地检测早期疾病。双能CT通过利用不同材料的光子能量依赖性衰减，有助于可靠地识别尿酸肾结石（，）。相同的技术可用于识别关节或关节周围软组织中的尿酸单钠晶体。双能CT是一种灵敏且可重复的工具，可用于检测怀疑患有痛风的患者的尿酸沉积（图16）。双能CT结果与关节穿刺进行了比较，并显示出良好的敏感性和特异性。可以使用双能量CT软件直接定量测量尿酸钠的体积，因此可以通过连续双能CT扫描记录成功治疗后实际单尿酸钠负荷的降低（）。

图16：使用材料分解算法之前（左）和之后（右）的踝关节的矢状双能CT图像。绿色区域表示含有尿酸的体素（24-图2）。

CPPD关节病

CPPD病是最常见的结晶性关节病（）。年，Zitnan和Sitaj（）发表了他们对关节内钙化的观察结果，并将这种疾病命名为关节软骨性关节炎。麦卡蒂等人（）确定关节液中的非水合物晶体。这些晶体的特征在于偏振光显微镜下的弱正双折射。鉴于软骨钙质沉着症的X线片上的软骨钙化是诊断CPPD的基础。最常见的受累部位是膝关节，其次是耻骨联合和手腕，然后是上肢和下肢的大关节。

通过结晶，急性发作与痛风性关节炎和滑膜炎有临床相似性，因此麦卡蒂在年将这种情况称为假性痛风（）。

图17：Arthrograms显示患有CPPD的患者的腕关节病。（-图5）。

羟基磷灰石沉积病

羟基磷灰石晶体是关节周围疾病的常见原因，也可能在关节内沉积（-）。羟基磷灰石沉积可以作为主要的特发性现象发生或继发于其他过程，例如胶原血管疾病，肾衰竭或OA。羟基磷灰石沉积是关节周围的，可能发生在肌腱，滑囊或关节囊中。它也可能表现为更广泛的疾病（，）。最常见的部位是肩部，其次是髋部，脊柱，手指，肘部，手腕，膝盖和脚踝（）。

图18：X射线照片显示伴有关节破坏的关节周围和关节内羟基磷灰石沉积疾病（图1-）。

参考文献：略

原文

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