Специализирано списание за хирургия и медицина: Здраве Образна диагностика Образна диагностика при хрущялни увреди

Образна диагностика при хрущялни увреди

Печат

mri-scanner

 

През последните години образната диагностика с МР (магнитен резонанс) на хрущял и хрущялна тъкан се подобри значително. Това подобрение е резултат от разработването на клинични МР-системи, работещи с резолюция от 3 tesla, благодарение на подобрената технология, по-специално на многоелементните бобини, и доразработването на специфични за хрущяла МР-секвенции.

 

Високополеви МР (3 tesla)
Поради по-голямото съотношение сигнал-шум високополевите МР-системи позволяват за същото време да се постигат по-високи резолюции, което е от съществена полза за образната диагностика на хрущялната тъкан. Тъй като по правило хрущялите са много тънки структури, високата резолюция е неотменима предпоставка за достатъчна оценка на дефектите в хрущяла, по-специално в ранните стадии на увреждането му.
При 2D-(двуизмерните)-секвенции са желателни резолюции от 0,2 до 0,4mm, дебелината на слоя при 2D-секвенциите следва да бъде <2mm, при 3D-секвенции <1mm или по-малка.

Секвенции, специфични за хрущяла
Последните разработки доведоха до по-специфични МР-секвенции, даващи добро съотношение контраст към шума. На разположение са не само 3D-градиентни ехографски секвенции, но и отскоро - 3D-Fast-Spin-Echo-секвенция, която може да се прилага по-специално при 3 tesla-МРТ с висока резолюция.
През последните години нараства тенденцията към т.нар. изотропна образна диагностика, т.е. 3D-(триизмерните)-секвенции се изпълняват с изотропни воксели (триизмерни пиксели), чиито размери са еднакви във всички посоки и се поддържат възможно най-малки, което значи, че имат висока резолюция. Тези изотропни 3D-данни са идеални за реформатиране в произволни равнини без загуба на резолюция и са подходящи за 3D-волуметрията. Поради по-доброто съотношение на сигнала към шума за обичайните времена за клинични изследвания на високополеви-3 tesla-МРТ могат да се постигнат изотропни 3D-секвенции с размери на вокселите от 0,5mm в коляното и до 0,3mm в глезена. Възможно най-висока резолюция е необходима особено за стави с тънък хрущял като таза и глезена, раменната става и особено малките пръсти и ставите на китките.

Бобини
По-нататъшното разработване на МР-бобини за диагностика на ставите, по-специално на многоелементната технология, довежда до по-нататъшно подобрение на образната диагностика на хрущялите, тъй като с помощта на т.нар. техника за паралелно изобразяване значително се намаляват времената за изследване. Това е техника, която на основата на профилите на чувствителност на отделните елементи от бобините може да намали стъпките за кодиране на фазите, необходими за съставянето на МРТ-картината, като така допринася за съкращаване на времето за изследване. Контрастите се запазват без промяна, свързаните с това намаления на сигнала към шума могат да бъдат компенсирани отлично с високополевите системи.
На основата на наличните много-елементни бобини на техниката за паралелно изобразяване значително се намаляват времеемките изследвания с висока резолюция на хрущяла.

Морфологична МР-образна диагностика на хрущяла
При разработването на секвенциите все повече се прилагат нови МР-секвенции, специфични за хрущяла, които могат да се разпределят на две групи, от една страна техника с градиентно ехо с потискане на мастната тъкан, а от друга – протонно претеглени TSE, респ. 3D-FSE-секвенции, като по правило първите показват хрущяла в светло, а заобикалящите го меки тъкани, респ. костния мозък – в тъмно, докато при TSE- техниките хрущялът е тъмен, а заобикалящите го структури – по-светли.
При 3D-степенните ехографски секвенции методът на избор в продължение на много години е Flash-3D-секвенцията. Междувременно има редица 3D-степенни ехографски секвенции, чиято чувствителност и специфичност за диагностиката на лезиите на хрущяла тепърва трябва да се изследва. За морфологичната оценка на дефектите на хрущяла има на разположение различни системи за класификация, с най-голямо приложение измежду които е модифицираната артроскопска класификация по Outerbridge.
Тя подразделя хрущялните увреди на:
    Степен I: Интрахондрална сигнална алтерация;
    Степен II: Повърхностни хрущялни лезии, заемащи по-малко от 50% от дебелината на хрущяла;
    Степен III: Хрущялни лезии с повече от 50% от дебелината на хрущяла;
    Степен IV: Цялостни хрущялни дефекти с оголване на костта.
Различни модифицирани класификации са се опитвали да направят по-точно подразделяне на тази по-скоро груба схема, като са вземали предвид и допълнителни фисури, преминаващи от повърхността към вътрешността и представляващи увреди от по-висока степен на запазения в своята дебелина хрущял. След това трябва да се направи достатъчна оценка на локализацията и размера на дефекта на хрущяла. За тези цели изключително подходящи са г.п. МР-томографски изотропни секвенции, тъй като при извършване на единична серия, напр. в сагиталната равнина, на основата на изотропните 3D-данни, позволяват реформатиране във всички равнини без загуба на резолюция, която благоприятства точната диаг-
ностика на локализацията и точно определяне на размера на хрущялните дефекти, напр. при предоперативното им изясняване. От съществено значение е и съоценяването на разположената отдолу кортикална кост, респ. на субхондралния костен мозък, за да се дефинира костното участие в хрущялните дефекти при образуване на отоци, склероза и гранулативна тъкан. Заедно с това трябва да се определят и вътрешните структури като в колянната става менискус, връзки и ставната капсула. След хирургични интервенции за замяна на хрущял като остеохондрална трансплантация, автоложна хондроцитна трансплантация, матриксно индуцирана хондроцитна трансплантация МРТ с висока резолюция дава възможност за оценка на следните параметри:
   – Запълване на дефекта;
   – Интегриране към съседния хрущял и кост;
   – Повърхност и структура на трансплантата;
   – Сигнално поведение на трансплантата;
   – Субхондрална кост
и представлява най-добрият засега неинвазивен метод при пациенти с хрущялен трансплантат.

Биохимична МР-образна диагностика на хрущяла
В допълнение към оценката на морфологията на хрущяла посредством МРТ съществува нарастващ интерес към визуализиране на ултраструктурните компоненти на хрущяла, по-специално в две области:

  • Артрозата се изявява със значителни изменения на биохимичния състав на ставния хрущял. Ранните фази на дегенерирането на хрущяла се изявяват посредством загубата на протеогликани и увеличено водно съдържание, докато колагеновата компонента на този екстрацелуларен матрикс на хрущяла остава все още интактна през тази ранна фаза.
  • През последните години се разработиха редица нови хирургични техники за замяна на хрущяла на базата на тъканната регенерация като напр. автоложната хондроцитна имплантация и матриксните хондроцитни трансплантации.

За да се определи постоперативното естествено развитие на хрущялните трансплантати и ефективността на тази техника, в допълнение към морфологичната МР-образна диагностика на тъканта за замяна на хрущяла е желателна прогресивна техника, която отразява недеструктивните и количествени параметри, представящи биохимичния статус на замяната на хрущялната тъкан, напр. дали протеогликаните са отговорни за биомеханичните свойства на хрущяла и дали организацията на колагеновата мрежа отразява механичните свойства на хрущяла. Поради тази причина са разработени няколко МР-техники, позволяващи откриването на биохимичните изменения, предшестващи морфологичните дегенерации на хрущяла. Някои от тези функционални техники правят опити да визуализират селективно дела на протеогликаните в извънклетъчния матрикс.

T1-картографиране на хрущяла
Засега най-обещаващата техника за изобразяване на загубата на протеогликаните е т.нар. техника dGEMRIC (delayed Gadolinium-Enhanced-MRI of Cartilage). Тя се основава на факта, че протеогликаните притежават отрицателно заредени странични вериги, водещи до инверсно разпределение на също така отрицателно заредената молекула с контрастно вещество по отношение на разпределението на протеогликаните. Когато МР-контрастното вещество се приема интравенозно, средно след 90 минути се получава дифузия на контрастното вещество в хрущяла, като разпределението зависи от разпределението на отрицателно заредените странични вериги на протеогликаните. Като следствие на това определянето на T1-стойностите след прием на контрастно вещество е специфична мярка за тъканната концентрация на протеогликани.
Техниката dGEMRIC дава ценни резултати при проучвания на дисплазията на таза с артроскопски определено размекване на хрущяла в ранния стадий на артрозата и положителен ефект на умерените тренировки върху съдържанието на протеогликани в хрущяла на колянната става. След трансплантации на хрущялни клетки техниката dGEMRIC позволява количествено определяне на съдържанието на протеогликани в трансплантата, сравнено със здравия, хиалинен хрущял, като тук е необходимо определяне на стойностите T1 (т.нар. T1-картографиране) както преди, така и след приема на контрастното вещество за достатъчно определяне на концентрацията на протеогликаните.

T2-картографиране на хрущяла
След загубата на протеогликани в колагеновата влакнеста мрежа се стига до разрушаване на връзките между влакната, а заедно с това – до увреждане на хрущяла. Извънклетъчният матрикс на естествения ставен хрущял е високо организиран от колагенова мрежа, образуваща базата на хистологичните зони в хрущяла. При идеални обстоятелства тъканта, заместваща хрущяла, след автоложна хондроцитна имплантация или матриксна автоложна хондроцитна трансплантация би трябвало да развие мрежа, подобна на нормалния хиалинен хрущял. Количественото T2-картографиране (определянето на стойностите T2) се оказва сензитивен за колагеновото съдържание и организацията му в хрущяла. В наше наскоро проведено проучване ин виво е определен количественото T2-картографиране в нормален хиалинен хрущял и след две различни хирургични терапии за замяна на хрущял – микрофрактуриране и матриксна трансплантация на хрущялни клетки. Благодарение на възможностите на МРТ с висока резолюция е определено зоновото вариране на стойностите T2 и размера на организация на ставния хрущял като метод за диференциране между тъканите за замяна и здравия хрущял. Докато след терапия на микрофрактури не е установено зоново разпределяне поради неорганизираната, а повече фиброзна тъкан, пациентите с трансплантация на хрущялни клетки имат зоново вариране, изразено подобно на хиалинната хрущялна тъкан. Това означава, че след матриксна трансплантация на хрущялни клетки заменящата тъкан придобива хиалинна структура.

Дифузна образна диагностика на хрущяла
Поради факта, че ставният хрущял се храни чрез дифузия, съществува интерес към т.нар. дифузионни секвенции, отразяващи дифузионното свойство на хрущяла. Тъй като дегенерирането на хрущяла и заменящата го тъкан имат променени свойства за дифузия, това би следвало да бъде друг сензитивен метод за доказване на предишни хрущялни увреди. Първите резултати сочат, че с течение на времето заместващата тъкан все повече доближава дифузните си свойства до тези на здравия хрущял. Засега няма единно мнение относно матрикса на хрущяла, отговарящ за дифузните свойства на хрущяла, на базата на собствените ни изследвания може да се вземат предвид измененията, водещи след загубата на протеогликани до начална алтерация на колагеновата влакнеста структура на микроскопско ниво. Обобщавайки, новото поколение (3tesla-апарат) МР-томографи с висока резолюция, съвременна технология и ново разработени специфични за хрущяла МР-секвенции освен морфологично изображение с висока резолюция на хрущяла, хрущялните увреди и тъканите за хрущялна замяна разполагаме и с биохимична МР-образна диагностика за ранно диагностициране на дегенерациите на хрущяла и контрол на хода на трансплантациите на хрущял ин виво.

 

Автор:
Проф. д-р Зигфрид Тратинг,
Клиника по радиодиагностика, Währinger Gürtel 18–20, 1090 Виена


Литература:
1 Trattnig S, Marlovits S, Gebetsroither S, Szomolanyi P, Welsch GH, Salomonowitz E, Watanabe A, Deimling M, Mamisch TC: Three-dimensional delayed Gadolinium enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC) for in vivo evaluation of reparative cartilage after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation at 3.0 Tesla – preliminary results. J Magn Reson Imaging 2007. (In press)
2 Trattnig S, Mamisch TC, Welsch GH, Glaser C, Szomolanyi P, Gebetsroither S, Stastny O, Horger W, Millington S, Marlovits S: Quantitative T2 mapping of matrix-associated autologous chondrocyte transplantation at 3 Tesla: an in vivo cross-sectional study. Invest Radiol. 2007; 42(6): 442-8.
3 Trattnig S, Mamisch TC, Noebauer I: High-field and ultrahigh-field magnetic resonance imaging: new possibilities for Imaging of Joints. Z Rheumatol. 2006 Dec; 65(8): 681-7
4 Trattnig S, Pinker K, Krestan C, Plank C, Millington S: Matrix-based autologous chondroyte implantation for cartilage repair with Hyalograft C : Two-year follow-up by magnetic resonance imaging. Marlovits S Eur J Radiol 2006; 57 (1): 9-15
5 Trattnig S, Millington SA, Szomolanyi P, Marlovits S: MR imaging of osteochondral grafts and autologous chondrocyte implantation. Eur Radiol. 2006; 27 (6)
6 Trattnig S, Plank Ch, Pinker K, Striessnig G, Mlynarik V, Nöbauer I, Marlovits S: Bildgebende Diagnostik von Knorpelersatztherapien. Der Radiologe (2004); 44: 748-55
7 Trattnig S, Mlynarik V, Huber M, Ba-Ssalamah A, Puig S, Imhof H: Magnetic Resonance Imaging of articular cartilage and evaluation of cartilage diseases. Invest Radiol (2000); 35: 595-601
8 Trattnig S, Mlynarik V, Breitenseher M, Huber M, Zembsch A, Rand Th, Imhof H: MRI Visualization of Proteoglycan depletion in articular cartilage viaintravenous administration of Gd-DTPA. Magn Reson Imaging (1999); 17: 577-583
9 Mlynarik V, Trattnig S: Physicochemical properties of normal articular cartilage and its MR appearance. Invest Radiol 2000; 35: 589-594
10 V. Mlynarik V, Trattnig S, Huber M, Zembsch A, Imhof H: The role of relaxation times in monitoring proteoglycan depletion in articular cartilage. Magn Reson Imaging (1999); 10: 497-502
11 Millington SA, Li B, Tang J, Trattnig S, Crandall JR, Hurwitz SR, Acton ST: Quantitative and topographical evaluation of ankle articular cartilage using high resolution MRI. J Orthop Res. 2007 Feb; 25(2): 143-51
12 Millington SA, Li B, Tang J, Trattnig S, Crandall JR, Hurwitz SR, Acton ST: A quantitative and topographical evaluation of ankle articular cartilage using high High resolution MRI. Journal of Orthopaedic research 2006 Oct 3; [Epub ahead of print]
13 Dorotka R, Kotz R, Trattnig S, Nehrer S: Z. Rheumatol (2004): 63; 385-392 Mittelfristige Ergebnisse mit der autologen Knorpelzelltransplantation an Knie- und Sprunggelenk
14 Welsch GH, Mamisch TC, Domayer S, Dorotka R, Kutsch-Lissberg F, Marlovits S, White L, Trattnig S: Cartilage T2 assessment at 3 Tesla: In vivo differentiation of normal hyaline cartilage and reparative tissue in patients after two different cartilage repair procedures – initial experiences. Radiology 2007. Accepted
15 Marlovits S, Singer P, Zeller P, Mandl I, Haller, J, Trattnig S: Magnetic resonance observation of cartilage repair tissue (MOCART) for the evaluation of autologous chondrocyte transplantation: Determination of interobserver variability and correlation to clinical outcome after 2 years. Eur J Radiol 2006; 57 (1): 16-23
16 Marlovits S, Striessnig G, Kutscha-Lissberg F, Resinger Ch, Aldrian SM, Vecsei V, Trattnig S: Early postoperative adherence of matrix-induced autologous chondrocyte Implantation for the treatment of full-thickness cartilage defects of the femoral condyle. Knee Surg Sports Traumatol Arthrose 2004; Oct 16
17 Marlovits S, Striessnig G, Resinger Ch, Aldrian SM, Vecsei V, Imhof H, Trattnig S: Definition of pertinent parameters for the evaluation of articular Cartilage repair tissue with high resolution magnetic resonance imaging. Eur J Radiol 2004); 52: 310-319
18 Mlynarik V, zomolanyi P, Toffanin R, Vittur F, Trattnig S: Transverse relaxation mechanisms in articular cartilage. Journal of Magn (2004): Res 169: 300-307
19 Mlynarik V, Sulzbacher I, Bittsansky M, Fuiko R, rattnig S: Investigation of apparent diffusion contrast as an indicator of early degenerative disease in articular cartilage. J Magn Reson Imaging. (2003); 17 (4): 440-444