Медицинский эксперт статьи
Новые публикации
Диагностика остеоартроза: МРТ суставного хряща
Последняя редакция: 19.10.2021
Весь контент Web2Health проверяется медицинскими экспертами, чтобы обеспечить максимально возможную точность и соответствие фактам.
У нас есть строгие правила по выбору источников информации и мы ссылаемся только на авторитетные сайты, академические исследовательские институты и, по возможности, доказанные медицинские исследования. Обратите внимание, что цифры в скобках ([1], [2] и т. д.) являются интерактивными ссылками на такие исследования.
Если вы считаете, что какой-либо из наших материалов является неточным, устаревшим или иным образом сомнительным, выберите его и нажмите Ctrl + Enter.
МРТ-картина суставного хряща отражает совокупность его гистологического строения и биохимического состава. Суставной хрящ является гиалиновым, который не имеет собственного кровоснабжения, лимфатического дренажа и иннервации. Он состоит из воды и ионов, волокон коллагена II типа, хондроцитов, агрегированных протеогликанов и других гликопротеинов. Коллагеновые волокна укрепляются в субхондральном слое кости, как якорь, и идут перпендикулярно поверхности сустава, где они расходятся горизонтально. Между волокнами коллагена находятся крупные молекулы протеогликана, имеющие значительный отрицательный заряд, который интенсивно притягивает молекулы воды. Хондроциты хряща расположены ровными колоннами. Они синтезируют коллаген и протеогликаны, а также расщепляющие ферменты в неактивной форме и ингибиторы ферментов.
Гистологически было определено 3 слоя хряща в крупных суставах, таких, как коленный и бедренный. Самый глубокий слой представляет собой соединение хряща и субхондральной кости и служит как прикрепляющий слой обширной сети коллагеновых волокон, распространяющихся от него к поверхности плотными пучками, соединенными многочисленными перекрестными связывающими фибриллами. Он назван радиальным слоем. По направлению к суставной поверхности отдельные коллагеновые волокна становятся тоньше и связываются вместе в более регулярные и компактные параллельные массивы с меньшим числом перекрестных связей. Средний слой - переходный, или промежуточный, содержит больше беспорядочно организованных коллагеновых волокон, большинство которых косо ориентированы с целью противостоять вертикальным нагрузкам, давлению и толчкам. Наиболее поверхностный слой суставного хряща, известный как тангенциальный, - тонкий слой плотно устроенных, тангенциально ориентированных коллагеновых волокон, противостоящий растягивающим силам, действующим при нагрузке сжатием, и формирующий водонепроницаемый барьер для интерстициальной жидкости, что предотвращает ее потери в процессе сжатия. Самые поверхностные коллагеновые волокна этого слоя расположены горизонтально, образуют плотные горизонтальные пластины на суставной поверхности, хотя фибриллы поверхностной тангенциальной зоны необязательно соединены с таковыми более глубоких слоев.
Как было отмечено, внутри этой сложной ячеистой сети волокон расположены агрегированные гидрофильные молекулы протеогликанов. Эти крупные молекулы имеют на концах своих многочисленных ответвлений отрицательно заряженные фрагменты SQ и СОО", которые интенсивно притягивают противоположно заряженные ионы (обычно Na+), что, в свою очередь, способствует осмотическому проникновению воды в хрящ. Давление внутри коллагеновой сети огромно, а хрящ функционирует как чрезвычайно эффективная гидродинамическая подушка. Компрессия суставной поверхности вызывает горизонтальное смещение воды, содержащейся в хряще, так как сеть коллагеновых волокон сжимается. Вода перераспределяется внутри хряща так, что его общий объем не может измениться. Когда компрессия после нагрузки сустава уменьшается или исчезает, вода движется обратно, привлекаемая отрицательным зарядом протеогликанов. Таков механизм, поддерживающий высокое содержание воды и тем самым высокую протонную плотность хряща. Наиболее высокое содержание воды отмечается ближе к суставной поверхности и снижается по направлению к субхондральной кости.. Концентрация же протеогликанов повышена в глубоких слоях хряща.
В настоящее время МРТ - это основной способ получения изображения гиалинового хряща, осуществляемый в основном при использовании градиент - эхо (GE) последовательностей. МРТ отражает содержание воды в хряще. Однако важно, какое количество протонов воды содержит хрящ. Содержание и распределение гидрофильных молекул протеогликанов и анизотропная организация коллагеновых фибрилл оказывает влияние не только на суммарное количество воды, т.е. протонную плотность, в хряще, но также на состояние релаксационных свойств, а именно Т2 этой воды, давая хрящу характерные «зональные» или расслаивающие изображения на МРТ, которые, как считают некоторые исследователи, соответствуют гистологическим слоям хряща.
На очень коротких изображениях времени эхо (ТЕ) (менее 5 мс) более высокое разрешение изображений хряща в типичном случае показывает двухслойное изображение: глубокий слой расположен ближе к кости в зоне предварительного обызвествления и имеет низкий сигнал, так как присутствие кальция сильно сокращает TR и не дает изображения; поверхностный слой дает среднеинтенсивный или высокоинтенсивный MP-сигнал.
На промежуточных ТЕ-изображениях (5-40 мс) хрящ имеет трехслойный вид: поверхностный слой с низким сигналом; переходный слой с сигналом промежуточной интенсивности; глубокий слой, имеющий низкий MP-сигнал. При Т2-взвешивании сигнал не включает промежуточный слой, и изображение хряща становится гомогенно низкой интенсивности. Когда используется низкое пространственное разрешение, на коротких ТЕ-изображениях иногда появляется дополнительный слой, что происходит из-за артефактов косых срезов и высокого контраста на поверхности хрящ/жидкость, этого можно избежать путем увеличения размера матрицы.
Кроме того, некоторые из этих зон (слоев) могут быть не видны при определенных условиях. Например, при изменении угла между осью хряща и основным магнитным полем вид хрящевых слоев может меняться, а хрящ может иметь гомогенное изображение. Этот феномен авторы объясняют анизотропным свойством коллагеновых волокон и различной ориентацией их внутри каждого слоя.
Другие авторы считают, что получение послойного изображения хряща не достоверно и является артефактом. Мнения исследователей расходятся и в отношении интенсивности сигналов от полученных трехслойных изображений хряща. Данные исследования очень интересны и требуют, конечно же, дальнейшего изучения.
[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]
Структурные изменения хряща при остеоартрозе
На ранних стадиях остеоартроза происходит деградация коллагеновой сети в поверхностных слоях хряща, приводящая к разволокнению поверхности и повышенной проницаемости для воды. По мере разрушения части протеогликанов появляется больше отрицательно заряженных гликозаминогликанов, которые привлекают катионы и молекулы воды, в то же время оставшиеся протеогликаны теряют способность притягивать и удерживать воду. Кроме того, потеря протеогликанов снижает их тормозящее воздействие на интерстициальный ток воды. В результате хрящ отекает, «не срабатывает» механизм сжатия (удержания) жидкости и снижается компрессионная устойчивость хряща. Происходит эффект переноса большей части нагрузки на уже поврежденный твердый матрикс, а это приводит к тому, что отекший хрящ становится более восприимчивым к механическим повреждениям. В итоге хрящ либо восстанавливается, либо продолжает разрушаться.
Кроме повреждения протеогликанов частично разрушается и коллаге-новая сеть, которая уже не восстанавливается, и в хряще появляются вертикальные щели и изъязвления. Эти повреждения могут распространяться вниз по хрящу до субхондральной кости. Продукты распада и суставная жидкость распространяются до базального слоя, что приводит к появлению мелких участков остеонекроза и субхондральных кист.
Параллельно с этими процессами хрящ претерпевает ряд репаративных изменений с попыткой восстановления поврежденной суставной поверхности, которые включают в себя формирование хондрофитов. Последние со временем претерпевают энхондральную оссификацию и становятся остеофитами.
Острая механическая травма и компрессионная нагрузка могут привести к развитию горизонтальных трещин в глубоком кальцифицированном слое хряща и отслойке хряща от субхондральной кости. Базальное расщепление или деламинация хряща подобным образом может служить механизмом дегенерации не только нормального хряща в условиях механической перегрузки, но и при остеоартрозе, когда имеется нестабильность сустава. Если гиалиновый хрящ полностью разрушен и обнажена суставная поверхность, то возможны два процесса: первый - образование плотного склероза на поверхности кости, который называется эбурнеацией; второй - повреждение и компрессия трабекул, что на рентгеновских снимках выглядит как субхондральный склероз. Соответственно, первый процесс можно рассматривать как компенсаторный, второй же явно является фазой разрушения сустава.
Повышение содержания воды в хряще повышает протонную плотность хряща и устраняет Т2-укорачивающие эффекты протеогликан-коллагенового матрикса, который имеет высокую интенсивность сигнала в участках повреждения матрикса на обычных МРТ-последовательностях. Эта ранняя хондромаляция, являющаяся самым ранним признаком повреждения хряща, может быть заметна до того, как произойдет даже незначительное его истончение. В этой стадии может также присутствовать слабое утолщение или «разбухание» хряща. Структурные и биомеханические изменения суставного хряща постоянно нарастают, происходит потеря основного вещества. Эти процессы могут быть локальными или диффузными, ограниченными поверхностным истончением и разволокнением или же полным исчезновением хряща. В некоторых случаях локальное утолщение или «разбухание» хряща может наблюдаться без разрыва суставной поверхности. При остеоартрозе часто можно наблюдать локальное повышение интенсивности сигнала хряща на Т2-взвешенных изображениях, что подтверждается артроскопически наличием поверхностных, трансмуральных и глубоких линейных изменений. Последние могут отражать глубокие дегенеративные изменения, начинающиеся главным образом в виде отслойки хряща от калыдифицированого слоя или линии прилива. Ранние изменения могут ограничиваться только глубокими слоями хряша, в этом случае они не обнаруживаются при артроскопическом осмотре суставной поверхности, хотя локальное разводокнение глубоких слоев хряща может вести к поражению смежных слоев, часто с разрастанием субхондральной кости в форме центрального остеофита.
В зарубежной литературе имеются данные о возможности получения количественной информации о составе суставного хряща, например о содержании фракции воды и диффузионном коэффициенте воды в хряще. Это достигается с применением специальных программ MP-томографа или при МР-спектроскопии. Оба эти параметра увеличиваются при повреждении протеогликан-коллагенового матрикса при поражении хряща. Концентрация подвижных протонов (содержание воды) в хряще снижается по направлению от суставной поверхности к субхондральной кости.
Количественная оценка изменений возможна и на Т2-взвешенных изображениях. Обобщив данные изображений одного и того же хряща, полученные с различными ТЕ, авторы оценивали Т2-взвешенные изображения (ВИ) хряща с помощью подходящей экспоненциальной кривой от полученных величин интенсивности сигнала на каждый пиксель. Т2 оценивается в определенной зоне хряща или отображается на карте всего хряща, в которой интенсивность сигнала каждого пикселя соответствует Т2 в этом месте. Однако несмотря на достаточно большие возможности и относительную легкость вышеописанного метода, роль Т2 недооценивается, частично из-за повышения диффузионно-связанных эффектов с увеличением ТЕ. В основном недооценивают Т2 в хряще при хондромаляции, когда диффузия воды повышена. Если не применять специальные технологии, потенциальное увеличение Т2, измеренное при этих технологиях в хряще при хондромаляции, будет незначительно подавлять диффузионно-связанные эффекты.
Таким образом, МРТ является весьма перспективным методом для выявления и мониторинга ранних структурных изменений, характерных для дегенерации суставного хряща.
Морфологические изменения хряща при остеоартрозе
Оценка морфологических изменений хряща зависит от высокого пространственного разрешения и высокой контрастности от поверхности сустава до субхондральной кости. Это лучше всего достигается применением жирподавляемой Т1-взвешенной 3D GE-последовательности, которая точно отражает выявленные локальные дефекты и верифицированные как при артроскопии, так и на аутопсийном материале. Изображение хряща также может быть получено с переносом намагниченности путем вычитания изображений, тогда суставной хрящ имеет вид отдельной полосы с высокой интенсивностью сигнала, отчетливо контрастирующую с рядом лежащими низкоинтенсивными суставной жидкостью, интраартикулярной жировой тканью и субхондральным костным мозгом. Однако при использовании этого метода получение изображения происходит в 2 раза медленнее, чем жирподавляемое Т1-ВИ, поэтому менее широко применяется. Кроме того, возможно получение изображений локальных дефектов, неровности поверхности и генерализованного истончения суставного хряща, используя обычные MP-последовательности. По данным некоторых авторов, морфологические параметры - толщина, объем, геометрия и топография поверхности хряща - могут быть количественно вычислены с помощью 3D МРТ-изображений. Путем суммирования вокселей, составляющих 3D реконструируемое изображение хряща, может быть определено точное значение этих комплексно связанных структур. Более того, измерение общего объема хряща, полученного из отдельных срезов, является более простым методом из-за меньших изменений в плоскости одного среза и более достоверным в пространственном разрешении. При изучении целых ампутированных коленных суставов и образцов надколенников, полученных при артропластике этих суставов, определяли общий объем суставного хряща бедренной, болыпеберцовой костей и надколенника и нашли корреляцию объемов, полученных при МРТ, и соответствующих объемов, полученных при отделении хряща от кости и измерении его гистологически. Следовательно, эта технология может быть полезна для динамической оценки изменений объема хряща у пациентов с остеоартрозом. Получение необходимых и точных срезов суставного хряща, особенно у пациентов с остеоартрозом, требует достаточных навыков и опыта врача, проводящего исследование, а также наличия соответствующего программного обеспечения МР-томографа.
Измерения общего объема содержат немного информации о распространенных изменениях и чувствительны, соответственно, для локальной потери хряща. Теоретически потерю хряща или его истончение на одном участке может уравновесить эквивалентное увеличение объема хряща в другом месте сустава, и измерение общего объема хряща не показало бы какого-либо отклонения от нормы, поэтому такие изменения не поддавались бы определению этим методом. Деление суставного хряща с помощью 3D реконструкции на отдельные мелкие регионы дало возможность оценить объем хряща в определенных участках, в частности, на поверхностях, испытывающих силовую нагрузку. Однако точность измерений при этом уменьшается, так как выполняется очень малое разделение. В конце концов, чрезвычайно высокое пространственное разрешение является необходимым для подтверждения точности измерений. Если может быть достигнуто достаточное пространственное разрешение, перспектива составления карты толщины хряща in vivo становится возможной. Карты толщины хряща могут воспроизводить локальные повреждения при прогрессировании остеоартроза.