Діагностика остеоартрозу: МРТ суглобового хряща

МРТ-картина суглобового хряща відображає сукупність його гістологічної будови і біохімічного складу. Суглобовий хрящ є гіаліновим, який не має власного кровопостачання, лімфатичного дренажу та іннервації. Він складається з води і іонів, волокон колагену II типу, хондроцитів, агрегованих протеогліканів та інших глікопротеїнів. Колагенові волокна зміцнюються в субхондральной шарі кістки, як якір, і йдуть перпендикулярно поверхні суглоба, де вони розходяться горизонтально. Між волокнами колагену знаходяться великі молекули протеогликана, які мають значний негативний заряд, який інтенсивно притягує молекули води. Хондроцити хряща розташовані рівними колонами. Вони синтезують колаген і протеоглікани, а також розщеплюють ферменти в неактивній формі і інгібітори ферментів.

Гістологічно було визначено 3 шари хряща в великих суглобах, таких, як колінний і стегновий. Найглибший шар являє собою з'єднання хряща і субхондральної кістки і служить як прикріплюється шар великої мережі колагенових волокон, що поширюються від нього до поверхні щільними пучками, з'єднаними численними перехресними єднальними фибриллами. Він названий радіальним шаром. У напрямку до суглобової поверхні окремі колагенові волокна стають тоншими і зв'язуються разом в більш регулярні і компактні паралельні масиви з меншим числом перехресних зв'язків. Середній шар - перехідний, або проміжний, містить більше безладно організованих колагенових волокон, більшість яких косо орієнтовані з метою протистояти вертикальним навантаженням, тиску і поштовхів. Найбільш поверхневий шар суглобового хряща, відомий як тангенціальний, - тонкий шар щільно влаштованих, тангенціально орієнтованих колагенових волокон, що протистоїть розтягують силам, чинним при навантаженні стисканням, і формує водонепроникний бар'єр для інтерстиціальноїрідини, що запобігає її втрати в процесі стиснення. Самі поверхневі колагенові волокна цього шару розташовані горизонтально, утворюють щільні горизонтальні пластини на суглобової поверхні, хоча фібрили поверхневої тангенциальной зони необов'язково пов'язані з цими глибших шарів.

Як було відзначено, всередині цієї складної комірчастої мережі волокон розташовані агреговані гідрофільні молекули протеогліканів. Ці великі молекули мають на кінцях своїх численних відгалужень негативно заряджені фрагменти SQ і СОО ", які інтенсивно притягують протилежно заряджені іони (зазвичай Na ⁺ ), що, в свою чергу, сприяє осмотическому проникненню води в хрящ. Тиск всередині коллагеновой мережі величезна, а хрящ функціонує як надзвичайно ефективна гідродинамічна подушка. Компресія суглобової поверхні викликає горизонтальне зміщення води, що міститься в хрящі, так як мережа колагенових волокон стискається. Вода перераспр еляется всередині хряща так, що його загальний обсяг не може змінитися. Коли компресія після навантаження суглоба зменшується або зникає, вода рухається назад, залучена негативним зарядом протеогліканів. Такий механізм, що підтримує високий вміст води і тим самим високу протонну щільність хряща. Найбільш високий вміст води відзначається ближче до суглобової поверхні і знижується у напрямку до субхондральної кістки .. Концентрація ж протеогліканів підвищена в глибоких шарах хряща.

В даний час МРТ - це основний спосіб отримання зображення гіалінового хряща, який здійснюється в основному при використанні градієнт - відлуння (GE) послідовностей. МРТ відображає вміст води в хрящі. Однак важливо, яка кількість протонів води містить хрящ. Зміст і розподіл гідрофільних молекул протеогліканів і анізотропна організація колагенових фібрил впливає не тільки на сумарну кількість води, тобто протонну щільність, в хрящі, але також на стан релаксаційних властивостей, а саме Т2 цієї води, даючи хряща характерні «зональні» або розшаровуючі зображення на МРТ, які, як вважають деякі дослідники, відповідають гістологічним верствам хряща.

На дуже коротких зображеннях часу відлуння (ТІ) (менше 5 мс) більш високий дозвіл зображень хряща в типовому випадку показує двошарове зображення: глибокий шар розташований ближче до кістки в зоні попереднього звапнення і має низький сигнал, тому що присутність кальцію сильно скорочує TR і не дає зображення; поверхневий шар дає среднеінтенсівний або високоинтенсивний MP-сигнал.

На проміжних ТЕ-зображеннях (5-40 мс) хрящ має тришаровий вигляд: поверхневий шар з низьким сигналом; перехідний шар з сигналом проміжної інтенсивності; глибокий шар, що має низький MP-сигнал. При Т2-зважуванні сигнал не включає проміжний шар, і зображення хряща стає гомогенно низької інтенсивності. Коли використовується низька просторовий дозвіл, на коротких ТЕ-зображеннях іноді з'являється додатковий шар, що відбувається через артефактів косих зрізів і високого контрасту на поверхні хрящ / рідина, цього можна уникнути шляхом збільшення розміру матриці.

Крім того, деякі з цих зон (шарів) можуть бути не видно при певних умовах. Наприклад, при зміні кута між віссю хряща і основним магнітним полем вид хрящових прошарків може змінюватися, а хрящ може мати гомогенне зображення. Цей феномен автори пояснюють анізотропним властивістю колагенових волокон і різною орієнтацією їх усередині кожного шару.

Інші автори вважають, що отримання пошарового зображення хряща Невірогідно і є артефактом. Думки дослідників розходяться і щодо інтенсивності сигналів від отриманих тришарових зображень хряща. Дані дослідження дуже цікаві і вимагають, звичайно ж, подальшого вивчення.

[1], [2], [3], [4], [5], [6]

Структурні зміни хряща при остеоартрозі

На ранніх стадіях остеоартрозу відбувається деградація коллагеновой мережі в поверхневих шарах хряща, що призводить до разволокненію поверхні і підвищеної проникності для води. У міру руйнування частини протеогліканів з'являється більше негативно заряджених глікозаміногліканів, які залучають катіони і молекули води, в той же час залишилися протеоглікани втрачають здатність притягувати і утримувати воду. Крім того, втрата протеогліканів знижує їх гальмівний вплив на інтерстиціальний ток води. В результаті хрящ набрякає, «не спрацьовує» механізм стиснення (утримання) рідини і знижується компрессионная стійкість хряща. Відбувається ефект перенесення більшої частини навантаження на вже пошкоджений твердий матрикс, а це призводить до того, що набряклий хрящ стає більш сприйнятливим до механічних пошкоджень. В результаті хрящ або відновлюється, або продовжує руйнуватися.

Крім пошкодження протеогликанов частково руйнується і колагено-нова мережа, яка вже не відновлюється, і в хрящі з'являються вертикальні щілини і виразки. Ці ушкодження можуть поширюватися вниз по хряща до субхондральної кістки. Продукти розпаду і суглобова рідина поширюються до базального шару, що призводить до появи дрібних ділянок остеонекрозу і субхондральних кіст.

Паралельно з цими процесами хрящ зазнає ряд репаративних змін зі спробою відновлення пошкодженої суглобової поверхні, які включають в себе формування хондрофітов. Останні з часом зазнають енхондрального осифікація і стають остеофітами.

Гостра механічна травма і компресійне навантаження можуть привести до розвитку горизонтальних тріщин в глибокому кальцифікованими шарі хряща і відшарування хряща від субхондральної кістки. Базальне розщеплення або деламінація хряща подібним чином може служити механізмом дегенерації не тільки нормального хряща в умовах механічної перевантаження, але і при остеоартрозі, коли є нестабільність суглоба. Якщо гиаліновий хрящ повністю зруйнований і оголена суглобова поверхня, то можливі два процеси: перший - утворення щільного склерозу на поверхні кістки, який називається ебурнеаціей; другий - пошкодження і компресія трабекул, що на рентгенівських знімках виглядає як субхондральний склероз. Відповідно, перший процес можна розглядати як компенсаторний, другий же явно є фазою руйнування суглоба.

Підвищення вмісту води в хрящі підвищує протонну щільність хряща і усуває Т2-вкорочують ефекти протеогликан-генового матриксу, який має високу інтенсивність сигналу в ділянках пошкодження матриксу на звичайних МРТ-послідовності. Ця рання хондромаляція, що є найбільш раннім ознакою пошкодження хряща, може бути помітна до того, як відбудеться навіть незначне його витончення. У цій стадії може також бути присутнім слабке потовщення або «розбухання» хряща. Структурні і біомеханічні зміни суглобового хряща постійно наростають, відбувається втрата основного речовини. Ці процеси можуть бути локальними або дифузними, обмеженими поверхневим витончення і разволокнение або ж повним зникненням хряща. У деяких випадках локальне потовщення або «розбухання» хряща може спостерігатися без розриву суглобової поверхні. При остеоартрозі часто можна спостерігати локальне підвищення інтенсивності сигналу хряща на Т2-зважених зображеннях, що підтверджується Артроскопічна наявністю поверхневих, трансмуральних і глибоких лінійних змін. Останні можуть відображати глибокі дегенеративні зміни, що починаються головним чином у вигляді відшарування хряща від калидіфіцірованого шару або лінії припливу. Ранні зміни можуть обмежуватися тільки глибокими шарами хряші, в цьому випадку вони не виявляються при артроскопічному огляді суглобової поверхні, хоча локальне разводокненіе глибоких шарів хряща може вести до ураження суміжних шарів, часто з розростанням субхондральної кістки у формі центрального остеофита.

У зарубіжній літературі є дані про можливість отримання кількісної інформації про склад суглобового хряща, наприклад про зміст фракції води і диффузионном коефіцієнті води в хрящі. Це досягається із застосуванням спеціальних програм MP-томографа або при МР-спектроскопії. Жоден із цих параметрів збільшуються при пошкодженні протеогликан-генового матриксу при ураженні хряща. Концентрація рухомих протонів (вміст води) в хрящі знижується у напрямку від суглобової поверхні до субхондральної кістки.

Кількісна оцінка змін можлива і на Т2-зважених зображеннях. Узагальнивши дані зображень одного і того ж хряща, отримані з різними ТЕ, автори оцінювали Т2-зважені зображення (ВІ) хряща за допомогою відповідної експоненційної кривої від отриманих величин інтенсивності сигналу на кожен піксель. Т2 оцінюється в певній зоні хряща або відображається на карті за все хряща, в якій інтенсивність сигналу кожного пікселя відповідає Т2 в цьому місці. Однак незважаючи на досить великі можливості і відносну легкість вищеописаного методу, роль Т2 недооцінюється, частково через підвищення диффузионно-пов'язаних ефектів зі збільшенням ТІ. В основному недооцінюють Т2 в хрящі при хондромаляція, коли дифузія води підвищена. Якщо не застосовувати спеціальні технології, потенційне збільшення Т2, виміряний при цих технологіях в хрящі при хондромаляція, буде незначно пригнічувати диффузионно-пов'язані ефекти.

Таким чином, МРТ є вельми перспективним методом для виявлення і моніторингу ранніх структурних змін, характерних для дегенерації суглобового хряща.

Морфологічні зміни хряща при остеоартрозі

Оцінка морфологічних змін хряща залежить від високого просторового дозволу і високої контрастності від поверхні суглоба до субхондральної кістки. Це найкраще досягається застосуванням жірподавляемой Т1-зваженій 3D GE-послідовності, яка точно відображає виявлені локальні дефекти і верифіковані як при артроскопії, так і на аутопсійному матеріалі. Зображення хряща також може бути отримано з перенесенням намагніченості шляхом вирахування зображень, тоді суглобовий хрящ має вигляд окремої смуги з високою інтенсивністю сигналу, чітко контрастує з рядом лежать низкоинтенсивними суглобової рідиною, інтраартікулярних жировою тканиною і субхондральну кістковим мозком. Однак при використанні цього методу отримання зображення відбувається в 2 рази повільніше, ніж жірподавляемое Т1, тому менш широко застосовується. Крім того, можливе отримання зображень локальних дефектів, нерівності поверхні і генералізованого стоншування суглобового хряща, використовуючи звичайні MP-послідовності. За даними деяких авторів, морфологічні параметри - товщина, обсяг, геометрія і топографія поверхні хряща - можуть бути кількісно обчислені за допомогою 3D МРТ-зображень. Шляхом підсумовування вокселей, складових 3D реконструюється зображення хряща, може бути визначено точне значення цих комплексно пов'язаних структур. Більш того, вимір загального обсягу хряща, отриманого з окремих зрізів, є більш простим методом через менших змін в площині одного зрізу і більш достовірним в просторовому вирішенні. При вивченні цілих ампутованих колінних суглобів і зразків надколінка, отриманих при артропластике цих суглобів, визначали загальний обсяг суглобового хряща стегнової, болипеберцовой кісток і надколінка і знайшли кореляцію обсягів, отриманих при МРТ, і відповідних обсягів, отриманих при відділенні хряща від кістки і вимірі його гістологічно . Отже, ця технологія може бути корисна для динамічної оцінки змін обсягу хряща у пацієнтів з остеоартрозом. Отримання необхідних і точних зрізів суглобного хряща, особливо у пацієнтів з остеоартрозом, вимагає достатніх навичок і досвіду лікаря, який проводить дослідження, а також наявності відповідного програмного забезпечення МР-томографа.

Вимірювання загального обсягу містять трохи інформації про поширені зміни і чутливі, відповідно, для локальної втрати хряща. Теоретично втрату хряща або його витончення на одній ділянці може врівноважити еквівалентну збільшення обсягу хряща в іншому місці суглоба, і вимір загального обсягу хряща не показало б будь-якого відхилення від норми, тому такі зміни не піддавалися б визначенню цим методом. Розподіл суглобового хряща за допомогою 3D реконструкції на окремі дрібні регіони дало можливість оцінити обсяг хряща в певних ділянках, зокрема, на поверхнях, що зазнають силове навантаження. Однак точність вимірювань при цьому зменшується, так як виконується дуже мале поділ. Зрештою, надзвичайно високу просторову роздільну здатність є необхідним для підтвердження точності вимірювань. Якщо може бути досягнуто достатнього просторову роздільну здатність, перспектива складання карти товщини хряща in vivo стає можливою. Карти товщини хряща можуть відтворювати локальні пошкодження при прогресуванні остеоартрозу.