Diagnose von Osteoarthritis: MRT von Gelenkknorpel

MRI-Bild von Gelenkknorpel spiegelt die Gesamtheit seiner histologischen Struktur und biochemischen Zusammensetzung. Gelenkknorpel ist Hyalin, das keine eigene Blutversorgung, Lymphdrainage und Innervation hat. Es besteht aus Wasser und Ionen, Fasern des Kollagens Typ II, Chondrozyten, aggregierten Proteoglykanen und anderen Glycoproteinen. Kollagenfasern sind in der subchondralen Schicht des Knochens als Anker verstärkt und verlaufen senkrecht zur Gelenkoberfläche, wo sie horizontal divergieren. Zwischen den Kollagenfasern befinden sich große Proteoglykanmoleküle, die eine signifikante negative Ladung aufweisen, die Wassermoleküle intensiv anzieht. Chondrozyten des Knorpels sind in geraden Säulen angeordnet. Sie synthetisieren Kollagen und Proteoglykane sowie Enzymzersetzer in inaktiver Form und Inhibitoren von Enzymen.

Histologisch gab es 3 Knorpelschichten in großen Gelenken, wie Knie und Femur. Die tiefste Schicht ist die Verbindung von Knorpel und subchondralen Knochen und dient als Landeschicht ausgedehntes Netzwerk von Kollagenfasern, von ihr auf die Oberfläche der dichten Bündel miteinander verbunden sind durch zahlreiche Fibrillen Vernetzung erstrecken. Es wird die radiale Schicht genannt. In Richtung der Gelenkoberfläche werden einzelne Kollagenfasern dünner und binden sich zu regelmäßigeren und kompakteren parallelen Anordnungen mit weniger Querverbindungen zusammen. Die mittlere Schicht - vorübergehend oder intermediär - enthält mehr ungeordnete organisierte Kollagenfasern, von denen die meisten schräg orientiert sind, um vertikalen Belastungen, Druck und Zittern standzuhalten. Die Oberflächenschicht des Gelenkknorpels, als tangentiale bekannt, - dünne Schicht dicht tangential orientierten Kollagenfasern angeordneten, Zugkräfte entgegen unter Last Kompression wirkt und eine wasserdichte Barriere der interstitiellen Flüssigkeit bilden, die seinen Verlust während des Verdichtungsvorgangs verhindert. Die oberflächliche Schicht der Kollagenfasern sind horizontal zur Bildung einer dichten horizontale Platte an der Verbindungsfläche, während die tangentiale Oberfläche Fibrillen mit jenen tieferen Schichten verbunden sind, wahlweise angeordnet.

Wie es bemerkt wurde, befinden sich die aggregierten hydrophilen Moleküle der Proteoglykane innerhalb dieses komplexen Netzes von Fasern. Diese großen Moleküle , die die Ende ihrer zahlreichen Verzweigungen negativ geladene Fragmente SQ und COO „, die intensiv entgegengesetzt geladene Ionen anziehen (gewöhnlich Na ⁺ ), was wiederum dazu beiträgt , das osmotische Eindringen von Wasser in den Knorpel. Der Druck innerhalb des Kollagennetzwerkes ist sehr groß, und Knorpel wirkt als extrem effektives hydrodynamisches Kissen. Die Kompression der Gelenkfläche bewirkt eine horizontale Verschiebung des im Knorpel enthaltenen Wassers, da das Netzwerk der Kollagenfasern komprimiert wird. Elyaetsya endochondral so daß sein Gesamtvolumen nicht verändert wird. Wenn die Kompression verringert wird oder verschwindet nach einer gemeinsamen Last, bewegt sich das Wasser zieht wieder negativ geladenen Proteoglycane. Dies ist der Mechanismus, der einen hohen Wassergehalt unterstützt und damit eine hohe Protonenknorpeldichte. Der höchste Gehalt an wasser wird näher an der Gelenkfläche bemerkt und nimmt zum subchondralen Knochen hin ab. Die Konzentration von Proteoglykanen ist in den tiefen Schichten des Knorpels erhöht.

In der vorliegenden MRI - dies ist die Hauptmethode der Bilder Erhalt des hyalinen Knorpels, implementiert hauptsächlich Gradienten - Echo (GE) -Sequenzen. Die MRT spiegelt den Wassergehalt des Knorpels wider. Es ist jedoch wichtig, wie viele Protonen Wasser der Knorpel enthält. Der Gehalt und die Verteilung von hydrophilen Molekülen von Proteoglykanen und die anisotrope Organisation von Kollagenfibrillen beeinflussen nicht nur die Gesamtmenge an Wasser, d.h. Protonendichte im Knorpel, sondern auch auf den Zustand der Entspannung Eigenschaften, nämlich T2 des Wassers, Knorpel typische „zonalen“ oder Peeling - Bilder in der MRT zu geben, die, wie einige Forscher, konsistente histologischen Schnitten von Knorpel glauben.

Bei sehr kurze Bildern Zeit (TE) (weniger als 5 ms) Echo, eine höhere Bildauflösung Knorpel zeigt typischerweise eine zweischichtige Bild: tiefere Schicht ist näher an den Knochen vor Bereich Verkalkung und hat ein niedriges Signal, da die Anwesenheit von Calcium stark reduziert TR und gibt Bilder; Die Oberflächenschicht ergibt ein mittelintensives oder hochintensives MP-Signal.

In intermediären TE-Bildern (5-40 ms) hat der Knorpel ein dreischichtiges Erscheinungsbild: eine Oberflächenschicht mit einem niedrigen Signal; eine Übergangsschicht mit einem Signal mittlerer Intensität; eine tiefe Schicht mit einem niedrigen MP-Signal. Beim T2-Wiegen enthält das Signal nicht die Zwischenschicht und das Knorpelbild wird homogen von geringer Intensität. Wenn eine niedrige räumliche Auflösung verwendet wird, erscheint manchmal eine zusätzliche Schicht auf den kurzen TE-Bildern, was auf die schrägen Schnittartefakte und hohen Kontrast auf der Knorpel / Flüssigkeitsoberfläche zurückzuführen ist, was durch Vergrößerung der Matrix vermieden werden kann.

Einige dieser Zonen (Schichten) sind unter bestimmten Bedingungen möglicherweise nicht sichtbar. Zum Beispiel, wenn sich der Winkel zwischen der Knorpelachse und dem Hauptmagnetfeld ändert, kann sich die Form der Knorpelschichten ändern, und der Knorpel kann ein homogenes Bild haben. Dieses Phänomen wird durch die anisotrope Eigenschaft von Kollagenfasern und ihre unterschiedliche Orientierung innerhalb jeder Schicht erklärt.

Andere Autoren glauben, dass ein geschichtetes Bild von Knorpel nicht zuverlässig ist und ein Artefakt ist. Die Meinungen der Forscher divergieren auch hinsichtlich der Intensität der Signale von den erhaltenen dreischichtigen Knorpelbildern. Diese Studien sind sehr interessant und erfordern natürlich weitere Studien.

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Strukturelle Veränderungen des Knorpels mit Osteoarthritis

In den frühen Stadien des Osteoarthritis Abbaus des Kollagennetzwerkes in den oberflächlichen Schichten des Knorpels, was zu einem dissoziierten Oberfläche und erhöhter Wasserdurchlässigkeit. Als Bruchteil Proteoglykane mehr haben negativ geladenen Glycosaminoglycane, die Kationen und Wassermoleküle anziehen, während die übrigen Proteoglykane die Fähigkeit verlieren, Wasser zu gewinnen und zu halten. Darüber hinaus verringert der Verlust von Proteoglykanen ihre inhibitorische Wirkung auf den interstitiellen Wasserstrom. Dadurch schwillt der Knorpel an, der Mechanismus der Kompression (Retention) der Flüssigkeit funktioniert nicht und die Kompressionsresistenz des Knorpels nimmt ab. Es besteht die Wirkung, dass der größte Teil der Ladung auf die bereits beschädigte feste Matrix übertragen wird, und dies führt dazu, dass der geschwollene Knorpel anfälliger für mechanische Beschädigungen wird. Dadurch erholt sich der Knorpel entweder oder degeneriert weiter.

Neben der Schädigung von Proteoglykanen wird das Kollagen-Neu-Netzwerk teilweise zerstört, das nicht mehr wiederhergestellt wird, und im Knorpel treten vertikale Risse und Ulzerationen auf. Diese Läsionen können den Knorpel bis zum subchondralen Knochen ausbreiten. Zerfallsprodukte und Gelenkflüssigkeit breiten sich auf die basale Schicht aus, was zu kleinen Zonen von Osteonekrosen und subchondralen Zysten führt.

Parallel zu diesen Prozessen durchläuft der Knorpel eine Reihe von reparativen Veränderungen mit dem Versuch, die beschädigte Gelenkoberfläche, einschließlich der Bildung von Chondrophyten, wiederherzustellen. Letzteres schließlich endochondrale Ossifikation und werden Osteophyten.

Akute mechanische Trauma- und Kompressionsbelastung kann zur Entwicklung von horizontalen Rissen in der tiefliegenden verkalkten Knorpelschicht und der Ablösung von Knorpel aus dem subchondralen Knochen führen. Eine basale Spaltung oder Delaminierung des Knorpels in ähnlicher Weise kann als ein Mechanismus für die Degeneration von nicht nur normalem Knorpel unter Bedingungen mechanischer Überlastung, sondern auch für Osteoarthritis bei Instabilität des Gelenks dienen. Wenn der hyaline Knorpel vollständig zerstört ist und die Gelenkfläche freigelegt ist, dann sind zwei Prozesse möglich: Die erste ist die Bildung von dichter Sklerose an der Oberfläche des Knochens, die Eburnese genannt wird; die zweite ist die Beschädigung und Kompression der Trabekel, die auf Röntgenbildern wie subchondrale Sklerose aussieht. Dementsprechend kann der erste Prozess als kompensatorisch betrachtet werden, der zweite ist eindeutig eine Phase der gemeinsamen Zerstörung.

Eine Erhöhung des Wassergehalts erhöht sich in Knorpel Cartilage Protonendichte und eliminiert T2 Verkürzungseffekte Proteoglykan-Kollagen-Matrix, die eine hohe Signalintensität in Portionen Matrix Beschädigung in herkömmlichen MRI Sequenzen aufweist. Diese frühe Chondromalazie, die das früheste Anzeichen einer Knorpelschädigung ist, kann schon vor einer leichten Ausdünnung auffallen. In diesem Stadium kann auch eine leichte Verdickung oder "Schwellung" des Knorpels auftreten. Strukturelle und biomechanische Veränderungen des Gelenkknorpels nehmen ständig zu, es kommt zum Verlust der Grundsubstanz. Diese Prozesse können lokal oder diffus sein, begrenzte Oberflächenverdünnung und Defibration oder vollständiges Verschwinden des Knorpels. In einigen Fällen kann eine lokale Verdickung oder "Schwellung" des Knorpels beobachtet werden, ohne die Gelenkoberfläche zu reißen. Osteoarthritis ist oft möglich, lokale Erhöhung Knorpel Signalintensität auf T2-gewichteten Bilder zu beobachten, wie arthroskopisch durch das Vorhandensein von Oberflächen belegt, und tiefe transmurale lineare Veränderungen. Letztere können tiefe degenerative Veränderungen spiegeln hauptsächlich in Form einer Ablösung des Knorpels aus kalydifitsirovanogo Schicht oder Hochwasserlinie beginnt. Frühe Veränderungen sind auf den tiefen Schichten hryasha begrenzt, in welchem Fall sie nicht zeigen, bei der arthroskopischen Untersuchung der Gelenkoberfläche, während lokalen razvodoknenie tiefere Schichten des Knorpels an die Niederlage der benachbarten Schichten führen können, oft mit dem Wachstum des subchondralen Knochens in Form eines zentralen osteophyte.

In der ausländischen Literatur gibt es Daten über die Möglichkeit, quantitative Informationen über die Zusammensetzung des Gelenkknorpels zu erhalten, beispielsweise den Gehalt der Wasserfraktion und den Diffusionskoeffizienten von Wasser im Knorpel. Dies wird durch den Einsatz spezieller Programme MP-Tomograph oder in der MR-Spektroskopie erreicht. Diese beiden Parameter nehmen zu, wenn die Proteoglykan-Kollagen-Matrix bei Knorpelschäden geschädigt wird. Die Konzentration an beweglichen Protonen (Wassergehalt) im Knorpel nimmt in Richtung von der Gelenkoberfläche zum subchondralen Knochen ab.

Eine quantitative Auswertung der Veränderungen ist in T2-gewichteten Bildern möglich. Die Autoren, die die Daten der Bilder des gleichen Knorpels, die mit verschiedenen TE erhalten wurden, zusammenfassten, bewerteten die T2-gewichteten Bilder des Knorpels unter Verwendung einer geeigneten Exponentialkurve von den erhaltenen Signalintensitätswerten für jedes Pixel. T2 wird in einem bestimmten Bereich des Knorpels ausgewertet oder auf der Karte des gesamten Knorpels angezeigt, wobei die Signalstärke jedes Pixels T2 an dieser Stelle entspricht. Trotz der ziemlich großen Möglichkeiten und relativen Leichtigkeit der oben beschriebenen Methode wird die Rolle von T2 unterschätzt, teilweise aufgrund der Zunahme von Diffusions-bezogenen Effekten mit einem Anstieg von TE. Grundsätzlich wird T2 im Knorpel mit Chondromalazie unterschätzt, wenn die Wasserdiffusion erhöht ist. Wenn keine speziellen Technologien verwendet werden, wird der potentielle Anstieg von T2, der mit diesen Technologien im Knorpel mit Chondromalazie gemessen wird, die diffusionsbedingten Effekte leicht unterdrücken.

Die MRT ist daher eine vielversprechende Methode, um frühe strukturelle Veränderungen, die für die Degeneration von Gelenkknorpeln charakteristisch sind, zu identifizieren und zu überwachen.

Morphologische Veränderungen des Knorpels bei Osteoarthritis

Die Beurteilung von morphologischen Veränderungen im Knorpel hängt von einer hohen räumlichen Auflösung und einem hohen Kontrast von der Oberfläche des Gelenks zum subchondralen Knochen ab. Dies wird am besten erreicht, indem eine fettunterdrückte T1-gewichtete 3D-GE-Sequenz verwendet wird, die die identifizierten lokalen Defekte genau widerspiegelt und sowohl in der Arthroskopie als auch im Autopsiematerial verifiziert wird. Knorpel Bild kann auch durch Subtrahieren der Magnetisierungstransfer-Bilderzeugung erhalten werden kann, dann wird die Gelenkknorpel hat die Form eines separaten Streife mit einem hohen Intensitätssignal, deutlich mit der nächsten darunter liegenden Nieder intensiver Gelenkflüssigkeit, intraartikuläre Fettgewebe und subchondrale Knochenmark kontrastiert. Bei Verwendung dieses Verfahrens wird das Bild jedoch 2-mal langsamer erhalten als das fettunterdrückte T1-VI, weshalb es weniger häufig verwendet wird. Zusätzlich können Bilder von lokalen Defekten, Oberflächenrauhigkeit und generalisierte Ausdünnung des Gelenkknorpels unter Verwendung herkömmlicher MP-Sequenzen erhalten werden. Nach einigen Autoren können die morphologischen Parameter - Dicke, Volumen, Geometrie und Topographie der Knorpeloberfläche - mittels 3D-MRT-Bildern quantifiziert werden. Durch Summieren der Voxel, die das rekonstruierte 3D-Knorpelbild bilden, kann der genaue Wert dieser komplex verknüpften Strukturen bestimmt werden. Darüber hinaus ist das Messen des Gesamtvolumens an Knorpel, das von einzelnen Scheiben erhalten wird, eine einfachere Methode aufgrund kleinerer Änderungen in der Ebene eines Schnitts und zuverlässigerer räumlicher Auflösung. Wenn die gesamten amputierten Knie- und Patella-Proben wurde durch die Gesamt des Gelenkknorpels des femoralen, Tibiaknochen und patellar bestimmt bei arthroplasty diesem Gelenke erhielt Studium und ein Korrelationsvolumen gefunden durch MRI erhalten, und die jeweiligen durch den Knorpel von dem Knochen getrennt erhaltenen Mengen und Messen seines histologisch . Folglich kann diese Technologie nützlich sein, um die Veränderungen des Knorpelvolumens bei Patienten mit Osteoarthritis dynamisch zu beurteilen. Um die erforderlichen und genauen Schnitte des Gelenkknorpels, insbesondere bei Patienten mit Osteoarthritis, zu erhalten, sind ausreichende Kenntnisse und Erfahrungen des behandelnden Arztes sowie die Verfügbarkeit der entsprechenden Software des MR-Tomographen erforderlich.

Gesamtvolumenmessungen enthalten wenig Informationen über häufige Veränderungen und sind empfindlich für lokalen Knorpelverlust. Theoretisch kann Knorpelverlust oder Ausdünnung an einer Stelle um eine äquivalente Erhöhung des Volumens des Knorpels im Gelenk an anderer Stelle auszugleichen, und keine Abnormalität zeigen würde Gesamtknorpelvolumen zu messen, so daß derartige Änderungen durch dieses Verfahren nicht erkennbar sein würden. Die Aufteilung des Gelenkknorpels mit Hilfe der 3D-Rekonstruktion in einzelne kleine Regionen ermöglichte die Abschätzung des Knorpelvolumens in bestimmten Bereichen, insbesondere auf Krafteinwirkungen auf die Oberfläche. Die Genauigkeit der Messungen nimmt jedoch ab, da eine sehr geringe Trennung durchgeführt wird. Am Ende ist eine extrem hohe räumliche Auflösung erforderlich, um die Genauigkeit der Messungen zu bestätigen. Wenn eine ausreichende räumliche Auflösung erreicht werden kann, wird die Möglichkeit der Kartierung der Knorpeldicke in vivo möglich. Knorpeldickenkarten können lokale Läsionen im Verlauf der Osteoarthritis reproduzieren.