【懋式百科全书】什么是磁共振dGEMRIC技术？-器械之心

dGEMRIC打药（离子型Gd对比剂）后延迟一定时间测量软骨T1值来间接反映糖胺聚糖GAG含量的技术。dGEMRIC是否可以作为一种关节软骨糖胺聚糖GAG的生物标记物biomarker呢？

本期介绍一种定量评价关节软骨的技术，可以说是关节软骨生化成像技术——dGEMRIC。

关节软骨生化成像技术分为平扫生化成像和打药生化成像。平扫的技术很多，包括前面讲过的一些定量技术：T2 mapping、T2* mapping、T1ρ mapping、化学交换饱和转移及软骨DWI。

前文链接：

磁共振定量技术（二） T2 mapping

磁共振定量技术（三）T2* mapping

磁共振定量技术（六）T1ρ mapping

而打药的生化成像技术就是本期要讲的dGEMRIC。

软骨延迟钆增强扫描（delayed Gadolinium-enhanced MRI of cartilage, dGEMRIC）是在打药前及打药后延迟10~15分钟测量软骨组织的T1值来间接反映蛋白聚糖的含量。

骨关节炎早期改变主要是关节软骨（articular cartilage）的退变。传统的影像学检查手段对于关节软骨的显示（可视化）及评价作用有限。

软骨组织主要由细胞外基质（extracellular matrix, ECM）和分布在其中的软骨细胞（2%左右）构成。而ECM又是由水（60%-80%）、II型胶原蛋白（15%-20%）、proteoglycans（PG，蛋白聚糖，也可以翻译为蛋白多糖）（3%-10%）组成。根据软骨组织内所含纤维的不同，可以将软骨分为三种：透明软骨、弹性软骨及纤维软骨。

4ffce04d92a4d6c-96

图1：健康人、早期骨关节炎及晚期的关节软骨成分示意图[1，图片引用自参考文献1]

上图所示，不同病理阶段，软骨组织成分有明显不同。图中画黑线条的是Collagen胶原蛋白；画着类似鱼骨的是Proteoglycans则是蛋白聚糖（也可以翻译为蛋白多糖，本文使用蛋白聚糖，后面不再重复）；画着一个圆圈打一个点的是Chondrocyte软骨细胞。

图中（A）显示健康人（没有OA），软骨组织结构正常，在关节面和骨面之间显示几个不同分层，胶原纤维及蛋白聚糖含量丰富。（B）则是早期骨关节炎的软骨组织，蛋白聚糖含量减少，胶原基质开始崩解。（C）是晚期骨关节炎的软骨组织改变，此时蛋白聚糖大量消耗，软骨结构也发生明显改变。

蛋白聚糖（PG）是由糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）以共价的形式与线性多肽连接而成的多糖和蛋白复合物，它们能够形成水性的胶状物。

dGEMRIC是一种可以定量地检测关节软骨中糖胺聚糖GAG分布的磁共振技术。该技术的原理是基于正常生理状态下GAG含有羧基蛋白酶(carboxyl)和硫酸盐基团(sulfate groups)，带负电荷。由于电荷的同性相斥、异性相吸，负电荷吸引带正电荷的离子和水进入软骨；排斥带负电荷的离子。

离子型Gd对比剂，比如Gd-DTPA（钆喷酸葡胺）带负电荷，静脉注射钆剂以后，经过一定时间代谢，由于同性相斥，GAG和钆对比剂相互排斥，对比剂只分布在GAG缺失的部位，也就是在T1WI中显示信号增强的地方。

4ffce04d92a4d6c-97

图2：钆对比剂GBGAs（A大环状、B线性离子型）

根据钆对比剂的化学结构类型，可以分为线性螯合物和大环状螯合物。线性螯合物中的配体是“开环”的，大环状螯合物，Gd3+离子被“固定”在配体形成的环形中。根据钆对比剂离子情况（是否带电荷），可以分为离子型对比剂和非离子型对比剂。如图2所示，Gd-DTPA是离子型对比剂，带两个单位负电荷。

注意如果使用的是非离子型对比剂（也就是不带电荷的），则不能到达dGEMRIC技术的效果。

测量T1值可以反映dGEMRIC指数从而间接反映GAG含量。这种方法需要打药，并且扫描时间长，主要是打药后需要延迟。

最早一篇文章发表于1996年，介绍了这种技术。当时使用的对比剂也是离子型对比剂Gd-DTPA，当时用的是Gd-DTPA2-表示带两个负电荷。

4ffce04d92a4d6c-98

图3：dGEMRIC原理示意图[3，图片引用自参考文献3]

如图3所示，左边的图片是股骨头组织切片进行糖胺聚糖GAG染色显示。其中顶部显示正常的软骨区域，由于GAG浓度高，表现为蓝色染色区；中间是解剖结构完整但是退化的组织，由于GAG含量低，没有染色区；下面是软骨完全退化的区域。方格显示GAG含量降低的边界区域在右图，组织由胶原基质（collagen matrix）（图中灰色网格线显示）和蛋白聚糖（黑色瓶刷线显示）。蛋白聚糖具有糖胺聚糖GAG侧链，GAG含有羧基蛋白酶(carboxyl)和硫酸盐基团(sulfate groups)，带负电荷。

图中黄色圆圈带负号的表示带负电荷的离子基团，固定在软骨基质上。与周围溶液中的浓度相比，高浓度的固定电荷密度（FCD）使得相对高浓度的可移动正离子（带正电荷，例如Na+，图中用绿色圆圈+号表示）聚集；排斥带负电荷的离子，使得可流动负离子（带负电荷，例如Gd-DTPA-，图中用粉红色圆圈-号表示）表现为低浓度。

可以直观地看出，GAG缺失的部分，Gd-DTPA-聚集。

注射离子型Gd对比剂后，延迟充分的时间，使得对比剂有时间渗入软骨组织。对比剂主要分布在蛋白聚糖缺失的部位，也就是在T1WI中显示信号增强的地方。通过测量打药延迟后的T1值，也就是dGEMRIC指数从而间接反映GAG的含量。

打药前测量软骨组织的T1值称为Native T1，这个和心脏的T1 mapping类似。

前文链接：磁共振定量技术（四）T1 mapping

注射离子型Gd对比剂后，延迟扫描，测量软骨组织的T1值，称为T1Gd或者dGEMRIC指数或者T1Gd mapping。和心脏T1 mapping不同，由于人体中软骨组织平扫测量的T1值差异不大（Native T1），所以可以直接用打药后延迟测量的T1值作为dGEMRIC指数。

该技术具有一定的难度，首先是对比剂的选择，dGEMRCI技术最常使用的对比剂是钆喷酸葡胺（因为是离子型对比剂）。其次是延迟时间，也就是注射对比剂之后延迟多长时间扫描合适？

静脉注射离子型Gd对比剂（GBGAs）后，需要延迟等待对比剂渗入关节软骨，这个延迟时间就比较重要。静脉注射后，建议活动关节，这样能够加快对比剂渗入关节软骨。注射对比剂90分钟后，钆在关节软骨中含量比较稳定了。注射对比剂30分钟后的早期，dGEMRIC指数敏感度比较高，但是基线不稳。推荐注射对比剂30分钟后进行延迟扫描，延迟时间不要超过120分钟。

也有文献直接采用关节腔内注射的方法，这样能够使得对比剂快速渗入关节软骨，而且可以清晰地显示软骨结构。但是基于钆的磁共振对比剂GBCAs基本上所有说明书上都写了对比剂的适应症：用于诊断，仅供静脉内给药。因此，关节腔内注射实际上是超适应症使用。而且相对静脉给药，准备工作多，操作复杂。

对于对比剂注射剂量，该技术的先驱Burstein认为双倍剂量效果肯定优于单倍剂量。但是考虑钆沉积及对比剂安全问题，还是不首先推荐双倍剂量。

对于髋关节检查，建议注射对比剂后时间窗在30~90分钟；对于膝关节，要保证对比剂渗入所有的关节软骨，大概需要2~3小时。因此根据经验和文献，髋关节软骨dGEMRIC建议注射对比剂后至少延迟30分钟，而膝关节则是至少90分钟。

需要注意，由于dGEMRIC技术需要测量组织的T1值，而组织T1值会受磁场强度影响。在3T的环境下，组织的T1值延长，大于1.5T。

前文链接：磁共振中的驰豫：纵向驰豫和横向驰豫及T1、T2值

4ffce04d92a4d6c-99

图4：髌骨软骨dGEMRIC[4]

图4（a）中，注射对比剂后80分钟测量T1Gd值中显示髌骨的中央部相对于边缘表现为高T1值，dGEMRIC指数高，说明对比剂离子通过关节软骨骨面和滑膜面穿透进入中心。而此时，对比剂并没有完全渗入软骨组织中。（b）图中是将T1Gd mapping和软骨成像序列DESS融合在一起，通过融合图证明了对比剂还没有完全渗入软骨。

图5：A和C采用DESS扫描软骨，B和D则是dGEMRIC的T1Gd[5]

图5中A和C采用DESS序列扫描得到软骨MRI成像，B和D使用dGEMRIC技术测量T1Gd。

进行这种单髋关节的扫描，推荐使用表面线圈，这样可以提高图像的信噪比和T1 mapping的准确性。

最后需要注意采用dGEMRIC技术的时候，得到T1Gd或者dGEMRIC指数，需要谨慎的判断。有文献认为将阈值设置为500ms，来判断软骨病变阳性。由于T1值的测量受场强依赖，大量研究显示在3.0T上测量的T1Gd要高于1.5T上大约50%。此外，对比剂的弛豫率也会影响打药后测量的T1Gd值。

本期介绍了一种评估关节软骨生化成像的磁共振技术——dGEMRIC，该技术需要静脉注射离子型钆对比剂，延迟一定时间后，扫描，测量延迟后的T1值（T1Gd）。该技术对于关节软骨中的糖胺聚糖GAG含量变化比较敏感，可以作为无创的检测GAG的一种技术。

参考文献：

Matzat SJ, van Tiel J, Gold GE, Oei EH. Quantitative MRI techniques of cartilage composition [J]. Quant Imaging Med Surg, 2013, 3 (3): 162-74.
Buckwalter JA, Mankin HJ. Articular cartilage: tissue design and chondrocyte-matrix interactions [J]. Instr Course Lect, 1998; 47: 477-86.
Bashir A, Gray ML, Burstein D. Gd-DTPA2- as a measure of cartilage degradation [J]. Magn Reson Med, 1996; 36 (5): 665-73.
Burstein D, Velyvis J, Scott KT, et al. Protocol issues for delayed Gd(DTPA)(2-)-enhanced MRI (dGEMRIC) for clinical evaluation of articular cartilage [J]. Magn Reson Med, 2001; 45 (1): 36-41.
Zilkens C, Tiderius CJ, Krauspe R, Bittersohl B. Current knowledge and importance of dGEMRIC techniques in diagnosis of hip joint diseases [J]. Skeletal Radiol, 2015; 44 (8): 1073-83.