Nivelrikon diagnosointi: nivelruston magneettikuvaus (MRI)

Nivelruston magneettikuva heijastaa sen histologista rakennetta ja biokemiallista koostumusta kokonaisuudessaan. Nivelrusto on hyaliinirustoa, jolla ei ole omaa verenkiertoa, imunestekiertoa eikä hermotusta. Se koostuu vedestä ja ioneista, tyypin II kollageenikuiduista, kondrosyyteistä, aggregoituneista proteoglykaaneista ja muista glykoproteiineista. Kollageenikuidut ovat vahvistuneet luun subkondraalisessa kerroksessa, kuten ankkurina, ja kulkevat kohtisuorassa nivelpintaan nähden, jossa ne erkanevat vaakasuunnassa. Kollageenikuitujen välissä on suuria proteoglykaanimolekyylejä, joilla on merkittävä negatiivinen varaus, joka vetää tehokkaasti puoleensa vesimolekyylejä. Ruston kondrosyytit sijaitsevat tasaisissa pylväissä. Ne syntetisoivat kollageenia ja proteoglykaaneja sekä inaktiivisia entsyymejä, jotka hajottavat entsyymejä, ja entsyymien estäjiä.

Histologisesti suurissa nivelissä, kuten polvessa ja lonkassa, on tunnistettu kolme rustokerrosta. Syvin kerros on ruston ja subkondraalisen luun liitoskohta, ja se toimii ankkurointikerroksena laajalle kollageenikuituverkostolle, joka ulottuu siitä pintaan tiheissä kimpuissa, joita yhdistävät lukuisat ristisidotut fibrillit. Tätä kutsutaan säteittäiseksi kerrokseksi. Nivelpintaa kohti yksittäiset kollageenikuidut hienonevat ja niputetaan yhteen säännöllisemmiksi ja kompakteemmiksi yhdensuuntaisiksi ryhmiksi, joissa on vähemmän ristisidoksia. Keskimmäinen kerros, siirtymä- tai välikerros, sisältää satunnaisemmin järjestäytyneitä kollageenikuituja, joista useimmat ovat vinosti suuntautuneita kestämään pystysuoria kuormia, paineita ja iskuja. Nivelruston pinnallisin kerros, joka tunnetaan tangentiaalisena kerroksena, on ohut kerros tiiviisti pakattuja, tangentiaalisesti suuntautuneita kollageenikuituja, jotka kestävät puristuskuormituksen aiheuttamia vetovoimia ja muodostavat vesitiiviin esteen kudosnesteelle estäen sen häviämisen puristuksen aikana. Tämän kerroksen pinnallisimmat kollageenikuidut ovat järjestäytyneet vaakasuunnassa muodostaen tiheitä vaakasuoria levyjä nivelpinnalle, vaikka pinnallisen tangentiaalisen vyöhykkeen fibrillit eivät välttämättä ole yhteydessä syvempien kerrosten fibrilleihin.

Kuten todettiin, tässä monimutkaisessa solukuituverkossa sijaitsee aggregoituneita hydrofiilisiä proteoglykaanimolekyylejä. Näillä suurilla molekyyleillä on lukuisten haarojensa päissä negatiivisesti varautuneita SQ- ja COO"-fragmentteja, jotka vetävät puoleensa voimakkaasti vastakkaisesti varautuneita ioneja (yleensä Na ⁺ ), mikä puolestaan edistää veden osmoottista tunkeutumista rustoon. Paine kollageeniverkostossa on valtava, ja rusto toimii erittäin tehokkaana hydrodynaamisena tyynynä. Nivelpinnan puristus aiheuttaa rustossa olevan veden vaakasuoran siirtymän, koska kollageenikuituverkosto puristuu kokoon. Vesi jakautuu uudelleen ruston sisällä siten, että sen kokonaistilavuus ei voi muuttua. Kun nivelkuormituksen jälkeinen puristus vähenee tai poistuu, vesi liikkuu takaisin proteoglykaanien negatiivisen varauksen vetämällä. Tämä on mekanismi, joka ylläpitää ruston korkeaa vesipitoisuutta ja siten korkeaa protonitiheyttä. Korkein vesipitoisuus havaitaan lähempänä nivelpintaa ja laskee kohti subkondraalista luuta. Proteoglykaanien pitoisuus lisääntyy ruston syvissä kerroksissa.

Tällä hetkellä magneettikuvaus (MRI) on tärkein kuvantamistekniikka hyaliinirustolle, ja se tehdään pääasiassa gradienttikaiku (GE) -sekvensseillä. Magneettikuvaus heijastaa ruston vesipitoisuutta. Ruston sisältämien vesiprotonien määrällä on kuitenkin merkitystä. Hydrofiilisten proteoglykaanimolekyylien pitoisuus ja jakautuminen sekä kollageenifibrillien anisotrooppinen organisaatio vaikuttavat paitsi ruston veden kokonaismäärään eli protonitiheyteen, myös veden relaksaatio-ominaisuuksien tilaan eli T2-arvoon, mikä antaa rustolle sen tyypilliset "vyöhykkeelliset" eli kerrostuneet kuvat magneettikuvauksessa. Jotkut tutkijat uskovat, että nämä kuvat vastaavat ruston histologisia kerroksia.

Hyvin lyhyissä kaikuaikakuvissa (TE) (alle 5 ms) ruston korkeamman resoluution kuvissa näkyy tyypillisesti kaksikerroksinen kuva: syvä kerros sijaitsee lähempänä luuta kalkkeutumista edeltävällä alueella ja sillä on heikko signaali, koska kalsiumin läsnäolo lyhentää TR:ää huomattavasti eikä tuota kuvaa; pinnallinen kerros tuottaa keski- tai korkean intensiteetin MP-signaalin.

Väliaikaisissa TE-kuvissa (5–40 ms) rustolla on kolmikerroksinen ulkonäkö: pinnallinen kerros, jolla on heikko signaali; siirtymäkerros, jolla on keskitason signaali-intensiteetti; ja syvä kerros, jolla on heikko MP-signaali. T2-painotuksessa signaali ei sisällä välikerrosta, ja rustokuvasta tulee homogeenisesti matalan intensiteetin omaava. Kun käytetään matalaa spatiaalista resoluutiota, lyhyissä TE-kuvissa näkyy joskus ylimääräinen kerros vinojen leikkausartefaktien ja ruston ja nesteen rajapinnan suuren kontrastin vuoksi. Tämä voidaan välttää suurentamalla matriisikokoa.

Lisäksi jotkin näistä vyöhykkeistä (kerroksista) eivät välttämättä ole näkyvissä tietyissä olosuhteissa. Esimerkiksi kun ruston akselin ja päämagneettikentän välinen kulma muuttuu, rustokerrosten ulkonäkö voi muuttua ja rustolla voi olla homogeeninen kuva. Kirjoittajat selittävät tätä ilmiötä kollageenikuitujen anisotrooppisella ominaisuudella ja niiden erilaisella suuntautumisella kussakin kerroksessa.

Jotkut kirjoittajat uskovat, että ruston kerroskuvan saaminen ei ole luotettavaa ja on artefakti. Tutkijoiden mielipiteet eroavat myös saatujen kolmikerroksisten rustokuvien signaalien voimakkuudesta. Nämä tutkimukset ovat erittäin mielenkiintoisia ja vaativat luonnollisesti lisätutkimuksia.

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

Nivelrikon ruston rakenteelliset muutokset

Nivelrikon varhaisvaiheissa ruston pinnallisten kerrosten kollageeniverkosto hajoaa, mikä johtaa pinnan rispaantumiseen ja lisääntyneeseen veden läpäisevyyteen. Kun osa proteoglykaaneista tuhoutuu, ilmaantuu lisää negatiivisesti varautuneita glykosaminoglykaaneja, jotka vetävät puoleensa kationeja ja vesimolekyylejä, kun taas loput proteoglykaanit menettävät kykynsä vetää puoleensa ja pidättää vettä. Lisäksi proteoglykaanien menetys vähentää niiden estävää vaikutusta veden virtaukseen kudoskudoksessa. Tämän seurauksena rusto turpoaa, nesteen puristusmekanismi (pidätysmekanismi) "ei toimi" ja ruston puristusvastus heikkenee. Suurin osa kuormasta siirtyy jo vaurioituneelle kovalle matriisille, ja tämä johtaa siihen, että turvonnut rusto muuttuu alttiimmaksi mekaanisille vaurioille. Tämän seurauksena rusto joko palautuu tai jatkaa rappeutumistaan.

Proteoglykaanien vaurioitumisen lisäksi kollageeniverkosto tuhoutuu osittain eikä enää palautu, ja rustoon ilmestyy pystysuoria halkeamia ja haavaumia. Nämä vauriot voivat ulottua rustoa pitkin subkondraaliseen luuhun. Rappeutumistuotteet ja nivelneste leviävät tyvikerrokseen, mikä johtaa pienten osteonekroosialueiden ja subkondraalisten kystojen esiintymiseen.

Näiden prosessien rinnalla rusto käy läpi useita korjaavia muutoksia vaurioituneen nivelpinnan palauttamiseksi, mukaan lukien kondofyyttien muodostuminen. Jälkimmäiset lopulta luutuvat enkondraalisesti ja niistä tulee osteofyyttejä.

Akuutti mekaaninen trauma ja puristuskuormitus voivat johtaa vaakasuorien halkeamien kehittymiseen ruston syvään kalkkeutuneeseen kerrokseen ja ruston irtoamiseen subkondraalisesta luusta. Ruston tyven halkeaminen tai delaminaatio tällä tavoin voi toimia mekanismina paitsi normaalin ruston rappeutumiselle mekaanisen ylikuormituksen aikana, myös nivelrikossa, kun nivelessä on epävakautta. Jos hyaliinirusto tuhoutuu kokonaan ja nivelpinta paljastuu, on kaksi mahdollista prosessia: ensimmäinen on tiheän skleroosin muodostuminen luun pinnalle, jota kutsutaan eburnaatioksi; toinen on trabekuloiden vaurioituminen ja puristuminen, joka röntgenkuvissa näyttää subkondraaliselta skleroosilta. Näin ollen ensimmäistä prosessia voidaan pitää kompensatorisena, kun taas toinen on selvästi nivelen tuhoutumisvaihe.

Ruston vesipitoisuuden lisääntyminen lisää ruston protonitiheyttä ja eliminoi proteoglykaani-kollageenimatriisin T2-lyhenemisvaikutukset, joilla on korkea signaali-intensiteetti matriisivaurioalueilla tavanomaisissa MRI-sekvensseissä. Tämä varhainen kondromalasia, joka on rustovaurion varhaisin merkki, voi olla näkyvissä ennen kuin rusto ohenee edes vähän. Tässä vaiheessa voi myös esiintyä ruston lievää paksuuntumista tai "turvotusta". Nivelruston rakenteelliset ja biomekaaniset muutokset ovat eteneviä, ja perusainetta häviää. Nämä prosessit voivat olla fokaalisia tai diffuuseja, rajoittuen pinnalliseen ohenemiseen ja kulumiseen tai ruston täydelliseen katoamiseen. Joissakin tapauksissa ruston fokaalista paksuuntumista tai "turvotusta" voidaan havaita ilman nivelpinnan vaurioita. Nivelrikossa havaitaan usein ruston fokaalista signaali-intensiteetin lisääntymistä T2-painotetuissa kuvissa, mikä vahvistetaan artroskooppisesti pinnallisten, transmuraalisten ja syvien lineaaristen muutosten läsnäololla. Jälkimmäiset voivat heijastaa syviä degeneratiivisia muutoksia, jotka alkavat pääasiassa ruston irtoamisena kalkkeutuneesta kerroksesta tai vuorovesilinjasta. Varhaiset muutokset voivat rajoittua ruston syviin kerroksiin, jolloin niitä ei voida havaita nivelpinnan artroskooppisessa tutkimuksessa, vaikka syvien rustokerrosten fokaalinen harvaus voi johtaa viereisten kerrosten vaurioitumiseen, usein subkondraalisen luun lisääntymiseen keskeisen osteofyytin muodossa.

Ulkomaisessa kirjallisuudessa on tietoa mahdollisuudesta saada kvantitatiivista tietoa nivelruston koostumuksesta, esimerkiksi vesiosuuden pitoisuudesta ja veden diffuusiokertoimesta rustossa. Tämä saavutetaan käyttämällä magneettikuvauslaitteen erityisohjelmia tai magneettikuvausspektroskopialla. Molemmat parametrit kasvavat proteoglykaani-kollageenimatriisin vaurioituessa rustovaurion aikana. Liikkuvien protonien (vesipitoisuuden) pitoisuus rustossa pienenee nivelpinnasta subkondraaliin päin mentäessä.

Muutosten kvantitatiivinen arviointi on mahdollista myös T2-painotetuissa kuvissa. Yhdistämällä tietoja samasta rustosta eri TE-arvoilla saaduista kuvista kirjoittajat arvioivat T2-painotettuja rustokuvia (WI) käyttämällä sopivaa eksponentiaalikäyrää kullekin pikselille saaduista signaalin intensiteettiarvoista. T2 arvioidaan tietyllä rustoalueella tai näytetään koko ruston kartalla, jossa kunkin pikselin signaalin intensiteetti vastaa T2:ta tässä paikassa. Edellä kuvatun menetelmän suhteellisen laajoista ominaisuuksista ja suhteellisesta helppoudesta huolimatta T2:n roolia aliarvioidaan, osittain diffuusioon liittyvien vaikutusten lisääntymisen vuoksi TE:n kasvaessa. T2:ta aliarvioidaan pääasiassa kondromalasiarustossa, kun veden diffuusio lisääntyy. Ellei käytetä erityisiä tekniikoita, näillä tekniikoilla mitattu mahdollinen T2:n nousu kondromalasiarustossa hieman vähentää diffuusioon liittyviä vaikutuksia.

MRI on siis erittäin lupaava menetelmä nivelruston rappeutumiselle tyypillisten varhaisten rakenteellisten muutosten havaitsemiseen ja seurantaan.

Ruston morfologiset muutokset nivelrikossa

Ruston morfologisten muutosten arviointi riippuu korkeasta spatiaalisesta resoluutiosta ja suuresta kontrastista nivelpinnasta subkondraaliseen luuhun. Tämä saavutetaan parhaiten käyttämällä rasvasuppressoituja T1-painotettuja 3D-GE-sekvenssejä, jotka heijastavat tarkasti sekä artroskopiassa että ruumiinavauksessa tunnistettuja ja varmennettuja paikallisia vikoja. Rustoa voidaan myös kuvata magnetisaatiosiirrolla kuvan vähennysmenetelmällä, jolloin nivelrusto näkyy erillisenä nauhana, jolla on korkea signaali-intensiteetti ja joka eroaa selvästi viereisestä matalan intensiteetin nivelnesteestä, nivelen sisäisestä rasvakudoksesta ja subkondraalisesta luuytimestä. Tämä menetelmä tuottaa kuitenkin kuvia puolet hitaammin kuin rasvasuppressoidut T1-painotetut kuvat, ja sitä käytetään siksi vähemmän laajalti. Lisäksi nivelruston paikallisia vikoja, pinnan epätasaisuuksia ja yleistynyttä ohenemista voidaan kuvata perinteisillä magneettikuvaussekvensseillä. Joidenkin kirjoittajien mukaan morfologiset parametrit – ruston paksuus, tilavuus, geometria ja pinnan topografia – voidaan laskea kvantitatiivisesti käyttämällä 3D-magneettikuvauksia. Yhteenlaskemalla vokselit, jotka muodostavat ruston 3D-rekonstruoidun kuvan, voidaan määrittää näiden monimutkaisesti toisiinsa liittyvien rakenteiden tarkka arvo. Lisäksi yksittäisistä viipaleista saadun ruston kokonaistilavuuden mittaaminen on yksinkertaisempi menetelmä yksittäisen viipaleen tasossa tapahtuvien pienempien muutosten vuoksi ja luotettavampi spatiaalisessa resoluutiossa. Tutkittaessa kokonaisia amputoituja polviniveliä ja näiden nivelten tekonivelleikkauksen aikana saatuja polvilumpionäytteitä määritettiin reisiluun, sääriluun ja polvilumpion nivelruston kokonaistilavuus ja havaittiin korrelaatio magneettikuvauksella saatujen tilavuuksien ja vastaavien tilavuuksien välillä, jotka saatiin erottamalla rusto luusta ja mittaamalla se histologisesti. Siksi tämä teknologia voi olla hyödyllinen ruston tilavuuden muutosten dynaamisessa arvioinnissa nivelrikkopotilailla. Tarvittavien ja tarkkojen nivelrustoleikkeiden saaminen, erityisesti nivelrikkopotilailla, edellyttää tutkimuksen suorittavalta lääkäriltä riittävää taitoa ja kokemusta sekä sopivan magneettikuvausohjelmiston saatavuutta.

Kokonaistilavuuden mittaukset sisältävät vain vähän tietoa laajoista muutoksista ja ovat siksi herkkiä paikalliselle rustokadolle. Teoriassa ruston menetys tai oheneminen yhdellä alueella voitaisiin tasapainottaa vastaavalla ruston tilavuuden kasvulla muualla nivelessä, eikä kokonaisruston tilavuuden mittaus osoittaisi mitään poikkeavuutta, joten tällaiset muutokset eivät olisi havaittavissa tällä menetelmällä. Nivelruston jakaminen erillisiin pieniin alueisiin 3D-rekonstruktiota käyttäen on mahdollista arvioida ruston tilavuutta tietyillä alueilla, erityisesti voimaa kantavilla pinnoilla. Mittausten tarkkuus kuitenkin heikkenee, koska jakamista tehdään hyvin vähän. Lopulta erittäin korkea spatiaalinen resoluutio on välttämätön mittausten tarkkuuden varmistamiseksi. Jos riittävä spatiaalinen resoluutio saavutetaan, ruston paksuuden kartoittaminen in vivo on mahdollista. Ruston paksuuskartat voivat toistaa paikallisia vaurioita nivelrikon etenemisen aikana.