磁共振成像精准测量软骨蠕变及生物力学特性的离体研究：与机械测试金标准对比

《Journal of Materials Research and Technology》：Magnetic Resonance Imaging Provides Accurate Measures of Cartilage Creep and Biomechanical Tissue Properties: Ex vivo Comparison to Ground Truth Mechanical Testing

本研究针对早期骨关节炎(OA)诊断缺乏敏感生物标志物的临床难题，创新性地评估了临床MRI技术无创评估软骨蠕变行为和生物力学特性的可行性。研究人员通过对比MRI兼容加载装置与万能试验机（金标准）对离体牛软骨样本的测试结果，证实MRI能够准确捕捉软骨蠕变轨迹，并通过逆向有限元分析获得与金标准无显著差异的纤维增强多孔弹性(FRPE)材料参数。该研究为开发无创在体软骨生物力学评估方法奠定了重要基础，对OA早期诊断和个性化治疗具有重要意义。

　　

膝关节骨关节炎（KOA）是全球范围内，尤其是在老年人群中，导致疼痛、残疾和生活质量下降的主要原因之一。早期诊断KOA极具挑战性，因为标准的影像学评分系统只能检测到关节间隙狭窄、软骨下硬化和骨赘形成等宏观形态学改变，而这些变化通常出现在软骨发生不可逆损伤之后。事实上，早期KOA的特征是软骨细胞外基质（ECM）在成分、结构和生物力学功能上发生即时改变，这些微观层面的改变先于影像学发现，有潜力作为疾病发生的敏感生物标志物。然而，直接进行机械测试需要侵入性操作，不适合临床应用。近年来，基于影像学（如X射线或磁共振成像，MRI）的蠕变应力测试被提出用于在连续载荷下评估软骨变形，但MRI因其较长的三维扫描时间而受到限制，这无意中允许软骨部分恢复，从而导致与能够实现更高时间分辨率的X射线设置相比，应变被低估。一个关键问题随之而来：MRI能否真正捕捉到软骨的位移？为了回答这个问题，研究人员开展了一项创新的离体研究。

这项发表在《Journal of Materials Research and Technology》上的研究，旨在评估临床MRI用于无创评估软骨蠕变行为的可行性。研究人员设计了一个精密的实验，将MRI测量结果与作为金标准（GT）的传统机械测试进行直接比较。他们采用了一种平衡重复测量设计，以消除测试顺序可能带来的影响。

为了开展研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：首先，他们使用了定制化的MRI兼容液压加载装置，该装置能够在3T GE Signa Premier MRI扫描仪内对牛软骨样本施加精确控制的应力（0.25 MPa/s速率加载至1 MPa，并维持1小时）。其次，他们采用质子密度加权快速自旋回波序列配合脂肪抑制（CHESS方法）进行二维图像采集，每分钟捕获一幅图像以监测变形。第三，开发了基于图像灰度梯度的自动分割算法，用于从MRI图像中精确测量软骨样本的厚度。第四，也是核心部分，是逆向有限元分析（FEA）：他们构建了样本特定的轴对称有限元模型，并采用纤维增强多孔弹性（FRPE）材料模型，通过最小化模拟与实验测得的蠕变位移轨迹之间的误差，来逆向估算代表软骨主要成分（胶原网络、蛋白聚糖基质和组织内流体）的生物力学参数。

3. 结果

3.1. 蠕变响应

研究结果显示，MRI测量的软骨蠕变变形轨迹与金标准机械测试的结果具有可比性。虽然MRI测得的基线软骨厚度略小于GT测量值，但整体的蠕变应变和压缩位移轨迹在两种方法之间没有显著差异。这表明MRI能够有效地捕捉到软骨在持续载荷下的时间依赖性变形过程。

3.2. 材料参数

FRPE材料模型成功模拟了实验数据。比较发现，除了在蠕变1分钟时的瞬时模量（E_{inst, 1min}）在MRI测量下显著高于GT外，其余所有弹性模量（如平衡模量E_eq）和FRPE材料参数（包括初始纤维网络模量E_f0、应变依赖性纤维网络模量E_f,ε、非纤维基质模量E_m、初始渗透率k₀以及渗透率应变依赖性系数M）的均值在两种测量方法间均无统计学显著差异。这表明通过MRI逆向分析获得的软骨成分特异性生物力学特性与金标准方法具有一致性。

4. 讨论

本研究的发现具有多重重要意义。首先，它直接证实了在受控的离体条件下，临床MRI能够以合理的准确性捕捉软骨的蠕变变形并估算其生物力学特性。这解决了该领域内关于MRI测量准确性的一个关键不确定性。其次，研究所采用的简化二维MRI成像方案，通过牺牲三维信息换取了更高的时间分辨率（每分钟一幅图像），为克服传统三维MRI扫描耗时过长、难以捕捉完整蠕变曲线的限制提供了可行的思路。此外，辅助分析表明，即使将蠕变测试时间缩短至15-45分钟，对FRPE关键参数的估算结果仍相对稳健，这为将来将此类协议转化为临床可行的、检查时间更短的方案提供了依据。

这些发现有力地支持了将MRI为基础的蠕变测量协议发展为一种无创在体软骨生物力学表征工具的潜力。软骨的生物力学特性，特别是那些通过FRPE模型估算的参数，已被证明在KOA早期阶段会发生改变，且比传统的临床指标更为敏感。因此，未来若能实现无创在体评估，这些参数有望成为早期OA的敏感生物标志物，从而实现更早的诊断和干预。此外，这种无创获取的个体化生物力学参数可以输入到受试者特定的有限元膝关节模型中，替代目前常用的从离体文献中获取的通用材料常数，从而显著提高模型模拟的准确性和个性化程度，为个性化治疗规划、手术方案优化以及疾病进展监测提供强大的量化工具。

当然，将当前研究推向临床应用仍需克服一些挑战。例如，需要开发适用于人体膝关节的MRI兼容加载设备，并考虑真实膝关节复杂的三维接触力学和载荷条件。未来的研究可能需要结合三维（用于几何形态）和快速二维（用于跟踪变形）混合成像协议，并在更大队列中进行验证。尽管如此，本研究无疑是为实现无创在体软骨生物力学量化这一长远目标所迈出的关键一步，为早期骨关节炎的诊断和个性化医疗开辟了新的前景。