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综述
颞下颌关节紊乱病MRI研究进展
王文晖 甄俊平

Cite this article as: Wang WH, Zhen JP. MRI research progress of temporomandibular joint disorder[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(5): 148-150, 166.本文引用格式:王文晖, 甄俊平. 颞下颌关节紊乱病MRI研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(5): 148-150, 166. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.05.031.


[摘要] 颞下颌关节紊乱病(temporomandibular disorder,TMD)是颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)和咀嚼肌疼痛和功能障碍的常见疾病。MRI作为其首选的无创影像学检查方法,提供了TMJ和咀嚼肌区域的软硬组织可视化,在其诊疗过程中起到重要作用。扩散成像、T2 mapping、超短回波时间(ultrashort echo time,UTE)和零回波时间(zero echo time,ZTE)等技术进一步推动了TMD和相关肌肉超微结构变化的定量分析和功能成像,这些技术超越了目前的解剖成像能力,提供对关节盘、关节盘后组织、髁突、关节窝和周围咀嚼肌群更好的生理和病理状态理解,并最终有助于其早期诊断、治疗计划、疗效评估,甚至图像引导干预。本文就MRI在TMD的最新进展及诊断价值进行综述。
[Abstract] Temporomandibular disorder (TMD) is a common disorder of temporomandibular joint (TMJ) and masticatory muscle pain and dysfunction. Magnetic resonance imaging, as the preferred non-invasive imaging method, provides visualization of the soft and hard tissues of TMJ and masticatory muscles, which plays an important role in the diagnosis and treatment of TMJ patients. Diffusion imaging, T2 mapping, ultrashort echo time (UTE) and zero echo time (ZTE) further promote quantitative analysis and functional imaging of TMD and associated muscle ultrastructural changes. These technologies go beyond current anatomical imaging capabilities and provide a better understanding of the physiological and pathological states of the articular disc, posterior disc tissue, condyles, fossa, and surrounding masticatory muscle groups, and ultimately contribute to early diagnosis, treatment planning, evaluation of treatment outcomes, and even image-guided interventions. This article reviews the recent progress and diagnostic value of MRI in TMD.
[关键词] 颞下颌关节紊乱病;颞下颌关节;磁共振成像;功能成像;扩散加权成像;定量诊断;综述
[Keywords] temporomandibular disorder;temporomandibular joint disorder;magnetic resonance imaging;functional imaging;diffusion-weighted imaging;quantitative diagnosis;review

王文晖 1   甄俊平 2*  

1 山西医科大学医学影像学院,太原 030001

2 山西医科大学第二医院影像科,太原 030001

甄俊平,E-mail:doctorzjp@sxmu.edu.cn

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家自然科学基金项目 82172011 山西留学回国人员科研资助项目 2014-077
收稿日期:2021-12-14
接受日期:2022-04-11
中图分类号:R445.2  R782.6 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.05.031
本文引用格式:王文晖, 甄俊平. 颞下颌关节紊乱病MRI研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(5): 148-150, 166. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.05.031

       颞下颌关节紊乱病(temporomandibular disorder,TMD)是颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)和咀嚼肌功能障碍和疼痛的常见疾病,严重影响患者的生活质量。TMD的关节源性原因通常是由于关节盘移位以及炎性和退行性关节炎等。TMJ可涉及一系列先天性、发育性和获得性疾病,包括创伤和肿瘤等疾病[1]。2021年的一项系统回顾和荟萃分析得出结论,TMD的患病率在成人和老年人为31%,而儿童和青春期为11%[2]。在当前的TMD成像方法中,MRI对TMJ和咀嚼肌区域提供了出色的软硬组织可视化,既无电离辐射,又具有良好的空间分辨率和对比度[3]。近年已出现多种技术可以对TMJ结构的生化特性进行功能和定量评估,并通过应用各种MRI序列和复杂的后处理算法进行初步研究,从而更好地深入研究TMJ解剖和结构,更好地理解TMD。本文通过对MRI在TMD中的最新进展及其未来方向进行综述,希望发掘新型MRI技术在TMD研究中的科学潜力和临床价值,从而增加对该疾病的理解。

1 扩散成像在TMD中的应用

1.1 扩弥散成像的技术原理与应用

       扩散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI)是基于假设水分子随机扩散位移满足高斯分布的理想情况下发展起来的。DWI是最基础的扩散成像形式,是通过量化细胞和组织内的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient,ADC),无创地捕捉水分子的扩散运动过程中局部受限的程度和方向,从而间接反映组织微观结构的变化。通过更复杂的双指数模型和非高斯模型提出了体素内不相干运动(intravoxel incoherent motion,IVIM),从而能够估计水分子的真性扩散和微循环灌注形成的假性扩散,恰好弥补了DWI的不足[4]。从生理上讲,组织中水分子的扩散由于受到细胞器、细胞膜和细胞外间隙等因素限制,其分布及扩散移动在各个方向不同,将呈各向异性扩散。如TMJ关节盘的胶原纤维和咀嚼肌中的纤维束,水分子扩散运动状态不一致,即存在各向异性,使得扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)成为通过测量其特征值和特征向量来反映组织结构微观细节的合适方法[5]

       肌筋膜疼痛是TMD最常见的症状之一,TMD中咀嚼肌区域疼痛的临床诊断是以肌肉触诊或表面肌电图为基础的,但肌电图对于解剖位置较深的翼状肌是不可行的[6]。Sawada等[7]对106例伴有单侧疼痛的TMD患者进行ADC值量化,咀嚼肌群包括翼外肌(lateral pterygoid muscle,LPM)、翼内肌和咬肌,结果表明数值无性别差异和疼痛侧咀嚼肌的平均ADC值显著高于无痛侧咀嚼肌,因此推断咀嚼肌的疼痛可能归因于组织水肿。Ngamsom等[8]发现LPM的IVIM参数与TMD患者不同症状的特征有关,比如不可复位性关节盘移位和关节积液患者的灌注分数(perfusion fraction,f)显著高于正常患者,另一方面,伴有骨关节炎的TMD患者的真性扩散系数(diffusion coefficient,D)也显著升高。这些发现表明,TMD常伴有使咀嚼肌灌注和扩散改变的病理改变,如炎症和萎缩改变[7, 8, 9]。因此,DWI有助于直接评估肌肉状况,以更好地对TMD患者治疗后的随访评估。

       DTI是一种非侵入性工具,可以观察到在疾病的病理情况下纤维组织和扩散特性的规则模式会被破坏[5]。Liu等[10, 11]利用DTI技术发现了下颌关节运动过程中LPM纤维的形态和功能变化,选用ADC、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)和水在三个正交方向上的扩散强度作为DTI特征值及肌肉纤维长度和横截面面积来计算结果,发现翼状肌上头的收缩与咬合运动密切相关,而翼状肌下头可能不参与或只是在这一运动中起着不显著的作用,揭示了在下颌张口或紧闭口过程中LPM的DTI特征值的显著差异,在TMD不同亚组中LPM的不同步扩散率变化意味着使用扩散参数作为指标来识别TMD不同阶段LPM功能亢进严重程度的可能性,为进一步研究TMD的发病机制提供了新的思路。Nastro等[12]报道了两位下颌骨突出和不对称的女性患者在截骨术后,发现LPM的FA值有所增加。Mormina等[13]对磨牙症患者经过咬合板保守治疗后进行扩散张量评估,观察咀嚼肌复合体微观结构的变化,评估的每一块肌肉的FA降低,平均扩散率、轴向扩散系数和径向扩散系数增加,这些扩散张量参数的变化可能与咀嚼肌慢性收缩的减弱有关,这影响了肌肉微结构的改变。虽然这些研究很有限,但初步提示DTI既可以进行咀嚼肌复合体的全景重建,也可以研究咀嚼肌微结构的病理生理变化,有助于更好地评估TMD,并为患者提供更准确的预处理方案。

1.2 扩散成像的局限性

       首先,由于DWI是低分辨率图像,无法评估颞肌;其次,DWI无法测量由易感伪影导致的严重图像畸变患者的ADC值。因此,在未来的研究中,希望使用高分辨率成像技术,以减少易感伪影,如非回波平面成像DWI序列。DWI技术通常易受磁化性伪影的干扰,并导致图像失真,从而降低成像的质量和诊断的可信度。另一方面,较长的扫描时间和不规范的b值数值和分布扫描方案也限制了其在常规MRI检查中的广泛应用。而且当许多病理情况并存时,使用传统的DWI方法很难解释各区域扩散性改变的具体含义[5]。在临床常规实施DTI之前,还需要进一步研究优化TMD成像的扩散序列和采集方案。

2 T2 mapping在TMD中的应用

2.1 T2 mapping的技术原理与应用

       主观的视觉评估对TMD患者的潜在病理生理变化只能提供有限的信息。为了客观反映TMD的微观结构变化,识别TMD的早期潜在改变,并指导干预和治疗策略,提出了一种定量分析TMD内在MRI特征的技术,即T2 mapping。目前临床T2 mapping成像技术的首选方法是多回波自旋回波序列,即在一个重复时间(repetition time,TR)内采集两个及两个以上的回波时间(echo time,TE),其信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)较高,采集时间较短,在检测和评估TMD方面显示出巨大的潜力[14, 15]

       Nikkuni等[15]在对73例TMD患者咬肌T2值进行量化后,发现疼痛侧的平均T2值明显高于无疼痛侧,结果表明,患者疼痛侧咬肌的游离水含量较高。最近的一项研究揭示了咬肌在不同疼痛模式下的不同T2值,并得出结论,压迫性疼痛模式可能与水肿性变化有关,而经历肌筋膜疼痛(包括运动疼痛和自发性疼痛)的受试者在疼痛侧和无痛侧的T2值差异无统计学意义,这表明运动疼痛和咬肌自发性疼痛不是由水肿引起的[16]。这些研究表明,水肿相关疼痛和其他疼痛模式的治疗方案具有差异,咬肌肌筋膜痛应该根据是否伴有水肿性改变来分类,T2 mapping对指导TMD患者治疗计划和评估各种疼痛模式的治疗效果起到显著作用[16, 17]。Shigeno等[18]将感兴趣区放置在患者髁突顶部的骨髓上,计算所有T2 mapping图像下颌骨髁状突骨髓的平均T2值,发现骨关节炎组的平均值高于正常组,表明T2 mapping适用于显示关节炎髁突的轻微骨髓异常,如水肿和骨坏死,进一步显示常规质子密度加权成像(proton density weighted imaging)和T2WI中未检测到的骨髓变化。

       考虑到TMJ成分的变化发生在形态或位置变化之前,最近人们试图量化健康志愿者和TMD患者的TMJ关节盘和关节盘后组织的T2值,并将该组织的胶原纤维排列与T2值相关联总结出规律[19, 20, 21, 22]。Nikkuni等[15]和Schmid-Schwap等[20]发现TMJ关节盘不同分区带和双板层的T2值存在区域性差异,这可能是由于关节盘不同组织学分区中胶原纤维的不同取向所致。此外,Kakimoto等[23]测量整个关节盘的T2弛豫时间并根据关节盘的位置和功能、关节盘形态、关节积液、骨关节炎和骨髓异常对患者进行分类,发现与健康志愿者和年轻组相比,TMD患者和老年组TMJ关节盘的T2值更长,这可能归因于退行性变软骨中糖胺聚糖和蛋白多糖的丢失。Zhao等[24]在斜矢状面手动选择关节盘为感兴趣区域,对MRI T2 mapping图像的关节盘形态结构改变和定量参数的表现进行统计学比较,发现各实验组的T2值以及不同形态结构的T2值均显著低于健康志愿者组,这些研究表明MRI T2 mapping图可以更准确地评估TMD的严重程度,从而为临床分型诊断和评估提供更可靠的医学影像依据。

2.2 T2 mapping的局限性

       T2 mapping是一种对组织的特性进行定量的MRI技术,具有一定不足,如最大TE及回波间隔的选择及SNR有待提高等问题。Bristela等[18]发现T2值在正常位置的关节盘和不同亚组包括半脱位、部分前脱位和不可复位型之间差异无统计学意义;其他指标和形态参数,如髁突位置、关节盘信号强度、积液和退行性改变,对T2值有影响。当综合多个因素的影响时关节盘的T2 mapping值与各种指标参数存在显著的中和作用,因此认为T2 mapping不是TMJ成像的合适诊断技术。这些有争议的发现可能是由于关节盘的小尺寸和当前空间分辨率的限制及不同研究中不同的MRI场强和扫描方案造成的,有待更深入的研究。

       T2 mapping易受魔角效应的影响,在魔角效应中,T2值可能在某些区域由于偶极效应消失而升高,这取决于关节盘软骨相对于主磁场的胶原取向夹角[25]。此外,该技术对关节积液高度敏感,目前无法在出现大量积液时准确诊断TMJ关节盘异常[14]

3 超短回波时间和零回波时间在TMD中的应用

3.1 超短回波时间和零回波时间的技术原理与应用

       由于对最小可实现的TE的限制,短T2组织如TMJ关节盘、纤维软骨、软骨下骨和皮质骨T2的时间通常较短,因为其内的氢质子含量较少而同时其内的氢质子又束缚于蛋白质等大分子结构而比较固定。从T2弛豫机制而言处于这种微环境下的氢质子其周围存在稳定的晶格磁场,而晶格磁场会促使这些共振的氢质子迅速失相位,所以在以毫秒级为TE的T1、T2对比度成像时无法检测到这种短T2的物质结构,这使得常规MRI序列检测短T2组织的信号具有挑战性[26, 27]。随着MRI技术的进步,超短回波时间(ultrashort echo time,UTE)脉冲序列突破了对TE的限制并应用于TMD成像[28]。对于UTE技术,两个相反层面选择梯度的半snc函数型射频脉冲在激发完成后立即采集自由衰减信号,随后在数据采集开始时设置梯度场爬升,数据直接由K空间中心开始采集,导致从中心向外的径向K空间轨迹,然后在衰减前检测到来自短T2组织的信号[29]。零回波时间(zero echo time,ZTE)是这种方法的延伸,它在射频脉冲之前进行梯度场的爬升,并产生接近零TE的图像,从而提供比UTE更高的SNR和扫描时间效率[30]

       在借助图像减影情况下UTE技术有助于更好地显示T2成分较短的TMJ关节盘、纤维软骨表面和髁突形态。Carl等[27]在对TMJ组织固有MR特性的认识和Bloch信号方程的基础上,提出了一种优化的UTE序列,以增强关节盘与邻近软组织的对比度,从而提高TMD结构改变的定性和诊断的准确性。此外,研究表明,UTE序列可以定量评估TMJ关节盘的T2、T2*和T1ρ。Bae等[31, 32]利用UTE对这些MRI特征进行了定量分析,发现T2*和T1ρ与TMJ关节盘的生化特征显著相关,有助于TMD的早期诊断。最近的一项体内研究进一步证实了这些结果,与无症状志愿者相比,有症状的TMJ疼痛的UTE T2*值更高,从而使UTE成为监测与症状相关的TMJ关节盘进行性变化的潜在工具[31]

       目前,对TMD患者髁突形态或关节窝骨性改变的评估基本上依赖于计算机体层摄影(computed tomography,CT)或锥形束CT (cone beam computed tomography,CBCT),而常规MRI序列对此类异常病理情况的诊断敏感度较低[33]。如今UTE和ZTE技术可以为骨评估提供可靠的图像,在体外和体内评估TMD的骨变化,并与CT的参考标准高度一致[34, 35]。Geiger等[35]通过对9具尸体的TMJ标本进行UTE成像,发现颞下颌关节髁突的定量形态学评估,包括骨表面、弯曲度和体积,与显微CT显示出高度的相关性和一致性,总结出UTE是评价髁突形态或关节窝骨性改变的一种可行、准确的方法。Lee等[34]报道了ZTE在评估TMD患者退行性骨改变中的潜在应用。下颌骨窝的所有类型的骨改变,尤其是髁突变平、骨赘和硬化等情况,在CBCT和ZTE-MRI的结果之间具有高度相关性。因此,将常规MRI序列与UTE/ZTE相结合,可以同时对TMD患者的软组织和硬组织进行成像,还具有降低医疗费用和辐射剂量的优点。

3.2 UTE和ZTE的局限性

       由于对高梯度性能等设备硬件要求高、采集图像时间长、软件可用性、涡流效应的干扰等原因,UTE和ZTE目前在TMD研究中的应用还很有限[36]。随着未来大样本体内研究和技术的改进,更多的研究将会验证和完善这种技术,其可能被认为是临床上治疗TMD的常规MRI序列。

4 其他MRI技术在TMD中的应用

       Pittschieler等[37]分别在2D反转恢复序列和3D扰相梯度回波双翻转角技术序列下对关节盘的前中后三个部位手动定义ROI,借助增强剂钆喷酸葡胺,将获得的T1值绘制成T1图像,结果证明了延迟钆增强软骨MRI (delayed gadolinium-Enhanced MRI of cartilage,dGEMRIC)量化TMJ关节盘中的糖胺聚糖的可行性。Eder等[38]研究中显示了健康志愿者和TMD患者组之间关节盘中dGEMRIC指数的差异有统计学意义,验证了该技术在检测TMJ关节盘早期退行性变化方面的可行性。Tasali等[39]通过使用定量动态对比增强MRI,发现了TMJ疼痛侧和无痛侧间的关节盘后组织存在不同的对比增强模式,表明炎症反应和血管增加可能是造成TMJ疼痛的原因。Schraml等[40]研究发现慢性肌肉疼痛与局部肌肉灌注减少之间存在相关性,基于动脉自旋标记技术,报告了可相互比较的灌注值,对研究相关组织咀嚼功能和功能障碍有相当的潜力。

5 小结与展望

       MRI目前被认为是诊断TMJ关节盘形态和位置的金标准[41]。考虑到TMJ关节盘的小尺寸和空间分辨率的限制,未来在技术方面需要对7 T MRI扫描设备、图像重建方法和临床优化序列进行广泛的验证和研究。7 T MRI成像可以实现更高的SNR和更好的图像对比度,并减少TMD成像的采集时间,正如更好的TMJ多通道线圈可以改善3 T时的TMJ成像一样,可以提高诊断效用[42]。在临床应用方面,鼓励研究人员在新兴的定量MRI技术的帮助下专注于TMD和相关肌肉超微结构变化的定量分析和功能成像,这些使研究人员能够超越目前的解剖成像能力,更好地理解TMD的生理和病理状态,并最终有助于其早期诊断、治疗计划、治疗效果评估,甚至图像引导干预。当然还需要对大样本量患者进行深入的调查,以验证先前研究的可靠性和准确性,进一步探索新兴的定量MRI技术在不同TMD环境中的运行方案。

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