골관절염 진단: 관절 연골 MRI

관절 연골의 MRI 영상은 조직학적 구조와 생화학적 구성의 전체적인 모습을 보여줍니다. 관절 연골은 자체적인 혈액 공급, 림프 배수, 신경 지배를 받지 않는 유리질 조직입니다. 물과 이온, 제2형 콜라겐 섬유, 연골세포, 응집된 프로테오글리칸, 그리고 기타 당단백질로 구성되어 있습니다. 콜라겐 섬유는 뼈의 연골하층에서 닻처럼 강화되어 관절면에 수직으로 뻗어 있으며, 관절면에서 수평으로 갈라집니다. 콜라겐 섬유 사이에는 상당한 음전하를 띠는 큰 프로테오글리칸 분자가 있어 물 분자를 강하게 끌어당깁니다. 연골 연골세포는 균일한 기둥 형태로 존재합니다. 이들은 콜라겐과 프로테오글리칸을 합성할 뿐만 아니라 효소와 효소 억제제를 분해하는 비활성 효소도 합성합니다.

조직학적으로 무릎과 고관절과 같은 큰 관절에서는 세 겹의 연골이 확인되었습니다. 가장 깊은 층은 연골과 연골하골의 접합부로, 표면까지 뻗어 있는 광범위한 콜라겐 섬유 네트워크의 고정층 역할을 합니다. 이 섬유들은 수많은 교차 결합 섬유로 연결된 조밀한 다발 형태로 존재합니다. 이를 요골층이라고 합니다. 관절면으로 갈수록 개별 콜라겐 섬유는 더 가늘어지고 교차 결합이 적은 더 규칙적이고 조밀한 평행 배열로 다발을 이룹니다. 중간층, 즉 이행층 또는 중간층은 더 무작위로 배열된 콜라겐 섬유를 포함하며, 대부분은 수직 하중, 압력 및 충격에 저항하기 위해 비스듬히 배열되어 있습니다. 가장 표층인 접선층(tangential layer)은 촘촘하게 뭉쳐 접선 방향으로 배열된 얇은 콜라겐 섬유층으로, 압축 하중에 의해 가해지는 인장력에 저항하고 간질액에 대한 방수 장벽을 형성하여 압축 시 간질액의 손실을 방지합니다. 이 층의 가장 표면적인 콜라겐 섬유는 수평으로 배열되어 관절 표면에 조밀한 수평 시트를 형성하지만, 표면 접선 영역의 섬유는 반드시 더 깊은 층의 섬유와 연결되어 있지는 않습니다.

앞서 언급했듯이, 이 복잡한 세포 섬유 네트워크 내부에는 응집된 친수성 프로테오글리칸 분자가 위치해 있습니다. 이러한 거대 분자는 수많은 가지 끝에 음전하를 띤 SQ와 COO" 단편을 가지고 있으며, 이는 반대 전하를 띤 이온(일반적으로 Na ⁺ )을 강하게 끌어당겨 연골 내로 삼투압을 통한 수분 침투를 촉진합니다. 콜라겐 네트워크 내부 의 압력은 엄청나며, 연골은 매우 효율적인 유체 역학적 쿠션 역할을 합니다. 관절면의 압박은 콜라겐 섬유 네트워크가 압박되어 연골에 포함된 수분의 수평 변위를 유발합니다. 수분은 연골 내에서 재분배되어 전체 부피가 변하지 않습니다. 관절 부하 후 압박이 감소하거나 제거되면, 프로테오글리칸의 음전하에 이끌려 수분이 다시 이동합니다. 이것이 높은 수분 함량과 결과적으로 연골의 높은 양성자 밀도를 유지하는 메커니즘입니다. 수분 함량은 관절면에 가까울수록 가장 높고 연골하골로 갈수록 감소합니다. 프로테오글리칸의 농도는 연골의 심부층에서 증가합니다.

현재 유리질 연골의 주요 영상 기술은 MRI이며, 주로 경사 에코(GE) 시퀀스를 사용하여 수행됩니다. MRI는 연골의 수분 함량을 반영합니다. 하지만 연골에 포함된 수분 양성자의 양이 중요합니다. 친수성 프로테오글리칸 분자의 함량 및 분포, 그리고 콜라겐 섬유의 이방성 조직은 연골의 총 수분량, 즉 양성자 밀도뿐만 아니라 이 수분의 이완 특성, 즉 T2 상태에도 영향을 미칩니다. 이로 인해 연골은 MRI에서 특징적인 "구역" 또는 층상 영상을 보이는데, 일부 연구자들은 이것이 연골의 조직학적 층과 일치한다고 생각합니다.

매우 짧은 에코 시간(TE) 영상(5ms 미만)에서 연골의 고해상도 영상은 일반적으로 두 겹의 층으로 구성됩니다. 깊은 층은 석회화 전 영역에서 뼈에 더 가깝게 위치하며 신호가 약합니다. 칼슘이 존재하여 TR이 크게 짧아지고 영상이 생성되지 않기 때문입니다. 표층에서는 중간에서 높은 강도의 MP 신호를 생성합니다.

중간 TE 영상(5~40ms)에서 연골은 세 겹으로 보입니다. 낮은 신호 강도를 가진 표층, 중간 신호 강도를 가진 전이층, 낮은 MP 신호를 가진 심층입니다. T2 강조 영상에서는 신호에 중간층이 포함되지 않으므로 연골 영상은 균일하게 낮은 강도를 보입니다. 낮은 공간 해상도를 사용하는 경우, 사선 절단 아티팩트와 연골/액 계면의 높은 대비로 인해 짧은 TE 영상에서 추가 층이 나타나는 경우가 있는데, 이는 매트릭스 크기를 증가시킴으로써 방지할 수 있습니다.

또한, 이러한 영역(층) 중 일부는 특정 조건에서 보이지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 연골 축과 주 자기장 사이의 각도가 변하면 연골층의 모양이 변하고 연골이 균질한 이미지를 가질 수 있습니다. 저자들은 이러한 현상을 콜라겐 섬유의 이방성과 각 층 내에서의 서로 다른 배열로 설명합니다.

다른 저자들은 연골의 층상 이미지를 얻는 것이 신뢰할 수 없으며 인공적인 결과라고 주장합니다. 또한, 얻은 연골의 3층 이미지에서 나오는 신호 강도에 대해서도 연구자들 간의 의견이 엇갈립니다. 이러한 연구들은 매우 흥미롭고, 물론 추가 연구가 필요합니다.

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골관절염에서 연골의 구조적 변화

골관절염 초기 단계에서는 연골 표층의 콜라겐 네트워크가 분해되어 표면이 마모되고 수분 투과성이 증가합니다. 일부 프로테오글리칸이 파괴됨에 따라, 양이온과 물 분자를 끌어당기는 음전하를 띤 글리코사미노글리칸이 더 많이 생성되고, 나머지 프로테오글리칸은 수분을 끌어당기고 유지하는 능력을 상실합니다. 또한, 프로테오글리칸의 손실은 간질액의 흐름 억제 효과를 감소시킵니다. 결과적으로 연골이 부풀어 오르고, 체액의 압축(유지) 메커니즘이 "작동하지 않으며" 연골의 압축 저항이 감소합니다. 대부분의 하중이 이미 손상된 경질 기질로 전이되는 현상이 발생하여 부은 연골이 기계적 손상에 더 취약해집니다. 결과적으로 연골은 회복되거나 계속해서 악화됩니다.

프로테오글리칸 손상 외에도, 콜라겐 네트워크가 부분적으로 파괴되어 더 이상 회복되지 않고 연골에 수직 균열과 궤양이 나타납니다. 이러한 병변은 연골을 따라 연골하골까지 확장될 수 있습니다. 부패 산물과 활액이 기저층으로 퍼져 작은 부위의 골괴사와 연골하낭종이 발생합니다.

이러한 과정과 병행하여, 연골은 손상된 관절면을 회복하기 위해 일련의 회복적 변화를 겪으며, 여기에는 연골극세포(chondrophyte)의 형성이 포함됩니다. 이 연골극세포는 결국 연골내골화(enchondral ossification)를 거쳐 골극세포(osteophyte)가 됩니다.

급성 기계적 외상과 압박 하중은 연골의 깊은 석회화층에 수평 균열을 발생시키고 연골이 연골하골에서 분리되는 것을 초래할 수 있습니다. 이러한 연골의 기저부 균열 또는 박리는 기계적 과부하로 인한 정상 연골의 퇴행뿐만 아니라 관절 불안정성이 있는 골관절염에서도 발생할 수 있습니다. 유리 연골이 완전히 파괴되고 관절면이 노출되면 두 가지 과정이 발생할 수 있습니다. 첫 번째는 골 표면에 치밀 경화증이 형성되는 것으로, 이를 화상(eburnation)이라고 합니다. 두 번째는 해면골의 손상 및 압박으로, X선 영상에서 연골하 경화증처럼 보입니다. 따라서 첫 번째 과정은 보상성 과정으로 볼 수 있으며, 두 번째 과정은 분명히 관절 파괴 단계입니다.

연골 수분 함량 증가는 연골의 양성자 밀도를 증가시키고, 기존 MRI 영상에서 기질 손상 부위에서 높은 신호 강도를 나타내는 프로테오글리칸-콜라겐 기질의 T2 단축 효과를 제거합니다. 연골 손상의 가장 초기 징후인 이 초기 연골 연화증은 연골이 약간 얇아지기 전에도 관찰될 수 있습니다. 이 단계에서 연골의 경미한 비후 또는 "부종"이 나타날 수도 있습니다. 관절 연골의 구조적 및 생체역학적 변화는 점진적으로 진행되며, 기질의 손실이 동반됩니다. 이러한 변화는 국소적이거나 미만성일 수 있으며, 표층부의 얇아짐 및 마모에 국한되거나 연골이 완전히 소실될 수 있습니다. 경우에 따라 관절면의 손상 없이 연골의 국소적인 비후 또는 "부종"이 관찰될 수도 있습니다. 골관절염에서는 T2 강조 영상에서 연골의 국소적인 신호 강도 증가가 흔히 관찰되며, 이는 관절경 검사에서 표층, 전벽, 그리고 심부 선형 변화의 존재로 확진됩니다. 후자는 주로 석회화층이나 조수선에서 연골이 분리되는 것으로 시작되는 심부 퇴행성 변화를 반영할 수 있습니다. 초기 변화는 연골의 심부층에 국한될 수 있으며, 이 경우 관절면의 관절경 검사에서 발견되지 않습니다. 하지만 심부 연골층의 국소적인 희소성으로 인해 인접층까지 침범될 수 있으며, 종종 중앙 골극 형태의 연골하골 증식이 동반됩니다.

외국 문헌에는 관절 연골의 구성, 예를 들어 연골 내 수분 함량 및 수분 확산 계수에 대한 정량적 정보를 얻을 수 있다는 자료가 있습니다. 이는 MR 단층촬영기의 특수 프로그램이나 MR 분광법을 이용하여 얻을 수 있습니다. 이 두 가지 매개변수는 연골 손상 시 프로테오글리칸-콜라겐 기질의 손상에 따라 증가합니다. 연골 내 이동성 양성자(수분 함량)의 농도는 관절면에서 연골하골 방향으로 감소합니다.

T2 강조 영상에서도 변화를 정량적으로 평가할 수 있습니다. 저자는 서로 다른 TE로 얻은 동일한 연골 영상의 데이터를 통합하여 각 픽셀에 대해 얻은 신호 강도 값에서 적절한 지수 곡선을 사용하여 연골의 T2 강조 영상(WI)을 평가했습니다. T2는 연골의 특정 영역에서 평가되거나 전체 연골 지도에 표시되며, 각 픽셀의 신호 강도는 이 위치에서 T2에 해당합니다. 그러나 위에서 설명한 방법의 비교적 큰 기능과 상대적인 용이성에도 불구하고 T2의 역할은 TE가 증가함에 따라 확산 관련 효과가 증가하기 때문에 과소평가됩니다. T2는 물 확산이 증가할 때 연골 연골에서 주로 과소평가됩니다. 특수 기술을 사용하지 않으면 연골 연골에서 이러한 기술로 측정한 T2의 잠재적 증가가 확산 관련 효과를 약간 억제할 것입니다.

따라서 MRI는 관절 연골 변성의 특징인 초기 구조적 변화를 탐지하고 모니터링하는 매우 유망한 방법입니다.

골관절염에서 연골의 형태학적 변화

연골의 형태학적 변화 평가는 관절 표면에서 연골하골까지의 높은 공간 해상도와 높은 대비도에 달려 있습니다. 이는 관절경 검사와 부검 자료에서 확인 및 검증된 국소 결손을 정확하게 반영하는 지방 억제 T1 강조 3D GE 시퀀스를 사용하여 가장 잘 달성됩니다. 연골은 영상 감산법을 이용한 자화 전이를 통해 영상화할 수도 있는데, 이 경우 관절 연골은 높은 신호 강도를 가진 별도의 띠로 나타나 인접한 저강도 활액액, 관절 내 지방 조직 및 연골하 골수와 명확하게 대비됩니다. 그러나 이 방법은 지방 억제 T1 강조 영상보다 영상 생성 속도가 절반으로 느리기 때문에 널리 사용되지 않습니다. 또한, 관절 연골의 국소 결손, 표면 불규칙성 및 전반적인 얇아짐은 기존 MR 시퀀스를 사용하여 영상화할 수 있습니다. 일부 저자에 따르면, 연골의 두께, 부피, 기하학적 구조 및 표면 지형과 같은 형태학적 매개변수는 3D MRI 영상을 사용하여 정량적으로 계산할 수 있습니다. 연골의 3D 재구성 영상을 구성하는 복셀을 합산함으로써, 복잡하게 연관된 이러한 구조들의 정확한 값을 결정할 수 있습니다. 또한, 개별 슬라이스에서 얻은 총 연골 부피를 측정하는 것은 단일 슬라이스 평면의 변화가 더 작기 때문에 더 간단한 방법이며, 공간 해상도 측면에서 더 신뢰할 수 있습니다. 절단된 무릎 관절 전체와 이러한 관절의 인공관절 수술 중 채취한 슬개골 표본을 연구할 때, 대퇴골, 경골, 슬개골의 관절 연골 총 부피를 측정하였고, MRI로 얻은 부피와 연골을 뼈에서 분리하여 조직학적으로 측정한 부피 사이에 상관관계가 있음을 확인했습니다. 따라서 이 기술은 골관절염 환자의 연골 부피 변화를 동적으로 평가하는 데 유용할 수 있습니다. 특히 골관절염 환자의 경우, 관절 연골의 필요하고 정확한 단면을 얻기 위해서는 검사를 시행하는 의사의 충분한 기술과 경험, 그리고 적절한 MRI 소프트웨어의 가용성이 필요합니다.

총 부피 측정은 광범위한 변화에 대한 정보를 거의 제공하지 않으므로 국소적인 연골 손실에 민감합니다. 이론적으로 한 부위의 연골 손실이나 얇아짐은 관절의 다른 부위의 연골 부피 증가로 상쇄될 수 있으며, 총 연골 부피 측정에는 이상이 나타나지 않으므로 이러한 변화는 이 방법으로는 감지할 수 없습니다. 3D 재구성을 사용하여 관절 연골을 개별적인 작은 영역으로 세분화함으로써 특정 부위, 특히 힘을 받는 표면의 연골 부피를 추정할 수 있게 되었습니다. 그러나 세분화가 매우 적게 수행되므로 측정의 정확도가 떨어집니다. 궁극적으로 측정의 정확도를 확인하려면 매우 높은 공간 분해능이 필요합니다. 충분한 공간 분해능을 확보하면 생체 내 연골 두께 매핑이 가능해집니다. 연골 두께 매핑은 골관절염 진행 중 국소 손상을 재현할 수 있습니다.