磁化傳遞對(duì)比成像和擴(kuò)散加權(quán)成像在中軸型脊柱關(guān)節(jié)病患者早期骶髂關(guān)節(jié)炎中的應(yīng)用

張平，李小明

血清陰性脊柱關(guān)節(jié)炎（seronegative spondyloarthropathy，SpA）是一組包括強(qiáng)直性脊柱炎、反應(yīng)性關(guān)節(jié)炎、炎性腸病性關(guān)節(jié)炎或脊柱炎、牛皮癬關(guān)節(jié)炎以及未分化脊柱關(guān)節(jié)炎在內(nèi)的慢性炎性風(fēng)濕性疾病。中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者通常表現(xiàn)為慢性腰骶部疼痛或者不適，伴晨僵。1984年修訂的強(qiáng)直性脊柱炎紐約標(biāo)準(zhǔn)中炎性下腰痛和骶髂關(guān)節(jié)炎放射學(xué)改變是診斷強(qiáng)直性脊柱炎關(guān)鍵指標(biāo)[1，2]。然而，修訂后紐約標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于診斷早期特別是沒有明確的骶髂關(guān)節(jié)炎放射性改變的強(qiáng)直性脊柱炎患者存在一定的局限性。早期診斷對(duì)于疾病的早期治療是至關(guān)重要的。隨著磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，磁共振成像能夠檢測(cè)早期早于X線骶髂關(guān)節(jié)炎改變或者沒有X線骶髂關(guān)節(jié)炎改變的早期中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎。國際脊柱關(guān)節(jié)炎評(píng)估協(xié)會(huì)（the Assessment of Spondyloarthritis international Society，ASAS）2009年公布了最新的中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎的ASAS診斷標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于診斷中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎的敏感度和特異度分別為82.9%和84.4%。根據(jù)ASAS診斷標(biāo)準(zhǔn)，存在炎性腰背痛不少于3個(gè)月，發(fā)病年齡在45歲之前的患者，滿足以下兩種情況之一即可以診斷為中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎。①影像學(xué)手段：MRI或者X線圖像上表現(xiàn)為骶髂關(guān)節(jié)炎加上至少一項(xiàng)典型的脊柱關(guān)節(jié)炎征象；②臨床手段：HLA-B27陽性加上至少兩項(xiàng)典型的脊柱關(guān)節(jié)炎征象。MRI骶髂關(guān)節(jié)炎的影像學(xué)改變包括：T2WI脂肪抑制序列或者STIR序列上骶髂關(guān)節(jié)骨質(zhì)水腫、骶髂關(guān)節(jié)周圍肌腱韌帶附著端炎性水腫；T1WI圖像上骨質(zhì)硬化、破壞及關(guān)節(jié)間隙的變窄；T1加權(quán)釓離子對(duì)比增強(qiáng)序列上，骶髂關(guān)節(jié)骨質(zhì)充血、骶髂關(guān)節(jié)滑膜充血等改變。臨床上典型的脊柱關(guān)節(jié)炎征象包括：關(guān)節(jié)炎、指炎或跖炎、附著端炎、非甾體抗炎藥治療有效、銀屑病、炎性腸病、葡萄膜炎、脊柱關(guān)節(jié)炎家族史、血清C反應(yīng)蛋白升高等。僅使用影像學(xué)手段診斷脊柱關(guān)節(jié)炎的敏感度和特異度分別為66.2%和97.3%[3，4]。

擴(kuò)散加權(quán)成像（diffusion weighted imaging，DWI）在強(qiáng)直性脊柱炎早期診斷應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)在于高的敏感度、短的掃描時(shí)間和無需對(duì)比劑，而且表觀擴(kuò)散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC）能夠反映早期骨髓水腫[5，6]。

目前，磁化傳遞（magnetization transfer，MT）技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于評(píng)價(jià)椎間盤退行性改變、膝關(guān)節(jié)軟骨損傷以及增加軟骨或血流的對(duì)比度方面[7，8]。然而，至今還沒有報(bào)道MT技術(shù)在評(píng)價(jià)脊柱關(guān)節(jié)炎軟骨損傷方面的應(yīng)用。

此項(xiàng)研究旨在通過磁化傳遞對(duì)比成像（magnetization transfer contrast，MTC）和擴(kuò)散加權(quán)成像技術(shù)評(píng)價(jià)脊柱關(guān)節(jié)炎患者早期骶髂關(guān)節(jié)炎。

材料與方法

連續(xù)搜集2013年3月-2014年1月84例（男62例，女22例）下腰痛且疑似中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者，年齡18～44歲，平均年齡為25.8歲。患者多隱匿性起病，存在慢性腰背痛不少于3個(gè)月，發(fā)病年齡在45歲之前。臨床癥狀為起病隱襲、晨僵、活動(dòng)后緩解、夜間痛等。所有患者在近3個(gè)月沒有用藥史。根據(jù)1966年紐約強(qiáng)直性脊柱炎骶髂關(guān)節(jié)病變的X線分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：0級(jí)為無異常；Ⅰ級(jí)為存在骨質(zhì)侵蝕和硬化可能；Ⅱ級(jí)為存在明確的骨質(zhì)侵蝕、硬化，關(guān)節(jié)間隙未見明顯異常；Ⅲ級(jí)為存在關(guān)節(jié)面骨質(zhì)侵蝕和硬化，同時(shí)關(guān)節(jié)間隙增寬或狹窄，甚至出現(xiàn)部分關(guān)節(jié)強(qiáng)直改變；Ⅳ級(jí)為大部分甚至完全關(guān)節(jié)強(qiáng)直。X線骶髂關(guān)節(jié)炎分級(jí)0級(jí)或Ⅰ級(jí)為早期骶髂關(guān)節(jié)炎，此84例患者符合早期骶髂關(guān)節(jié)炎表現(xiàn)，并進(jìn)行了MRI檢查。

1.圖像獲取

所有MR檢查均在1.5TMR掃描儀（GE Healthcare，Signa HDxt，Milwaukee，WI，USA）進(jìn)行，其梯度場(chǎng)強(qiáng)度為40mT／m，切換率為150T／m／s，采用8通道相控陣線圈。掃描序列包括：FSE軸面掃描，TR 280ms，TE 7.2ms，層厚4mm；脂肪抑制快速恢復(fù)快速自選回波序列（fast recovery fast spin-echo，F(xiàn)RFSE）軸 面 掃 描，TR 2220ms，TE 86ms，層 厚4mm；短反轉(zhuǎn)時(shí)間反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（short tau inversion recovery，STIR）斜 冠 狀 面 掃 描，TR 4100ms，TE 71.2ms，TI 150ms，層厚4mm；磁化傳遞對(duì)比成像通過脂肪抑制三維擾相梯度回波序列（three dimensional spoiled gradient recalled acquisition sequence，3D-SPGR）兩次掃描（斜冠狀面）獲得：一次掃描未添加預(yù)飽和脈沖，另一次掃描添加預(yù)飽和脈沖。掃描參數(shù)：TR 40ms，TE 7ms，翻轉(zhuǎn)角40°，層厚2.0mm；擴(kuò)散加權(quán)成像通過平面回波序列軸面掃描，b值為0，600s／mm2，TR 1475ms，TE 72.3ms，層厚4mm。

2.數(shù)據(jù)分析

磁共振原始圖像傳送到工作站（Advantage Windows，software version 2.0，GE Healthcare）由兩名5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的骨肌組放射科醫(yī)師分別對(duì)MRI圖像進(jìn)行分析，并對(duì)兩次掃描的3D-SPGR序列中同一層面的骶髂關(guān)節(jié)軟骨的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)雙側(cè)骶骨和髂骨皮質(zhì)下骨髓的表觀擴(kuò)散系數(shù)ADC值進(jìn)行測(cè)量。這兩名放射科醫(yī)師在評(píng)價(jià)MRI圖像及測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)前不了解患者的病史、實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)及臨床診斷。兩名有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)并受過專業(yè)培訓(xùn)的風(fēng)濕免疫科醫(yī)生對(duì)收集的患者資料進(jìn)行綜合分析作出診斷。

將添加和非添加預(yù)飽和脈沖的三維擾相梯度回波序列的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦ぷ髡?，通過對(duì)比分析軟件（comparison software）測(cè)量?jī)纱螔呙鑸D像中骶髂關(guān)節(jié)中部同一層面內(nèi)骶髂關(guān)節(jié)面軟骨的信號(hào)強(qiáng)度。感興趣區(qū)（region of interest，ROI）大小約為1mm2分別放置在兩次三維擾相梯度回波序列圖像中相同層面的骶髂關(guān)節(jié)下部腹側(cè)關(guān)節(jié)軟骨部位的相同位置（圖1）。磁化傳遞率（magnetization transfer rate，MTR）計(jì)算公式為MTR＝（M0-MS）／M0。其中，M0為不添加預(yù)飽和脈沖的擾相梯度回波序列中軟骨的信號(hào)強(qiáng)度，MS為添加預(yù)飽和脈沖的擾相梯度回波序列中軟骨的信號(hào)強(qiáng)度。

圖1 強(qiáng)直性脊柱炎患者。a）添加了預(yù)飽和脈沖的3D-SPGR圖像；b）未添加預(yù)飽和脈沖的3D-SPGR圖像。感興趣區(qū)大小約為1mm2（白色箭頭所指的黑色橢圓），放置在雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)下部腹側(cè)的關(guān)節(jié)軟骨的位置。

圖2 ＊P＜0.05具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；ADCs表示骶骨ADC值；ADCi表示髂骨ADC值。a）對(duì)照組和SpA組的ADC值；b）磁化傳遞率MTR間存在明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖3 骶髂關(guān)節(jié)軟骨磁化傳遞率的ROC曲線圖。

將原始DWI圖像傳送到工作站，通過ADC軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。感興趣區(qū)選取約60mm2大小，放置在雙側(cè)骶骨和髂骨的皮質(zhì)下骨。分別于第二骶孔水平在雙側(cè)骶骨和髂骨的腹側(cè)、中間、背側(cè)放置3個(gè)感興趣區(qū)。

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件（SSPSS 16，Chicago，Ⅲ）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，連續(xù)資料表示為均值±標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation SD）。通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)未明原因腰背痛（unexplained low back pain，uLBP）患者和中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者的骶髂關(guān)節(jié)軟骨磁化傳遞率進(jìn)行對(duì)比分析。通過秩和檢驗(yàn)對(duì)uLBP患者和SpA患者的骶骨和髂骨的ADC值進(jìn)行對(duì)比分析。通過受試者工作特征曲線評(píng)價(jià)磁化傳遞率和ADC值在檢出中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎方面的敏感性和特異性。臨界值選取最大尤登指數(shù)（Youden＇s index，YI）處的參數(shù)值。P＜0.05表示為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

84例腰背痛患者中68例（男50例，女18例，年齡18～44歲，平均年齡為25.9歲）符合ASAS診斷標(biāo)準(zhǔn)，被診斷為中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎（SpA組）；16例（男12例，女4例，年齡18～38歲，平均年齡為25.6歲）被診斷為未明原因腰背痛（對(duì)照組）。兩組在年齡和性別方面沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表1）。

84例中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者中25例HLA-B27陽性，沒有骶髂關(guān)節(jié)炎的影像學(xué)改變（MRI和或X線），具備至少2項(xiàng)脊柱關(guān)節(jié)炎特征，符合臨床手段診斷標(biāo)準(zhǔn)（骶髂關(guān)節(jié)炎陰性組）；另外43例患者存在骶髂關(guān)節(jié)炎的影像學(xué)改變并且具備至少1項(xiàng)脊柱關(guān)節(jié)炎特征，符合影像學(xué)手段診斷標(biāo)準(zhǔn)（骶髂關(guān)節(jié)炎陽性組）。

1.骶髂關(guān)節(jié)磁共振表現(xiàn)

STIR圖像上雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)骨髓水腫共16例，單側(cè)骶髂關(guān)節(jié)骨髓水腫共27例。T1WI圖像上局灶性脂肪沉積共14例。常規(guī)MRI檢查手段對(duì)于檢出中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎的敏感度為63.2%。

2.數(shù)據(jù)分析

對(duì)照組骶髂關(guān)節(jié)軟骨磁化傳遞率為（23.08±5.26）%，SpA組骶髂關(guān)節(jié)軟骨磁化傳遞率為（16.38±6.17）%。兩組患者磁化傳遞率的差異具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t＝4.02，P＜0.05，圖2）。SpA組中骶髂關(guān)節(jié)炎陰性組的磁化傳遞率為（18.74±6.12）%；SpA組中骶髂關(guān)節(jié)炎陽性組的磁化傳遞率為（15.00±5.83）%。對(duì)照組與SpA患者中骶髂關(guān)節(jié)炎陰性組和陽性組的磁化傳遞率間的差異具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。磁化傳遞率的受試者工作特征曲線（receiver operating characteristic，ROC）見圖3。磁化傳遞率在檢出骶髂關(guān)節(jié)炎陰性的中軸型SpA患者時(shí)，取臨界值為19.89%，其敏感度和特異度分別為75%和70.6%，曲線下面積（area under the curve，AUC）為0.785（P＜0.05）。

表1 患者信息和實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)

SpA患者的ADC值高于未明原因的腰背痛患者，單側(cè)骶髂關(guān)節(jié)炎SpA患者的患側(cè)骨髓ADC值高于未明原因腰背痛患者（圖4）。對(duì)照組骶骨和髂骨骨髓的ADC值分別為（0.378±0.055）×10-3和（0.401±0.092）×10-3mm2／s。SpA組骶骨和髂骨骨髓的ADC值分別為（0.571±0.223）×10-3和（0.524±0.197）×10-3mm2／s。秩和檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩組骶骨和髂骨骨髓的ADC值間差異具有明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

骶骨和髂骨骨髓ADC值的ROC曲線見圖5。骶骨骨髓ADC值取0.455×10-3mm2／s時(shí)，檢出脊柱關(guān)節(jié)炎的敏感度和特異度分別為63.2%和93.8%，曲線下面積為0.791（P＜0.05）。髂骨骨髓ADC值取0.396×10-3mm2／s時(shí)，檢出脊柱關(guān)節(jié)炎的敏感度和特異度分別為72.1%和68.7%，曲線下面積為0.713（P＜0.05）。

討 論

磁共振的骶髂關(guān)節(jié)炎表現(xiàn)為中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎的ASAS診斷標(biāo)準(zhǔn)中主要的診斷指標(biāo)之一。在ASAS診斷標(biāo)準(zhǔn)中骶髂關(guān)節(jié)炎的MRI主要表現(xiàn)為STIR圖像上的骶骨及髂骨的骨髓水腫，釓對(duì)比增強(qiáng)的T1WI上的骨炎表現(xiàn)[9]。通過磁化傳遞對(duì)比成像和DWI技術(shù)檢出陽性骶髂關(guān)節(jié)炎的研究報(bào)道較少，但這些技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)和 脊柱關(guān)節(jié)炎性改變[7，8，10，11]。通過磁化傳遞對(duì)比成像和DWI檢出早期的骶髂關(guān)節(jié)炎性改變?yōu)楸敬窝芯康哪康摹?/p>

組織學(xué)研究表明脊柱關(guān)節(jié)炎的早期的骶髂關(guān)節(jié)炎性改變通常發(fā)生于皮質(zhì)下骨髓、關(guān)節(jié)軟骨或者肌腱、韌帶及關(guān)節(jié)囊的附著端[12-14]。病理組織切片檢查表明骶髂關(guān)節(jié)炎始于皮質(zhì)下骨髓水腫[15]。研究表明早期強(qiáng)直性脊柱炎多發(fā)生于雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)的下部背側(cè)，且髂骨的炎性改變較骶骨要早[16，17]。髂骨的關(guān)節(jié)軟骨多為纖維軟骨，而骶骨的關(guān)節(jié)軟骨多為透明軟骨[18]，而且早期中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者的炎性改變多發(fā)生在纖維軟骨的骨質(zhì)附著端[19]。這也是本研究將雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)軟骨的感興趣區(qū)放置骶髂關(guān)節(jié)下部背側(cè)關(guān)節(jié)間隙的原因。關(guān)于早期的骶髂關(guān)節(jié)炎改變?nèi)匀淮嬖跔?zhēng)議。本研究通過磁化傳遞對(duì)比成像半定量的反映骶髂關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的大分子結(jié)合水和自由水的相對(duì)變化，通過ADC值半定量反映骶髂關(guān)節(jié)皮質(zhì)下骨髓的水分子擴(kuò)散情況。結(jié)果顯示骶髂關(guān)節(jié)軟骨的磁化傳遞率在對(duì)照組和SpA組間存在明顯的差異，而且在對(duì)照組和SpA患者骶髂關(guān)節(jié)炎陰性組間也存在明顯的差異。SpA患者的骶髂關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)結(jié)合水的比例發(fā)生了改變，甚至在未發(fā)生骶髂關(guān)節(jié)炎影像學(xué)改變時(shí)，骶髂關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的結(jié)合水比例也發(fā)生了改變。磁化傳遞率在檢出骶髂關(guān)節(jié)炎陰性的脊柱關(guān)節(jié)炎患者的敏感度約為83.3%，但是其特異性較低，因此需要結(jié)合臨床及實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)對(duì)疾病進(jìn)行綜合分析。早期骶髂關(guān)節(jié)炎的組織病理學(xué)表現(xiàn)為炎性因子釋放促使血管翳的形成伴隨著軟骨基質(zhì)變性。這導(dǎo)致了軟骨基質(zhì)內(nèi)自由水相對(duì)增加，大分子結(jié)合水和自由水之間的質(zhì)子交換增加，此時(shí)磁化傳遞率就會(huì)升高，這種微量的自由水含量的增加在STIR圖像上不能被發(fā)現(xiàn)。但是隨著炎癥的進(jìn)展，軟骨基質(zhì)破壞到一定程度，大分子蛋白的含量會(huì)明顯減少，此時(shí)磁化傳遞率會(huì)降低甚至接近于0。骶髂關(guān)節(jié)穿刺活檢證實(shí)，在骶髂關(guān)節(jié)炎0～Ⅰ級(jí)時(shí)，骶髂關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)已有變性改變[15]。磁化傳遞對(duì)比成像能夠捕捉到早期骶髂關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)變性時(shí)水分子內(nèi)質(zhì)子交換的微量變化。透明軟骨的磁化傳遞效應(yīng)比較明顯原因在于透明軟骨存在大量的細(xì)胞外基質(zhì)成分，如膠原蛋白和粘多糖等[20-22]。

圖4 骶髂關(guān)節(jié)炎陰性患者的DWI圖（a）和ADC圖（b），右側(cè)髂骨骨髓的ADC值（0.000403mm2／s）稍高于右側(cè)骶骨骨髓ADC值（0.000286mm2／s）。左側(cè)骶髂關(guān)節(jié)骨質(zhì)水腫的脊柱關(guān)節(jié)炎患者的DWI圖（c）和ADC圖（d）DWI圖像上由于T2穿透效應(yīng)表現(xiàn)為左側(cè)骶骨髂骨的信號(hào)高于右側(cè)（箭），左側(cè)髂骨骨髓ADC值為0.000703mm2／s（箭）（d）高于右側(cè)（0.000372mm2／s）。雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)骨質(zhì)水腫的脊柱關(guān)節(jié)炎患者的DWI圖（e箭）和ADC圖（f），右側(cè)骶骨的ADC值為0.000925mm2／s（箭），（f）左側(cè)為0.000670mm2／s（箭頭）。

圖5 骶骨和髂骨髓ADC值的ROC曲線圖。

SpA組患者的骶髂關(guān)節(jié)皮質(zhì)下骨髓的ADC值明顯高于對(duì)照組，這與以前的研究結(jié)果相一致，即早期骶骨及髂骨骨髓水腫，使得骨髓ADC值升高[6，23]。其病理生理學(xué)原因尚不明確，最為可能的解釋為由于骨質(zhì)水腫和骨小梁微結(jié)構(gòu)的破壞引起病變部位水分子的擴(kuò)散增加[24]。關(guān)于骶髂關(guān)節(jié)炎陰性的中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者的MRI研究較少。本研究通過磁化傳遞對(duì)比成像和DWI成像對(duì)骶髂關(guān)節(jié)炎陰性的中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎患者骶髂關(guān)節(jié)軟骨和皮質(zhì)下骨髓進(jìn)行半定量測(cè)量，結(jié)果表明骶骨關(guān)節(jié)軟骨的MTR在發(fā)現(xiàn)早期骶髂關(guān)節(jié)炎微觀變化方面較骨髓ADC值敏感。

本研究存在一些缺陷比如研究對(duì)象數(shù)量較少，缺乏正常者作為對(duì)照組，以及缺乏骶髂關(guān)節(jié)組織病理學(xué)對(duì)照等。

磁化傳遞對(duì)比成像和DWI成像能夠用于檢測(cè)早期中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎，對(duì)比常規(guī)MRI成像序列，磁化傳遞對(duì)比成像可作為一種反映早期軟骨炎性改變的半定量測(cè)量手段。

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