超聲與CT融合成像在定位強直性脊柱炎骶髂關節(jié)炎性血流信號中的價值

胡震隆 朱家安

本課題組前期系列研究及相關報道［1-4］證實超聲可以評價強直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）患者骶髂關節(jié)病變，且潛力巨大。多普勒超聲可發(fā)現(xiàn)活動期AS 患者骶髂關節(jié)背側區(qū)存在較豐富的低阻力指數炎性血流信號，診斷特異性及敏感性接近MRI［5］。但由于超聲無法穿透骶髂關節(jié)凹凸不平的耳狀面結構，對其內部結構顯示較困難，致使該血流信號在超聲影像下較難分辨其解剖學位置。因此，多普勒超聲發(fā)現(xiàn)異常血流動力學表現(xiàn)是否可直接提示骶髂關節(jié)炎仍缺乏客觀證據支持。CT、MRI 對AS 骶髂關節(jié)炎早期診斷也因各自技術限制而效果欠佳［6］。本課題組前期研究［7］已建立骶髂關節(jié)圖像融合方法學，證實了超聲與CT 圖像融合（US-CT）具備可行性。本研究擬在前期研究基礎上，在AS 活動期患者中實施US-CT圖像融合，通過觀察其低阻炎性血流信號，并結合詳盡的解剖學研究，聯(lián)合多普勒超聲對測得異常血流信號的組織定位進行判斷，進而判斷炎癥發(fā)生的位置，以驗證多普勒超聲發(fā)現(xiàn)的骶髂關節(jié)區(qū)異常血流信號是否為評價AS活動性的可靠指標。

資料與方法

一、研究對象

選 取2016 年1 月 至2018 年3 月 我 院 確 診 的AS 伴雙側骶髂關節(jié)病變患者84 例，男62 例，女22 例，年齡17～42歲，平均（26.1±6.2）歲。AS診斷標準依據1984年修訂的紐約分類標準［8］：①下腰背疼痛病程≥3 個月，疼痛隨活動改善，但休息不緩解；②腰椎活動受限；③胸廓擴展范圍小于同年齡和性別的正常值；④雙側骶髂關節(jié)炎≥Ⅱ級，或單側骶髂關節(jié)炎≥Ⅲ級。符合④+①～③任一條可確診。本研究經我院醫(yī)學倫理委員會批準，入選者均知情同意。

兩具人體骨盆標本取自上海交通大學醫(yī)學院，用于實施骶髂關節(jié)解剖實驗。

二、儀器與方法

（一）骶髂關節(jié)系統(tǒng)解剖及斷層解剖操作

1.系統(tǒng)解剖：取其中一具骨盆標本在骶骨背側正中線將皮膚切開，向上探及第五腰椎棘突，逐層分離直至移除棘突與骶骨間軟組織，然后逐步剝離骶骨及髂骨背側的皮膚及整個臀后部肌層直至顯示骶髂關節(jié)背側，破壞表面附著韌帶；前方打開腹腔，移除臟器，暴露骶骨前部，逐步清理骶髂關節(jié)前方表面韌帶等軟組織。顯示前后關節(jié)邊緣后，用骨膜剝離刀逐步鈍性分離關節(jié)軟骨面直至關節(jié)面完全打開，分離時注意避免軟骨面破壞。打開后由頭側至尾側觀察關節(jié)內部結構。

2.斷層解剖：取另一具骨盆標本，體表定位第五腰椎棘突，沿后正中線將皮膚切開，向下逐層分離軟組織至暴露骶骨后部，定位雙側第1～3 骶骨后孔。使用骨鋸沿經3 個骶后孔橫切面進行切割，觀察3 個層面下關節(jié)內組織構成。

（二）獲取骶髂關節(jié)CT圖像

使用GE Light Speed VCT 掃描儀，受檢者取仰臥位，自第五腰椎向下連續(xù)掃描至股骨上段，骨窗觀察骶髂關節(jié)間隙及骨表面情況，結果由一名主治醫(yī)師和一名主任醫(yī)師共同審閱。CT 結果以DI-COM 格式存入光盤，并導入超聲儀器圖像融合軟件系統(tǒng)中備用。

（三）骶髂關節(jié)US-CT圖像融合操作

1.超聲儀器及融合成像操作前準備：使用百勝MyLab 90 彩色多普勒超聲診斷儀，CA431 探頭，頻率為4～6 MHz，配備Virtual Navigator 4.2導航系統(tǒng)。將磁定位發(fā)射裝置立于檢查床旁，接收器反向固定于探頭背側以使超聲圖像匹配CT 圖像方位。發(fā)射器與接收器間的距離保持在70 cm 以內。融合軟件將根據導入的CT圖像生成骶髂關節(jié)空間信息。CT橫斷面圖像顯示于屏幕右側，超聲圖像顯示于左側，方便進行實時圖像比對及配準。通過增益調節(jié)按鈕可在雙側圖像中疊加另一圖像背景以實現(xiàn)圖像初步配準功能。

2.圖像融合操作方法：按照前期研究［7］建立的骶髂關節(jié)超聲與CT圖像融合的方法學（骶髂關節(jié)橫斷面超聲與CT 單平面融合法），受檢者取俯臥位，將探頭置其腰骶部，以高尖的第五腰椎棘突作為標志點，顯示其橫切面后水平下移，直至出現(xiàn)中間骶骨及兩側髂嵴，當切面經過骶骨后孔水平時可顯示骶部背側圖像：從正中至兩側依次為骶正中嵴、骶中間嵴、骶外側嵴及髂嵴。骶髂關節(jié)后部區(qū)域為兩側骶外側嵴與兩側髂嵴之間的偏低回聲間隙，見圖1。分別以第1～3骶骨后孔層面（level 1～3）作為圖像融合的標準切面。找到層面后，通過融合軟件對導入的CT圖像進行亮度等一系列圖像優(yōu)化并調整其層面使其與超聲下確定的層面相對應，完成初步配準。然后，在fine tuning 模式下于上述5種共7個可選配準點中選擇超聲和CT下均可清晰顯示的3 個配準點并實施單平面精確配準，點擊融合按鍵完成最終圖像融合。在3個level層面背側表面結構基本相同，均可按照上述方法進行融合操作，軟件將根據空間信息自動評估圖像配準精度以判斷圖像融合是否成功。

圖1 超聲與CT圖像融合配準點示意圖（關節(jié)背側觀）

（四）US-CT 融合圖像與多普勒超聲聯(lián)合判斷異常血流位置

生成US-CT 融合圖像后，將探頭于原處稍向下方傾斜，以顯示更多關節(jié)后部間隙。然后調至多普勒模式，血流取樣框調整至關節(jié)背側區(qū)合適位置進行觀察，當探及血流信號時，將彩色增益調至最大，再逐漸調低至血流信號亮度最強而偽彩剛好消失為宜。應用頻譜多普勒觀察血流信號性質，當顯示為動脈血流時，測量阻力指數值并記錄，共測量3次，取其平均值。血流信號阻力指數＞0 且≤0.70 提示為異常血流。最后，在融合圖像下判斷異常血流信號處的解剖結構并記錄其組織定位，3 個level 層面炎性血流信號的定位按照前期研究［4］中“關節(jié)內及周圍分類法”。

三、統(tǒng)計學處理

應用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件，計數資料以構成比或率表示，行χ2檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

一、骶髂關節(jié)系統(tǒng)解剖及斷層解剖特點

1.系統(tǒng)解剖特點：骶髂關節(jié)完全打開后可見被覆軟骨的耳狀面結構，即關節(jié)滑膜部，其位置靠前，從背側觀察其位置較深?；げ亢蠓疥P節(jié)間隙內填充大量增加骶髂關節(jié)穩(wěn)定性的骨間韌帶，為關節(jié)韌帶部。見圖2。

2.斷層解剖特點：橫切面顯示骶髂關節(jié)level 1～3層面從頭側至尾側的形態(tài)變化，在level 1層面中，骶髂骨間韌帶幾乎充填整個關節(jié)后部間隙，而真正意義的滑膜關節(jié)位置靠前且所占比例較?。▓D3A）。Level 2層面與level 1 層面基本相同，滑膜關節(jié)仍靠前。而當切面逐漸下移至level 3 層面時，滑膜關節(jié)位置移行至后部，并替代骨間韌帶占據關節(jié)后間隙（圖3B）。

圖2 打開的骶髂關節(jié)內部結構大體圖

圖3 骶髂關節(jié)橫切面level 1及l(fā)evel 3層面解剖結構

二、US-CT融合圖像中炎性血流信號位置判斷

1.84 例患者共168個骶髂關節(jié)，3個層面圖像融合成功數分別為：level 1層面163 個，level 2層面147 個，level 3層面134 個。

2.US-CT 融合圖像下異常血流信號位置分布于Level 1層面128個，level 2層面105個，level 3層面61個。3 個level 層面間炎性血流信號位置按關節(jié)內及周圍定位的分布情況比較，差異有統(tǒng)計學意義（χ2=9.101，P=0.011），見表1。3個level層面間炎性血流信號根據解剖學類型定位情況比較，差異有統(tǒng)計學意義（χ2=174.607，P＜0.01），見表2。不同層面異常血流信號位置見圖4，5。

表1 融合圖像下3個層面炎性血流信號按關節(jié)內及周圍定位的分布情況 個

表2 融合圖像下3個層面炎性血流信號按解剖學結構定位的分布情況 個

圖4 Level 1層面中US-CT圖像融合示低阻炎性血流信號定位

圖5 Level 3層面中US-CT圖像融合示低阻炎性血流信號定位

討 論

超聲發(fā)現(xiàn)的骶髂關節(jié)后部異常血流動力學改變對AS 的診斷價值一直是本課題組長遠的研究方向。根據前期系列研究，本課題組認為超聲因其對低阻炎性血流的高敏感性，對處于未發(fā)生結構破壞的AS早期或極早期活動性炎癥具備潛在評估能力，而CT和MRI目前難以做到。因此，若能明確超聲檢出的異常血流發(fā)生位置并與CT及MRI結果比對，將有助于判斷超聲與CT、MRI 結果的相關性和時間窗，這很可能將對AS的影像學診斷體系產生重大影響。

前期方法學研究［7］證實采用經雙側level 1～3 層面實施圖像融合具備可行性，且US-CT 圖像融合穩(wěn)定性較高，因此本研究應用骶髂關節(jié)US-CT 融合圖像結合詳盡的解剖實驗來定位多普勒探及的炎性血流信號。本課題系列研究初期在描述炎性血流信號位置時采用位于“骶髂關節(jié)內或周圍”的定位方式，但根據本研究的解剖學結果分析發(fā)現(xiàn)這一定位方法并不準確，因為骶髂關節(jié)不同層面的滑膜部分與韌帶部分的構成比發(fā)生了變化，根據關節(jié)滑膜部及韌帶部進行分類顯然更符合解剖學特點。本研究采用該方法后發(fā)現(xiàn)，在level 1～2 層面的炎性血流信號幾乎均位于關節(jié)后間隙中靠近骨面的韌帶區(qū)域。由于關節(jié)滑膜部在level 1～2層面位置靠前，超聲波較難探及該部分，因此可明確位于level 1及l(fā)evel 2層面的大多數異常血流信號其來源于骶髂骨間韌帶，從而提示為附著端炎表現(xiàn)。但隨著關節(jié)層面下移，位于前方的關節(jié)滑膜部逐漸后移并替代部分韌帶組織而靠近關節(jié)后間隙外緣，故可部分被超聲探及。這解釋了結果中l(wèi)evel 3層面多數異常血流信號被定為于滑膜部的原因。由此可以判斷，位于level 3層面的異常血流信號多來源于滑膜炎。本研究還發(fā)現(xiàn)少數位于level 2和level 3層面的血流信號位于滑膜部與韌帶部的交界處，CT因對軟組織辨別能力較差，融合圖像下并不能區(qū)別滑膜及韌帶的差異，因此這類特殊部位的血流無法準確定位。

通過US-CT 融合圖像，還可對異常血流信號位置處與CT提示異常處進行比較。本研究發(fā)現(xiàn)CT提示的如骨白線模糊、骨密度減低等異常改變一般發(fā)生于滑膜部旁關節(jié)面。結合上述提及骶髂關節(jié)內組織構成比的變化特點，可以認為在較高層面超聲提示的異常血流信號基本位于韌帶區(qū)，而無法與深部CT提示的可能異常對應。同樣，滑膜部在較低層面位置表淺，異常血流信號與CT提示的骨線模糊處完全吻合。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)部分異常血流信號位置處CT 未見有骨面異常，該現(xiàn)象表明此處附著端炎尚未侵及骨皮質而發(fā)生骨性結構改變，因此該處超聲探及異常的時間窗早于CT，這可能是超聲在AS 活動期炎早期陽性檢出率優(yōu)于CT的有力證據之一。

本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)骶髂關節(jié)后部除存在低阻的炎性血流信號外，還存在較多的高阻血流信號，部分可呈條狀，當時考慮其為跨過骶髂關節(jié)的髂動脈分支小血管；而本研究解剖學實驗證實，這些血管均位于骶髂關節(jié)前方，超聲下不可能顯示；后經US-CT融合圖像發(fā)現(xiàn)上述高阻的血流信號位于骶后孔背側開口內，且顯示清晰。因此認為其并非髂血管分支，而是從骶后孔穿出的營養(yǎng)血管，由于其穿出后分布于靠近關節(jié)后部周圍，易與異常血流信號混淆，僅能通過血流頻譜加以區(qū)分。

綜上所述，結合骶髂關節(jié)解剖學特點，本研究證實骶髂關節(jié)背側異常血流信號可根據US-CT融合圖像較為準確地定位于關節(jié)韌帶部或滑膜部。骶髂關節(jié)背側異常血流信號可作為評價AS 的可靠指標之一。后期本課題組將進一步研究MRI 與超聲的圖像融合，為進一步證實超聲是診斷AS的有效手段提供理論依據。