磁化传递对比成像和扩散加权成像在中轴型脊柱关节病患者早期骶髂关节炎中的应用

张平，李小明

血清阴性脊柱关节炎（seronegative spondyloarthropathy，SpA）是一组包括强直性脊柱炎、反应性关节炎、炎性肠病性关节炎或脊柱炎、牛皮癣关节炎以及未分化脊柱关节炎在内的慢性炎性风湿性疾病。中轴型脊柱关节炎患者通常表现为慢性腰骶部疼痛或者不适，伴晨僵。1984年修订的强直性脊柱炎纽约标准中炎性下腰痛和骶髂关节炎放射学改变是诊断强直性脊柱炎关键指标[1，2]。然而，修订后纽约标准对于诊断早期特别是没有明确的骶髂关节炎放射性改变的强直性脊柱炎患者存在一定的局限性。早期诊断对于疾病的早期治疗是至关重要的。随着磁共振成像技术的发展，磁共振成像能够检测早期早于X线骶髂关节炎改变或者没有X线骶髂关节炎改变的早期中轴型脊柱关节炎。国际脊柱关节炎评估协会（the Assessment of Spondyloarthritis international Society，ASAS）2009年公布了最新的中轴型脊柱关节炎的ASAS诊断标准。此标准对于诊断中轴型脊柱关节炎的敏感度和特异度分别为82.9%和84.4%。根据ASAS诊断标准，存在炎性腰背痛不少于3个月，发病年龄在45岁之前的患者，满足以下两种情况之一即可以诊断为中轴型脊柱关节炎。①影像学手段：MRI或者X线图像上表现为骶髂关节炎加上至少一项典型的脊柱关节炎征象；②临床手段：HLA-B27阳性加上至少两项典型的脊柱关节炎征象。MRI骶髂关节炎的影像学改变包括：T2WI脂肪抑制序列或者STIR序列上骶髂关节骨质水肿、骶髂关节周围肌腱韧带附着端炎性水肿；T1WI图像上骨质硬化、破坏及关节间隙的变窄；T1加权钆离子对比增强序列上，骶髂关节骨质充血、骶髂关节滑膜充血等改变。临床上典型的脊柱关节炎征象包括：关节炎、指炎或跖炎、附着端炎、非甾体抗炎药治疗有效、银屑病、炎性肠病、葡萄膜炎、脊柱关节炎家族史、血清C反应蛋白升高等。仅使用影像学手段诊断脊柱关节炎的敏感度和特异度分别为66.2%和97.3%[3，4]。

扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）在强直性脊柱炎早期诊断应用中的优势在于高的敏感度、短的扫描时间和无需对比剂，而且表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）能够反映早期骨髓水肿[5，6]。

目前，磁化传递（magnetization transfer，MT）技术已经成功的应用于评价椎间盘退行性改变、膝关节软骨损伤以及增加软骨或血流的对比度方面[7，8]。然而，至今还没有报道MT技术在评价脊柱关节炎软骨损伤方面的应用。

此项研究旨在通过磁化传递对比成像（magnetization transfer contrast，MTC）和扩散加权成像技术评价脊柱关节炎患者早期骶髂关节炎。

材料与方法

连续搜集2013年3月-2014年1月84例（男62例，女22例）下腰痛且疑似中轴型脊柱关节炎患者，年龄18～44岁，平均年龄为25.8岁。患者多隐匿性起病，存在慢性腰背痛不少于3个月，发病年龄在45岁之前。临床症状为起病隐袭、晨僵、活动后缓解、夜间痛等。所有患者在近3个月没有用药史。根据1966年纽约强直性脊柱炎骶髂关节病变的X线分级标准：0级为无异常；Ⅰ级为存在骨质侵蚀和硬化可能；Ⅱ级为存在明确的骨质侵蚀、硬化，关节间隙未见明显异常；Ⅲ级为存在关节面骨质侵蚀和硬化，同时关节间隙增宽或狭窄，甚至出现部分关节强直改变；Ⅳ级为大部分甚至完全关节强直。X线骶髂关节炎分级0级或Ⅰ级为早期骶髂关节炎，此84例患者符合早期骶髂关节炎表现，并进行了MRI检查。

1.图像获取

所有MR检查均在1.5TMR扫描仪（GE Healthcare，Signa HDxt，Milwaukee，WI，USA）进行，其梯度场强度为40mT／m，切换率为150T／m／s，采用8通道相控阵线圈。扫描序列包括：FSE轴面扫描，TR 280ms，TE 7.2ms，层厚4mm；脂肪抑制快速恢复快速自选回波序列（fast recovery fast spin-echo，FRFSE）轴 面 扫 描，TR 2220ms，TE 86ms，层 厚4mm；短反转时间反转恢复序列（short tau inversion recovery，STIR）斜 冠 状 面 扫 描，TR 4100ms，TE 71.2ms，TI 150ms，层厚4mm；磁化传递对比成像通过脂肪抑制三维扰相梯度回波序列（three dimensional spoiled gradient recalled acquisition sequence，3D-SPGR）两次扫描（斜冠状面）获得：一次扫描未添加预饱和脉冲，另一次扫描添加预饱和脉冲。扫描参数：TR 40ms，TE 7ms，翻转角40°，层厚2.0mm；扩散加权成像通过平面回波序列轴面扫描，b值为0，600s／mm2，TR 1475ms，TE 72.3ms，层厚4mm。

2.数据分析

磁共振原始图像传送到工作站（Advantage Windows，software version 2.0，GE Healthcare）由两名5年以上工作经验的骨肌组放射科医师分别对MRI图像进行分析，并对两次扫描的3D-SPGR序列中同一层面的骶髂关节软骨的信号强度进行测量，对双侧骶骨和髂骨皮质下骨髓的表观扩散系数ADC值进行测量。这两名放射科医师在评价MRI图像及测量相关数据前不了解患者的病史、实验室指标及临床诊断。两名有5年以上工作经验并受过专业培训的风湿免疫科医生对收集的患者资料进行综合分析作出诊断。

将添加和非添加预饱和脉冲的三维扰相梯度回波序列的数据传输到工作站，通过对比分析软件（comparison software）测量两次扫描图像中骶髂关节中部同一层面内骶髂关节面软骨的信号强度。感兴趣区（region of interest，ROI）大小约为1mm2分别放置在两次三维扰相梯度回波序列图像中相同层面的骶髂关节下部腹侧关节软骨部位的相同位置（图1）。磁化传递率（magnetization transfer rate，MTR）计算公式为MTR＝（M0-MS）／M0。其中，M0为不添加预饱和脉冲的扰相梯度回波序列中软骨的信号强度，MS为添加预饱和脉冲的扰相梯度回波序列中软骨的信号强度。

图1 强直性脊柱炎患者。a）添加了预饱和脉冲的3D-SPGR图像；b）未添加预饱和脉冲的3D-SPGR图像。感兴趣区大小约为1mm2（白色箭头所指的黑色椭圆），放置在双侧骶髂关节下部腹侧的关节软骨的位置。

图2 ＊P＜0.05具有明显的统计学意义；ADCs表示骶骨ADC值；ADCi表示髂骨ADC值。a）对照组和SpA组的ADC值；b）磁化传递率MTR间存在明显的统计学差异。

图3 骶髂关节软骨磁化传递率的ROC曲线图。

将原始DWI图像传送到工作站，通过ADC软件对数据进行分析。感兴趣区选取约60mm2大小，放置在双侧骶骨和髂骨的皮质下骨。分别于第二骶孔水平在双侧骶骨和髂骨的腹侧、中间、背侧放置3个感兴趣区。

利用统计学软件（SSPSS 16，Chicago，Ⅲ）对数据进行分析，连续资料表示为均值±标准差（standard deviation SD）。通过独立样本t检验对未明原因腰背痛（unexplained low back pain，uLBP）患者和中轴型脊柱关节炎患者的骶髂关节软骨磁化传递率进行对比分析。通过秩和检验对uLBP患者和SpA患者的骶骨和髂骨的ADC值进行对比分析。通过受试者工作特征曲线评价磁化传递率和ADC值在检出中轴型脊柱关节炎方面的敏感性和特异性。临界值选取最大尤登指数（Youden＇s index，YI）处的参数值。P＜0.05表示为有统计学意义。

结 果

84例腰背痛患者中68例（男50例，女18例，年龄18～44岁，平均年龄为25.9岁）符合ASAS诊断标准，被诊断为中轴型脊柱关节炎（SpA组）；16例（男12例，女4例，年龄18～38岁，平均年龄为25.6岁）被诊断为未明原因腰背痛（对照组）。两组在年龄和性别方面没有统计学差异（表1）。

84例中轴型脊柱关节炎患者中25例HLA-B27阳性，没有骶髂关节炎的影像学改变（MRI和或X线），具备至少2项脊柱关节炎特征，符合临床手段诊断标准（骶髂关节炎阴性组）；另外43例患者存在骶髂关节炎的影像学改变并且具备至少1项脊柱关节炎特征，符合影像学手段诊断标准（骶髂关节炎阳性组）。

1.骶髂关节磁共振表现

STIR图像上双侧骶髂关节骨髓水肿共16例，单侧骶髂关节骨髓水肿共27例。T1WI图像上局灶性脂肪沉积共14例。常规MRI检查手段对于检出中轴型脊柱关节炎的敏感度为63.2%。

2.数据分析

对照组骶髂关节软骨磁化传递率为（23.08±5.26）%，SpA组骶髂关节软骨磁化传递率为（16.38±6.17）%。两组患者磁化传递率的差异具有明显的统计学意义（t＝4.02，P＜0.05，图2）。SpA组中骶髂关节炎阴性组的磁化传递率为（18.74±6.12）%；SpA组中骶髂关节炎阳性组的磁化传递率为（15.00±5.83）%。对照组与SpA患者中骶髂关节炎阴性组和阳性组的磁化传递率间的差异具有明显的统计学意义（P＜0.05）。磁化传递率的受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic，ROC）见图3。磁化传递率在检出骶髂关节炎阴性的中轴型SpA患者时，取临界值为19.89%，其敏感度和特异度分别为75%和70.6%，曲线下面积（area under the curve，AUC）为0.785（P＜0.05）。

表1 患者信息和实验室指标

SpA患者的ADC值高于未明原因的腰背痛患者，单侧骶髂关节炎SpA患者的患侧骨髓ADC值高于未明原因腰背痛患者（图4）。对照组骶骨和髂骨骨髓的ADC值分别为（0.378±0.055）×10-3和（0.401±0.092）×10-3mm2／s。SpA组骶骨和髂骨骨髓的ADC值分别为（0.571±0.223）×10-3和（0.524±0.197）×10-3mm2／s。秩和检验结果显示两组骶骨和髂骨骨髓的ADC值间差异具有明显的统计学意义（P＜0.05）。

骶骨和髂骨骨髓ADC值的ROC曲线见图5。骶骨骨髓ADC值取0.455×10-3mm2／s时，检出脊柱关节炎的敏感度和特异度分别为63.2%和93.8%，曲线下面积为0.791（P＜0.05）。髂骨骨髓ADC值取0.396×10-3mm2／s时，检出脊柱关节炎的敏感度和特异度分别为72.1%和68.7%，曲线下面积为0.713（P＜0.05）。

讨 论

磁共振的骶髂关节炎表现为中轴型脊柱关节炎的ASAS诊断标准中主要的诊断指标之一。在ASAS诊断标准中骶髂关节炎的MRI主要表现为STIR图像上的骶骨及髂骨的骨髓水肿，钆对比增强的T1WI上的骨炎表现[9]。通过磁化传递对比成像和DWI技术检出阳性骶髂关节炎的研究报道较少，但这些技术已经开始应用于膝关节和 脊柱关节炎性改变[7，8，10，11]。通过磁化传递对比成像和DWI检出早期的骶髂关节炎性改变为本次研究的目的。

组织学研究表明脊柱关节炎的早期的骶髂关节炎性改变通常发生于皮质下骨髓、关节软骨或者肌腱、韧带及关节囊的附着端[12-14]。病理组织切片检查表明骶髂关节炎始于皮质下骨髓水肿[15]。研究表明早期强直性脊柱炎多发生于双侧骶髂关节的下部背侧，且髂骨的炎性改变较骶骨要早[16，17]。髂骨的关节软骨多为纤维软骨，而骶骨的关节软骨多为透明软骨[18]，而且早期中轴型脊柱关节炎患者的炎性改变多发生在纤维软骨的骨质附着端[19]。这也是本研究将双侧骶髂关节软骨的感兴趣区放置骶髂关节下部背侧关节间隙的原因。关于早期的骶髂关节炎改变仍然存在争议。本研究通过磁化传递对比成像半定量的反映骶髂关节软骨内的大分子结合水和自由水的相对变化，通过ADC值半定量反映骶髂关节皮质下骨髓的水分子扩散情况。结果显示骶髂关节软骨的磁化传递率在对照组和SpA组间存在明显的差异，而且在对照组和SpA患者骶髂关节炎阴性组间也存在明显的差异。SpA患者的骶髂关节软骨内结合水的比例发生了改变，甚至在未发生骶髂关节炎影像学改变时，骶髂关节软骨内的结合水比例也发生了改变。磁化传递率在检出骶髂关节炎阴性的脊柱关节炎患者的敏感度约为83.3%，但是其特异性较低，因此需要结合临床及实验室指标对疾病进行综合分析。早期骶髂关节炎的组织病理学表现为炎性因子释放促使血管翳的形成伴随着软骨基质变性。这导致了软骨基质内自由水相对增加，大分子结合水和自由水之间的质子交换增加，此时磁化传递率就会升高，这种微量的自由水含量的增加在STIR图像上不能被发现。但是随着炎症的进展，软骨基质破坏到一定程度，大分子蛋白的含量会明显减少，此时磁化传递率会降低甚至接近于0。骶髂关节穿刺活检证实，在骶髂关节炎0～Ⅰ级时，骶髂关节软骨基质已有变性改变[15]。磁化传递对比成像能够捕捉到早期骶髂关节软骨基质变性时水分子内质子交换的微量变化。透明软骨的磁化传递效应比较明显原因在于透明软骨存在大量的细胞外基质成分，如胶原蛋白和粘多糖等[20-22]。

图4 骶髂关节炎阴性患者的DWI图（a）和ADC图（b），右侧髂骨骨髓的ADC值（0.000403mm2／s）稍高于右侧骶骨骨髓ADC值（0.000286mm2／s）。左侧骶髂关节骨质水肿的脊柱关节炎患者的DWI图（c）和ADC图（d）DWI图像上由于T2穿透效应表现为左侧骶骨髂骨的信号高于右侧（箭），左侧髂骨骨髓ADC值为0.000703mm2／s（箭）（d）高于右侧（0.000372mm2／s）。双侧骶髂关节骨质水肿的脊柱关节炎患者的DWI图（e箭）和ADC图（f），右侧骶骨的ADC值为0.000925mm2／s（箭），（f）左侧为0.000670mm2／s（箭头）。

图5 骶骨和髂骨髓ADC值的ROC曲线图。

SpA组患者的骶髂关节皮质下骨髓的ADC值明显高于对照组，这与以前的研究结果相一致，即早期骶骨及髂骨骨髓水肿，使得骨髓ADC值升高[6，23]。其病理生理学原因尚不明确，最为可能的解释为由于骨质水肿和骨小梁微结构的破坏引起病变部位水分子的扩散增加[24]。关于骶髂关节炎阴性的中轴型脊柱关节炎患者的MRI研究较少。本研究通过磁化传递对比成像和DWI成像对骶髂关节炎阴性的中轴型脊柱关节炎患者骶髂关节软骨和皮质下骨髓进行半定量测量，结果表明骶骨关节软骨的MTR在发现早期骶髂关节炎微观变化方面较骨髓ADC值敏感。

本研究存在一些缺陷比如研究对象数量较少，缺乏正常者作为对照组，以及缺乏骶髂关节组织病理学对照等。

磁化传递对比成像和DWI成像能够用于检测早期中轴型脊柱关节炎，对比常规MRI成像序列，磁化传递对比成像可作为一种反映早期软骨炎性改变的半定量测量手段。

[1]Calin A，Comment on article by van der Linden et al.Evaluation of diagnostic criteria for ankylosing spondylitis：aproposal for modification of the New York criteria[J].Arthritis Rheum，1985，28（3）：357-359.

[2]van der Linden S，Valkenburg HA，Cats A.Evaluation of diagnostic criteria for ankylosing spondylitis.A proposal for modification of the New York criteria[J].Arthritis Rheum，1984，27（4）：361-368.

[3]Rudwaleit M，Landewe R，Vander Heijde D，et al.The development of assessment of spondylo arthritis international society classification criteria for axial spondyloarthritis（part I）：classification of paper patients by expert opinion including uncertainty appraisal[J].Ann Rheum Dis，2009，68（6）：770-776.

[4]Rudwaleit M，et al.The development of assessment of spondylo arthritis international society classification criteria for axial spondyloarthritis（part II）：validation and final selection[J].Ann Rheum Dis，2009，68（6）：777-783.

[5]Ai F，Ai T，Li X，et al.Value of diffusion-weighted magnetic resonance imaging in early diagnosis of ankylosing spondylitis[J].Rheumatol Int，2012，32（12）：4005-4013.

[6]Bozgeyik Z，Ozgocmen S，Kocakoc E.Role of diffusion-weighted MRI in the detection of early active sacroiliitis[J].AJR，2008，191（4）：980-986.

[7]Wang C，Witschey W，Goldberg A，et al.Magnetization transfer ratio mapping of intervertebral disc degeneration[J].Magn Reson Med，2010，64（5）：1520-1528.

[8]Welsch GH，Trattnig S，Scheffler K，et al.Magnetization transfer contrast and T2mapping in the evaluation of cartilage repair tissue with 3TMRI[J].J Magn Reson Imaging，2008，28（4）：979-986.

[9]Rudwaleit M，Jurik AG，Hermann KG，et al.Defining active sacroiliitis on magnetic resonance imaging（MRI）for classification of axial spondyloarthritis：a consensual approach by the ASAS／OMERACT MRI group[J].Ann Rheum Dis，2009，68（10）：1520-1527.

[10]Xu J，Xie G，Di Y，et al.Value of T2-mapping and DWI in the diagnosis of early knee cartilage injury[J].J Radiol Case Rep，2011，5（2）：13-18.

[11]Splendiani A，Perri M，Conchiqlia A，et al.MR assessment of lumbar disk herniation treated with oxygen-ozone diskolysis：the role of DWI and related ADC versus intervertebral disk volumetric analysis for detecting treatment response[J].Neuroradiol J，2013，26（3）：347-356.

[12]Gong Y，Zheng N，Chen SB，et al.Ten years＇experience with needle biopsy in the early diagnosis of sacroiliitis[J].Arthritis Rheum，2012，64（5）：1399-1406.

[13]Hermann KG，Bollow M.Magnetic resonance imaging of sacroiliitis in patients with spondyloarthritis：correlation with anatomy and histology[J].Rofo，2014，186（3）：230-237.

[14]Francois RJ，Gardner DL，Degrave EJ，et al.Histopathologic evidence that sacroiliitis in ankylosing spondylitis is not merely enthesitis[J].Arthritis Rheum，2000，43（9）：2011-2024.

[15]Wang QW，Zeng QY，Xiao ZY，et al.Needle biopsy of spondyloarthropathy：pathological features and clinical significance[J].Zhonghua Nei Ke Za Zhi，2004，43（11）：832-836.

[16]Carlson GC，Shipley MT，Keller A.Long-lasting depolarizations in mitral cells of the rat olfactory bulb[J].J Neurosci，2000，20（5）：2011-2021.

[17]Muche B，Bollow M，Francois RJ，et al.Anatomic structures involved in early-and late-stage sacroiliitis in spondylarthritis：a detailed analysis by contrast-enhanced magnetic resonance imaging[J].Arthritis Rheum，2003，48（5）：1374-1384.

[18]Benjamin M，McGonagle D.The anatomical basis for disease localisation in seronegative spondyloarthropathy at entheses and related sites[J].J Anat，2001，199（Pt 5）：503-526.

[19]Maksymowych WP.Ankylosing spondylitis——at the interface of bone and cartilage[J].J Rheumatol，2000，27（10）：2295-2301.

[20]Gray ML，Burstein D，Lesperance LM，et al.Magnetization transfer in cartilage and its constituent macromolecules[J].Magn Reson Med，1995，34（3）：319-325.

[21]Kim DK，et al.Analysis of water-macromolecule proton magnetization transfer in articular cartilage[J].Magn Reson Med，1993，29（2）：211-215.

[22]Seo GS，Aoki J，Moriya H，et al.Hyaline cartilage：in vivo and in vitro assessment with magnetization transfer imaging[J].Radiology，1996，201（2）：525-530.

[23]Gezmis E，Donmez FY，Agildere M.Diagnosis of early sacroiliitis in seronegative spondyloarthropathies by DWI and correlation of clinical and laboratory findings with ADC values[J].Eur J Radiol，2013，82（12）：2316-2321.

[24]Baur A，Stabler A，Bruning R，et al.Diffusion-weighted MR imaging of bone marrow：differentiation of benign versus pathologic compression fractures[J].Radiology，1998，207（2）：349-356.