体素内不相干运动扩散加权成像诊断强直性脊柱炎活动性骶髂关节炎的价值

杨陈， 郭达， 刘艳， 敬宗林

强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)是一种以侵犯中轴关节为主的自身免疫性慢性非特异性炎性病变。AS的发展是一个慢性迁延、低度炎症反应和高度炎症反应交替发作的过程，表现为稳定期和活动期。活动性骶髂关节炎的特点是增生性炎症组织破坏软骨和骨骼[1]。活动期患者临床症状加重，并加快病情向晚期发展，故对病情活动性的判断、对炎症的干预阻断至关重要。长期以来，众多研究者致力于探索影像判断AS活动期的可行性及精确性，并分析其形态学及微观环境的变化，以期为临床提供更多、更可靠的影像学依据。体素内不相干运动扩散加权成像(intravoxel incoherent motion-diffusion weighted imaging,IVIM-DWI)由多b值参与双指数模型计算，能够分离出纯水分子所致的真性扩散及灌注所致的伪扩散[2]，从水分子扩散和微循环两方面分析病灶微观环境的变化。IVIM-DWI在骨肌系统应用还处于探索阶段，在AS中的应用较少。本实验旨在通过对IVIM-DWI参数的分析，探讨IVIM-DWI对于诊断AS骶髂关节炎活动性的可行性及价值。

材料与方法

1.研究对象

实验组：搜集本院2016年5月-2017年2月风湿免疫科门诊及住院AS患者共49例(其中男39例，女10例)，年龄16～59岁，平均年龄(33.92±10.89)岁。纳入标准：①符合2009年的AS诊断标准[3]；②无风湿病、肿瘤病史，近期无外伤、感染；③无磁共振扫描禁忌证。分组方法：入选患者综合ESR、CRP和Bath强直性脊柱炎病情活动指数(bath ankylosing spondylitis disease activity index,BASDAI)评分分为活动期组和稳定期组。由风湿免疫科主治医师及患者本人对患者过去一周的疲劳，脊柱痛，外周关节痛，局限性压痛，晨僵时间和程度5大症状的6个项目进行评分[4]，取两者评分的平均数作为最终评分。BASDAI评分≤4.0为稳定；平均分≥6为活动[5]；平均分在4～6分之间者，则需要参考实验室指标，若血沉(ESR)≥30 mm/1h (魏氏法)或C-反应蛋白(CRP)≥20 mg/L认为病情处于活动期，否则认为病情稳定期[6]。按上述标准分组，活动组21例，稳定组28例。对照组：28名健康志愿者，其中男18例，女10例，年龄19～40岁，平均(25.50±4.28)岁。对照组入选标准：无风湿病史，无肿瘤病史，无腰骶部疼痛史，无金属植入物及心脏起搏器。对照组扫描序列、方法及部位与病变组一致。所有实验对象均在BASDAI评分和实验室检查1周内完成MRI检查。所有被检查者均知情同意。

2.磁共振检查技术

采用美国GE 3.0T MRI (Discovery MR750) 扫描仪，32通道体部相控阵线圈，扫描时加腹带及呼吸门控。受检查者均行双侧骶髂关节轴面FSE-T1WI(TE 9.4 ms，TR 500 ms，矩阵320×256，激励次数2，视野40 mm×28 mm，层厚5 mm，层间距0.5 mm)；轴面FS-T2WI(TE 92 ms，TR 2675 ms，矩阵320×256，激励次数2，视野40 mm×28 mm，层厚5 mm，层间距0.5 mm)；轴面DWI(TE 50.1 ms，TR 3225 ms，矩阵128×192，视野32 mm×25 mm，层厚5 mm，层间距1 mm)；选取11个b值(0、20、30、50、80、100、150、200、400、600、800 s/mm2)，为提高图像信噪比，NEX分别为8、8、6、6、6、4、4、4、6、8。

3.图像后处理

使用GE AW 4.4工作站和Function-MADC软件处理所采集的DWI图像。在DWI图像上进行数据测量，记录相关参数，包括纯水分子扩散系数(true diffusion coefficient,D)，灌注相关的伪扩散系数(pseudo-diffusion coefficient,D*)以及灌注分数(perfusion fraction,f)，并自动生成相应的伪彩图。感兴趣区(region of interest,ROI)的放置：参照FS-T2WI及高b值(b=800 s/mm2)时的DWI图像来观察病灶，以便确定ROI放置的位置，ROI放置在病灶的最大层面，距离病灶边缘>1 mm，避开骨皮质、血管、骨质破坏区、囊变区及硬化区，若病灶多于等于4个则选取4个病灶放置ROI，如果少于4个病灶，有几处就测几处，然后计算平均值；若肉眼观察上述序列无异常信号，则选择骶髂关节最大层面分别将ROI放置在双侧骶髂关节骶侧、髂侧中央区(共4个区，取其平均值)。由两名放射科医生采用双盲法阅片并进行ROI选取放置，最后取两次测得数据的平均值，ROI面积为20～138 mm2。

图1 AS活动期骶髂关节MRI图像。a) T1WI横轴面图像示关节面下骨髓水肿呈稍低信号(箭)；b) FS-T2WI横轴面图像示关节面下骨髓水肿呈高信号(箭)； c) DWI(b=800s/mm2)图示骨髓水肿呈高信号； d～f) 3个ROI的平均值。d) D值0.74×10-3mm2/s； e) D*值9.71×10-3mm2/s； f) f值13.6%。

4.统计学方法

结 果

1.常规MRI表现

双侧或单侧关节面下骨髓水肿18例(图1)。脂肪沉积20例，骨质硬化12例，关节面毛糙23例(图2)，其中3例患者出现不全性骶髂关节强直。28例对照组双侧骶髂关节面光滑，骨髓信号均匀，各扫描序列未见确切异常信号影。

2.患者年龄、BASDAI评分、ESR及CRP的比较

Mann-Whitney U检验比较稳定组及活动组间的年龄、BASDAI评分、ESR及CRP的差异，结果显示两组间年龄差异无统计学差异(P>0.05)，而BASDAI评分、ESR及CRP差异有统计学意义(P<0.05)(表1)。

表1 活动组与稳定组年龄、BASDAI评分、ESR 及CRP比较

3.IVIM-DWI相关参数分析

本研究结果显示活动组D值高于稳定组、对照组，且差异有统计学意义(P值分别为0.000、0.000)；稳定组D值高于对照组，差异有统计学意义(P=0.028)。活动组D*值高于稳定组、对照组，且差异有统计学意义(P值分别为0.002、0.000)；稳定组与对照组间D*值差异无统计学意义(P=0.267)。活动组f值高于稳定组、对照组，且差异有统计学意义(P值分别为0.000、0.000)；稳定组与对照组间D*值差异无统计学意义(P=0.220,表2)。

4.ROC曲线分析

根据ROC曲线来描述IVIM-DWI参数的诊断效能。对于活动性的鉴别，D值的诊断效能最高，AUC、敏感度及特异度最高。活动组与稳定组间D值的临界值为0.42×10-3mm2/s(AUC 0.870、敏感度83.8%、特异度74.8%，表3、图3)，活动组与对照组间D值临界值为0.38×10-3mm2/s(AUC 0.923、敏感度89.2%、特异度85.3%)。活动组与对照组间D*、f值和稳定组与对照组间D值的AUC均<0.7。

图2 AS稳定期骶髂关节MRI图像。a) T1WI横轴面图像示关节面下脂肪沉积呈高信号(箭)； b) FS-T2WI横轴面图像示关节面下脂肪沉积呈低信号(箭)； c) DWI(b=800s/mm2)图示脂肪沉积呈稍低信号；d～f) 2个ROI的平均值。d) D值0.40×10-3mm2/s；e) D*值8.18×10-3mm2/s； f) f值10.75%。

图3 稳定组与活动组之间D、D*、f值ROC曲线

组别活动组稳定组对照组D(×10-3mm2/s)0.72±0.29#*0.35±0.16*0.29±0.08D*(×10-3mm2/s)5.79±3.58#*4.38±2.483.94±2.88f(%)13.56±5.46#*9.68±3.1810.38±4.23

注：VS稳定组，#P<0.05； VS对照组，*P<0.05。活动组D值高于稳定组、对照组(P值分别为0.000、0.000)；稳定组D值高于对照组(P=0.028)；活动组D*值高于稳定组、对照组(P值分别为0.002、0.000)；稳定组与对照组间D*值差异无统计学意义(P=0.267)；活动组f值高于稳定组、对照组(P值分别为0.000、0.000)；稳定组与对照组间f值差异无统计学意义(P=0.220)。

表3 活动组与稳定组之间D、D*、f值ROC曲线分析

注：临界值D(×10-3mm2/s)，D*(×10-3mm2/s)，f(%)；敏感度(%)、特异度(%)。

讨 论

AS是一种慢性非特异性炎性病变，活动期主要体现炎症对骨及软骨等的破坏过程，加快病情向不可逆方向发展；炎症介质等刺激邻近的神经，加重患者的临床症状。延缓病情进展的关键是对炎症及时的诊断和控制。目前临床主要综合相关实验室检查及患者的症状、体征对AS的活动性进行评估。AS活动期时血小板计数、ESR、 CPR、IgA均可出现升高的改变[7]，ESR、CRP常作为临床上观察活动性的实验室指标。各种根据患者临床症状及体征的评分表对AS活动性评价也是有一定帮助的，其中Garret等[8]提出的BASDAI评分表在临床上应用较广泛。

相比于传统的X线、CT而言，MRI在显示软骨破坏、脂肪沉积和骨髓水肿方面有着明显的优势。一些常规的MRI序列可观察急性炎症引起的骨髓水肿，如FS-T2WI、STIR等。功能磁共振序列DWI对骶髂关节骨髓水肿的显示敏感，局部水分子的增加引起的信号改变及ADC值的变化可作为AS活动性评价的可靠手段[9-10]。然而生物体内的扩散是个复杂的过程，DWI所得的水分子扩散信息还包含了毛细血管灌注引起的假扩散信息，这就使得常规单指数模型所得的表观扩散系数(ADC)高于实际水分子的扩散系数[11]。LeBihan等[2]提出的IVIM分离了纯水分子引起的真扩散和灌注引起的假扩散。IVIM-DWI已逐步应用于骨的相关研究[12-16]。

本研究中AS活动组D值高于稳定组及对照组，差异有统计学意义。D值主要反映组织水分子扩散信息，活动组D值增高，这主要是因为活动期炎症处于高度反应状态，软骨下骨髓水肿，微血管通透性增加，细胞外间隙自由水增多，水分子扩散增强所致。上述结果与Zhao等[17]研究结果一致，也与以往研究AS活动期ADC值的变化相符[10,18]。本研究中活动组D值为(0.72±0.29)×10-3mm2/s，小于Zhao等[17]AS活动组D值[(0.99±0.39)×10-3mm2/s]，分析其原因可能：①本研究使用的是3.0T超高场强磁共振，且使用的b值不同，设备及参数等的不同会影响数据的测量。②本次研究中多数AS患者病程较长，且经过药物治疗，骶髂关节骨髓不同程度脂肪沉积在一定程度上会影响局部水分子的扩散。③其次是本次研究中活动组中有部分患者没有出现明显的骨髓水肿病灶。

本研究结果显示活动组D*值高于稳定组、对照组，差异有统计学意义。D*值主要反映微循环灌注所致的扩散信息。AS活动期时在各种炎症因子的刺激下，血管翳增多，局部血流量有增加，且新生的毛细血管管壁发育不成熟，通透性较大，这也进一步说明AS活动期局部微循环发生了改变。这与以往DCE-MRI评估AS活动性的结果一致， AS活动期Ktrans、Kep显著升高，这两个参数是评估微血管通透性的定量参数[19-20]。相比于需要外源性造影剂的DCE-MRI，IVIM根据分子运动引起的信号变化实现成像，免去了对比剂带来的经济负担及危害。本次研究中活动组f值高于稳定组及对照组，差异有统计学意义。活动组f值升高，表明灌注所致扩散效应占总体扩散效应的比例增加，这也进一步证实了AS活动期局部灌注是有增加的。而稳定组与对照组间D*及f值差异无统计学意义。分析原因可能是随着炎症的发展，稳定期主要表现为肉芽组织形成、骨质硬化及脂肪沉积等慢性修复改变，炎症处于低度反应状态，甚至有些患者可能不残留炎症，局部血管翳增加不明显，微循环改变不明显，更接近正常人；其次是本次研究所选的对照组志愿者年龄集中在25岁左右，小于病变组，骨髓内造血组织与脂肪含量比例会存在一定差别，且稳定组患者多数有脂肪沉积改变。研究表明脂肪含量会对灌注的测量产生一定的影响[21]。

ROC曲线分析：本研究结果显示D值鉴别活动组与稳定组、对照组的临界值分别为0.42×10-3mm2/s和0.38×10-3mm2/s，其AUC最大，分别为0.870、0.923，均>0.7，可以认为D值在鉴别AS活动性中诊断效能最大，并且在鉴别AS活动性时D值的敏感度和特异度最高。D值主要反映纯分子扩散信息，AS活动期时局部骨髓水肿，血管通透性增大，渗出到细胞间隙的水分子明显增加，致水分子扩散改变明显。由于本研究中稳定组与对照组间D值重叠太大，故鉴别稳定组与对照组时D值诊断价值不大。虽然活动组与稳定组、对照组间f及D*值差异有统计学意义，但其AUC均在0.7左右，有些甚至低于0.7，对活动性的诊断价值有限。分析其原因，可能为炎症时局部微循环有增加，但骨髓是少血供组织，微循环灌注的改变不如细胞外间隙明显增多的水分子引起的扩散增加明显。

b值的选择对DWI图像质量和数据测量至关重要。IVIM-DWI要求多个b值拟合参与计算，目前没有最优的b值组合，理论上是b值越多，准确性越高，但扫描时间也会延长。临床实际工作中一般选择b值为10个左右，高b值测得的数据稳定性和可重复性较好，可以少选几个，低b值测量的数据稳定性和可重复性较差，为了更好的拟合生成相关参数，对低b值的选择一般要多一些[22]。目前多数学者认为 b值为600 s/mm2时骶髂关节解剖、骨髓水肿显示清晰，且DWI图像质量清晰，所测ADC值较稳定[23-24]。本研究选择的b值为0、20、30、50、80、100、150、200、400、600、800 s/mm2，低b值有7个(包括b=0 s/mm2)，高b值有4个，对骨髓水肿的显示比较敏感，其中个别患者b=800 s/mm2时图像稍变形，其余b值情况下图像质量清晰。

本研究尚有不足之处：AS患者样本量较少，尤其是活动期有明显骨髓水肿病灶的数量不足，下一步的研究将加大样本量；本研究使用了IVIM-DWI双指数模型鉴别AS活动性，未和单指数模型、拉伸指数、DCE-MRI等方法比较，研究模式相对单一，这也将是今后研究的一个方向。

IVIM-DWI能有效、无创地反映AS活动期骶髂关节炎水分子扩散及微循环灌注状态，D值、D*值及f值有助于对AS活动性的诊断，其中D值的诊断效能最高。