超声与CT融合成像在定位强直性脊柱炎骶髂关节炎性血流信号中的价值

胡震隆 朱家安

本课题组前期系列研究及相关报道［1-4］证实超声可以评价强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）患者骶髂关节病变，且潜力巨大。多普勒超声可发现活动期AS 患者骶髂关节背侧区存在较丰富的低阻力指数炎性血流信号，诊断特异性及敏感性接近MRI［5］。但由于超声无法穿透骶髂关节凹凸不平的耳状面结构，对其内部结构显示较困难，致使该血流信号在超声影像下较难分辨其解剖学位置。因此，多普勒超声发现异常血流动力学表现是否可直接提示骶髂关节炎仍缺乏客观证据支持。CT、MRI 对AS 骶髂关节炎早期诊断也因各自技术限制而效果欠佳［6］。本课题组前期研究［7］已建立骶髂关节图像融合方法学，证实了超声与CT 图像融合（US-CT）具备可行性。本研究拟在前期研究基础上，在AS 活动期患者中实施US-CT图像融合，通过观察其低阻炎性血流信号，并结合详尽的解剖学研究，联合多普勒超声对测得异常血流信号的组织定位进行判断，进而判断炎症发生的位置，以验证多普勒超声发现的骶髂关节区异常血流信号是否为评价AS活动性的可靠指标。

资料与方法

一、研究对象

选 取2016 年1 月 至2018 年3 月 我 院 确 诊 的AS 伴双侧骶髂关节病变患者84 例，男62 例，女22 例，年龄17～42岁，平均（26.1±6.2）岁。AS诊断标准依据1984年修订的纽约分类标准［8］：①下腰背疼痛病程≥3 个月，疼痛随活动改善，但休息不缓解；②腰椎活动受限；③胸廓扩展范围小于同年龄和性别的正常值；④双侧骶髂关节炎≥Ⅱ级，或单侧骶髂关节炎≥Ⅲ级。符合④+①～③任一条可确诊。本研究经我院医学伦理委员会批准，入选者均知情同意。

两具人体骨盆标本取自上海交通大学医学院，用于实施骶髂关节解剖实验。

二、仪器与方法

（一）骶髂关节系统解剖及断层解剖操作

1.系统解剖：取其中一具骨盆标本在骶骨背侧正中线将皮肤切开，向上探及第五腰椎棘突，逐层分离直至移除棘突与骶骨间软组织，然后逐步剥离骶骨及髂骨背侧的皮肤及整个臀后部肌层直至显示骶髂关节背侧，破坏表面附着韧带；前方打开腹腔，移除脏器，暴露骶骨前部，逐步清理骶髂关节前方表面韧带等软组织。显示前后关节边缘后，用骨膜剥离刀逐步钝性分离关节软骨面直至关节面完全打开，分离时注意避免软骨面破坏。打开后由头侧至尾侧观察关节内部结构。

2.断层解剖：取另一具骨盆标本，体表定位第五腰椎棘突，沿后正中线将皮肤切开，向下逐层分离软组织至暴露骶骨后部，定位双侧第1～3 骶骨后孔。使用骨锯沿经3 个骶后孔横切面进行切割，观察3 个层面下关节内组织构成。

（二）获取骶髂关节CT图像

使用GE Light Speed VCT 扫描仪，受检者取仰卧位，自第五腰椎向下连续扫描至股骨上段，骨窗观察骶髂关节间隙及骨表面情况，结果由一名主治医师和一名主任医师共同审阅。CT 结果以DI-COM 格式存入光盘，并导入超声仪器图像融合软件系统中备用。

（三）骶髂关节US-CT图像融合操作

1.超声仪器及融合成像操作前准备：使用百胜MyLab 90 彩色多普勒超声诊断仪，CA431 探头，频率为4～6 MHz，配备Virtual Navigator 4.2导航系统。将磁定位发射装置立于检查床旁，接收器反向固定于探头背侧以使超声图像匹配CT 图像方位。发射器与接收器间的距离保持在70 cm 以内。融合软件将根据导入的CT图像生成骶髂关节空间信息。CT横断面图像显示于屏幕右侧，超声图像显示于左侧，方便进行实时图像比对及配准。通过增益调节按钮可在双侧图像中叠加另一图像背景以实现图像初步配准功能。

2.图像融合操作方法：按照前期研究［7］建立的骶髂关节超声与CT图像融合的方法学（骶髂关节横断面超声与CT 单平面融合法），受检者取俯卧位，将探头置其腰骶部，以高尖的第五腰椎棘突作为标志点，显示其横切面后水平下移，直至出现中间骶骨及两侧髂嵴，当切面经过骶骨后孔水平时可显示骶部背侧图像：从正中至两侧依次为骶正中嵴、骶中间嵴、骶外侧嵴及髂嵴。骶髂关节后部区域为两侧骶外侧嵴与两侧髂嵴之间的偏低回声间隙，见图1。分别以第1～3骶骨后孔层面（level 1～3）作为图像融合的标准切面。找到层面后，通过融合软件对导入的CT图像进行亮度等一系列图像优化并调整其层面使其与超声下确定的层面相对应，完成初步配准。然后，在fine tuning 模式下于上述5种共7个可选配准点中选择超声和CT下均可清晰显示的3 个配准点并实施单平面精确配准，点击融合按键完成最终图像融合。在3个level层面背侧表面结构基本相同，均可按照上述方法进行融合操作，软件将根据空间信息自动评估图像配准精度以判断图像融合是否成功。

图1 超声与CT图像融合配准点示意图（关节背侧观）

（四）US-CT 融合图像与多普勒超声联合判断异常血流位置

生成US-CT 融合图像后，将探头于原处稍向下方倾斜，以显示更多关节后部间隙。然后调至多普勒模式，血流取样框调整至关节背侧区合适位置进行观察，当探及血流信号时，将彩色增益调至最大，再逐渐调低至血流信号亮度最强而伪彩刚好消失为宜。应用频谱多普勒观察血流信号性质，当显示为动脉血流时，测量阻力指数值并记录，共测量3次，取其平均值。血流信号阻力指数＞0 且≤0.70 提示为异常血流。最后，在融合图像下判断异常血流信号处的解剖结构并记录其组织定位，3 个level 层面炎性血流信号的定位按照前期研究［4］中“关节内及周围分类法”。

三、统计学处理

应用SPSS 16.0统计软件，计数资料以构成比或率表示，行χ2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

一、骶髂关节系统解剖及断层解剖特点

1.系统解剖特点：骶髂关节完全打开后可见被覆软骨的耳状面结构，即关节滑膜部，其位置靠前，从背侧观察其位置较深。滑膜部后方关节间隙内填充大量增加骶髂关节稳定性的骨间韧带，为关节韧带部。见图2。

2.断层解剖特点：横切面显示骶髂关节level 1～3层面从头侧至尾侧的形态变化，在level 1层面中，骶髂骨间韧带几乎充填整个关节后部间隙，而真正意义的滑膜关节位置靠前且所占比例较小（图3A）。Level 2层面与level 1 层面基本相同，滑膜关节仍靠前。而当切面逐渐下移至level 3 层面时，滑膜关节位置移行至后部，并替代骨间韧带占据关节后间隙（图3B）。

图2 打开的骶髂关节内部结构大体图

图3 骶髂关节横切面level 1及level 3层面解剖结构

二、US-CT融合图像中炎性血流信号位置判断

1.84 例患者共168个骶髂关节，3个层面图像融合成功数分别为：level 1层面163 个，level 2层面147 个，level 3层面134 个。

2.US-CT 融合图像下异常血流信号位置分布于Level 1层面128个，level 2层面105个，level 3层面61个。3 个level 层面间炎性血流信号位置按关节内及周围定位的分布情况比较，差异有统计学意义（χ2=9.101，P=0.011），见表1。3个level层面间炎性血流信号根据解剖学类型定位情况比较，差异有统计学意义（χ2=174.607，P＜0.01），见表2。不同层面异常血流信号位置见图4，5。

表1 融合图像下3个层面炎性血流信号按关节内及周围定位的分布情况 个

表2 融合图像下3个层面炎性血流信号按解剖学结构定位的分布情况 个

图4 Level 1层面中US-CT图像融合示低阻炎性血流信号定位

图5 Level 3层面中US-CT图像融合示低阻炎性血流信号定位

讨 论

超声发现的骶髂关节后部异常血流动力学改变对AS 的诊断价值一直是本课题组长远的研究方向。根据前期系列研究，本课题组认为超声因其对低阻炎性血流的高敏感性，对处于未发生结构破坏的AS早期或极早期活动性炎症具备潜在评估能力，而CT和MRI目前难以做到。因此，若能明确超声检出的异常血流发生位置并与CT及MRI结果比对，将有助于判断超声与CT、MRI 结果的相关性和时间窗，这很可能将对AS的影像学诊断体系产生重大影响。

前期方法学研究［7］证实采用经双侧level 1～3 层面实施图像融合具备可行性，且US-CT 图像融合稳定性较高，因此本研究应用骶髂关节US-CT 融合图像结合详尽的解剖实验来定位多普勒探及的炎性血流信号。本课题系列研究初期在描述炎性血流信号位置时采用位于“骶髂关节内或周围”的定位方式，但根据本研究的解剖学结果分析发现这一定位方法并不准确，因为骶髂关节不同层面的滑膜部分与韧带部分的构成比发生了变化，根据关节滑膜部及韧带部进行分类显然更符合解剖学特点。本研究采用该方法后发现，在level 1～2 层面的炎性血流信号几乎均位于关节后间隙中靠近骨面的韧带区域。由于关节滑膜部在level 1～2层面位置靠前，超声波较难探及该部分，因此可明确位于level 1及level 2层面的大多数异常血流信号其来源于骶髂骨间韧带，从而提示为附着端炎表现。但随着关节层面下移，位于前方的关节滑膜部逐渐后移并替代部分韧带组织而靠近关节后间隙外缘，故可部分被超声探及。这解释了结果中level 3层面多数异常血流信号被定为于滑膜部的原因。由此可以判断，位于level 3层面的异常血流信号多来源于滑膜炎。本研究还发现少数位于level 2和level 3层面的血流信号位于滑膜部与韧带部的交界处，CT因对软组织辨别能力较差，融合图像下并不能区别滑膜及韧带的差异，因此这类特殊部位的血流无法准确定位。

通过US-CT 融合图像，还可对异常血流信号位置处与CT提示异常处进行比较。本研究发现CT提示的如骨白线模糊、骨密度减低等异常改变一般发生于滑膜部旁关节面。结合上述提及骶髂关节内组织构成比的变化特点，可以认为在较高层面超声提示的异常血流信号基本位于韧带区，而无法与深部CT提示的可能异常对应。同样，滑膜部在较低层面位置表浅，异常血流信号与CT提示的骨线模糊处完全吻合。此外，本研究还发现部分异常血流信号位置处CT 未见有骨面异常，该现象表明此处附着端炎尚未侵及骨皮质而发生骨性结构改变，因此该处超声探及异常的时间窗早于CT，这可能是超声在AS 活动期炎早期阳性检出率优于CT的有力证据之一。

本课题组前期研究发现骶髂关节后部除存在低阻的炎性血流信号外，还存在较多的高阻血流信号，部分可呈条状，当时考虑其为跨过骶髂关节的髂动脉分支小血管；而本研究解剖学实验证实，这些血管均位于骶髂关节前方，超声下不可能显示；后经US-CT融合图像发现上述高阻的血流信号位于骶后孔背侧开口内，且显示清晰。因此认为其并非髂血管分支，而是从骶后孔穿出的营养血管，由于其穿出后分布于靠近关节后部周围，易与异常血流信号混淆，仅能通过血流频谱加以区分。

综上所述，结合骶髂关节解剖学特点，本研究证实骶髂关节背侧异常血流信号可根据US-CT融合图像较为准确地定位于关节韧带部或滑膜部。骶髂关节背侧异常血流信号可作为评价AS 的可靠指标之一。后期本课题组将进一步研究MRI 与超声的图像融合，为进一步证实超声是诊断AS的有效手段提供理论依据。