張海平ZHANG Haiping

敖國昆2AO Guokun

袁小東2YUAN Xiaodong

楊素君3YANG Sujun

楊 艷2YANG Yan

吳 濤2WU Tao

石清磊4SHI Qinglei

股骨頭壞死磁共振灌注參數(shù)與ARCO分期的相關性

張海平1ZHANG Haiping

敖國昆2AO Guokun

袁小東2YUAN Xiaodong

楊素君3YANG Sujun

楊 艷2YANG Yan

吳 濤2WU Tao

石清磊4SHI Qinglei

作者單位

1.河北北方學院 河北張家口 075000

2.解放軍第309醫(yī)院放射科 北京 100091

3.邯鄲市中心醫(yī)院CT/MRI室 河北邯鄲056001

4.西門子（中國）有限公司磁共振產品事業(yè)部北京 100102

中國醫(yī)學影像學雜志

2016年 第24卷 第4期：316-320

Chinese Journal of Medical Imaging

2016 Volume 24 （4）： 316-320

目的 探討股骨頭壞死（ANFH）不同病變階段的MR灌注特征，分析初始時間-濃度曲線下面積（iAUC）、轉運常數(shù)（Ktrans）與國際骨循環(huán)研究會（ARCO）分期的相關性。資料與方法 前瞻性納入20例健康志愿者（對照組）及45例ANFH初治患者，行MR灌注加權成像（PWI）檢查和ARCO分期評估，比較對照組與ANFH組ARCO I期、II期、III期、IV期的iAUC值和Ktrans值，分析ARCO分期與iAUC、Ktrans值的相關性。結果 ANFH組83側股骨頭中，I期18側，II期20側，III期21側，IV期24側。對照組、I期、II期、III期、IV期的iAUC值比較差異有統(tǒng)計學意義（F=77.520，P＜0.001），除I期與IV期差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）外，其余兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。對照組、I期、II期、III期、IV期的Ktrans值比較差異有統(tǒng)計學意義（F=23.935，P＜0.001），對照組Ktrans值與I期、II期、III期、IV期比較差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。對照組、I期、II期、III期、IV期與iAUC值、Ktrans值呈正相關（r=0.612、0.557，P＜0.001），其中對照組、I期、II期、III期與iAUC值、Ktrans值呈顯著正相關（r=0.906、0.854，P＜0.01）。結論 PWI可以評估ANFH不同病程階段的灌注特征，且iAUC、Ktrans值與ARCO分期有較高的相關性，是反映ANFH不同病變階段血流灌注的重要指標，可為ANFH血流動力學的臨床研究提供影像學依據。

股骨頭壞死；磁共振成像；灌注加權成像；ARCO分期

股骨頭壞死（avascular necrosis of the femoral head，ANFH）是骨關節(jié)中較常見的疾病之一，其發(fā)病原因多樣，且病情發(fā)展快、修復治療時間長、難度大，若早期得不到治療控制，隨著病情惡化，將會導致股骨頭塌陷，甚至全髖關節(jié)置換［1-2］。目前臨床上多采用國際骨循環(huán)研究會（the association research circulation osseous，ARCO）制訂的標準對ANFH進行分期，其以MRI和X線形態(tài)學改變?yōu)橐罁荒芊从矨NFH病變在活體狀態(tài)下的功能情況。磁共振灌注加權成像（magnetic resonance perfusion weighted imaging，MR PWI）是通過觀察組織內部血流的灌注情況，評估組織血管功能狀態(tài)的一種影像技術，可反映活體ANFH內部血循環(huán)情況，目前已應用于骨及骨髓的血流灌注研究中［3］。本研究應用PWI定量評估活體狀態(tài)下股骨頭血液動力學的變化情況，評價股骨頭微循環(huán)的灌注狀態(tài)，旨在揭示不同分期ANFH的血流動力學特征，為臨床治療方案的選擇提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入2014年3月—2015年7月解放軍第309醫(yī)院經X線、MRI及臨床證實為ANFH的45例患者（共83側股骨頭），其中男33例，女12例；年齡13～71歲，中位年齡45歲。在治療前行X線、MRI檢查和ARCO分期。排除標準：①關節(jié)感染及外傷所致的ANFH 者；②檢查前行放射治療、化學藥物治療及肝腎功能不全者。所有ANFH患者均無MRI檢查禁忌證。同期招募20例股骨頭無明顯異常的志愿者（共36側股骨頭）作為對照組，其中男14例，女6例；年齡25～66歲，中位年齡41歲。本研究經我院醫(yī)學倫理委員會批準，所有志愿者與患者均知情同意。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0T超導MRI系統(tǒng)，Body 18 A 3T Tim Coil。所有受檢者均取仰臥位，頭先進，行MR髖關節(jié)常規(guī)平掃及灌注掃描。常規(guī)平掃序列：軸位T1WI：TR 868 ms，TE 10 ms，視野（FOV）330 mm，層厚3.5 mm，層數(shù)20，激勵次數(shù)（NEX）1；軸位T2WI序列：TR 3600 ms，TE 77 ms，F(xiàn)OV 330 mm，層厚3.5 mm，層數(shù)20，NEX 2；冠狀位T2WI抑脂序列：TR 2300 ms，TE 33 ms，F(xiàn)OV 380 mm，層厚3.5 mm，層數(shù)19，NEX 1。PWI序列掃描包括T1原始圖（T1map圖）與T1連續(xù)強化序列掃描，T1map圖掃描采用多翻轉角技術：TR 4.09 ms，TE 1.39 ms，F(xiàn)OV 330 mm，層厚3.5 mm，NEX 1，翻轉角2°/15°；T1連續(xù)強化序列掃描為動態(tài)軸位T1WITWIST序列：TR 4.83 ms，TE 1.87 ms，層厚3.5 mm，F(xiàn)OV 330 mm，NEX 1，翻轉角12°；掃描75個時相，采集20幅圖像，時間326 s，生成75×20=1500幅灌注圖像。在灌注掃描第5個時相，采用Ulrich Medical造影注射器經肘前靜脈注射對比劑馬根維顯，注射速度2.5 ml/s，劑量0.2 mmol/kg，然后用15 ml生理鹽水沖管。1.3 圖像后處理 將PWI原始數(shù)據傳輸至Siemens Skyra工作站，Tissue 4D軟件包，定量分析動力模型Tofts。圖像后處理過程：①對圖像進行運動校正，消除體位移動或臟器活動引起的錯位；②配準圖像，為更好地結合形態(tài)圖像和動態(tài)圖像觀察病變；③曲線計算，選擇病變最大層面繪制感興趣區(qū)（ROI），盡量避開完全壞死、囊變及正常組織；生成時間-對比劑濃度曲線；④預評估；⑤藥代動力學評估，生成初始的時間-濃度曲線下面積（initial area under the time-concentration curve，iAUC）、轉運常數(shù)（transfer rate constant，Ktrans）參數(shù)偽彩圖，自動計算ROI的iAUC、Ktrans值。所有數(shù)據由2名放射科主治醫(yī)師獨立測量。

1.4 圖像分析 由2名放射科副主任醫(yī)師根據文獻［4］對ANFH進行分期，意見不一致時協(xié)商統(tǒng)一。I期：X線檢查正常，MRI和（或）骨核素掃描可發(fā)現(xiàn)；II期：X線為陽性，股骨頭無塌陷、髖臼無改變；III期：X線表現(xiàn)為新月征，股骨頭塌陷；IV期：股骨頭變扁，髖關節(jié)退行性改變，髖臼受累，關節(jié)間隙變窄，關節(jié)面毛糙。

1.5 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 16.0軟件，采用方差分析比較對照組、ANFH的I期、II期、III期、IV期iAUC、Ktrans值，采用Spearman法分析ARCO分期與iAUC、Ktrans值的相關性，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 ARCO分期 ANFH組83側股骨頭中，I期18側，II期20側，III期21側，IV期24側。

2.2 對照組與各ARCO分期組的iAUC、Ktrans值比較對照組與ARCO各分期的iAUC、Ktrans值見表1、圖1。對照組、ANFH I期、II期、III期、IV期的iAUC值比較差異有統(tǒng)計學意義（F=77.520，P＜0.001），各指標兩兩比較除I期與IV期差異無統(tǒng)計學意義外（P＞0.05），其余差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。對照組、ANFH I期、II期、III期、IV期的Ktrans值比較差異有統(tǒng)計學意義（F=23.935，P＜0.001），對照組與I期、II期、III期、IV期的Ktrans值差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.001），I期、II期、III期間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。對照組及各ARCO分期組灌注成像見圖2～5，灌注偽彩圖可直觀顯示股骨頭灌注狀態(tài)。

表1 對照組與ANFH 各分期組灌注參數(shù)值比較

圖1 對照組與ARCO各分期iAUC值（A）、Ktrans值（B）箱式圖。對照組、I期、II期、III期的iAUC、Ktrans值呈逐漸上升趨勢，IV期明顯下降

圖2 男，45歲，健康志愿者。A為iAUC值參數(shù)圖，左、右側股骨頭iAUC值分別為0.770、0.785；B為Ktrans值參數(shù)圖，Ktrans值分別為0.009/min、0.008/min；C為T1原始圖

圖3 男，42歲，左、右側股骨頭分別為ANFH I期、II期。A為iAUC值參數(shù)圖，左、右側股骨頭病變區(qū)iAUC值分別為5.170、10.862；B為Ktrans值參數(shù)圖，Ktrans值分別為0.056/min、0.082/min；C為T1原始圖

圖4 男，40歲，左側股骨頭為ANFH III期，右側正常。A為iAUC值參數(shù)圖，左側股骨頭病變區(qū)iAUC值為23.562；B為Ktrans值參數(shù)圖，Ktrans值為0.145/min；C為T1原始圖

圖5 女，35歲，左、右側股骨頭分別為ANFH II期、IV期。A為iAUC值參數(shù)圖，左、右側iAUC值分別為14.477、7.849；B為Ktrans值參數(shù)圖，Ktrans值分別為0.107/min、0.054/min；C為T1原始圖

2.3 對照組與各ARCO分期組iAUC、Ktrans值的相關分析 對照組、I期、II期、III期、IV期與iAUC值、Ktrans值呈正相關（r=0.612、0.557，P＜0.001），其中對照組、I期、II期、III期與iAUC值、Ktrans值呈顯著正相關（r=0.906、0.854，P＜0.01）。

3 討論

ANFH是骨關節(jié)中比較常見的疾病之一，多發(fā)生于青壯年，發(fā)病機制多樣［5］，主要為股骨頭血液循環(huán)障礙，病理過程主要是微血管損傷及血流動力學改變。MR PWI技術具有無創(chuàng)性、多參數(shù)、多方位、反復檢查等優(yōu)勢，能夠在活體狀態(tài)下評估ANFH內部血流灌注狀況［3］。

3.1 MRI灌注原理及常用模型 MR PWI技術可以獲得對比劑首次通過受檢組織前、通過中和通過后一段時間內的一系列動態(tài)圖像。對比劑第1次通過期間，主要存在于血管內，血管外極少，血管內外濃度梯度最大，信號的變化受擴散因素影響小，故能反映組織的血流灌注情況［6-7］，灌注效應的病理基礎是股骨頭病變區(qū)血管數(shù)量及血管功能的改變，組織強化程度與其血流量大小、血管密度、毛細血管通透性、毛細血管表面積及血管外細胞外間隙的大小等因素有關［8-9］，可通過多種方法對靶組織進行分析。

本研究應用雙室藥代動力學模型［10］，通過對比劑流經股骨頭時信號強度的變化計算出股骨頭內對比劑濃度的變化，能夠對股骨頭的血流信息進行定量分析。本研究選擇穩(wěn)定性較好的2個參數(shù)對ANFH血流灌注狀態(tài)進行分析：①iAUC為動態(tài)增強時間-濃度曲線下的面積，表示對比劑注入后起始60 s內的時間-濃度曲線下面積，雖然iAUC屬于半定量參數(shù)，但其不僅能反映組織的血供，還能反映對比劑進入、流出的速度及總量；②Ktrans代表對比劑從血管內擴散到血管外細胞外間隙（extra-vascular extracellular space，EES）的速度，取值介于0～1之間，單位為/min，主要受滲透率及血流影響，Ktrans=EFp，其中E 為滲透率，F(xiàn)p為血漿灌流量。

3.2 MRI灌注技術在ANFH中的應用 Kawamoto等［11］通過研究兔股骨頭非創(chuàng)傷性缺血壞死模型，發(fā)現(xiàn)ANFH的組織學改變與MR灌注相關；Mueller等［12］認為MR灌注成像可補充ANFH相關的病理生理學信息。既往研究［13-15］發(fā)現(xiàn)缺血壞死的股骨頭呈高灌注狀態(tài)，比正常的股骨頭強化程度高，本研究ANFH的股骨頭呈高灌注狀態(tài)的結果與之一致，但其未對ANFH分期的灌注狀態(tài)做進一步分析，且主要依據ROI的信號強度來計算MR灌注的半定量參數(shù)，由于半定量分析易受掃描參數(shù)、個體差異的影響，只能初步反映對比劑的流入情況，不能準確反映組織中的對比劑濃度變化。

本研究首次運用PWI技術定量分析不同病程階段ANFH的血流灌注特征，可以準確反映股骨頭內對比劑濃度變化及組織生理學信息。本研究結果顯示不同病程階段的ANFH均表現(xiàn)為高灌注狀態(tài)，即iAUC、Ktrans值較正常均明顯增高，其中I期、II期、III期的iAUC、Ktrans值呈逐漸升高的趨勢，IV期呈下降趨勢。iAUC值增高反映組織的血供豐富，單位時間內通過ANFH病變區(qū)的血流增多；Ktrans值增高表明對比劑從血管擴散到EES的速度加快，單位時間內對比劑進入EES的量多。ANFH在I期時，缺血區(qū)骨細胞死亡、消失，隨之修復也開始進行，此時有少量的毛細血管、膠原纖維增生，進入組織間隙的對比劑開始增多，且對比劑從血管內擴散到EES的速度也開始加快，所以I期ANFH的灌注量較正常股骨頭高；在II期、III期時，修復程度進一步加深，大量的新生血管與增生的結締組織、成纖維細胞、巨噬細胞滲入壞死區(qū)，并帶入破骨細胞和成骨細胞逐漸將壞死骨質吸收，產生新骨，由于增生的血管越來越多，血供也更加豐富，所以II期、III期的灌注量明顯增高，且以III期為著；當ANFH發(fā)展到IV期時已經開始合并退行性骨關節(jié)炎改變，股骨頭、髖臼囊變、壞死區(qū)嚴重，修復程度逐漸減弱，新生的血管、肉芽組織等開始減少，進入EES的對比劑也相應減少，表現(xiàn)為iAUC、Ktrans值較前明顯減低。

3.3 總結和展望 MR PWI能夠定量分析ANFH不同病程階段的血流灌注狀態(tài)，為臨床選擇有效的治療方案、判斷預后、評估治療效果提供指導依據，但是目前關于PWI在ANFH臨床應用的研究較少，該技術存在一定的局限性，首先，定量分析技術還處于起步階段，需要較大劑量對比劑，時間分辨率較低，部分容積效應可能會影響通透性參數(shù)的測量結果；其次，本研究為小樣本研究的初步結果，尚需大樣本資料進一步證實。另外，隨著MRI檢查設備的不斷升級換代、掃描序列的不斷開發(fā)與完善，該技術將以其高空間分辨率、無電離輻射、多層數(shù)據采集及操作方便等優(yōu)點成為研究ANFH血流灌注狀態(tài)的重要方法，具有較好的應用前景。

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（本文編輯 馮 婕）

Correlation of MRI Perfusion Parameters with the ARCO Stage of Femoral Head Necrosis

Purpose To evaluate the MR perfusion weighted imaging （MR PWI）characteristics of avascular necrosis of the femoral head （ANFH） at different association research circulation osseous （ARCO） stages，and to analyze the potential correlation of initial area under the time-concentration curve （iAUC），transfer rate constant （Ktrans） with the ARCO stage of ANFH.Materials and Methods Twenty normal volunteers （control group） and forty-five newly diagnosed ANFH patients undergoing PWI examination and ARCO stage assessment. The differences of MR perfusion parameters （iAUC，Ktrans）between the two groups and among patients with different ARCO stages （I，II，III，IV）were compared，and the correlations between MR perfusion parameters and ARCO stage were analyzed.Results In all 83 femoral heads with ANFH，there were 18 in stage I，20 in stage II，21 in stage III，24 in stage IV. There were significant differences with control group and among stage I，II，III and IV （F=77.520，P＜0.001） lesions. The iAUC values of control group，stage I，II，III and IV were statistically different （P＜0.05），except stage I and IV （P＞0.05）. There were significant differences on control group，stage I，II，III and IV （F=23.935，P＜0.001）. The Ktranswere significantly different with control group and among stage I，II，III and IV （P＜0.001）. The values of iAUC and Ktransshowed positive correlation with control group，stage I，II，III and IV （r=0.612 and 0.557，P＜0.001），and the values of iAUC and Ktransshowed significant positive correlation with control group，stage I，II and III （r=0.906 and 0.854，P＜0.001）.Conclusion PWI can provide significant perfusion characteristics for ARCO staging. Ktransand iAUC are correlated with ARCO stage，which is an important index to reflect the blood perfusion of different stages of ANFH. These provide a reference for the clinical study of ANFH hemodynamics.

Femur head necrosis； Magnetic resonance imaging； Perfusion weighted imaging； ARCO staging

敖國昆

2015-10-07

2016-01-20

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.04.019

Department of Radiology，the 309th Hospital of PLA，Beijing 100091，China

Address Correspondence to： AO Guokun E-mail： aogk309@vip.163.com

首都臨床特色應用研究

（Z131107002213076）。

R445.2；R681.8