MRI在糖尿病足骨髓炎診斷中的應用進展

曹勝男 舒 政 馬宜傳

糖尿病足骨髓炎(diabetic foot osteomyelitis，DFO)是糖尿病足病嚴重階段的表現之一，DFO不僅難以診斷及治療，而且有較高的復發率和截肢率。此外，與中重度的軟組織感染者比較，DFO患者常需面對更多的手術和截肢、更長的住院時間、更高的復發感染率和感染再入院率。既往DFO需要結合臨床表現、血清標志物和普通X線來診斷。近年來，隨著磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技術的不斷發展，其對DFO的診斷具有較高的敏感性和特異性，美國放射學院將MRI作為對疑似DFO患者進行確診的首選方法。但是MRI對DFO的準確診斷仍然存在一些困難，近年來一些MRI技術的更新及科研工作者的研究致力于克服這些難題，本文擬對MRI各項檢查技術在DFO診斷中的應用進展綜述如下。

1 常規MRI成像在DFO診斷中的應用

DFO通常表現為單個骨彌漫性骨髓受累，常見于腳趾、跖骨頭、跟骨的負重面。DFO在MRI上通常表現為骨髓TWI序列的低信號，TWI脂肪抑制序列或STIR序列的高信號。DFO的主要征象是TWI序列明顯低信號。據文獻報道，糖尿病足的骨感染是通過皮膚潰瘍直接接種的結果，90%以上的足部骨髓炎與皮膚潰瘍有關，并且軟組織感染在鄰近骨骨髓炎診斷中具有較高的特異性(平均為85%)。所以在MRI上觀察骨髓炎最簡單的方法就是沿著皮膚潰瘍或竇道到臨近骨的路徑，評估該臨近骨的骨髓信號強度。骨髓炎的其他MRI表現包括皮質破壞和骨膜炎等。有學者發現在MRI中可見低信號鈣化骨膜被高信號膿液或液體從骨上剝離，然而相較之下，上述骨膜反應在普通X線上顯示更佳。“半影征”是亞急性骨髓炎的特征性MRI表現，它描述了在常規的未增強的TWI圖像上，可見一比中心膿腫低信號區和其周圍較低的骨髓水腫信號強度高的離散外圍區域。但并非所有在TWI圖像上明顯的低信號都對應于骨髓炎。Collins等最初描述了疑似踏板骨髓炎在TWI圖像中出現的3種不同的降低信號模式，包括融合的髓內(confluent intramedullary，即范圍包括皮質和部分髓腔)、皮質下(subcortical，即局限于皮質下薄的線性區域)、模糊的網狀結構(hazy reticular，位于正常髓腔內網狀模糊影)。研究表明，TWI圖像上信號減低的融合的髓內模式對于骨髓炎檢測的敏感性(95%)和特異性(91%)極高，另兩種模式均不代表骨髓炎。

在TWI脂肪抑制序列或STIR序列中，與DFO相似的骨髓異常高信號包括反應性骨髓水腫(臨近軟組織或皮質骨感染)、神經性關節病、與負重相關應力性改變和近期術后改變。對于反應性骨髓水腫、應力性改變、術后改變而言，其MRI主要表現為骨髓TWI圖像上高信號，但TWI圖像是正常的，與DFO影像鑒別相對簡單，再結合相關臨床情況，更有助區別。神經性關節病(即Charcot足)和DFO臨床和影像學表現相似，鑒別存在一定難度，同時，不能忽略神經性關節病存在合并骨髓炎的情況，兩者的鑒別需綜合考慮。

2 化學位移和Dixon成像在DFO診斷中的應用

脂肪抑制技術在評估糖尿病足中起重要作用。在經典的脂肪抑制序列中，使用化學位移成像評估肌肉、骨骼系統，特別是骨髓的評估受到越來越多的關注。水和脂肪以不同的頻率共振，這一現象可以用來分離化學位移成像時產生的信號，并由此進行反相位和同相位成像，這項技術十分有助于區分骨髓水腫或造血骨髓與真正的骨髓病變，如腫瘤或感染。近年來，技術上的改進使得Dixon成像中的化學位移現象得到了優化。Dixon技術可用于獲取同一序列中的多個回波，并通過數據的數字化后處理將它們組合起來，從而不僅獲得同相或反相圖像，而且還獲得純脂肪圖像和純水圖像。與其他脂肪抑制技術相比，Dixon序列，特別是多點Dixon采集，對B0(主磁場)和B1(旋轉磁場)磁場的不均勻性不太敏感，并且提供了更均勻的脂肪抑制，可以減少移位偽影，這對于評估遠端肢體和足部肌肉、骨骼系統，特別是骨髓是十分有益的。此外，Dixon技術可用于例如梯度回波、快速自旋回波或其他信號加權等不同類型的序列。此種技術的延伸可以進一步提高DFO的檢測，同時由于該序列圖像質量的提高，可以通過水選擇性采集，增加對骨髓炎并發癥(如骨內死骨和瘺管)的檢測。與神經性關節病不同，在化學位移成像中，DFO骨髓信號強度無明顯變化，但仍有少量的研究顯示了化學位移成像在糖尿病足骨感染中的應用價值。此外，Dixon技術中不同圖像集的信號強度量化為治療監測提供了一個有用的量化工具。

3 彌散加權磁共振成像在DFO診斷中的應用

彌散加權磁共振成像(diffusion weighted imaging,DWI) 是一種無創性磁共振成像技術。擴散是分子的一種隨機布朗運動，該序列磁共振成像可以檢測到分子在這個微觀尺度上的位置變化引起的信號衰減，這種特性可以間接評估細胞數量和細胞膜完整性，并已成功地應用于許多解剖領域，主要用作腫瘤生物標志物。DWI通常使用單次激發回波平面成像(single-shot echo planar imaging ，SS-EPI)序列來完成，但這種序列容易產生偽影，并且由于空氣、骨骼和軟組織之間的多個界面，這些偽影在足部變得更加明顯。長軸定向優選可以使偽影最小化，同時使用多通道線圈的并行成像(例如靈敏度編碼)也有助于減少偽影、減少捕獲時間，從而獲得足夠的信噪比。

擴散信號強度在不同b值上的變化，決定了擴散加權的程度，可以用表觀擴散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)來測量。該參數表示擴散信號的單個成分的指數衰減，這可能有助于病變特征的描述和治療監測。DWI是一種評估DFO軟組織和骨髓水腫很有潛力的工具。單純性水腫顯示沒有擴散限制，而在糖尿病足感染中，炎癥細胞、膿液和碎屑的存在，導致自由水擴散比無菌性神經性關節病中檢測到的水腫減少。Eren等的一項研究顯示，在糖尿病足潰瘍患者中，骨髓炎區域ADC值低于臨近軟組織，ADC值為(0.75±0.16)×10mm/s。另一項研究表明，DWI成像中，DFO彌散受限，ADC值降低且較糖尿病性關節病患者更低，診斷DFO的敏感度為64.6%，準確率為63.7%，其中兩名觀察者觀測到的骨髓炎ADC值分別(0.86±0.11)×10mm/s和(0.85±0.12)×10mm/s。ADC值有助于區分急性糖尿病性關節病和骨髓炎，但兩者ADC值存在部分重疊。分析造成數據重疊的原因除了其病理基礎可能有相似部分，亦有可能是樣本量少，DWI工具仍存在優化空間等。但因DWI檢查快速便捷，又因ADC值是一個無創性的影像學參數，可以定量分析和診斷DFO，故仍認為DWI序列對于DFO有診斷價值，未來它的應用空間值得期待與探索。

軟組織感染一貫是DFO的常見并發癥，可以通過DWI技術進行評估。比如蜂窩織炎經傳統的液體敏感序列很容易診斷，DWI可以顯示信號強度微弱增加，但ADC值因TWI的穿透效應增加。DWI成像對膿腫的鑒別和定性有重要作用，且無需注射對比劑，因為膿腫由于膿液和碎片的存在而顯示出明顯的內部擴散受限，這種限制性擴散在關節周圍積液和關節積液是不常見的，這有助于避免假陽性結果。而壞死組織可能表現為擴散受限，但程度比膿腫小，因為沒有活躍的炎癥過程。壞死組織的切除對于改善愈合是至關重要的，這也突出了影像科醫師識別這些區域的重要性。

此外，DWI的經典分析方法是單指數法，只考慮細胞外室的存在。體素內不相干運動(intravoxel incoherent motion,IVIM)磁共振成像運用雙指數模型同時獲得灌注和擴散信息。IVIM需要對小于或大于100 s/mm的多個b值進行采樣，以獲得更好的信號強度曲線衰減擬合。小于100 s/mm的b值用于估算假擴散系數(D)和灌注分數(f)；大于100 s/mm的b值用于評估純分子擴散系數(D)。使用IVIM技術在評估DFO和并發感染軟組織的微循環方面很有潛力，且不需要靜脈注射對比劑，并且已經有研究證明了這一點。對于有腎功能損害的糖尿病足患者，常規DWI和IVIM技術對DFO的評估可能更有意義。

4 動態對比增強磁共振成像在DFO診斷中的應用

動態對比增強磁共振成像(dynamic contrast enhancement magnetic resonance imaging，DCE-MRI)序列可以同時進行定性和定量分析。定性方法主要依賴于視覺評估感興趣區域(region of interest,ROI)內是否存在早期動脈強化(而不是后期強化)，這是臨床上常用的分析方法。而定量方法包括在ROI中觀察到的時間-強度曲線的發散式分析，譬如信號強度時間曲線(time signal intensity curve,TIC)的形狀、峰值強度、峰值時間和初始曲線的斜率，以及增強的開始和廓清率。更深入的動態對比增強技術(dynamic contrast enhanced，DCE)通過藥物動力學模型(簡稱PK)，即PK建模方法來獲得骨髓炎區域的定量通透性參數。著名的PK-DCE測量方法是獲得諸如容積傳遞常數(Ktrans)、返回血管間隔的對比劑體積(Kep)和細胞外體積(Ve)等生理參數。這些參數是相關的，因為Kep是通過Ktrans和Ve的比值得出的，而在臨床實踐中更推薦Ktrans和Ve這兩個參數。DCE-MRI是在注射對比劑后獲得多幅圖像的時間序列，通常基于具有高時間分辨率的3D梯度回波序列(每3～5 s采集一次，持續4～5 min)，與傳統的多相DCE-MR成像(通常時間分辨率為12～20 s)相比，這種方法顯示出一些優勢，因為它可以更好地評估組織灌注，更好地了解骨和軟組織內的微血管環境。不僅如此，該技術同時具有高時間分辨率和空間分辨率，允許同時獲取血管造影和灌注信息，避免需要雙倍劑量的釓螯合物。

相對于正常骨髓區域，骨髓炎區域TWI圖像上的信號強度局部降低，脂肪抑制的TWI圖像上的信號強度增加，注射對比劑后后局部信號增強。有研究顯示感染骨可以在T對比增強后的圖像上顯示地圖樣增強，如并發蜂窩織炎表現為細微的漸進性增強，反映了炎癥過程；膿腫因肉芽組織的存在和病灶內部沒有強化，會出現周圍包膜樣強化。此外還可有助于區分存活組織和壞死組織，后者不顯示任何增強，僅顯示地理邊界，同時DCE-MR成像還能顯示壞死組織內的最小增強區域，這些數據將有助于血管外科醫生計劃更保守的手術。

Jans等的一項研究表明，在骨髓炎中，在TIC上觀察到最初的快速上升斜坡及隨后的逐漸緩慢上升階段，這反映了炎癥過程的發生；而在神經病性關節病的水腫區僅發現較低的強化率，與基線相比，TIC斜率略有進展性增加。Liao等首次使用DCE-MRI和擴展的Tofts線性模型來量化糖尿病足患者的足部通透性及其與炎癥指標的相關性，在ROC分析中說明了Ktrans和Ve對骨髓炎的診斷價值大于Kep，并且骨髓炎區Ktrans、Kep和Ve平均值明顯高于急性神經性關節病區。而且在其研究中，骨髓炎區域的定量通透性參數與炎癥標志物呈顯著相關，這表明DCE-MRI參數可以作為影像學生物標志物，提供骨髓炎炎癥微環境的信息，并可能有助于預測患者預后。

臨床實踐中，骨髓炎灌注評估需要關注紅骨髓和黃骨髓的比例，由于正常黃骨髓在動態顯像中與基線采集相比，信號強度無明顯變化。此外，年齡、血管供應或骨質疏松等其他因素可能影響糖尿病足的灌注，并可能改變DCE-MR成像的結果，當用來評估DFO的時候，需將這些因素考慮進去。

5 其他

彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)是DWI技術的進展及延伸，主要作用是顯示神經纖維束。高分辨率DTI神經成像技術具有特定的視野，可以獲取有關糖尿病引起的髓鞘損傷的功能信息。此外，DTI神經造影通過分數各向異性、平均擴散率和徑向擴散率等參數獲得定量信息，這些參數可作為糖尿病神經病變進展的生物標志物。這項技術未來或可用于DFO的鑒別診斷及評估DFO是否伴隨周圍神經病變及其進程。下肢血管超聲對糖尿病足血管病變的檢出有一定價值，但磁共振血管成像(magnetic resonanceangiography，MRA)提供了更多方法來評估外周血管，包括對比劑增強血管成像和非對比劑增強血管成像。通過MRA技術可以描繪糖尿病患者足部灌注的血管分布，以確定DFO患者是否有合適的遠端血管床來決定手術方案。動脈自旋標記灌注成像(arterial spin labeling,ASL)和血氧水平依賴磁共振成像(blood oxygen level dependent, BOID)以及IVIM等評估肌肉和深層組織灌注的新技術也一直開發中，但可能不會很快在臨床上得到廣泛應用，因此，評估糖尿病患者的血流灌注，尤其是評估DFO骨髓灌注仍是一個挑戰。磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)序列可以可靠地檢測到不同的脂質成分，有研究顯示糖尿病足急性神經性骨關節病，脂質多不飽和指數高于對照組，雖然急性期無實驗室標準和血液學指標來評估該病的活動性，但MRS這項技術應該能夠測量與急性神經性骨關節病相關的炎癥過程的生化變化。MRS在DFO方面的應用則鮮有報道，其在鑒別神經性關節病和DFO方面的實用性，也需要進一步的研究證實。

綜上所述，DFO是糖尿病足病常見且比較嚴重的合并癥，對糖尿病足患者的治療和預后有很大影響。MRI以及一些新序列的應用對DFO的診斷有較高的應用價值，可為臨床個體化治療提供更加精準的信息，最大程度的減少截肢范圍或足部畸形的發生，優化和提高患者的生活質量。但MRI檢查依然存在一些局限性，比如采集時間長、數據解釋復雜、易受運動偽影和空間分辨率變化的影響、對比劑在糖尿病腎病患者中使用受限等。隨著技術不斷革新,其普遍可用性也在增加，MRI技術在DFO的評估和外科規劃中的實用價值值得期待。