磁共振灌注加權(quán)成像在超早期股骨頭壞死診斷中的應(yīng)用研究

吳春立，張晶

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院綜合外科中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

股骨頭壞死(Avascular necrosis of the femoral head,ANFH)是指股骨頭的血液供應(yīng)受損或中斷，導(dǎo)致骨細(xì)胞和骨髓成分部分死亡，隨后骨組織壞死和修復(fù)，股骨頭結(jié)構(gòu)發(fā)生改變并塌陷，引起髖關(guān)節(jié)疼痛及功能障礙的疾病，發(fā)病率逐年增高，社會(huì)危害大。目前診斷股骨頭壞死主要依靠 MRI 技術(shù)發(fā)現(xiàn)骨壞死灶,實(shí)驗(yàn)和臨床已經(jīng)證實(shí)常規(guī)MRI能夠檢測(cè)出I期以上的ANFH。股骨頭壞死的超早期診斷是指常規(guī)MRI異常之前的診斷(pre-early stage 0期) 。如果能在0期就做出ANFH的診斷，經(jīng)過(guò)有效的干預(yù)與治療，將能夠延緩疾病的進(jìn)展,甚至可以使病情逆轉(zhuǎn)。磁共振灌注加權(quán)成像（magnetic resonance perfusion-weighted imaging,MR PWI）是一種評(píng)估病變血流灌注狀態(tài)的無(wú)創(chuàng)技術(shù)，應(yīng)用MR PWI成像技術(shù)，結(jié)合常規(guī)核磁共振、病理和血液流變學(xué)檢查,可以反映病變局部的血液供應(yīng)狀態(tài)。本研究擬在兔子股骨頭壞死動(dòng)物模型上探討MR PWI在超早期ANFH診斷中的潛在作用,為臨床上ANFH的超早期診斷提供理論依據(jù)，以便及時(shí)進(jìn)行干預(yù)，阻斷骨細(xì)胞壞死的發(fā)生。

1 資料與方法

1.1 資料

選取健康大白兔30只（體重2.5-3.0kg），隨機(jī)抽取6只作為對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組24只。實(shí)驗(yàn)組每周2次臀肌注射7.5mg/kg體重量的氫化可的松制備股骨頭壞死大白兔模型，每周2次注射20萬(wàn)U/kg體重量的青霉素預(yù)防感染。對(duì)照組僅注射青霉素，注射時(shí)間同前,以預(yù)防交叉感染。實(shí)驗(yàn)組分別在給藥2、4、6、8周末，各取6只靜脈麻醉后行常規(guī)磁共振及MR PWI掃描，掃描后處死，截取雙側(cè)股骨頭，用甲醛溶液固定，脫鈣、石蠟包埋，HE染色，由兩位病理科醫(yī)師觀(guān)察骨細(xì)胞壞死情況、空陷窩數(shù)、骨小梁數(shù)量和周?chē)晒乔闆r；對(duì)照組6只大白兔在8周末行相同序列常規(guī)磁共振掃描、MR PWI掃描及股骨頭鏡下觀(guān)察。

1.2 方法

1.2.1 股骨頭壞死造模

實(shí)驗(yàn)組24只健康大白兔，每周2次臀肌注射氫化可的松7.5mg/kg體重量進(jìn)行股骨頭壞死造模，并給予青霉素20萬(wàn)U/kg體重量，以預(yù)防感染。對(duì)照組僅注射青霉素，注射時(shí)間相同,以預(yù)防交叉感染。

1.2.2 磁共振灌注加權(quán)成像檢查方法

實(shí)驗(yàn)組白兔于給藥后2周、4周、6周、8周以相同方法進(jìn)行MRI檢查。使用西門(mén)子 Skyra 3.0T超導(dǎo)磁共振掃描儀和動(dòng)物線(xiàn)圈，進(jìn)行常規(guī)MRI平掃，包 括T1WI（TR/TE=358/18ms）、T2WI（TR/TE=3000/85ms、ETL=22）、T2WI抑 脂 序 列（TR/TE=4200/17ms,TI=150ms,ETL=20）；常規(guī)平掃檢查后進(jìn)行灌注掃描，成像參數(shù)TR 19.8ms，TE 3.2ms，翻轉(zhuǎn)角12°左右，層厚2.5mm,層間距0.2mm，矩陣256×192，F(xiàn)OV=140mm。選取最大顯示股骨頭的層面，實(shí)驗(yàn)兔耳緣靜脈注射GD-DTPA，劑量為0.1mmol/kg，速率為1mL/s，注射前采集兩個(gè)時(shí)相圖像，然后用高壓注射器快速注射造影劑，獲得35～60個(gè)連續(xù)灌注圖像，灌注掃描時(shí)間為180～210s。對(duì)照組在8周末接受相同的序列常規(guī)磁共振、MR PWI掃描。

1.2.3 圖像分析

將MRI圖像原始數(shù)據(jù)輸入至西門(mén)子MMWP工作站，應(yīng)用Tissue4D功能分析軟件對(duì)雙側(cè)股骨頭灌注圖像進(jìn)行后處理及分析，生成時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度曲線(xiàn)。信號(hào)強(qiáng)度單位采用百分?jǐn)?shù)，記錄灌注曲線(xiàn)的形態(tài)，時(shí)間-濃度曲線(xiàn)下面積（initial area under the time-concentration curve，iAUC）。

時(shí)間-濃度曲線(xiàn)下面積（iAUC）通常是注射造影劑后起始60s內(nèi)時(shí)間-濃度曲線(xiàn)下的面積。iAUC是一個(gè)半定量參數(shù)，它可以反映組織的血液供應(yīng)，以及造影劑進(jìn)出的速度和總量。

1.2.4 病理觀(guān)察

實(shí)驗(yàn)組分別在給藥2、4、6、8周末，取6只靜脈麻醉后行常規(guī)磁共振及MR PWI掃描，掃描后處死，截取雙側(cè)股骨頭，用甲醛溶液固定，脫鈣、石蠟包埋，HE染色，由兩位病理科醫(yī)師觀(guān)察骨細(xì)胞壞死情況、空陷窩數(shù)、骨小梁數(shù)量和周?chē)晒乔闆r，每次實(shí)驗(yàn)處理實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物6只；對(duì)照組6只大白兔在8周末行相同序列常規(guī)磁共振掃描、MR PWI掃描后同樣方法進(jìn)行股骨頭鏡下觀(guān)察。

1.3 觀(guān)察指標(biāo)

對(duì)比實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組時(shí)間-濃度曲線(xiàn)下面積（initial area under the time-concentration curve，iAUC），定量檢測(cè)活體狀態(tài)下股骨頭血流動(dòng)力學(xué)的變化情況，并結(jié)合病理組織學(xué)檢查評(píng)估股骨頭壞死模型超早期的股骨頭微循環(huán)的變化。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)論

2.1 影像學(xué)結(jié)果

所有影像圖片均經(jīng)3位高年資影像診斷醫(yī)師閱片，得出影像結(jié)論。對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的iAUC值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=77.520，P＜0.001）。除第2周和第4周之間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）外，其他差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）（見(jiàn)表1）。

表1 對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組iAUC值（±s）

表1 對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組iAUC值（±s）

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2.2 病理學(xué)結(jié)果

對(duì)照組（見(jiàn)圖A、B）：骨小梁結(jié)構(gòu)清晰完整，較厚，排列規(guī)則。髓腔脂肪細(xì)胞稀少，造血細(xì)胞豐富，空骨陷窩罕見(jiàn)。實(shí)驗(yàn)組（見(jiàn)圖C和D）：骨小梁稀疏、稀薄甚至破碎，髓腔脂肪細(xì)胞較多且肥大，造血細(xì)胞較少，空骨陷窩數(shù)量明顯高于對(duì)照組。兔股骨頭的組織病理學(xué)改變表明，實(shí)驗(yàn)組成功制作了SANFH模型。隨著觀(guān)察時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組的上述表現(xiàn)越來(lái)越明顯。實(shí)驗(yàn)組股骨頭空骨陷窩數(shù)在各時(shí)間點(diǎn)均明顯高于對(duì)照組（見(jiàn)表2），P＜0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組股骨頭空骨陷窩率（±s）

表2 對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組股骨頭空骨陷窩率（±s）

注：實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較，P＜0.05

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3 討論

股骨頭壞死是骨科領(lǐng)域常見(jiàn)病，近年來(lái)呈上升趨勢(shì)，該病病情進(jìn)展快，致殘率較高，80%未經(jīng)治療的股骨頭壞死患者在1-3年內(nèi)會(huì)發(fā)生股骨頭塌陷[1-2]，繼而引起髖關(guān)節(jié)功能?chē)?yán)重障礙[3-5]，造成不同程度的跛行[6-10]，不得不行髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)[11-14]。ANFH病因多樣[15-17]，較常見(jiàn)的是髖部外傷、大劑量長(zhǎng)期應(yīng)用激素及酗酒，但不管哪種病因引起的ANFH,都有類(lèi)似的病理變化，主要是血流動(dòng)力學(xué)變化和血液淤滯，導(dǎo)致股骨頭供血減少[18-19]。

目前MRI仍被認(rèn)為是診斷ANFH最準(zhǔn)確的方法[20]，但對(duì)ANFH早期的診斷還存在爭(zhēng)議，缺乏統(tǒng)一的診斷標(biāo)準(zhǔn)。目前，早期診斷包括兩層含義：一方面是指患者X射線(xiàn)檢查陰性，MRI檢查陽(yáng)性的輻射前階段(preradiologic stage Ⅰ期),稱(chēng)為前放射期;另一方面，它是指X射線(xiàn)顯示陽(yáng)性變化但股骨頭未塌陷的塌陷前階段（preradiologic stageⅡ期），稱(chēng)為前塌陷期。超早期診斷是指常規(guī)MRI出現(xiàn)異常之前的診斷，(pre-early stage 0期)[21]。

磁共振灌注加權(quán)成像（magnetic resonance perfusion-weighted imaging,MR PWI）可以通過(guò)觀(guān)察組織的灌注狀態(tài)和血管化程度來(lái)評(píng)價(jià)組織血管的功能狀態(tài)。在形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上，它可以提供更多關(guān)于組織和器官血液灌注的信息，但目前，MR PWI大部分用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和胸腹部組織和器官腫瘤疾病，在骨骼系統(tǒng)中的應(yīng)用報(bào)道較少。孟悛非等人[22]通過(guò)研究證明，信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間曲線(xiàn)的最大線(xiàn)性斜率（SSmax）可以更好地反映組織的血管化和血液灌注情況。MR PWI在股骨中的應(yīng)用報(bào)道較少，大部分仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都采用這種方法來(lái)評(píng)價(jià)股骨頭的血液灌注情況。Schneider[23]等人通過(guò)對(duì)豬股骨頭缺血性壞死的DCE MRI研究發(fā)現(xiàn)，缺血性壞死股骨頭的信號(hào)強(qiáng)度高于正常股骨頭，結(jié)果表明DCE MRI可以檢測(cè)到ANFH的血流變化。閆燃[24]也從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行了討論MR PWI在股骨頭的血液灌注方面具有重要意義。

本研究運(yùn)用MR PWI評(píng)價(jià)超早期股骨頭壞死病變部位血流灌注狀態(tài)情況，結(jié)果顯示不同病程階段的超早期股骨頭壞死均表現(xiàn)為高灌注狀態(tài)，即iAUC值較正常對(duì)照組均明顯增高，其中實(shí)驗(yàn)組2周、4周、6周的iAUC值呈逐漸升高的趨勢(shì)，8周呈下降趨勢(shì)。iAUC值的增加反映了組織的豐富血液供應(yīng)和單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)病變區(qū)域的血流增加。在超早期形成過(guò)程中，缺血區(qū)的骨細(xì)胞死亡和消失，并開(kāi)始修復(fù)，此時(shí)，少量毛細(xì)血管和膠原纖維增生，進(jìn)入組織空間的造影劑開(kāi)始增多，造影劑從血管向EES擴(kuò)散的速度開(kāi)始加快。因此，2周內(nèi)ANFH的灌注量高于正常股骨頭。4周和6周時(shí)，修復(fù)程度進(jìn)一步加深。大量新生血管和增生的結(jié)締組織、巨噬細(xì)胞穿透壞死區(qū)，并將破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞帶入其中。壞死骨逐漸被吸收并產(chǎn)生新骨。由于增殖血管數(shù)量的增加，血液供應(yīng)更加豐富。當(dāng)0期ANFH發(fā)展到8周時(shí)，股骨壞死區(qū)域變得更嚴(yán)重，修復(fù)程度逐漸減弱，新血管和血管數(shù)量開(kāi)始減少，進(jìn)入EES的造影劑數(shù)量也相應(yīng)減少，這表明iAU的C值明顯低于以前。可見(jiàn)MR PWI可以定量分析ANFH在不同病程階段的血液灌注狀況，為臨床選擇有效治療方案、判斷預(yù)后和評(píng)價(jià)治療效果提供指導(dǎo)。