CT spectral imaging assessment of synovial hemosiderin deposition in knee joint in patients with hemophilic arthropathy

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(1.Department of Radiology, 2.Department of Hematology, Zhengzhou University People's Hospital & Henan Provincial People's Hospital, Zhengzhou 450003, China)

圖1 患者男，23歲，血友病A型 A.膝關節(jié)能譜CT鐵(水)基圖像，物質(zhì)對測量時ROI選擇在膝關節(jié)5個分區(qū)的SHD最明顯和均勻處; B.65 keV單能量圖像，ROI的CT值為130.43 HU

血友病性關節(jié)病(haemophilic arthropathy, HA)是血友病的常見并發(fā)癥，關節(jié)內(nèi)出血致滑膜含鐵血黃素沉積(synovial hemosiderin deposition, SHD)是其發(fā)病的重要原因[1-2]。X線片Pettersson評分是臨床常用的評估HA的方法，但難以顯示早期病變和軟組織異常。MRI和MRI評分是目前評估HA的最佳方法[3]，但費用較高，臨床應用并不普及。CT顯示滑膜增生及SHD等軟組織較MRI差，臨床應用受限。以瞬時雙kVp為核心技術的CT能譜成像[4]對軟組織的分辨率高，而目前用于評價HA關節(jié)滑膜的研究尚少。本研究旨在以MRI為參照，探討能譜CT評估HA患者SHD的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年1月—12月于我院確診為HA、接受膝關節(jié)CT能譜和MR掃描的25例患者(40個關節(jié))，均為男性，年齡8～24歲，平均(14.0±1.0)歲。排除標準：①其他原因導致的膝關節(jié)炎；②其他血液系統(tǒng)病史；③檢查前已接受滑膜切除手術；④圖像質(zhì)量差；⑤MR檢查禁忌者。根據(jù)國際血友病預防治療研究小組(international prophylaxis study group, IPSG)MRI含鐵血黃素沉積評分標準，將40個膝關節(jié)分為輕度和重度組：輕度組為有少量SHD，IPSG評分為1分；重度組為有明顯SHD，IPSG評分為2～3分。另以同層面腘窩處半膜肌作為對照組。本研究經(jīng)我院倫理委員會審查通過，所有研究對象接受檢查前均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery 750HD 64排CT掃描儀，仰臥位掃描，參數(shù)：管電壓采用80、140 kVp瞬時(0.5 ms)切換，管電流640 mA，層厚5 mm，層間距5 mm，螺距0.984，探測器準直64×0.625 mm，X線管轉速0.6秒/周，DFOV 25 cm，重建層厚及間隔均為0.625 mm。CT檢查后當日采用Siemens Magnaton 3.0T MR掃描儀，15通道膝關節(jié)線圈進行膝關節(jié)掃描，參數(shù)：矢狀位T1WI，TR 310 ms，TE 11 ms，矢狀位、冠狀位和軸位PDWI-FS，TR 4 200 ms, TE 36 ms，F(xiàn)OV 160 mm×160 mm，矩陣448×314，層厚4 mm，層數(shù)20，像素大小0.4 mm×0.4 mm×4.0 mm，F(xiàn)A 120°，帶寬 207 Hz/pixel，激勵次數(shù)1。

1.3 圖像分析與測量 CT掃描時記錄劑量長度乘積(dose length product, DLP)和容積CT劑量指數(shù)(volumetric CT dose index， CTDIvol)值，計算有效輻射劑量：有效輻射劑量=DLP×轉換系數(shù)(k)，k=0.014。

采用GE AW 4.5工作站能譜成像瀏覽器GSI Viewer軟件，由2名資深放射科醫(yī)師共同比對CT圖像與MRI含SHD區(qū)(雙低信號區(qū))，并達成共識。首先獲得最佳單能量圖像，然后選擇鐵-水基物質(zhì)對，獲得鐵基(水)圖和水基(鐵)圖。選取髕上囊、股骨外側隱窩、股骨內(nèi)側隱窩、髁間窩前、髁間窩后5個區(qū)域，于關節(jié)軸位選擇SHD最多的層面為ROI(圖1)：輕度組每個膝關節(jié)ROI取2～3個，重度組取3～5個，ROI大小為該層面含鐵血黃素沉積區(qū)的1/2～2/3，盡量避開骨質(zhì)邊緣。以相應同層面腘窩處半膜肌ROI (約 45 mm2)作為對照組。每個ROI測3次取均值。計算3組ROI平均能譜曲線斜率，即40～50 keV、50～ 60 keV、60～70 keV、70～80 keV、80～90 keV、90～100 keV曲線斜率的平均值，能譜參數(shù)測量指標包括CT值、鐵濃度[iron (water) concentration， FeC]、水濃度[water (iron) concentration， WC]、有效原子序數(shù)(effective atomic number， Eff-Z)和平均能譜曲線斜率(average spectral curve slope， aSCS)。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件，對各能譜參數(shù)采用K-S檢驗進行正態(tài)性分析，以Levene檢驗進行方差齊性分析。計量資料以±s表示，3組間比較采用單因素方差檢驗，組間兩兩比較用LSD-t法，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。對各能譜參數(shù)進行ROC曲線分析，獲得各參數(shù)評估HA患者SHD的準確率及最佳診斷閾值。

2 結果

CT掃描的平均CTDIvol為(13.18±0.82)mGy，平均DLP為(164.73±8.47)mGy·cm，平均有效輻射劑量約(2.31±0.11)mSv。

輕度組17個膝關節(jié)共38個ROI，重度組23個膝關節(jié)共74個ROI，對照組40個膝關節(jié)共40個ROI。CT偽彩標注的鐵基圖見圖2。3組不同能量水平下CT值的衰減趨勢見圖3。含鐵血黃素沉積區(qū)單能量圖像上最佳CNR曲線的單能量值為65 keV。

3組各能譜參數(shù)差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05；表1)，兩兩組間比較各能譜參數(shù)除WC外差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)。

能譜參數(shù)診斷SHD的準確率及閾值見表2，各參數(shù)評價SHD的ROC曲線下面積(area under the curve, AUC)均>0.90，且aSCS的AUC最大，見圖4、5。

表1 各組能譜參數(shù)比較(±s)

表1 各組能譜參數(shù)比較(±s)

組別CT值(HU)FeC(g/L)WC(g/L)Eff-ZaSCS輕度組(n=38)79.37±11.197.01±1.751044.96±14.558.25±0.191.30±0.30重度組(n=74)115.51±24.5812.93±3.521053.67±11.428.75±0.292.45±0.75對照組(n=40)56.19±3.860.28±0.161053.29±8.347.57±0.020.03±0.02F值148.08307.887.80364.62261.50P值<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01

表2 不同參數(shù)診斷重度及輕度SHD的效能

注：*：與輕度SHD對照；#：與同層面腘窩處半膜肌對照

圖2 患者男，19歲，血友病A型 A.膝關節(jié)MRI含鐵血黃素沉積分區(qū)，PDWI-FS顯示低信號(箭); B.膝關節(jié)能譜CT偽彩標注的鐵(水)基圖像，可見含鐵血黃素的鐵沉積區(qū)染色(綠色區(qū)域); C.65 keV單能量圖像，可見含鐵血黃素的鐵沉積高密度區(qū)

圖3 3組ROI鐵含量平均能譜曲線 輕度組和重度組曲線趨勢一致，對照組曲線接近水平 圖4 各能譜參數(shù)評估重度SDH的ROC曲線 圖5 各能譜參數(shù)評估輕度SDH的ROC曲線

3 討論

血友病是臨床最常見的遺傳性出血性疾病，HA是血友病患者致殘的主要原因(膝關節(jié)約占45%)[1-2]。在我國年齡>30歲的血友病患者中,70%以上發(fā)生關節(jié)畸形，年齡<12歲的血友病患兒中12.8%發(fā)生關節(jié)畸形，嚴重影響其生活質(zhì)量和身心健康。影像學檢查是監(jiān)測HA進展和防止嚴重關節(jié)并發(fā)癥的主要手段。X線檢查可評估關節(jié)骨質(zhì)破壞，但對軟組織病變?nèi)狈γ舾行?。超聲檢查對關節(jié)積血、假性腫瘤等有明顯優(yōu)勢，但不能全面觀察骨和軟骨病變[2,5]。MR檢查是國際上評估HA的金標準，主要采用IPSG評分系統(tǒng)評估關節(jié)病變程度并進行量化[6]，但由于MR檢查費用昂貴、時間長，關節(jié)功能不良時放入線圈困難等原因不易被患者及家屬接受[1,5]。目前采用能譜CT定量分析骨肌系統(tǒng)物質(zhì)含量的報道較少[7-8]。HA反復關節(jié)出血并逐漸加重的主要原因是滑膜炎癥伴大量SHD，使利用CT能譜多參數(shù)分析關節(jié)滑膜SHD成為可能。

能譜CT可生成101組40～140 keV的單能量圖像，以滿足診斷不同疾病的需要，采用最佳CNR的單能量圖像對病變的檢出和顯示最佳[4,9]，故本研究采用最佳單能量圖像65 keV分析SHD。能譜CT研究中，任何一種組織的吸收都可由相應比例的基物質(zhì)對表示，選擇鐵和水基物質(zhì)對可定量測定ROI的鐵濃度。HA由多種因素引起，其中鐵在關節(jié)中的沉積發(fā)揮中心作用，鐵沉積不但促進關節(jié)滑膜炎并使軟骨破壞，還可通過多種機制使骨量減少甚至發(fā)生骨質(zhì)疏松癥[10-11]。本研究結果顯示，重度組SHD的FeC較高，對照組最低，提示可通過能譜成像分析關節(jié)的SHD，進而評估關節(jié)內(nèi)滑膜和含鐵血黃素沉積。

本研究顯示CT值、FeC、Eff-Z、aSCS的AUC均大于0.9，提示以上參數(shù)評估SHD的效能均較高。根據(jù)CT值差異可以區(qū)分不同組織密度，但CT值的高低和灰階顯示的圖像不具有特征性，無法確定SHD鐵物質(zhì)的含量；而能譜CT的鐵基(水)圖可定量測定ROI的鐵濃度，偽彩色圖像可標記鐵物質(zhì)沉積區(qū)，因此通過能譜CT檢查中的CT值和FeC可更直觀地評估SHD。以往研究[12-13]認為根據(jù)能譜CT值衰減曲線斜率的差異可更準確區(qū)分不同化學成分的組織。本研究結果顯示，aSCS鑒別診斷輕度和重度SHD的AUC最高，原因在于aSCS反映的是一組不同單能量級圖像生成的CT衰減值的曲線趨勢，不同生物體的組織學、化學成分或代謝產(chǎn)物不同，根據(jù)CT值衰減曲線可以定性分析組織是否同源[11,13]，故可據(jù)以鑒別不同物質(zhì)。

本研究的局限性：①由于HA特殊的發(fā)病機制，未納入其他出血原因導致的SHD；②樣本量??；③所檢測的含鐵血黃素沉積病灶大小不一，形態(tài)不規(guī)則，對ROI的選擇有一定影響；④僅觀察了膝關節(jié)，有待后續(xù)研究。

綜上所述，利用CT能譜成像多參數(shù)分析可對HA的嚴重程度進行評估，為不適合接受MR評估的HA患者提供了其他選擇，具有重要臨床意義。

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