DCE-MRI對高危壞死股骨頭微循環(huán)灌注的評價

馬偉麗，趙德偉，王本杰，楊松，楊培，常曉丹*

股骨頭壞死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是一種以骨細胞和骨髓的死亡為特征的致殘性臨床疾病[1]，其最終階段往往是軟骨下骨折、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的破壞，最終喪失關(guān)節(jié)功能[2]。眾所周知，大劑量糖皮質(zhì)激素的使用及酗酒是股骨頭壞死的高危因素[3]。動物研究已經(jīng)證明，如果在短時間內(nèi)加以干預(yù)股骨頭骨骺的早期缺血可以逆轉(zhuǎn)[4]，骨缺血的早期診斷對于有效的治療改善預(yù)后較為有價值。骨代謝是復(fù)雜的，遠未被完全理解，骨代謝中的血管化逐漸引起人們的關(guān)注[5]；由于較多評估組織血管化的成像技術(shù)均為侵入性的檢查[6]，股骨頭內(nèi)的微血管化相關(guān)性研究罕見報道。與其他測量股骨頭血流灌注的方法相比，動態(tài)增強磁共振(dynamic enhanced magnetic resonance imaging，DCEMRI)為非侵入性檢查，且具有可檢測組織微循環(huán)灌注等優(yōu)點，目前DCE-MRI已成為骨肌系統(tǒng)的研究熱點。本研究旨在通過DCE-MRI前瞻性地檢測股骨頭壞死高危人群骨股頭微循環(huán)灌注變化及血流灌注特征，分析其血流動力學(xué)特點及生理學(xué)意義，為超早期股骨頭壞死提供影像學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院2017年8月至2018年7月激素性及酒精性單側(cè)股骨頭壞死患者及常規(guī)MRI檢查正常但有骨壞死高危因素的患者20人(30例股骨頭)納入研究，男性10例，女性10例，年齡47～75歲，平均年齡(52.5±8.8)歲。另將30名健康志愿者常規(guī)MRI檢查正常，行雙髖關(guān)節(jié)DCE-MRI檢查，隨機選取左右髖關(guān)節(jié)各15例，共30例作為對照組，男女各15例，年齡48～75歲，平均年齡(60.0±10.3)歲。

1.2 實驗組納入標(biāo)準(zhǔn)

不同情況下接受類固醇激素治療(總劑量＞2 g，強的松當(dāng)量)或長期大量飲酒者(每周＞400 mL)雙髖關(guān)節(jié)常規(guī)MRI檢查正常且有髖關(guān)節(jié)疼痛者；類固醇激素治療及大量飲酒單側(cè)股骨頭壞死患者的對側(cè)股骨頭。

排除標(biāo)準(zhǔn)：創(chuàng)傷性股骨頭壞死、髖關(guān)節(jié)外傷及手術(shù)史；代謝性骨??；有骨髓惡性腫瘤病史、血液系統(tǒng)疾病的患者。

1.3 雙髖關(guān)節(jié)MRI檢查方法

1.3.1 常規(guī)MRI檢查

采用西門子3.0 T超導(dǎo)型磁共振，患者取仰臥位，加腹帶。檢查序列為冠狀面快速自旋回波序列T1WI加權(quán)像TR=478 ms，TE=20 ms，F(xiàn)OV為380×320，分辨率為448×314，層厚為3 mm；橫斷面快速自旋回波序列T2WI加權(quán)像TR=4000 ms，TE=88 ms，F(xiàn)OV為380×320，分辨率為448×336，層厚為3 mm；橫斷面快速自旋回波STIR序列TR=3000 ms，TE=29 ms，F(xiàn)OV=380×300，分辨率為320×220，層厚3 mm。

1.3.2 DCE-MRI檢查

FLASH (fast low-angle shot)序列橫斷面T1WI，TR=5.08 ms，TE=1.71 ms，翻轉(zhuǎn)角度=15°，層厚3.6 mm，層數(shù)24，F(xiàn)OV=300×300，分辨率為192×138。常規(guī)MRI檢查完畢后啟動FLASH序列，采集總時間為160～240 s。對比劑采用釓噴替酸葡鉀氨(Gd-DTPA)，劑量是0.2 mL/kg，注射流速是3.0 mL/s，對比劑注射完畢后以同樣的速率注射生理鹽水20 mL。

1.4 DCE-MRI數(shù)據(jù)后處理

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入西門子3.0 T Verio超導(dǎo)型磁共振自帶軟件Mean curve即可自動生成時間信號強度曲線(time-intensity curve，TIC)，軟件自動將其轉(zhuǎn)換為百分比TIC，文中簡稱為信號強度。股骨頭感興趣區(qū)(region of interest，ROI)的選擇：在股骨頭最大負重區(qū)即股骨頭前上方、股骨頭中心點及股骨頭非負重區(qū)即股骨頭下方各選取1 cm2的ROI (圖1)。灌注參數(shù)的選擇：每個ROI在TIC上讀取3個半定量灌注參數(shù)：首次峰值(fEmax)、最大信號強度(Emax)、達峰時間(time to peak，TTP)。其中fEmax代表毛細血管密度，Emax代表血管外細胞外間隙，TTP主要代表首次通過時間。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 20.0軟件分析，所有計量資料采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，計數(shù)資料采用例表示；各灌注參數(shù)間的比較，正常股骨頭不同ROI間灌注參數(shù)的比較采用方差分析，骨壞死高?；颊吲c正常股骨頭相同ROI間灌注參數(shù)的比較采用獨立樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 股骨頭壞死高?；颊吲c正常人相同ROI間灌注參數(shù)的比較Tab. 1 Comparison of perfusion parameters between high-risk patients with femoral head necrosis and normal subjects with the same ROI

圖1 股骨頭ROI選擇示意圖。在股骨頭不同負重區(qū)分別選取ROI，1：負重區(qū)(股骨頭前上方-機械負荷較大的區(qū)域)，2：股骨頭中心區(qū)，3：非負重區(qū)(股骨頭下方-機械負荷較小的區(qū)域) 圖2 股骨頭壞死高危患者與正常者股骨頭負重區(qū)灌注參數(shù)的比較，黃線為正常股骨頭，藍線為高危股骨頭 圖3 正常股骨頭負重區(qū)與非負重區(qū)ROI灌注曲線，紅線為負重區(qū)灌注曲線，白線為股骨頭中心灌注曲線，綠線為非負重區(qū)灌注曲線Fig. 1 ROI selection sketch map of femoral head selected ROI. 1: Load-bearing area (anterosuperior of femoral head-area with more mechanical load), 2: Central area of femoral head, 3: Non-load bearing area (inferior of femoral head with less mechanical load) in different load bearing areas of femoral head. Fig. 2 Comparing perfusion parameters of femoral head between high-risk patients with femoral head necrosis and normal patients, the yellow line is normal femoral head and the blue line is high-risk femoral head. Fig. 3 The ROI perfusion curves of normal and non-weight bearing areas of the femoral head. The red line is the perfusion curve of the weight-bearing area, the white line is the central perfusion curve of the femoral head, and the green line is the perfusion curve of the non-weight bearing area.

2 結(jié)果

2.1 股骨頭壞死高危人群與正常股骨頭相同ROI間灌注參數(shù)的比較(圖2)

股骨頭壞死高?；颊吲c正常人股骨頭負重區(qū)fEmax、Emax差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，股骨頭壞死高?；颊吲c正常人股骨頭非負重區(qū)TTP差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，股骨頭壞死高?；颊吲c正常人股骨頭中間區(qū)fEmax、Emax、TTP差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，見表1。

2.2 正常股骨頭不同負重區(qū)ROI間灌注參數(shù)的比較(圖3)

30例正常股骨頭在負重區(qū)、非負重區(qū)及股骨頭中心ROI的fEmax分別是3.77±0.67、0.48±0.47、2.21±0.48，Emax分別是5.82±0.80、1.87±0.62、4.73±0.75，TTP分別是1.01±0.13、1.33±0.11、1.01±0.12，三組間fEmax、Emax差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(F值分別是9.630、7.900，P＜0.05)，三組間TTP差異無統(tǒng)計學(xué)意義(F=2.047，P＞0.05）；兩兩比較得負重區(qū)、中心區(qū)fEmax、Emax大于非負重區(qū)fEmax、Emax，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.001)；其他ROI間比較無統(tǒng)計學(xué)意義。

3 討論

3.1 股骨頭壞死高危人群與正常股骨頭同一ROI間灌注參數(shù)的差異

股骨頭缺血壞死的發(fā)病機制在實驗及臨床已被廣泛研究[7]，缺血是骨壞死發(fā)病的關(guān)鍵因素[8]，常規(guī)MRI檢查診斷骨壞死的特異性較高，但對超早期的改變?nèi)狈γ舾行?，較容易出現(xiàn)產(chǎn)生假陰性結(jié)果。相關(guān)研究已報道，大劑量糖皮質(zhì)激素治療以及大量飲酒是股骨頭壞死的高危因素[9-10]。Tsai等[9]報道，激素性及酒精性雙側(cè)股骨頭壞死中有32.4%由單側(cè)股骨頭壞死進展而來。以上研究結(jié)果表明，激素性及酒精性單側(cè)股骨頭壞死的對側(cè)股骨頭也有較高進展為壞死的風(fēng)險。如若能在發(fā)生形態(tài)學(xué)改變之前就能檢測到其微循環(huán)血流灌注的變化，對股骨頭壞死的預(yù)防及早期治療都將具有重要價值。

文獻報道，乳腺癌DCE-TIWI所測得首次通過fEmax與△R2有很好的正相關(guān)性[11]，說明fEmax是評估組織毛細血管密度的有效方法。本研究中股骨頭壞死高危組fEmax小于正常組fEmax且差異有統(tǒng)計學(xué)意義。Folkman等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可以抑制毛細血管的正常生長和再生，也可促使已生長的毛細血管退化。長期大劑量使用糖皮質(zhì)激素可損傷血管內(nèi)皮細胞，也可使其快速退化、閉合[13]。此外，Motomura等[14]報道使用激素和酒精誘導(dǎo)的骨壞死病理結(jié)果相似，這也間接證明了本研究結(jié)果是正確的。大劑量使用激素后，股骨頭毛細血管密度降低，股骨頭血流量也隨之下降。股骨頭毛細血管密度降低是股骨頭血流量下降至關(guān)重要的原因[13]，這也可能是骨壞死的早期階段。

Emax主要與血管外組織間隙容積(extravascular extracellular space，EES)相關(guān)[11，15]，Emax越大即表示組織的間隙容積越大。本組研究結(jié)果顯示，股骨頭壞死高危人群中股骨頭Emax較正常人Emax明顯下降且差異有統(tǒng)計學(xué)意義；骨髓內(nèi)脂肪主要是來源于骨髓間充質(zhì)干細胞的分化[16]。體外研究結(jié)果顯示，大劑量的類固醇激素及酒精導(dǎo)致骨髓微環(huán)境的病理改變主要是骨髓間充質(zhì)干細胞的成脂能力提高[16-18]，故而組織間隙脂肪細胞數(shù)量及體積增加并最終導(dǎo)致組織EES下降，骨髓間充質(zhì)干細胞成脂能力的提高與激素性及酒精性骨壞死密切相關(guān)[19]。

本研究TTP較股骨頭正常組長，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義。筆者分析原因可能是脂肪細胞體積增大可能會壓迫毛細血管床[20]，導(dǎo)致骨髓腔中靜水壓增加，從而限制了血液流動[21]，故而微循環(huán)灌注時間延長。

3.2 正常股骨頭不同負重區(qū)ROI血流灌注的異質(zhì)性

已有文獻報道，髖部不同組成骨紅黃骨髓髓內(nèi)血流灌注的異質(zhì)性[5，22-25]，但利用半定量DCE-MRI參數(shù)評價股骨頭不同機械負荷區(qū)血流灌注的相關(guān)研究卻未見報道，了解骨髓微血管的性質(zhì)將有助于更好地理解骨代謝[5]。

Lane等[26]報道，股骨頭最大負重區(qū)軟骨下骨毛細血管密度較其他區(qū)域增加25%，這與本研究基本相符，本研究中發(fā)現(xiàn)正常人股骨頭負重區(qū)fEmax大于非負重區(qū)fEmax，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義。Farkas等[27]也在兔的實驗中發(fā)現(xiàn)，以50 ms負荷距跟關(guān)節(jié)軟骨下骨，6周后觀察到骨量增加10%以及小血管數(shù)目明顯增加，這也間接證明了本研究結(jié)果是正確的。股骨頭也可通過內(nèi)分泌的刺激來調(diào)節(jié)組織的微血管化[28]，筆者分析原因可能髖關(guān)節(jié)是承重關(guān)節(jié)，有可能是機械負荷與組織微血管之間的聯(lián)系導(dǎo)致股骨頭血流灌注的異質(zhì)性。

紅骨髓含有較多竇狀毛細血管且管徑較粗，而黃骨髓毛細血管管徑與其他組織毛細血管管徑無明顯差異，且數(shù)量較紅骨髓所含竇狀毛細血管明顯減少。近年來，關(guān)于DCE-MRI在髖關(guān)節(jié)骨髓的研究中已經(jīng)表明，紅骨髓與黃骨髓灌注參數(shù)有較大差別[5，25]。20歲以后股骨頭內(nèi)主要分布的是黃骨髓，較主要含有紅骨髓的髖臼的fEmax明顯降低。Niu等[29]研究表明股骨頭fEmax雖較低，但其Emax較fEmax明顯升高，約是fEmax的2倍，這與本研究基本相符。本研究中正常人群股骨頭不同ROI的Emax較fEmax明顯高，約是其2倍。生理狀態(tài)下，股骨頭毛細血管密度雖較低，各種新陳代謝以及細胞活力的維持可能與股骨頭有相對較大的EES有關(guān)[29]。

本研究中正常人股骨頭內(nèi)不同ROI間TTP差異無統(tǒng)計學(xué)意義，這與Budzik等[5]的研究結(jié)果相近。

本研究尚存在一定的局限性。首先，本研究所有ROI均為手動勾畫，可能會存在一定的人為主觀性；所有ROI只是選擇一個平面而不是三維的勾畫；另外，本研究樣本量偏少，對研究結(jié)果會存在一定影響；再者，本研究缺乏所納入實驗組的臨床隨訪及相關(guān)的病理學(xué)支持。

總之，正常人股骨頭不同負重區(qū)的血流灌注具有異質(zhì)性，股骨頭負重區(qū)血流灌注較其他ROI血流灌注較多。此外，大劑量使用類固醇激素及大量飲酒者高危人群，股骨頭血流灌注量小于健康人，但灌注時間較正常股骨頭長，存在血流瘀滯現(xiàn)象。因此，DCE-MRI參數(shù)可用于評價股骨頭微循環(huán)變化情況，有助于對超早期股骨頭壞死的篩選，可應(yīng)用于指導(dǎo)臨床進行早期預(yù)防股骨頭壞死發(fā)生。

利益沖突：無。