MRI集成序列在強直性脊柱炎骶髂關節病變活動性評估中的診斷價值

田兆榮，張莉萍，田博，池淑紅，王晶，徐奮玲，王志軍，龔瑞*

作者單位：1.寧夏醫科大學總醫院放射科，銀川 750001；2.寧夏醫科大學總醫院風濕科，銀川 750001；3.寧夏石嘴山市第三人民醫院放射科，石嘴山 750002；4.寧夏醫科大學，銀川 750001

0 前言

強直性脊柱炎（ankylosing spondylitis, AS）是一種血清陰性的慢性炎癥性風濕性疾病，好發于青壯年，主要累及中軸骨骼（骶髂關節和脊柱）[1]，通常以骶髂關節炎為首發，后期可發展為脊柱僵硬強直。有研究表明AS活動性的頻繁出現是預后不良的危險因素，因此，早期監測AS 的活動性，及早有效治療能阻斷炎癥的進展從而防止關節骨性結構的破壞[2-3]，提高患者的生活質量，減少致殘率。迄今還沒有衡量AS 疾病活動性的“金標準”[4]。目前，AS 疾病活動性的臨床評估主要依賴于紅細胞沉降率（erythrocyte sedimentation rate, ESR）、C反應蛋白（C-reactive protein, CRP）水平和半定量Bath強直性脊柱炎疾病活動指數（Bath Ankylosing Spondylitis Disease Activity Index, BASDAI）評分[5]，但是存在較大的變異性。因此，尋求一種快速無創的方法評估AS活動性對于早期治療至關重要。

骶髂關節炎是AS最重要的臨床表現[6]，其病理改變為關節軟骨侵蝕和骨髓水腫。MRI 對活動性骶髂關節炎骨髓水腫的診斷具有較高的特異性和敏感性[7]。目前，用于檢測AS骶髂關節炎活動性的定量技術較多，如T2 mapping、彌散加權成像（diffusion weighted imaing, DWI）和動態對比增強（dynamic contrast enhanced, DCE）等。然而，T2 mapping 因掃描時間長、可重復性差仍未廣泛應用；DWI 的表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient,ADC）雖對AS 骶髂關節活動性具有一定價值[8]，但漏診率較高且不能單獨用于臨床診斷；DCE 需應用對比劑而不被患者普遍接受。MRI 集成（magnetic resonanceimage compilation, MAGiC）是一種非侵入性的定量技術，一次掃描可獲得多組對比圖像和定 量 圖 像，計 算 出T1、T2、質 子 密 度（proton density, PD）值[9]，實現了差異化組織成分定量，獲得基于人體組織成分的量化信息，能可視化AS 骶髂關節活動性和結構性病變[10-11]。MAGiC 序列已應用于中樞神經系統、乳腺和前列腺方面[12-13]，但在骨肌系統的應用較少，國內還沒有利用MAGiC序列評估骶髂關節炎活動性的報道。本研究首次利用MAGiC 參數定量評估AS 骶髂關節活動性，為臨床及早診療提供量化指標；并評價MAGiC 序列定量參數與BASDAI 和加拿大脊柱關節炎研究聯盟（SPARCC）評分的相關性。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究遵守《赫爾辛基宣言》原則，經過寧夏醫科大學總醫院醫學科研倫理審查委員會批準，免除受試者知情同意，批準號：2020-657?；仡櫺苑治鰧幭尼t科大學總醫院2021年1月至2023年6月的AS患者病例及同期健康體檢者的臨床及影像資料。病例組納入標準：（1）符合AS[12]診斷標準且行MRI 檢查的患者；（2）在MRI檢查前1周接受ESR、CRP和人類白細胞抗原（human leucocyte antigen, HLA）-B27檢測。病例組排除標準：（1）有基礎疾病者（如骶髂關節外傷、手術史，嚴重感染或身體其他部位的惡性腫瘤）；（2）MRI 檢查前接受相關免疫治療者；（3）圖像信噪比差不能進行數據分析。根據ASDAS評分和CRP將患者分為活動組和非活動組，非活動組ASDAS-CRP＜1.3；活動組ASDAS-CRP≥1.3[14]。對照組為健康體檢者。對照組納入標準：（1）無AS 家族史；（2）無下腰痛史；（3）血沉、CRP 等實驗室檢測結果無異常，HLA-B27 陰性。對照組排除標準：有骶髂關節基礎疾病者。

1.2 磁共振檢查

采用GE SIGNA Architect 3.0 T 掃描儀（美國通用電氣醫療公司，芝加哥，美國）和32 通道體相控陣線圈。所有受試者均取仰臥位，頭先進。定位時線圈中心與兩側髂前上棘的連線中點重合。所有序列均在平行于骶骨平面的斜冠狀面掃描獲得。掃描序列包括T1WI、脂肪抑制T2WI（fat-saturated T2WI, FS-T2WI）和MAGiC。T1WI序列參數：TR 415 ms，TE Min Full，FOV 280 mm×280 mm，NEX 2，層 厚4 mm，層間距1 mm，矩陣320×256；FS-T2WI 序列參數：TR 3671 ms，TE 59.7 ms，FOV 280 mm×280 mm，NEX 2，層厚4 mm，層間距1 mm，矩陣288×224；MAGiC序列參數：TR 4000 ms，TE 18.5 ms，FOV 280 mm×280 mm，NEX 1，層厚4 mm，矩陣384×256。

1.3 BASDAI評分

兩名風濕科醫師（一名有5年工作經驗的主治醫師，另一名有15 年工作經驗的副主任醫師）采用BASDAI 評分法分別對患者過去一周的癥狀進行評估，以兩名醫師評分平均值作為最終BASDAI 評分結果。BASDAI 評價內容包括疲乏、外周關節痛、脊柱痛、局部壓痛、晨僵程度、晨僵時間等6 個問題組成，讓患者回答過去1周的癥狀。前5個問題用10 cm視覺模擬評分法（visual analogue scale, VAS）完成，最高得10 分，最后1 個問題根據晨僵時間長短進行評分。晨僵時間為無、30、60、90 和120 分鐘以上，分別得0、2.5、5、7.5 和10 分?？傇u分為各項的平均得分，但第5和第6個問題均為晨僵，故先把這2項的得分相加除2 而得出平均分，再作為1 項與前4 項結合而得出平均分。BASDAI 總分最高為60 分，轉換為BASDAI總分0～10分，轉換公式：0.2×[疲乏評分+外周關節痛評分+脊柱痛評分+局部壓痛評分+（晨僵程度評分+晨僵時間評分）/2]，得分越高，病情越活動，一般＞4分提示病情活動。

1.4 SPARCC評分

兩名有骨骼肌肉系統MRI 經驗的醫生（一名有5年工作經驗的主治醫師，另一名有15年工作經驗的副主任醫師）在不知道分組結果的情況下，以雙盲方式獨立對圖像進行評分。兩名醫生評分的平均值作為最終得分。骶髂關節采用斜冠狀位FS-T2WI 序列掃描[15]，共12 層，中間6 層進行評分。將每層骶髂關節兩側分為4 個象限（每層兩側共8 個區域，6 層共48個區域）。評分標準：該區域有骨髓水腫為1分，無骨髓水腫為0 分，總分最高48 分；水腫嚴重程度，當一側骶髂關節同一層的骨髓水腫信號強度接近或高于同層面的靜脈信號強度時，評分為1 分，水腫嚴重程度的最高總評分為12分；水腫深度，一側骶髂關節病變深度每增加1 cm 評分加1 分，最大水腫深度總評分為12 分。三者得分之和為SPARCC 得分，SPARCC得分最高為72分。

1.5 圖像后處理及數據測量

上述兩名醫師在不知道分組結果的情況下，分別以雙盲的方式讀取圖像，于GE 主機MAGiC 軟件包重建T1 mapping、T2 mapping 和PD 定量圖以及相應MAGiC T1WI 及（short time inversion recovery,STIR）圖像。并在MAGiC定量圖像上手動勾畫感興趣區域（region of interest, ROI）。每名醫師在每幅圖像上勾畫出三個ROI 進行測量，并計算其平均值，將兩名醫師的平均值作為最終的測量結果。在勾畫ROI 時，應該避開血管，皮質骨，囊變及骨質硬化區?；顒咏MROI 大小根據病變范圍進行調整，盡可能在水腫面積最大的層面選擇ROI。如果同一患者出現多個病灶，則測量所有病灶，取平均值。非活動組和健康對照組，分別測量兩側骶髂關節的骶側和髂側軟骨下骨髓T1、T2 和PD 值。每側分為上、下兩區，骶髂關節兩側共8 個區。取平均值作為最終結果。

1.6 統計學分析

所有數據采用SPSS 22.0 軟件進行統計分析。采用組內相關系數（intra-class correlation coefficient, ICC）評價2 名醫師測量值的一致性，ICC 值大于0.80 認為測量結果一致性較好。計量資料采用Kolmogorov-Smirnov 進行正態性檢驗，符合正態分布的用均值±標準差（）表示，不符合正態分布的用中位數（四分位數間距）表示。采用單因素方差分析比較活動組、非活動組和健康組的T1、T2和PD 值。采用受試者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲線分析T1、T2 和PD 值對AS骶髂關節活動性的診斷效果。使用Spearman相關分析檢驗活動組T1、T2、PD 值與BASDAI 和SPARCC 評分的相關性。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 入組受試者的一般資料比較和MRI特征

共 納 入78 例AS 患 者，男40 例，女38 例，年 齡14～45 歲（24.80±7.30）歲，病程6 個月～6 年。其中：活動組40例，非活動組38例。健康志愿者35例，男17 例，女18 例，年齡18～44（26.80±7.10）歲。三組間年齡、性別差異無統計學意義（P＞0.05）（表1）。

表1 健康對照組、AS活動組和非活動組基本資料比較Tab.1 Comparison of clinical characteristics between active and inactive groups and control group

活動組患者均在骶髂關節MRI上出現不同程度、不同大小的軟骨下骨髓水腫，部分病變表現為雙側骶髂關節軟骨下骨髓水腫。非活動組病變多表現為骶髂關節軟骨下骨質破壞，部分病變表現為骶髂關節骨質硬化或脂肪沉積。（圖1～3）

圖1 男，32 歲，AS 患者活動期。1A：軸位FS-T2WI 序列示右側骶髂關節軟骨面下骨髓呈高信號；1B：T1WI 軸位示右側骶髂關節軟骨面下低信號；1C：斜冠狀位FS-T2WI 序列示右側骶髂關節軟骨面下骨髓呈高信號；1D：T1WI斜冠狀位示右側骶髂關節軟骨面下骨髓低信號。Fig.1 A 32-year-old male with ankylosing spondylitis is active.1A: T2WI axial fat suppression sequences shows the sub facial bone marrow of the right sacroiliac articular cartilage shows high signal; 1B: T1WI axial position shows low signal below the surface of the right sacroiliac articular cartilage; 1C: Oblique coronal FS-T2WI sequence shows a high signal in the subfacial bone marrow of the right sacroiliac joint cartilage; 1D: The oblique coronal position of T1WI shows low bone marrow signal below the surface of the cartilage of the right sacroiliac joint.

圖3 男，35歲，AS 患者活動期與非活動期并存。3A：雙側骶髂關節分區及ROI勾畫示意圖；3B：T1WI斜冠狀位示雙側骶髂關節軟骨下骨髓脂肪沉積呈明顯高信號；3C：FS-T2WI斜冠狀位示雙側骶髂關節軟骨下骨髓呈低信號，左側骶髂關節髂骨面見斑片狀高信號區（箭），提示活動性；3D：T1 mapping偽彩圖示雙側骶髂關節軟骨下骨髓T1值約730 ms；3E：T2 mapping偽彩圖示雙側骶髂關節軟骨面下骨髓T2值約93 ms，其中左側骶髂關節髂骨面T2值約112 ms；3F：PD mapping偽彩圖示雙側骶髂關節軟骨面下骨髓脂肪沉積及左側骶髂關節髂骨面骨髓水腫。AS：強直性脊柱炎；FS：脂肪抑制；ROI：感興趣區；PD：質子密度。Fig.3 A 35-year-old man with ankylosing spondylitis with both active and inactive phases.3A: Bilateral sacroiliac joint zoning and ROI sketch; 3B: The oblique coronal position of T1WI shows significantly high signal of subchondral bone marrow fat deposition in both sacroiliac joints; 3C:The oblique coronal position of FS-T2WI shows low signal in the subchondral bone marrow of both sacroiliac joints, patchy high signal area on the iliac surface of the left sacroiliac joint (arrow), cue activity; 3D: Pseudo-color T1 mapping shows that the T1 value of subchondral bone marrow in bilateral sacroiliac joint is about 730 ms; 3E:Pseudo-color T2 mapping shows that the T2 value of subfacial bone marrow in bilateral sacroiliac joint cartilage is about 93 ms.The T2 value of the iliac surface of the left sacroiliac joint is about 112 ms; 3F: Pseudocolor PD mapping shows bone marrow fat deposition under the cartilage surface of the sacroiliac joint on both sides and bone marrow edema on the iliac surface of the left sacroiliac joint.AS: ankylosing spondylitis; FS: fat-saturated; ROI: region of interest; PD: proton density.

2.2 觀察者間測量值可重復性分析

活動組、非活動組和健康對照組間T1、T2 和PD值的觀察者間一致性較好（表2）。

表2 觀察者間測量AS活動組、非活動組和健康對照組間T1、T2及PD值一致性檢驗Tab.2 ICC values of T1, T2, and PD between active and inactive groups and control groups measurements by observers

2.3 組間MAGiC定量參數比較

AS活動組骶髂關節軟骨下骨髓T1值低于非活動組和健康對照組；AS 活動組骶髂關節軟骨下骨髓T2 值高于非活動期組和健康對照組；AS 活動組骶髂關節軟骨下骨髓PD 值高于非活動組和健康對照組，差異均有統計學意義（P＜0.001），詳見表3、圖4。

圖4 強直性脊柱炎患者活動組、非活動組和健康對照組間MRI 集成序列定量參數T1、T2、質子密度（PD）值比較的箱形圖。Fig.4 Boxplots for comparison of the average T1、T2 value and proton density (PD) value among the three groups.

表3 AS活動組、非活動組及健康對照組間MAGiC定量參數比較Tab.3 Comparisons of different MAGiC parameters in active and inactive groups and control groups

2.4 MAGiC定量參數診斷效能

ROC 曲線分析結果表明（圖5），MAGiC 定量參數T1、T2、PD 值診斷AS 患者骶髂關節病變活動性的曲線下面積（area under the curve, AUC）分別為0.965（95%CI：0.949～0.991）、0.981（95%CI：0.970～0.998）、0.840（95%CI：0.842～0.923）；敏感 度 分 別 為0.888（95%CI：0.819～0.937）、0.952（95%CI：0.898～0.928）、0.704（95%CI：0.616～0.782）；特 異 度 分 別 為0.985（95%CI：0.946～0.998）、0.969（95%CI：0.924～0.992）、0.932（95%CI：0.959～0.998）。

圖5 MRI 集成序列定量參數評估強直性脊柱炎活動期的受試者工作特征曲線。PD：質子密度；AUC：曲線下面積。Fig.5 Receiver operating characteristic curves of the T1、T2 and PD values for differentiating between the active and inactive groups.PD: proton density; AUC: area under the curve.

2.5 MAGiC 定量參數與BASDAI 和SPARCC 評分的相關性

活動組AS 骶髂關節軟骨下骨髓的T1、T2、PD 值與BASDAI 評分呈高度相關（r=-0.771、0.914、0.846，P均＜0.001）；與SPARCC評分呈高度相關（r=-0.924、0.915、0.938，P均＜0.001）（圖6）。

圖6 強直性脊柱炎患者活動期骶髂關節軟骨下骨髓T1、T2、PD 值與BASDAI評分和SPARCC評分的相關性。PD：質子密度；BASDAI：Bath強直性脊柱炎疾病活動指數；SPARCC：加拿大脊柱關節炎研究聯盟。Fig.6 Correlation of T1 values, T2 values and PD values of the AS patients with the BASDAI scores and SPARCC scores.BASDAI: Bath Ankylosing Spondylitis Disease Activity Index; SPARCC: Spondyloarthritis Research Consortium of Canada.

3 討論

本研究主要采用MAGiC 定量參數對AS 患者骶髂關節病變進行定量分析，結果顯示MAGiC 定量參數T1、T2 和PD 值能鑒別骶髂關節炎的活動性與非活動性，驗證了使用MAGiC 定量參數評估AS 患者活動性和非活動性骶髂關節炎的可行性，且MAGiC定量參數與臨床評分評估疾病活動性之間存在顯著相關。本研究評估了MAGiC 序列作為一種新的定量成像方法檢測和定量評估骶髂關節病變的潛力。在國內首次利用MAGiC 序列定量評估AS 骶髂關節炎活動性，進而為臨床及早有效治療提供影像學依據。

3.1 AS患者活動組、非活動組與健康對照組間MAGiC定量參數比較

AS 引起的骶髂關節炎病理改變較為復雜，當患者處于活動期時，炎癥細胞的浸潤和骨髓血管翳的侵入導致炎癥因子被激活，血清和血液從毛細血管向骨髓腔的灌注量增加，相應微血管結構遭到破壞，毛細血管通透性增加導致骨髓水腫[16-18]。有研究證明[19-20]骨髓水腫是骨質破壞的標志，并且能反映炎癥的活動性。然而常規MRI 序列只能從宏觀水含量的角度診斷骨髓水腫[21]，對于骶髂關節炎癥活動期的微觀變化無法量化，存在局限性。本研究MAGiC序列以先定量后成像的優勢，通過監測骶髂關節軟骨下骨髓T1、T2和PD值的變化間接評估AS骶髂關節病變的微觀改變。

本研究結果顯示，AS 活動組骶髂關節軟骨下骨髓的T1 值低于非活動組和健康對照組。MAGiC 序列中T1 mapping反映組織中水和細胞外基質分子間慢頻率的相互作用，T1 mapping 中的T1 值是組織大分子濃度、結合水及組織含水量的生物標志物，不受膠原排列方向的影響，既往用于對心肌組織水腫和纖維化程度進行定量[22]。本研究結果證明T1 值能對骶髂關節軟骨下骨髓水腫程度進行定量，通過檢測組織中水分子的微小變化，定量評估AS 骶髂關節軟骨下骨髓水腫程度，可反映骨髓內在的特性和水含量的變化[23-24]。T1 值在骨髓水腫的診斷效能中具有很好的敏感性和特異性，與俞順[25]等的研究相近。另外，本結果發現AS 活動組骶髂關節軟骨下骨髓的T2 值和PD 值均高于非活動組和健康對照組，即活動組軟骨下骨髓水分子的含量和運動量均高于非活動組。AS 骶髂關節炎活動期是由于病變組織血管過多、灌注過多及水外滲作用等導致骨組織水分過多而出現的異常MRI 信號，MAGiC 序列中T2 mapping 可以檢測水分子、膠原含量和組織各向異性的變化，T2 值能定量反映組織中含水量的變化，是評價早期關節軟骨變性的敏感參數。而PD mapping可以反映組織中的游離水含量[26]。AS 活動組骶髂關節軟骨下骨髓T2值和PD值升高一方面可能是骨髓[27]中單核細胞和淋巴細胞炎性滲出增多所致，另一方面可能與骶髂關節炎存在的標志性特征信號強度有關，信號越強，越有可能反映活躍的炎癥[28]。有研究[29]證實AS是始于軟骨-骨交界面（軟骨下骨髓）的炎癥，這些病變被認為與軟骨—骨交界處潛在的病理生理過程有關。本研究結果也表明，AS 骶髂關節相應部位的軟骨可能存在損傷。從本研究結果看，AS 非活動組骶髂關節軟骨下骨髓T2、PD值高于健康對照組，這是因為在AS 的非活動期，急性炎癥消退后，骨髓水腫減少，骨髓脂肪含量開始增加。兩種行為的綜合作用最終表現為非活動組T2 值和PD 值高于健康對照組。骶髂關節炎癥消退后骨髓脂肪含量的增加反映了AS[30-31]發展的關鍵階段。我們的結果從影像學的角度也反映了這種病理改變，因此MAGiC定量參數是臨床評估AS嚴重程度的重要定量指標。

3.2 MAGiC 定量參數對AS 患者骶髂關節活動性的診斷效能評估

本研究采用ROC 曲線評估MAGiC 定量參數T1、T2、PD 值在區分AS 骶髂關節活動組與非活動組方面的診斷效能。結果顯示，T1、T2、PD 值在鑒別AS 骶髂關節炎活動性的診斷效能均較高，其中T2 值的診斷效能最高，這可能是因為MAGiC 序列中T2 mapping受周圍組織環境的影響較小，其T2 值能客觀反映骨髓水腫區的水含量和運動情況。T1 mapping的T1值較為獨立，不依賴于參考組織的信號強度，也不受膠原排列方向的影響，直觀反映骶髂關節軟骨下骨髓內的結合水以及組織的含水量，因此也表現出了較高的診斷效能。而PD 值診斷效能相對較低，究其原因可能是PD mapping 中的PD 值反映的是組織中的游離水含量，容易受外界環境以及骶髂關節炎骨髓水腫程度和炎癥因子浸潤程度的影響，因此其敏感性略低。

3.3 AS 患者活動組MAGiC 定量參數與BASDAI 和SPARCC評分的相關性分析

SPARCC 評分系統是一種用于評估骶髂關節炎活動的MRI 評分系統。BRADBURY 等[32]和MORBéE 等[33]表明SPARCC 評分系統在評估AS 患者的疾病活動性或治療反應時可以提供重要信息。BASDAI 是GARRETT等[34]提出的一種評估AS 患者病情的量表，該指標具有較高的可靠性和敏感度，能全面反映AS 患者的病情。本研究顯示T2 值和PD 值與AS 的影像評分（SPARCC 評分）和臨床評分（BASDAI）均有較強的正相關，這與以往的研究結果相近[35-36]。因此，MAGiC序列定量參數可以作為評價AS骶髂關節病變活動性的影像學指標；影像定量指標與臨床密切相關，這有助于監測AS患者的臨床反應。

3.4 本研究的局限性

本研究有以下局限性。首先，由于大多數AS 病例的臨床診斷沒有活檢支持，缺乏作為對照的組織病理學結果；其次，MAGiC 序列在骶髂關節軟骨下骨侵蝕和軟骨破壞的應用有限，在未來的研究中，我們將對MAGiC序列進行優化，進一步擴大樣本量。

4 結論

綜上所述，MAGiC序列定量參數可定量評估AS的活動性，能提供有效量化指標，尤其是T2值可以作為骶髂關節炎活動性的生物學標志物，為臨床診斷提供影像學依據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：龔瑞設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了修改；田兆榮起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的數據；張莉萍、田博、池淑紅，王晶、徐奮玲、王志軍獲取、分析或解釋本研究的數據，對稿件重要內容進行了修改；田兆榮獲得了寧夏回族自治區重點研發計劃基金資助；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。