股骨头坏死磁共振灌注参数与ARCO分期的相关性

张海平ZHANG Haiping

敖国昆2AO Guokun

袁小东2YUAN Xiaodong

杨素君3YANG Sujun

杨 艳2YANG Yan

吴 涛2WU Tao

石清磊4SHI Qinglei

股骨头坏死磁共振灌注参数与ARCO分期的相关性

张海平1ZHANG Haiping

敖国昆2AO Guokun

袁小东2YUAN Xiaodong

杨素君3YANG Sujun

杨 艳2YANG Yan

吴 涛2WU Tao

石清磊4SHI Qinglei

作者单位

1.河北北方学院 河北张家口 075000

2.解放军第309医院放射科 北京 100091

3.邯郸市中心医院CT/MRI室 河北邯郸056001

4.西门子（中国）有限公司磁共振产品事业部北京 100102

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷 第4期：316-320

Chinese Journal of Medical Imaging

2016 Volume 24 （4）： 316-320

目的 探讨股骨头坏死（ANFH）不同病变阶段的MR灌注特征，分析初始时间-浓度曲线下面积（iAUC）、转运常数（Ktrans）与国际骨循环研究会（ARCO）分期的相关性。资料与方法 前瞻性纳入20例健康志愿者（对照组）及45例ANFH初治患者，行MR灌注加权成像（PWI）检查和ARCO分期评估，比较对照组与ANFH组ARCO I期、II期、III期、IV期的iAUC值和Ktrans值，分析ARCO分期与iAUC、Ktrans值的相关性。结果 ANFH组83侧股骨头中，I期18侧，II期20侧，III期21侧，IV期24侧。对照组、I期、II期、III期、IV期的iAUC值比较差异有统计学意义（F=77.520，P＜0.001），除I期与IV期差异无统计学意义（P＞0.05）外，其余两两比较差异均有统计学意义（P＜0.05）。对照组、I期、II期、III期、IV期的Ktrans值比较差异有统计学意义（F=23.935，P＜0.001），对照组Ktrans值与I期、II期、III期、IV期比较差异有统计学意义（P＜0.001）。对照组、I期、II期、III期、IV期与iAUC值、Ktrans值呈正相关（r=0.612、0.557，P＜0.001），其中对照组、I期、II期、III期与iAUC值、Ktrans值呈显著正相关（r=0.906、0.854，P＜0.01）。结论 PWI可以评估ANFH不同病程阶段的灌注特征，且iAUC、Ktrans值与ARCO分期有较高的相关性，是反映ANFH不同病变阶段血流灌注的重要指标，可为ANFH血流动力学的临床研究提供影像学依据。

股骨头坏死；磁共振成像；灌注加权成像；ARCO分期

股骨头坏死（avascular necrosis of the femoral head，ANFH）是骨关节中较常见的疾病之一，其发病原因多样，且病情发展快、修复治疗时间长、难度大，若早期得不到治疗控制，随着病情恶化，将会导致股骨头塌陷，甚至全髋关节置换［1-2］。目前临床上多采用国际骨循环研究会（the association research circulation osseous，ARCO）制订的标准对ANFH进行分期，其以MRI和X线形态学改变为依据，但不能反映ANFH病变在活体状态下的功能情况。磁共振灌注加权成像（magnetic resonance perfusion weighted imaging，MR PWI）是通过观察组织内部血流的灌注情况，评估组织血管功能状态的一种影像技术，可反映活体ANFH内部血循环情况，目前已应用于骨及骨髓的血流灌注研究中［3］。本研究应用PWI定量评估活体状态下股骨头血液动力学的变化情况，评价股骨头微循环的灌注状态，旨在揭示不同分期ANFH的血流动力学特征，为临床治疗方案的选择提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2014年3月—2015年7月解放军第309医院经X线、MRI及临床证实为ANFH的45例患者（共83侧股骨头），其中男33例，女12例；年龄13～71岁，中位年龄45岁。在治疗前行X线、MRI检查和ARCO分期。排除标准：①关节感染及外伤所致的ANFH 者；②检查前行放射治疗、化学药物治疗及肝肾功能不全者。所有ANFH患者均无MRI检查禁忌证。同期招募20例股骨头无明显异常的志愿者（共36侧股骨头）作为对照组，其中男14例，女6例；年龄25～66岁，中位年龄41岁。本研究经我院医学伦理委员会批准，所有志愿者与患者均知情同意。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0T超导MRI系统，Body 18 A 3T Tim Coil。所有受检者均取仰卧位，头先进，行MR髋关节常规平扫及灌注扫描。常规平扫序列：轴位T1WI：TR 868 ms，TE 10 ms，视野（FOV）330 mm，层厚3.5 mm，层数20，激励次数（NEX）1；轴位T2WI序列：TR 3600 ms，TE 77 ms，FOV 330 mm，层厚3.5 mm，层数20，NEX 2；冠状位T2WI抑脂序列：TR 2300 ms，TE 33 ms，FOV 380 mm，层厚3.5 mm，层数19，NEX 1。PWI序列扫描包括T1原始图（T1map图）与T1连续强化序列扫描，T1map图扫描采用多翻转角技术：TR 4.09 ms，TE 1.39 ms，FOV 330 mm，层厚3.5 mm，NEX 1，翻转角2°/15°；T1连续强化序列扫描为动态轴位T1WITWIST序列：TR 4.83 ms，TE 1.87 ms，层厚3.5 mm，FOV 330 mm，NEX 1，翻转角12°；扫描75个时相，采集20幅图像，时间326 s，生成75×20=1500幅灌注图像。在灌注扫描第5个时相，采用Ulrich Medical造影注射器经肘前静脉注射对比剂马根维显，注射速度2.5 ml/s，剂量0.2 mmol/kg，然后用15 ml生理盐水冲管。1.3 图像后处理 将PWI原始数据传输至Siemens Skyra工作站，Tissue 4D软件包，定量分析动力模型Tofts。图像后处理过程：①对图像进行运动校正，消除体位移动或脏器活动引起的错位；②配准图像，为更好地结合形态图像和动态图像观察病变；③曲线计算，选择病变最大层面绘制感兴趣区（ROI），尽量避开完全坏死、囊变及正常组织；生成时间-对比剂浓度曲线；④预评估；⑤药代动力学评估，生成初始的时间-浓度曲线下面积（initial area under the time-concentration curve，iAUC）、转运常数（transfer rate constant，Ktrans）参数伪彩图，自动计算ROI的iAUC、Ktrans值。所有数据由2名放射科主治医师独立测量。

1.4 图像分析 由2名放射科副主任医师根据文献［4］对ANFH进行分期，意见不一致时协商统一。I期：X线检查正常，MRI和（或）骨核素扫描可发现；II期：X线为阳性，股骨头无塌陷、髋臼无改变；III期：X线表现为新月征，股骨头塌陷；IV期：股骨头变扁，髋关节退行性改变，髋臼受累，关节间隙变窄，关节面毛糙。

1.5 统计学方法 采用SPSS 16.0软件，采用方差分析比较对照组、ANFH的I期、II期、III期、IV期iAUC、Ktrans值，采用Spearman法分析ARCO分期与iAUC、Ktrans值的相关性，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 ARCO分期 ANFH组83侧股骨头中，I期18侧，II期20侧，III期21侧，IV期24侧。

2.2 对照组与各ARCO分期组的iAUC、Ktrans值比较对照组与ARCO各分期的iAUC、Ktrans值见表1、图1。对照组、ANFH I期、II期、III期、IV期的iAUC值比较差异有统计学意义（F=77.520，P＜0.001），各指标两两比较除I期与IV期差异无统计学意义外（P＞0.05），其余差异均有统计学意义（P＜0.001）。对照组、ANFH I期、II期、III期、IV期的Ktrans值比较差异有统计学意义（F=23.935，P＜0.001），对照组与I期、II期、III期、IV期的Ktrans值差异有统计学意义（P＜0.001），I期、II期、III期间差异无统计学意义（P＞0.05）。对照组及各ARCO分期组灌注成像见图2～5，灌注伪彩图可直观显示股骨头灌注状态。

表1 对照组与ANFH 各分期组灌注参数值比较

图1 对照组与ARCO各分期iAUC值（A）、Ktrans值（B）箱式图。对照组、I期、II期、III期的iAUC、Ktrans值呈逐渐上升趋势，IV期明显下降

图2 男，45岁，健康志愿者。A为iAUC值参数图，左、右侧股骨头iAUC值分别为0.770、0.785；B为Ktrans值参数图，Ktrans值分别为0.009/min、0.008/min；C为T1原始图

图3 男，42岁，左、右侧股骨头分别为ANFH I期、II期。A为iAUC值参数图，左、右侧股骨头病变区iAUC值分别为5.170、10.862；B为Ktrans值参数图，Ktrans值分别为0.056/min、0.082/min；C为T1原始图

图4 男，40岁，左侧股骨头为ANFH III期，右侧正常。A为iAUC值参数图，左侧股骨头病变区iAUC值为23.562；B为Ktrans值参数图，Ktrans值为0.145/min；C为T1原始图

图5 女，35岁，左、右侧股骨头分别为ANFH II期、IV期。A为iAUC值参数图，左、右侧iAUC值分别为14.477、7.849；B为Ktrans值参数图，Ktrans值分别为0.107/min、0.054/min；C为T1原始图

2.3 对照组与各ARCO分期组iAUC、Ktrans值的相关分析 对照组、I期、II期、III期、IV期与iAUC值、Ktrans值呈正相关（r=0.612、0.557，P＜0.001），其中对照组、I期、II期、III期与iAUC值、Ktrans值呈显著正相关（r=0.906、0.854，P＜0.01）。

3 讨论

ANFH是骨关节中比较常见的疾病之一，多发生于青壮年，发病机制多样［5］，主要为股骨头血液循环障碍，病理过程主要是微血管损伤及血流动力学改变。MR PWI技术具有无创性、多参数、多方位、反复检查等优势，能够在活体状态下评估ANFH内部血流灌注状况［3］。

3.1 MRI灌注原理及常用模型 MR PWI技术可以获得对比剂首次通过受检组织前、通过中和通过后一段时间内的一系列动态图像。对比剂第1次通过期间，主要存在于血管内，血管外极少，血管内外浓度梯度最大，信号的变化受扩散因素影响小，故能反映组织的血流灌注情况［6-7］，灌注效应的病理基础是股骨头病变区血管数量及血管功能的改变，组织强化程度与其血流量大小、血管密度、毛细血管通透性、毛细血管表面积及血管外细胞外间隙的大小等因素有关［8-9］，可通过多种方法对靶组织进行分析。

本研究应用双室药代动力学模型［10］，通过对比剂流经股骨头时信号强度的变化计算出股骨头内对比剂浓度的变化，能够对股骨头的血流信息进行定量分析。本研究选择稳定性较好的2个参数对ANFH血流灌注状态进行分析：①iAUC为动态增强时间-浓度曲线下的面积，表示对比剂注入后起始60 s内的时间-浓度曲线下面积，虽然iAUC属于半定量参数，但其不仅能反映组织的血供，还能反映对比剂进入、流出的速度及总量；②Ktrans代表对比剂从血管内扩散到血管外细胞外间隙（extra-vascular extracellular space，EES）的速度，取值介于0～1之间，单位为/min，主要受渗透率及血流影响，Ktrans=EFp，其中E 为渗透率，Fp为血浆灌流量。

3.2 MRI灌注技术在ANFH中的应用 Kawamoto等［11］通过研究兔股骨头非创伤性缺血坏死模型，发现ANFH的组织学改变与MR灌注相关；Mueller等［12］认为MR灌注成像可补充ANFH相关的病理生理学信息。既往研究［13-15］发现缺血坏死的股骨头呈高灌注状态，比正常的股骨头强化程度高，本研究ANFH的股骨头呈高灌注状态的结果与之一致，但其未对ANFH分期的灌注状态做进一步分析，且主要依据ROI的信号强度来计算MR灌注的半定量参数，由于半定量分析易受扫描参数、个体差异的影响，只能初步反映对比剂的流入情况，不能准确反映组织中的对比剂浓度变化。

本研究首次运用PWI技术定量分析不同病程阶段ANFH的血流灌注特征，可以准确反映股骨头内对比剂浓度变化及组织生理学信息。本研究结果显示不同病程阶段的ANFH均表现为高灌注状态，即iAUC、Ktrans值较正常均明显增高，其中I期、II期、III期的iAUC、Ktrans值呈逐渐升高的趋势，IV期呈下降趋势。iAUC值增高反映组织的血供丰富，单位时间内通过ANFH病变区的血流增多；Ktrans值增高表明对比剂从血管扩散到EES的速度加快，单位时间内对比剂进入EES的量多。ANFH在I期时，缺血区骨细胞死亡、消失，随之修复也开始进行，此时有少量的毛细血管、胶原纤维增生，进入组织间隙的对比剂开始增多，且对比剂从血管内扩散到EES的速度也开始加快，所以I期ANFH的灌注量较正常股骨头高；在II期、III期时，修复程度进一步加深，大量的新生血管与增生的结缔组织、成纤维细胞、巨噬细胞渗入坏死区，并带入破骨细胞和成骨细胞逐渐将坏死骨质吸收，产生新骨，由于增生的血管越来越多，血供也更加丰富，所以II期、III期的灌注量明显增高，且以III期为著；当ANFH发展到IV期时已经开始合并退行性骨关节炎改变，股骨头、髋臼囊变、坏死区严重，修复程度逐渐减弱，新生的血管、肉芽组织等开始减少，进入EES的对比剂也相应减少，表现为iAUC、Ktrans值较前明显减低。

3.3 总结和展望 MR PWI能够定量分析ANFH不同病程阶段的血流灌注状态，为临床选择有效的治疗方案、判断预后、评估治疗效果提供指导依据，但是目前关于PWI在ANFH临床应用的研究较少，该技术存在一定的局限性，首先，定量分析技术还处于起步阶段，需要较大剂量对比剂，时间分辨率较低，部分容积效应可能会影响通透性参数的测量结果；其次，本研究为小样本研究的初步结果，尚需大样本资料进一步证实。另外，随着MRI检查设备的不断升级换代、扫描序列的不断开发与完善，该技术将以其高空间分辨率、无电离辐射、多层数据采集及操作方便等优点成为研究ANFH血流灌注状态的重要方法，具有较好的应用前景。

［1］Wang BL，Sun W，Shi ZC，et al. Treatment of nontraumatic osteonecrosis of the femoral head using bone impaction grafting through a femoral neck window. Int Orthop，2010，34（5）： 635-639.

［2］庄至坤，吴昭克，唐立明. 影像学检查预测股骨头坏死塌陷的作用分析. 中国医学影像学杂志，2011，19（9）： 692-694.

［3］牛金亮，王峻，李文晋，等. 激素治疗风湿病患者股骨头骨坏死风险评估的MRI研究. 中国医学影像学杂志，2012，20（1）： 5-8.

［4］Schmitt-Sody M，Kirchhoff C，Mayer W，et al. Avascular necrosis of the femoral head： inter-and intraobserver variations of Ficat and ARCO classifications. Int Orthop，2008，32（3）：283-287.

［5］宋震宇，刘勇. 股骨头缺血坏死影像分期与骨髓水肿及关节积液的相关性研究. 临床放射学杂志，2015，34（2）： 258-262.

［6］付玏，李克. MR脑灌注成像原理与临床应用. 中国医学计算机成像杂志，2013，19（2）： 180-183.

［7］张晖，王勇，陈蕾，等. 基于磁共振灌注成像的血脑屏障通透性定量分析技术诊断颅内病变. 中国医学影像技术，2014，30（2）： 283-286.

［8］O'connor J，Jackson A，Parker G，et al. DCE-MRI biomarkers in the clinical evaluation of antiangiogenic and vascular disrupting agents. Br J Cancer，2007，96（2）： 189-195.

［9］Leach MO，Brindle KM，Evelhoch JL，et al. The assessmentof antiangiogenic and antivascular therapies in early-stage clinical trials using magnetic resonance imaging： issues and recommendations. Br J Cancer，2005，92（9）： 1599-1610.

［10］Sourbron S，Ingrisch M，Siefert A，et al. Quantification of cerebral blood flow，cerebral blood volume，and blood-brainbarrier leakage with DCE-MRI. Magn Reson Med，2009，62（1）： 205-217.

［11］Kawamoto S，Shirai N，Strandberg JD，et al. Nontraumatic osteonecrosis： MR perfusion imaging evaluation in an experimental model. Acad Radiol，2000，7（2）： 83-93.

［12］Mueller D，Schaeffeler C，Baum T，et al. Magnetic resonance perfusion and diffusion imaging characteristics of transient bone marrow edema，avascular necrosis and subchondral insufficiency fractures of the proximal femur. Eur J Radiol，2014，83（10）： 1862-1869.

［13］Chan W，Liu YJ，Huang GS，et al. Relationship of idiopathic osteonecrosis of the femoral head to perfusion changes in the proximal femur by dynamic contrast-enhanced MRI. Am J Roentgenol，2011，196（3）： 637-643.

［14］Schneider T，Drescher W，Becker C，et al. Dynamic gadolinium-enhanced MRI evaluation of porcine femoral head ischemia and reperfusion. Skeletal Radiol，2003，32（2）： 59-65. ［15］Aaron RK，Dyke JP，Ciombor DM，et al. Perfusion abnormalities in subchondral bone associated with marrow edema，osteoarthritis，and avascular necrosis. Ann N Y Acad Sci，2007，1117（11）： 124-137.

（本文编辑 冯 婕）

Correlation of MRI Perfusion Parameters with the ARCO Stage of Femoral Head Necrosis

Purpose To evaluate the MR perfusion weighted imaging （MR PWI）characteristics of avascular necrosis of the femoral head （ANFH） at different association research circulation osseous （ARCO） stages，and to analyze the potential correlation of initial area under the time-concentration curve （iAUC），transfer rate constant （Ktrans） with the ARCO stage of ANFH.Materials and Methods Twenty normal volunteers （control group） and forty-five newly diagnosed ANFH patients undergoing PWI examination and ARCO stage assessment. The differences of MR perfusion parameters （iAUC，Ktrans）between the two groups and among patients with different ARCO stages （I，II，III，IV）were compared，and the correlations between MR perfusion parameters and ARCO stage were analyzed.Results In all 83 femoral heads with ANFH，there were 18 in stage I，20 in stage II，21 in stage III，24 in stage IV. There were significant differences with control group and among stage I，II，III and IV （F=77.520，P＜0.001） lesions. The iAUC values of control group，stage I，II，III and IV were statistically different （P＜0.05），except stage I and IV （P＞0.05）. There were significant differences on control group，stage I，II，III and IV （F=23.935，P＜0.001）. The Ktranswere significantly different with control group and among stage I，II，III and IV （P＜0.001）. The values of iAUC and Ktransshowed positive correlation with control group，stage I，II，III and IV （r=0.612 and 0.557，P＜0.001），and the values of iAUC and Ktransshowed significant positive correlation with control group，stage I，II and III （r=0.906 and 0.854，P＜0.001）.Conclusion PWI can provide significant perfusion characteristics for ARCO staging. Ktransand iAUC are correlated with ARCO stage，which is an important index to reflect the blood perfusion of different stages of ANFH. These provide a reference for the clinical study of ANFH hemodynamics.

Femur head necrosis； Magnetic resonance imaging； Perfusion weighted imaging； ARCO staging

敖国昆

2015-10-07

2016-01-20

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.04.019

Department of Radiology，the 309th Hospital of PLA，Beijing 100091，China

Address Correspondence to： AO Guokun E-mail： aogk309@vip.163.com

首都临床特色应用研究

（Z131107002213076）。

R445.2；R681.8