沈君动态增强MRI定量评价类风湿性关节
来源：磁共振成像传媒
曾伟科，莫颖倩，张翔，段小慧，陈乐锋，马剑达，戴冽，沈君
沈君，中医院放射科主任、党支部书记，教授、主任医师、博士生导师。年入选教育部新世纪优秀人才计划，年入选广东省高等学校“千百十人才培养工程”第八批省级培养对象。现?中华医学会放射学分会青年委员，广东省医学会放射学分会副主任委员，广东省医师协会放射医师分会副主任委员，医院影像中心管理专业委员会副主任委员，广东省生物医学工程学会远程医疗专业委员会常委，中国医学影像技术研究会委员；欧洲放射学会通讯会员，国家自然科学基金、广东省自然科学基金通讯评审专家；任《EuropeanRadiology》、《Neuroradiology》、《中华放射学杂志》、《磁共振成像》等杂志审稿专家/编委。
类风湿性关节炎(rheumatoidarthritis，RA)是一种以关节滑膜炎为特征的慢性全身性自身免疫性疾病。关节滑膜炎持久反复发作，可导致关节内软骨、骨质的破坏以及关节功能障碍。随着对RA发病机制研究的深入，出现了抗肿瘤坏死因子α及白介素6拮抗剂等生物制剂，与传统改善病情抗风湿药联合治疗在一定程度上明显提高了疗效，但同时发现部分实现了临床缓解的患者仍存在局部滑膜炎并最终出现关节破坏进展[1]。因此，临床需要监测RA滑膜炎活动度敏感性高的方法。滑膜炎症活动度的评价，可评估RA病情，临床可据此制定治疗、观察疗效，并适时调整治疗方案，有助于临床提高RA治疗效果及改善预后。磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)能直接清晰显示RA的增厚滑膜，已广泛应用于RA的诊断。目前已建立了国际类风湿磁共振评分系统(OMERACTRAMRIS)对RA关节炎活动度进行评价[2-3]，但基于常规MRI的评分系统对滑膜炎症程度评价仍较为粗略，具有较大的主观性。动态增强MRI(Dynamiccontrast-enhancedMRimaging，DCE-MRI)能够反映组织的血流灌注状态，可定量及半定量测量组织血流动力学的改变，客观评价病变组织毛细血管内皮通透性，已被广泛用于肿瘤性病变的诊断及治疗后的检测[4]。目前DCE-MRI用于RA腕关节滑膜炎症程度评价方面的研究尚未见报道。本研究拟对RA手腕关节进行常规和动态增强MRI成像，对腕关节滑膜区病变进行定量及半定量参数分析，并与滑膜病理指标、临床评分及实验室检查进行相关性分析，探讨DCE-MRI在评价RA腕关节炎症活动度中的价值。
1材料与方法
1.1临床资料
收集我院风湿内科年9月至年6月20例RA患者，所有病例的诊断均符合年ACR/EULAR最新发布的RA分类标准和评分系统标准，其中男5例，女15例；年龄21～72岁，平均52岁，病程5～个月，平均70个月。晨僵4例，晨僵时间5min～4h，平均2h。28个压痛关节数(TJC)19例，范围1～22个，平均9.37个。28个关节肿胀数(SJC)20例，范围1～12个，平均5.45个。所有患者均以多关节痛为主要症状，均行临床实验室检测、膝关节滑膜穿刺活检病理检查、双手腕关节X线检查及MRI检查。所有患者均知情同意下完成检查并且签署知情同意书。
1.2MRI检查
MRI检查采用Philips3.0T超导扫描仪(GyroscanAchieva3.0TX)及膝关节正交线圈。扫描时患者取俯卧位，双手上举、掌心相对，使手腕与前臂尽量伸直位于同一平面，将双手固定于膝关节正交线圈内。常规MRI扫描，序列包括：轴位快速自旋回波(FSE)T1WI：TR/TE=/22ms，回波链长度(ETL)=3，层厚=5mm，视野(FOV)=mm×mm，矩阵=×；冠状位FSET1WI：TR/TE=/20ms，ETL=3，层厚=3mm，FOV=mm×mm，矩阵×；脂肪抑制FSET2WI：TR/TE=/TE85ms，ETL=3，层厚=3mm，层间距=0.2mm，FOV=24mm×24mm，信号平均次数(NSA)=4，矩阵=×。平扫完成后进行腕关节轴位动态增强扫描：首先利用多翻转角技术进行T1mapping扫描，扫描参数：TR/TE=3ms/1.42ms，ETL=20，翻转角=2°、4°、6°、8°、10°、12°，矩阵=×80，采集时间=8.8s。随后进行DCE-MRI，DCE-MRI采用轴位3DFFE脂肪抑制序列，TR/TE=3ms/1.42ms，翻转角=10o，矩阵=×80，FOV=mm×mm×70mm，55个期相，每期7.3s，扫描持续时间s，于第3个动态增强时相开始前采用高压注射器经肘静脉注射对比剂钆双胺(欧乃影，GE公司)，剂量0.1mmol/kg，注射速率为5ml/s，对比剂注射完后用30ml生理盐水冲管，注射速率为5ml/s。动态增强扫描结束后再行冠状位轴位T1WI脂肪抑制序列等常规增强扫描。
1.3数据分析
DCE-MRI多翻转角及动态增强数据均传输到血流动力学软件OmniKinetics(GEhealthcare)进行图像后处理。首先导入多翻转角各序列图像进行T1mapping计算，用于多期动态增强图像时间-亮度信号到时间-对比剂浓度信号的转变。随后导入动态增强序列数据，动态图像上以桡动脉为输入动脉，手动勾画直径为10～15个像素的感兴趣区(regionofinterest，ROI)，并确保动脉ROI勾画在血管横截面中心位置并且不超出血管壁，获得动脉输入函数(arterialinputfunction，AIF)，利用血流动力学模型ExtendedToftsLinear[5]拟合计算定量渗透性参数，利用半定量模型计算T1灌注半定量参数，其中定量参数：(1)Ktrans(endothelialtransferconstant)：血液渗漏到血管外细胞外间隙速率，单位为ml/min；(2)Kep(refluxrate)：血液从细胞外间隙渗回血管的速率，单位为ml/min；(3)Ve(fractionalextracellularspacevolume)：对比剂细胞外间隙容积分数，单位为ml/ml。以上3者满足如下关系：Kep=Ktrans/Ve；(4)Vp(fractionalplasmavolume)：对比剂血浆容积分数，单位为ml/ml。半定量参数：(1)TTP(timetopeak)：达峰时间，单位为min；(2)Cmax(maximumconcentration)：最大浓度，单位为mmol；(3)Slopemax(maximumslope)：最大斜率，单位为mmol/min；(4)AUC(areaundertheconcentration-timecurve)：浓度-时间曲线下面积，单位为mmol·min。ROI的勾画由两位拥有资深影像诊断经验以及熟练掌握OmniKinetics软件的主治医师进行。观察腕关节各区滑膜动态增强图像上影像学改变并避开骨质、血管、脂肪及肌肉等结构，在双腕关节各选取3处滑膜强化最为显著部位进行测量，采用手动选取ROI，大小约为40～个像素。计算每一处病灶ROI内血流动力学定量及半定量参数值。每例选择双侧手腕关节滑膜病变最为明显的6处ROI参数结果，每例数据的每个参数取6处ROI的平均值用于进行统计学分析。
1.4临床实验室检查
20例患者实验室检查血清学指标包括类风湿因子(rheumatoidfactor，RF)、抗环瓜氨酸肽(anticycliccitrullinatedpeptide，CCP)抗体、C反应蛋白(C-reactiveprotein，CRP)、血沉(erythrocytesedimentationrate，ESR)。临床症状包括有病程、晨僵、28个压痛关节数(TJC)、28个关节肿胀数(SJC)、健康评估问卷(healthassessmentquestionnaire,HAQ)、患者评价(PtGA)、医生评价(PrGA)及疼痛量表(visualanalogscale，VAS)。疾病活动性评分(diseaseactivityscore,DAS28)[6-7]、实验室检查及临床评分均在MRI检查前后一周内完成。
1.5关节滑膜穿刺活检
由于腕关节滑膜面积较小，滑膜穿刺困难，失败率较高，另外由于膝关节关节腔较大，其滑膜约占各关节总滑膜面积的一半，已有研究表明RA患者膝关节滑膜与腕关节、掌指关节滑膜病变病理程度相似，无明显差异[8]，目前临床上多采用对膝关节采取滑膜活检进行RA的病理学评价。因此，20例病人均行膝关节细针穿刺滑膜活检术，活检取得滑膜标本行苏木素-伊红(HE)染色。根据Krenn等[9]修订的标准从滑膜衬里层增生、炎症浸润及基质活化3个方面，由风湿科两位高年资医生进行双人双盲评分，取两者平均分为最后得分用于统计学分析。其中17例病理评分有效，3例因取材失败不能评分。根据Krenn评分[9]，对20例RA滑膜病理进行分级。
1.6统计方法
计量资料采用均数±标准差表示，定量参数Ktrans、Kep、Ve、Vp及半定量参数TTP、Cmax、AUC、Slopemax与临床资料间的相关性分析采用Spearman法分析。采用t检验分析比较滑膜炎症不同活动度组间Ktrans值的差异。以P＜0.05为差异具有统计学意义。所有数据应用SPSS13.0软件进行统计学分析。
2结果
2.1临床及实验室指标
20例患者RF为(.32±.43)IU/ml，抗CCP抗体为(.70±.47)U/ml，CRP为(45.65±32.16)mg/L，ESR为(86.50±41.51)mm/h，TJC为(8.90±6.14)个，SJC为(5.45±3.87)个，HAQ为(1.26±0.86)分，PtGA为(5.86±1.84)分，PrGA为(5.65±1.76)分，VAS为(5.35±1.93)分，DAS28为(4.80±0.94)分。
2.2MRI表现及DCE-MRI指标
20例RA患者腕关节均出现关节滑膜不同程度增厚，厚度3～15mm，表现为关节周围条带状或结节增厚，T1WI上呈等信号，脂肪抑制T2WI呈稍高信号或高信号，增强后强化。DCE-MRI：20例RA腕关节滑膜的动态增强MRI曲线表现为两种类型：11例呈慢升型，即病变滑膜增强扫描呈缓慢渐进性强化，9例呈快升平台型，即病变滑膜增强扫描呈早期快速明显强化，然后进入平台维持期（图1、2）。定量指标Ktrans、Kep、Ve、Vp分别为(1.27±0.59)ml/min、(0.70±0.27)ml/min、(1.74±0.64)ml/ml、(0.15±0.13)ml/ml；半定量指标TTP、Cmax、AUC、Slopemax分别为(4.20±0.77)min、(1.77±1.58)mmol、(7.15±6.83)mmol·min、(3.08±3.15)mmol/min。
2.3DCE-MRI指标与临床实验室指标相关性
Spearman相关分析表明Ktrans与DAS28有正相关性(r=0.51，P=0.02)，见图3，而Kep、Ve、Vp、TTP、Cmax、AUC、Slopemax与DAS28无相关性(P=0.56)。Ktrans、Kep、Ve、Vp、TTP、Cmax、AUC、Slopemax与临床指标RF、抗CCP抗体、CRP、ESR、TJC、SJC、HAQ、PtGA、PrGA、VAS、晨僵均无相关性(P=0.13～0.75)。
2.4DCE-MRI指标与滑膜病理评分相关性
17例有效滑膜病理活检病人中，滑膜病理Krenn评分为(3.38±1.53)分。Ktrans值与病理评分有正相关性(r=0.，P=0.)，见图4。根据Krenn评分，6例滑膜炎症为重度，Krenn评分为(1.79±0.31)分，其Ktrans值为(1.79±0.31)ml/min；11例滑膜炎症为轻度，Krenn评分为(1.04±0.38)分，其Ktrans值为(1.04±0.38)ml/min，两组Ktrans值差异具有统计学意义(t=4.05，P＜0.01)。Kep、Ve、Vp、TTP、Cmax、AUC、Slopemax与Krenn评分无相关性(P=0.17～0.75)。
2.5滑膜病理Krenn评分、DAS28、临床实验室指标相关性
滑膜病理Krenn评分与DAS28无相关性(P=0.87)。Krenn评分与临床指标RF、抗CCP抗体、CRP、ESR、TJC、SJC、HAQ、PtGA、PrGA、VAS、晨僵均无相关性(P=0.20～0.81)。DAS28与临床指标RF、抗CCP抗体、CRP、ESR、TJC、SJC、HAQ、PtGA、PrGA、VAS、晨僵均无相关性(P=0.12～0.64)。
3讨论
3.1RA病情活动度的临床评价
RA病情活动性主要依靠各种临床症状和实验室检查指标进行评价，如晨僵时间、TJC、SJC、HAQ、PtGA、PrGA、VAS等，但这些指标往往滞后病理学改变，并且受患者主观因素影响；CRP、ESR、RF、抗CCP抗体等实验室指标影响因素较多，结果不稳定。目前将TJC、SJC及CRP或ESR3个指标综合计算得出的DAS28评分系统用于评价RA疾病活动度具有较高的准确性，但其仅能粗略判断RA处于活动性状态或非活动性状态，不能客观反映RA关节滑膜病理的直接改变，因此DAS28评分用来判断RA活动性具有一定的局限性[6-7]。Krenn等[9]观察了RA滑膜病理的衬里层、炎症浸润、基质活化病理过程，提出了滑膜病理评分标准。Kraan等[8]进一步发现RA患者膝关节和腕关节的滑膜炎症改变无差异，可用膝关节的滑膜穿刺病理检测客观评价RA腕关节滑膜炎的情况，但由于滑膜穿刺是一项侵入性检查，容易导致感染。另外，滑膜穿刺在临床操作上也偶见失败或所取标本不合格导致病理无法诊断，故在临床上膝关节滑膜穿刺活检也不适宜作为常规检查。腕关节滑膜穿刺活检难度大，临床上更少采用。临床需要能对RA疾病活动状态进行客观准确且无创伤性的评价指标。
3.2常规MRI对RA病情活动度的评价
常规MRI具有很高的软组织分辨力，可以清晰显示骨关节的解剖结构，对于滑膜炎症、增生和血管翳、骨髓水肿等早期病理改变较X线检查具有明显优势，已被广泛用于RA的诊断。目前也已根据MRI上骨髓水肿、滑膜增厚等指标建立了国际类风湿磁共振评分系统(OMERACTRAMRIS)用于评价RA病情的活动度，但常规MRI仍然局限性于显示滑膜增厚的大体形态学改变，不能直接评价RA患者滑膜的炎症病理改变。陈悦熙等[10]采用DWI技术发现RA患者的关节滑膜ADC值与滑膜病理评分具有负相关性，一定程度上可反映病变关节RA活动度。但ADC值受肢体活动、脉搏跳动、组织灌注等影响较大。
3.3DCE-MRI对RA的临床应用价值
DCE-MRI通过动态观察对比剂由血管内进入病变组织及被廓清的速度和幅度，根据组织的强化方式和程度，判断组织的微循环状况。既往DCE-MRI多采用定性或半定量的分析方法测量开始强化时间、强化率、廓清率、TTP、Cmax、AUC、Slopemax等参数，反映对比剂的流入情况，但其不能准确反映组织中的对比剂浓度。DCEMRI技术不断发展，采用不同的血流动力学模型可测量Ktrans、Kep、Ve、Vp等定量参数，能够反映组织的血流灌注情况[11]。ExtendedTofts是一个被广泛应用于基础研究、开放的药代动力学双室模型[12]，对比剂注射后进入血管内为第一室，依赖于组织的灌注和微血管的通透性，通过血液循环到达细胞外液间隙，即第二室。对比剂在血管腔内和血管外细胞外间隙是双向流通的，可在两个方向上实现线性交换过程[13-14]。ExtendedTofts反映了对比剂在血液和组织间隙之间交换的动力学过程，部分研究将ExtendedTofts模型运用于前列腺癌[15]、乳腺癌[16]、胶质瘤复发和放射性脑损伤[17]等，发现DCE-MRI定量测量Ktrans可评估肿瘤微血管通透性，尤其是肿瘤不成熟微血管通透性，从而帮助判断肿瘤良恶性及治疗疗效评价。本研究应用DCE-MRI的ExtendedToftsLinear[5]定量分析法，该方法为血流动力学双室模型，采用线性的数学拟合方法进行计算，经计算可得到能反映组织的血流灌注情况、细胞外液间隙体积及微血管通透性的定量指标Ktrans、Kep、Ve、Vp。Ktrans值是指对比剂从第一室渗漏到第二室的速率常数，Kep是指对比剂从第二室扩散重新回流到第一室的速率常数，Ve是指血管外细胞外间隙占整个体素的百分比，3者满足以下关系Kep=Ktrans/Ve，Vp是指对比剂在血浆容积中所占百分比，以上指标用来反映病变区域内微血管通透性，定量评价病变区微循环的生理学特性。
目前RA腕关节动态增强特征的研究仍较少，且多为定性评价或半定量评估，缺乏定量评估。陈基明等[18]应用DCE-MRI半定量分析方法，发现时间-信号强度曲线(TIC)、滑膜最大强化率(ERmax)、最大上升斜率(Slopemax)和滑膜厚度等指标结合可反映早期RA的病理改变。但其研究方法主要为半定量方法，不能很好地反映滑膜的炎症活动情况。傅丽晖等[19]研究了腕关节动态增强与RA活动性间的关系，表明动态MR增强曲线形状、滑膜强化率及滑膜厚度对判断RA的活动性具有较高价值。本研究采用半定量及定量参数分析RA患者及滑膜炎症的活动程度，结果表明仅Ktrans与临床评分DAS28及滑膜病理Krenn评分具有相关性，而半定量指标Cmax、Slopemax与临床实验室及滑膜病理指标无相关性。Ktrans值越大，患者临床活动性越高，并且滑膜病理活动性越高，表明Ktrans能够反映RA患者的临床病情及关节滑膜炎症程度。其可能机制为：RA滑膜炎症程度越高，病变区新生血管增多，形成血管翳，微血管密度增加，血管通透性明显增高，导致Ktrans升高。本研究中DCE-MRI其余定量参数指标Kep、Ve、Vp及半定量参数TTP、Cmax、AUC、Slopemax，与滑膜病理、临床评分DAS28、实验检查指标等均无相关性，提示这些指标在RA病情活动度评价中价值有限。本研究尚存在一些局限性。首先，病例样本数偏少，Ktrans与滑膜病理、临床评分DAS28的相关性仍有待今后收集更多病例加以证实。其次，由于正常人腕关节滑膜薄，增强后MRI上无强化，采用ROI进行DCE-MRI定量及半定量指标测量分析时，难以勾画出正常滑膜，因此本研究未纳入正常人腕关节作为对照。
总之，本研究结果提示动态增强扫描Ktrans值与滑膜病理Krenn评分间具有良好相关性，提示Ktrans值能用于RA滑膜病理情况判断。Ktrans可以为临床提供更加客观的定量数值用来评价RA滑膜炎症程度，结合动态增强MRI的其他指标，可作为临床制定及调整治疗方案的无创伤性参考指标。
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