股骨头缺血性坏死是骨科常见且难治性的疾病。研究发现股骨头微循环的改变可能是股骨头坏死最主要的原因之一^[1]。因此了解生理状态下髋关节骨髓血流灌注的特点，有助于进一步分析股骨头缺血坏死的病理生理改变。动态对比增强磁共振（dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging，DCE-MRI）可以无创性评估组织微循环的通透性、血流灌注等信息，已越来越多地应用于临床^[2,3,4,5]。其中半定量DCE-MRI参数计算较简单，但结果受采集方法和受检个体的影响。定量参数的计算较复杂，但更为精确、可重复性大、受扫描机器影响小，可以提高不同研究结果的可比性^[6]。目前骨髓血流灌注的研究多集中在脊柱^[7,8,9]，关于髋关节血流灌注的研究相对较少^[10,11,12]，其中又多为半定量分析。笔者通过对成人髋关节骨髓的DCE-MRI定量参数进行分析，旨在探讨部位、性别、年龄对髋关节骨髓灌注的影响。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       回顾性搜集本院因结直肠病变行盆腔DCE-MRI的患者168例，男88例，年龄22~ 89岁，平均59.97岁，女80例，年龄21~ 85岁，平均57.69岁。入选标准：无明显骨转移征象、骨关节炎或血液系统疾病；无放化疗史；图像质量良好。

1.2　检查设备及方法

       本研究所有患者均采用德国Siemens Verio 3.0 T磁共振扫描仪和盆腔相控线圈进行检查。DCE-MRI采用横断面3D GRE-T1WI序列扫描。检查前先进行3组T1-VIBE平扫（TR 5.32 ms，TE 1.81 ms，层厚3 mm，FOV 280 mm × 250 mm；矩阵256 × 161；反转角分别为5°、10°、15° )，随后进行动态增强检查，反转角为15°，其余参数与前面的平扫序列相同，共包括25期，每期获取时间12.2 s，扫描总共持续时间约305 s。在第2个时相结束时，使用MR高压注射器注射（Stellant MR Injection system，Medrad，Germany）经肘静脉注射对比剂钆双胺[欧乃影，通用电气药业（上海）有限公司]，剂量为0.1 mmol/kg，流率2.5 ml/s。注射完立即用15 ml生理盐水以相同流率冲洗连接管。

1.3　图像分析及后处理

       使用OmniKinetics软件（通用电气医疗集团)对DCE-MRI图像进行分析处理。以髂动脉为Extended Tofts Linear参考模型的动脉输入函数，参照T2WI冠状位图像，选择双侧髋臼上缘、股骨骺线顶点上下方2~ 3层内的骨髓区域（图1)，注意避开骨皮质、坏死囊变及血管区域，手工勾画共六个感兴趣区（region of interest，ROI)，并记录ROI的灌注参数容积转运常数（volume transfer constant，K^trans)、速率常数(rate constant，Kep）和血管外细胞外间隙容积分数（volume of extravascular extracellular space per unit volume of tissue，Ve）的平均值。

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图1  感兴趣区的勾画。A~ C分别为髋臼上缘、股骨头骺线上方区域、股骨干骺端。D为T2WI冠状位上髋臼上缘（红线）、股骨头骺线上方区域（黄线）、股骨干骺端（蓝线）所对应的层面
图2  与图1为同一患者，35岁男性。其髋臼、股骨头骺线上方区域、股骨干骺端对应的K^trans伪彩图
图3  男女髋臼K^trans、Kep、Ve值和年龄的相关性。女性股骨头骺线上方区域Kep值和年龄的相关性。A~ C：男女髋臼的K^trans、Kep、Ve值与年龄存在负相关（男性Spearman秩相关系数分别为-0.532，-0.476，-0.319，女性为-0.566，-0.387，-0.406，P值均为0.000)。D：女性股骨头骺线上方区域Kep值和年龄呈正相关，rs为0.282，P=0.001
图4  不同年龄、性别患者髋臼K^trans伪彩图，A~ C为36、46、75岁男性，D ～F为36、46、74岁女性
Fig. 1  Representative region of interests (ROIs) in the acetabulum, epiphysis and the metaphysis of the femur in a 35 years old male.
Fig. 2  K^trans maps in the acetabulum, epiphysis and the metaphysis of the femur in the same patient as in Fig.1.
Fig. 3  Scatterplots showing significant correlations between K^trans, Kep, Ve values and age in acetabular in males and females, and between Kep values and age in femoral epiphysis in females.
Fig. 4  K^trans maps of the acetabulum in 35, 46, 75 years old men and 36, 46, 74 years old women.

1.4　统计分析

       采用SPSS 23.0统计分析软件先对数据进行正态性检验和方差齐性检验，数据不符合正态分布、方差不齐，因此数据使用中位数[（上、下四分位数），M (Q1、Q3)]，并采用非参数检验进行分析。髋关节不同部位灌注参数值的比较使用Kruskal-Wallis秩和检验。采用Spearman相关性检验分析男女年龄与髋关节不同部位灌注参数之间的相关性。其后根据年龄将人群分为：(1)≤50岁组120髋，其中男性60髋，女性60髋；(2)>50岁组216髋，男性116髋，女性100髋。在不同年龄段内使用Wilcoxon秩和检验比较男女髋关节不同部位灌注参数的差异，所有结果以P<0.05时为差异有统计学意义。

2　结果

2.1　髋关节不同部位灌注参数比较

       本研究测量髋臼、股骨头骺线上方区域及股骨干骺端区域各336个。DCE-MRI定量灌注参数分析结果显示髋关节不同部位K^trans、Kep、Ve值的差异均有统计学意义(χ²值分别为660.253、605.009、464.322，P值均<0.05)，两两比较除股骨头骺线上方区域、股骨干骺端Ve值的差异无统计学意义，余两两比较差异均有统计学意义，即髋臼、股骨干骺端、股骨头骺线上方区域的K^trans、Kep值依次降低，髋臼的Ve值高于股骨干骺端、股骨头骺线上方区域的Ve值，而股骨干骺端、股骨头骺线上方区域Ve值的差异无统计学意义（表1，图2)。

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表1  髋关节不同部位DCE-MRI灌注参数值比较[M (Q1、Q3)]
Tab. 1  DCE-MRI perfusion parameters in different locations of the hip [M (Q1, Q3)]

2.2　年龄和髋关节不同部位灌注参数的相关分析

       Spearman相关分析显示，年龄与髋臼K^trans、Kep、Ve值均存在负相关（男性rs分别为-0.532，-0.476，-0.319，女性为-0.566，-0.387，-0.406， P值均<0.05)（图3，图4)。男性年龄和股骨头骺线上方区域Ve值负相关，rs为-0.152，女性年龄和股骨头骨骺Kep呈正相关，rs为0.282（图3)；女性年龄和股骨干骺端K^trans、Kep负相关，rs为分别为-0.200，-0.297；以上P值均<0.05。其余参数和年龄无相关性(P>0.05)。

2.3　不同年龄段、髋关节不同部位灌注参数的比较

       ≤50岁人群中，男女髋臼和股骨干骺端K ^trans、Kep、Ve值的差异有统计学意义(P值均<0.05)，女性髋臼、股骨干骺端的K^trans、Kep、Ve值均高于男性（表2)。>50岁人群中，除髋臼、股骨头骺线上方区域Ve值差异无统计学意义，余参数的差异均有统计学意义(P<0.05；表3)。

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表2  50岁及以下人群男女髋关节不同部位DCE-MRI灌注参数值比较[M (Q1、Q3)]
Tab. 2  DCE-MRI perfusion indices of the hip in males and females 50 years and below [M (Q1, Q3)]

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表3  50岁以上人群男女髋关节不同部位灌注参数值比较[M (Q1、Q3)]
Tab. 3  DCE-MRI perfusion indices of the hip in males and females aged older than 50 years [M (Q1 , Q3)]

3　讨论

3.1　DCE-MRI成像原理

       本研究采用DCE常用两室模型，其认为对比剂经血管内皮在血管和血管外细胞外间隙(extravascular extracellular space，EES）之间流动，但没有进入细胞内^[6]。通过ROI和血管输入函数的时间浓度曲线以及特定的药代动力学模型可计算出定量参数^{[6, 13,14]}。本研究使用定量参数有K^trans、Kep、Ve。K^trans为容积转运常数，是对比剂向EES扩散的参数，主要和血流量、毛细血管的表面积、血管内皮的通透性有关，单位为min^-1。Ve为血管外细胞外间隙容积分数，为所测组织内对比剂能渗透到的细胞外组织外间隙占组织整体容积的比值，因此其受EES容积及血管通透性的影响，同时血管外细胞外间隙内有些成分如纤维等不强化，也会对其产生影响。Ve无单位。Kep为速率常数，是K^trans和Ve的比值，即Kep=K^trans/Ve，单位为min^-1，代表对比剂从血管外细胞外间隙流回到血管内的通过率，此参数和影响K^trans、Ve的因素相关。

3.2　髋关节红黄骨髓转化及分布规律

       骨髓可分为红骨髓和黄骨髓，其细胞构成及血供不同^[2]。黄骨髓主要由脂肪细胞组成，化学成分为80％脂肪、15％水、5％蛋白。黄骨髓血管较少，只有少量连续毛细血管。红骨髓由造血细胞和脂肪细胞组成，化学成分通常是40%～60％脂质，30%～40％水，10%～20％蛋白质。红骨髓负责产生血液细胞，血供丰富，有大量的血管窦。人刚出生时，红骨髓存在于所有骨骼。随着年龄增长，红骨髓会转化为黄骨髓，其转化顺序为自外周向中央，在长骨中，骨髓转化先发生于骨骺，其次为骨干，最后为干骺端。在成人，红骨髓只出现在中轴骨及股骨和肱骨干骺端中。髋关节则既包含有中轴骨-髋臼，也包含外周骨-股骨。

3.3　髋关节不同部位骨髓灌注参数的差异

       本研究结果显示髋关节不同部位灌注参数相比，髋臼的K^trans、Kep、Ve均为最高，股骨干骺端的K^trans、Kep值高于股骨头骺线上方区域，而股骨干骺端、股骨头骺线上方区域Ve值的差异无统计学意义。与牛金亮等^[15]的半定量DCE-MRI研究结果类似。其原因可能主要和髋关节不同部位红骨髓的含量有关。成年后股骨头骺线上方区域为黄骨髓，因此其灌注最低。股骨干骺端骨髓转化早于髋臼，含有的黄骨髓多，灌注低于髋臼。股骨干骺端和股骨头骺线上方区域Ve值的差异无统计学意义，可能是由于Ve值受多种因素的影响，其综合作用使其无明显变化，也可能是由于股骨干骺端骨髓分布不均，而测得的参数仅能反映ROI内的平均值导致的偏差。其机制仍有待研究。

3.4　髋关节不同部位男女骨髓灌注参数和年龄的相关性

       本研究中男女的年龄与髋臼K^trans、Kep、Ve值均存在负相关，男性年龄和股骨头骺线上方区域Ve值呈负相关，女性年龄和股骨头骨骺Kep呈正相关，女性年龄和股骨干骺端K^trans、Kep呈负相关，其原因可能与随着年龄增长，红黄骨髓进一步转化、骨髓脂肪含量增加、骨量丢失、血管情况改变（如动脉粥样硬化等）以及女性雌激素改变相关^{[2, 16]}。Breault等^[17]对腰椎和骨盆的研究显示K^trans、Kep值随着年龄及脂肪分数的增加而减低，而Ve值和年龄无明显相关性，在李勤祥等^[18]对腰椎的研究发现K^trans、Kep值和年龄呈负相关，而Ve值和年龄呈正相关，而本研究中Ve值和年龄的相关性在不同性别、髋关节不同部位也存在差异。Ve值的结果存在差异可能与骨髓本身变异大、研究对象的差异、扫描参数及后处理软件不同相关，其机制仍有待研究。骨髓的灌注和骨密度也相关，骨密度减低，骨髓灌注参数降低^{[4, 16]}。Zhu等^[19]通过卵巢切除术式建立大鼠骨质疏松模型的研究发现K^trans值的改变不晚于松质骨微观结构参数和脂肪分数（fat fraction，FF)的改变，提示在骨质疏松早期，定量DCE-MRI就能够显示骨代谢和病理生理改变。其认为在骨质疏松早期血管收缩和血管内皮细胞间的连接变紧可能是主要原因，而在骨质疏松晚期骨髓脂肪组织增加，微血管密度减少，骨髓纤维化增加会加重骨髓缺血。目前骨密度、骨髓脂肪含量和骨髓灌注之间的先后及因果关系仍未被阐明，这也反映了骨和骨髓的代谢密切相关。在本研究中，女性年龄和股骨头骨骺Kep呈正相关，在散点图上，Kep的高值基本集中在围绝经期，因此笔者推测可能和绝经后雌激素的改变有关。在男性，除年龄和股骨头骺线上方区域Ve值负相关，股骨骺线上方区域和干骺端其余参数和年龄无明显相关性，可能和样本量小有关，也可能与相应部位红黄骨髓含量较稳定、男性雌激素随年龄变化小有关。

3.5　不同年龄段内髋关节不同部位男女骨髓灌注参数的差异

       ≤50岁人群中，女性髋臼、股骨干骺端的K^trans、Kep、Ve值均高于男性。>50岁人群中，除髋臼、股骨头骺线上方区域Ve值外，余女性各部位各参数均高于男性。育龄期女性髋臼、股骨干骺端灌注参数较高可能与女性因月经生理性失血刺激骨髓造血，促进红骨髓代谢有关^[16]。考虑到月经周期失血量相对较少，女性骨髓灌注可能更多地是受雌激素的影响。雌激素与骨代谢、骨髓造血微环境及血管内皮的功能等密切相关。雌激素能通过调节成骨细胞、破骨细胞、间充质干细胞等来促进骨生成、抑制骨吸收^[20]。有研究证明雌激素和造血干细胞的增生和分化及造血干细胞微环境的调节相关^[21]。Zhu等^[19]通过动物实验发现在双侧卵巢切除的大鼠中，雌激素下降，内皮素-1的水平升高，K^trans降低，透射电子显微镜显示电子显微镜显示肿胀的线粒体增多，血管内皮连接变紧，这些改变会导致血管内皮功能障碍及血管内皮细胞的通透性减低。MRS研究显示在年轻男女中，男性比女性骨髓脂肪比值多10%～15%，而在绝经后，女性骨髓脂肪比值显著上升，比男性多10%～15%^[4]。脂肪成分的增加对灌注参数的改变可能也起到了一定的作用。既往关于脊柱的半定量研究^[22]显示骨髓的半定量参数在≤50岁的男女中有差异，而在>50岁男女中无差异，而本研究中>50岁男女灌注参数的差异虽然小于≤50岁人群，但在两个年龄段髋臼的K^trans、Kep值、股骨干骺端的K^trans、Kep、Ve值差异均有统计学意义，可能与部位、研究对象的差异、后处理软件不同等有关。在≤50岁人群中，股骨头骺线上方区域灌注参数无差异，可能是因为成年后男女股骨骺线上方区域为黄骨髓。而>50岁人群中，女性股骨头骺线上方区域K^trans、Kep值高于男性，笔者推测可能与绝经后雌激素减低导致的骨髓改变有关。雌激素减低，原富含红骨髓区域的造血细胞减少，股骨头骺线上方区域的黄骨髓可能会发生代偿，其机制仍有待研究。

3.6　本研究的结论与局限性

       本研究存在的局限：研究对象并非健康人群，但笔者通过严格的筛选标准来减少可能产生的偏差；本研究为回顾性研究，无相应的组织病理学、骨密度、脂肪分数、激素水平等资料，无法进一步研究其生理病理机制；研究样本量偏少；扫描序列并非专门的髋关节DCE-MRI，扫描参数有一定的差异；在手动勾画ROI方面存在误差，并且只选择一个平面而不是三维的勾画；Extended Tofts Linear参考模型受多种因素影响^[6,23]，尤其动脉输入函数（arterial input function，AIF)的选择缺乏精确标准，会影响到灌注参数的计算。

       综上所述，部位、性别、年龄对髋关节的灌注参数均有影响。定量DCE-MRI能够较准确、无创地评估髋关节骨髓血流灌注特征，今后若能使用该技术对股骨头缺血坏死早期血流灌注进行动态监测并和临床资料进行具体的相关研究，可能会有利于深入理解股骨头缺血坏死的发生机制，并为其风险预测及随访提供有价值的信息。