强直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一种常见的、青少年多发的慢性、进展性及致残性疾病，是一种非特异性炎症性疾病，主要以双侧骶髂关节及中轴骨受累为主要表现，但关节周围及关节外结构受累也较为常见，最常见的部位为髋关节^[1]。AS患者中，双侧骶髂关节100%受累，并逐渐沿中轴脊柱向上延伸，最后形成脊柱强直，因此早期诊断和治疗对病情的控制显得尤为重要。

       磁共振成像对显示强直性脊柱炎骨及软组织病变较为敏感，同时能区分病变为急性期还是慢性期。扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)对炎症性病变较为敏感，对炎症活动度和治疗反应评价具有较高的价值，通过测量表观扩散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)值可敏感地探测病变微观环境中水分子的活动情况，与加拿大脊柱关节研究协会(Spondyloarthritis Research Consortium of Canada，SPARCC) MRI评分具有相辅相成的作用^[2]。因此DWI成像对强直性脊柱炎同样敏感。扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)是一个非高斯扩散加权模式，包括平均峰度(mean kurtosis，MK)和平均扩散系数(mean diffusivity，MD)的计算，既量化了组织扩散的误差，又矫正了偏倚的扩散系数^[3]。

       本研究旨在探讨DKI DWI/MRI成像技术在AS患者骶髂关节病变中的应用，为AS诊断和疗效评估提供潜在的技术支持。

1　材料与方法

1.1　临床资料

       收集2017年1月至12月来上海交通大学附属第六人民医院就诊及住院治疗的患者资料，根据van der Linden等^[4]AS诊断标准，排除类风湿病、肿瘤、外伤、特殊感染及MRI扫描禁忌证等患者，纳入符合标准病例31例，其中男性21例，女性10例，年龄15~40岁，平均(22.3±2.5)岁。

       分组：根据患者红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate，ESR)、C反应蛋白(C-reactive protein，CRP)和BASDAI (Bath Ankylosing Spondylitis Disease Activity Index)评分分为活动组和稳定组^[5]，其中活动组18例，稳定组13例。BASDAI评分由上海交通大学附属第六人民医院风湿科医师完成，根据过去1 w疲劳、脊柱痛、外周关节痛、局限性压痛、晨僵时间和程度6个项目进行系统评分，共包括6个问题，前5个问题采用10 cm目视模拟标尺法，用mm记录，无症状记为0分，非常严重为10分，共60分，具体见表1，换算成10分制，平均分≤4定义为稳定，平均分≥6定义为活动，平均分在4~6分，需参考实验室检测，如ESR≥30 mm/h/(魏氏法)或CRP≥20 mg/L或血清IgA≥3.9 g/L，则认定病情处于活动期，反之则认定为稳定期^[6]。所有患者均在临床检验和BASDAI评分后完成MRI扫描。

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表1  31例AS患者BASDAI评分标准
Tab.1  The BASDAI score criterion of 31 AS patients

1.2　MRI扫描、图像观察和数据处理

       采用美国GE 3.0 T MRI (Discovery MR750)超导扫描仪，32通道体部线圈，进行图像采集。扫描序列包括T2WI TSE抑脂序列、DKI序列，采集患者骶髂关节冠状位、轴位图像。其中DKI采用双自旋回波序列。主要参数如下：T2WI TSE (TR=3850 ms，TE=97 ms，FOV=256 mm×3206 mm，层厚=3 mm，层间距=1 mm，NEX=4，voxel size：1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm)；DKI (TR=3400.0 ms，TE=80 ms，Number of Echoes：1；层厚=1mm，层间距=0，层数=16，NEX=4.0，FOV=193，voxel size：1.5 mm×1.5 mm×1.0 mm；b=0、500、1000、1500、2000、2500 s/mm²)。

       所有图像均在PACS上和ADW 4.4工作站分析和测量图像。包括MD、MK和ADC值测量。T2WI上观察AS患者骶髂关节病变，活动组主要观察水肿范围、分布，稳定组除观察水肿外，还要观察骨质吸收及囊变情况等。AS活动组和稳定组水肿区感兴趣区(region of interest，ROI)画取：参照T2WI抑脂图像来观察病灶最大层面，以确定ROI位置和大小，ROI应在病灶的最大层面，远离皮质、囊性吸收区等，每处病灶测量3次，取其平均值，ROI面积为20~50 mm²。

       SPARCC评分：采用SPARCC标准进行评分，具体评分方法参照François等^[7]的研究。具体评分标准如下：骶髂关节T2WI斜冠状位标准扫描共12个层面，取中间6个层面进行评分，从以下3个方面进行总评分：(1)累及范围评分(共48分)，每个层面单侧骶髂关节划分为4个象限，每一象限内出现骨髓水肿计1分，无水肿计0分，6个层面双侧骶髂关节总分为48分；(2)水肿强度评分(共12分)，每个层面单侧骶髂关节病灶信号强度接近或超过同层骼前静脉信号强度加1分，6个层面双侧骶髂关节总分为12分；(3)水肿深度评分(共12分)，每个层面单侧骶髂关节水肿深度超过1 cm加1分，6个层面双侧骶髂关节总分为12分。总评分=累及范围评分+水肿信号强度评分+水肿深度评分^[7]。

1.3　统计学分析

       采用SPSS 19.0统计软件进行分析。本文中所有测量数据均以均数±标准差(±s)表示。活动组和稳定组MK、MD和ADC值采用t检验进行统计分析，P<0.05则差异具有统计学意义。SPARCC评分和BASDAI评分相关性分析采用Spearman相关系数进行分析，P<0.05则表示结果具有相关性。

2　结果

2.1　AS患者骶髂关节病变观察

       18例处于活动期的AS患者中，双侧骶髂关节均受累，关节面下不同程度骨髓水肿，范围大小不一。而13例稳定组中，有8例出现了关节面骨质吸收，而关节面下囊变患者有2例。活动期和稳定期骶髂关节水肿在T2WI、DKI和DKI-ADC图上均显示高信号或稍高信号(图1、图2)。

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图1  女，25岁，临床诊断为AS，患者处于活动期。A、B：T2WI TSE轴位和斜冠状位图像，患者双侧骶髂关节受累，关节面及关节面下可见不同程度骨髓水肿。C：DKI斜冠状位图像(b=1000 s/mm²)，水肿区在图像上显示高信号(椭圆形标记)。D：DKI-ADC图，水肿区在图像上同样显示高信号(椭圆形标记)
图2  男，18岁，临床诊断为AS，患者治疗后处于稳定期。A、B：T2WI TSE轴位和斜冠状位图像，患者双侧骶髂关节受累，关节面及关节面下可见散在片状骨髓水肿，关节间隙未见狭窄，关节面下未见囊性骨质吸收区。C：DKI斜冠状位图像(b=1000 s/mm²)，水肿区在图像上显示稍高信号(椭圆形标记)。D：DKI-ADC图，水肿区在图像上同样显示稍高信号(椭圆形标记)
Fig. 1  A 25-year-old female diagnosed AS is in active phase. A, B: The axial and oblique coronary T2WI TSE imaging show the bilateral sacroiliac joints are involved and the the various degree of bone marrow edema under the joint surface. C: Oblique coronary DKI imaging (b=1000 s/mm²) showed the hyperintensity of the bone marrow edema (elliptical shapes). D: The DKI-ADC map also showed hyperintensity of the bone marrow edema region(elliptical shapes).
Fig. 2  A 18-year-old male diagnosed AS is in stable phase. A, B: The axial and oblique coronary T2WI TSE imaging show the bilateral sacroiliac joints are involved and the scattered patchy bone marrow edema under the joint surface. No joints stenosis and cystic bone resorption area under the articular surface are observed. C: Oblique coronary DKI imaging (b=1000 s/mm²) showed the slight hyperintensity of the bone marrow edema(elliptical shapes). D: The DKI-ADC map also showed slight hyperintensity of the bone marrow edema region (elliptical shapes).

2.2　AS患者影像和临床指标评分相关性分析

       所有AS患者的SPARCC评分(48.3±3.6)随着AS骶髂关节病变的加重而增大，且与临床BASDAI评分(7.8±1.2)呈正相关(r=0.73，P<0.01)。

2.3　MK、MD和ADC值

       稳定组MK、MD和ADC值分别为1.03±0.05、(1.37±0.04)×10^-3 mm²/s和(0.98±0.18)×10^-3 mm²/s，而活动组分别为0.89±0.03、(1.40±0.04)×10^-3 mm²/s和(1.32±0.18)×10^-3 mm²/s。活动组和稳定组的MK和ADC值差异均具有统计学意义(P=0.02和P<0.01)，MD值差异则不具有统计学意义(P=0.058)。

3　讨论

       本研究探讨了DKI在评估处于活动期和稳定期强直性脊柱炎患者骶髂关节病变中的应用，结果显示在DKI成像中，MK和ADC值可用于AS患者骶髂关节病变活动性的评价，同时发现AS患者影像学评分(SPARCC评分)和临床评分(BASDAI)也具有一定的相关性，也能为AS患者疗效监测提供帮助。

       DWI的原理是基于水分子的布朗运动，通过观察病变的DWI图和测量ADC来反映病变微观内环境的变化。DWI模式是基于以下设想：微环境是均匀的，概率分布函数(probability displacement function，PDF)描述的水分子相关扩散位移要遵循高斯分布^[8]。但是，生物学组织都有天然的屏障来限制水分子的运动，如细胞膜和细胞器等^[9]，导致概率分布函数相对于高斯分布要多出一个更尖的曲线。Jensen等^[10,11]等提出了一个非高斯扩散加权模式-DKI。该模式包括峰度和扩散系数的计算。峰度量化了高斯模式中组织扩散的误差，扩散率是矫正了非高斯偏倚的扩散系数^[3]。DWI技术现已广泛应用于外伤性骨髓水肿和脊柱病变的诊断和鉴别诊断，特别对于鉴别良恶性骨折、骨髓水肿方面具有无可替代的优势^[12,13]，因此目前被广泛应用于肌肉、软骨和软组织异常的诊断。对于发现骨髓病变，如骨转移性肿瘤、多发性骨髓瘤及血液系统疾病浸润的诊断和鉴别，对观察病变浸润范围以及对疗效评价都具有极大的优势。目前DWI应用于AS的诊断已被国内外认为是最可靠的方法之一^[2,14]。

       强直性脊柱炎是一种自身免疫性疾病，结合临床表现、影像学表现和病理，临床上将AS大致分为3个期：Ⅰ期，早期附着点炎期；Ⅱ期，进展期，主要表现为软骨破坏和骨髓水肿；Ⅲ期，稳定期，可表现为关节融合，骨质破坏和关节强直^[15,16,17]。本研究将处于进展期和相对稳定期的AS患者作为研究对象，发现处于活动期的AS，骶髂关节所测得的ADC值较稳定组明显增高，可能的原因是处于活动期AS患者的关节面及关节软骨由于骨髓水肿、组织细胞内和(或)细胞外水分增加，水分子运动增强，从而导致扩散增加，ADC图信号增强，ADC值增大^[2,18,19]，结果说明，在AS活动期患者骶髂关节中，病变区水分子是不受限的，而在稳定期患者中，由于水肿较轻，水分子扩散较活动期减低，因此ADC值是减低的，这与之前的研究结果相一致。但值得注意的是，在本研究中，骶髂关节病变累及范围较广，除了病变区关节面下的骨髓，还可能影响远离关节面的骨质，这可能与关节面炎症引起邻近骨质结构的血液循环及骨质代谢改变有关，这同样可能导致水分子扩散改变。炎症因素的影响多少会对扩散产生影响，会使ADC值可能降低，但是由于"T2穿透效应"的补偿，使得ADC值反而增大^[20]，这也能解释本次研究中活动组ADC值是升高的原因。AS患者中，当病变处于活动期时，患者临床症状会相应加重，BASDAI评分也会相应增大，在MRI上，累及骶髂关节骨髓水肿及部分远离关节面骨质水肿范围扩大，相应的SPARCC评分也会增大^[21]，这也能解释本次研究中SPARCC评分和BASDAI评分具有相关性。

       通过测量多b值不同方向的扩散，使得DKI量化了水分子扩散的非高斯行为^[10,11]。通过蒙特卡罗模拟，Fieremans等^[22]报道扩散率随扩散时间的增加而减小，但峰度值随扩散时间的增加而增加，达到峰值后随着扩散时间的增加逐渐减少。最初峰度值增加是由于水分子暴露的增加，而后减少是由细胞内和细胞外间隔之间的交流引起的。虽然DKI在诸多疾病中具有广泛应用，但在强直性脊柱炎中尚未见报道，本研究中，MK值较MD值更好地反映病变区活动性的变化，这可能与病变区组织的构成、细胞成分等微环境变化等有关。之前有研究表明，MK在辨别良恶性病变方面比MD具有较高的敏感性、特异性和较高的准确性，可能与恶性病变组织具有较高的细胞复杂性有关^[23,24,25]。Wu等^[26]研究发现，在正常小鼠脑组织中，MK相对变化值较MD大，提示峰度值对限制性障碍的空间尺度比扩散系数敏感，而在脑缺血外伤小鼠模型中，峰度测量值在发现脑缺血性水肿时更敏感。同样的，在AS活动期患者中，由于骶髂关节关节面及远离关节骨质骨髓水肿，加之血液循环及骨细胞代谢等变化，使得微环境(如细胞结构对水分子运动的影响、细胞黏度等)变化较稳定期大，从而导致了MK值变化较明显。D是一个修正的非高斯扩散行为的扩散系数，是标准ADC值的近两倍^[3]，在本研究中，AS活动期和稳定期MD值变化不明显，但目前由于DKI应用于AS未见报道，还不能很清楚地解释原因，结合相关文献，笔者推测可能有以下几个原因：(1) MD在超高b值(2500~3000 s/mm²)条件下能更好地反映组织水分子扩散系数；(2)某些大分子物质(如炎性因子和细胞代谢产物等)阻碍了细胞特性对水分子运动的作用^[27]；(3)D值对限制性障碍的空间尺度较K值敏感性低^[26,28]。

       本研究还存在一些不足，本研究样本量较少，没有纳入正常志愿者做对照，没有进行纳入病例与CT平扫(观察骶髂关节硬化)相关性研究，达到提高本研究的准确性，都是本次研究的不足。另外，本研究中没有对SPARCC评分、BASDAI评分和具体炎性活动指标进行分析，没有分析病变范围大小与炎性指标之间的关系等。笔者将在以后的研究中继续完善，继续就新技术在AS中的更多应用和研究展开更广泛、更深入的研究。

       总之，DKI可以作为评价AS活动性的一种有效方法，MK值和ADC值能为AS的诊断、鉴别和疗效的评估提供帮助，有望成为AS有效的"影像生物学标记"。