基于MRI征象與壞死體積測量對非創傷性股骨頭壞死塌陷預測價值的初步研究

張萌萌，汝曉雙，范鴻禹，張清，伍建林*

基于MRI征象與壞死體積測量對非創傷性股骨頭壞死塌陷預測價值的初步研究

張萌萌1，2，汝曉雙1，3，范鴻禹1，張清1，伍建林1*

作者單位：
1.大連大學附屬中山醫院放射科，大連 116011
2.中國人民解放軍第302醫院放射科，北京 100039
3.大連市中心醫院放射科，大連116033

目的探討基于MRI征象及壞死體積百分比預測非創傷性股骨頭壞死塌陷的臨床應用價值。材料與方法2010年9月至2012年11月期間連續收集經大連大學附屬中山醫院門診或住院檢查診斷為非創傷性股骨頭壞死且未發生股骨頭塌陷的患者共56例(76髖)。首次檢查及隨訪均行雙側髖關節X線檢查和MRI掃描，并依據每次X線圖像判定患者股骨頭有無塌陷分為塌陷組(31髖)和非塌陷組(45髖)，依據首次MRI分析髖關節骨髓水腫、關節積液、股骨頭壞死區部位、形態及信號表現等征象，同時測量股骨頭壞死體積和計算股骨頭各象限壞死體積百分比。經Logistic回歸比較分析，得出危險因素指標；并用受試者工作特征曲線初步確定其敏感度與特異度。結果本研究中，最終未出現股骨頭塌陷者45髖(59.21%)，塌陷者31髖(40.79%)。兩組中除性別、年齡、病因、壞死信號、后內下象限外，其余各指標均有統計學意義(P＜0.05)。其中發現ARCOⅡ期、周圍型壞死、有骨髓水腫、總壞死體積百分比(%)、前外上象限(ASL)與后外上象限(PSL)的壞死體積百分比(%)高者塌陷率更高，并且以外上象限(ASL+PSL)股骨頭塌陷更易發生。3種定量指標預測股骨頭壞死塌陷的最佳臨界值分別為19.51%、47.78%和21.00%，對應的特異度和靈敏度分別為71.1%、68.9%、86.7%和93.5%、83.9%、77.4%。結論利用MRI檢查的征象指標和壞死體積測量可有效提高預測股骨頭壞死患者的股骨頭塌陷的準確性。

股骨頭壞死；磁共振成像；塌陷；壞死體積測量

股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)是各種原因導致并以漸進性發展為特點的臨床常見疾病。研究表明[1-3]，ONFH患者中的80%～90%會在發病后2～3年間表現出臨床和影像學上的進展，其中股骨頭塌陷是該病程轉折的重要改變。文獻表明[4-6]，髖關節X線和MRI均是ONFH的重要影像學檢查方法，其中MRI在顯示早期股骨頭壞死的部位、范圍與病變程度等方面更加敏感和準確，同時在測量股骨頭壞死體積方面也具有重要的臨床應用價值，但該方面的研究報道較少。本研究采用Malizos等[7]提出的股骨頭8象限定量評估方法，基于MRI提供的清晰圖像進行股骨頭壞死體積及其百分比的測量，并綜合多種征象，全面評估和探討MRI在預測股骨頭壞死塌陷和病情演變等方面的臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

以《2012年版成人股骨頭壞死診療標準專家共識》[8]診斷標準為依據。連續收集2010年9月至2012年11月期間于大連大學附屬中山醫院收治的非創傷性股骨頭壞死，并按照世界骨循環研究會(Association Research Circulation Osseous，ARCO)骨壞死的國際分期標準[9]診斷為早期股骨頭壞死(ARCOⅠ、Ⅱ)的患者56例(76髖)，其中Ⅰ期22例(32髖)，Ⅱ期34例(44髖)。女性14例，男性42例，平均年齡(49±13.41)歲。所有致股骨頭壞死因素中，特發性35髖，酒精性22髖，激素性17髖，發育不良性2髖。

1.2 檢查方法

在首診時，被檢患者同時完善髖關節正、蛙式位X線以及1.5 T PHILLIPS MRI (46例)和3.0 T SIEMENS MRI (10例) MRI檢查，隨診中亦行上述檢查，MR檢查采用仰臥體位，使用標準體部線圈，行常規性連續的冠狀位T1WI、T2WI和STIR序列掃描。

1.3 病例隨訪

確診ONFH后，受試患者每半年一次髖關節X線檢查，依據Aaron和Nishii等[10-11]的觀測方法，通過兩名有經驗的放射科醫師評估塌陷情況(圖1)。所有受試患者中，隨診最短時間為10個月，最長為42.5個月，平均隨訪時間為(21.6±9.1)個月。

1.4 MRI測量股骨頭壞死體積的方法

根據Malizos等[7]提出的定量評估方法，將MRI中股骨頭視為標準球體并均分成8個部分，即前外上(ASL)、前內上(ASM)、前外下(AIL)、前內下(AIM)、后外上(PSL)、后內上(PSM)、后外下(PIL)、后內下(PIM)8個象限。利用西門子3.0 T MR后處理工作站(MultiModality WE40A版本)的面積工具，手動逐層描繪壞死區域T1WI低信號帶外緣，得到各個象限壞死面積(圖2)，并計算其所在層面的體積，分別將每一層面4個象限的體積相加得到4個象限的總體積，最后分別計算股骨頭各個象限的壞死體積百分比以及總壞死體積百分比(V)。

1.5 MRI影像學分析指標

(1)關節腔積液：參照Mitchell等[12]文獻將關節腔積液定量為4級：0級：無積液；Ⅰ級：少許積液包繞股骨頭頭頸一側；Ⅱ級：積液包繞股骨頭頭頸周圍且無關節囊隱窩擴張；Ⅲ級：積液包繞股骨頭頭頸周圍且關節囊隱窩膨脹擴張；0級及Ⅰ級定義為少量積液，Ⅱ級為中等量積液，Ⅲ級為大量積液(圖3)。(2)骨髓水腫：有水腫和無水腫(圖4)。(3)壞死形態：依據魏秋實等[13]分型方法，分為中心型和周圍型壞死(圖5)。(4)壞死信號(T2WI序列)：高信號、低信號、混雜信號。

1.6 統計學方法

將上述各指標經統計學軟件SPSS 20.0進行統計學分析。首先對各計量資料進行獨立樣本t檢驗，對計數資料進行卡方檢驗，然后用Logistic回歸模型對其中有統計學意義者作進一步分析。應用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC曲線)找出其預測的敏感度與特異度。計量資料以均數±標準差表示，按α=0.05水準。

2 結果

2.1 隨訪及觀察指標比較

觀測ONFH 56例(76髖)，平均隨訪時間(21.6±9.1)個月，其中塌陷者31髖(40.79%)，未塌陷者45髖(59.21%)。除性別、年齡、壞死信號以及病因等，其余各指標均存在統計學意義(P＜0.001)，詳見表1。

表 1 股骨頭塌陷組與未塌陷組各項指標的比較Tab.1 Comparison of the indicators between collapse group and non-collapse group

續表1 股骨頭塌陷組與未塌陷組各項指標的比較Continued tab.1 Comparison of the indicators between collapse group and non-collapse group

2.2 股骨頭壞死體積百分比

塌陷組總壞死體積百分比平均值為(40.1±20.1)%，未塌陷組平均壞死百分比為(18.3±19.8)%，兩組間差異具有統計學意義。在各象限壞死體積百分比中，除PIM象限之外，其他各象限壞死體積百分比值的差異均具有統計學意義，詳見表2。

表2 股骨頭塌陷組和未塌陷組各象限與總壞死體積百分比值的比較Tab.2 Comparison of each quadrant and the total necrosis volume percentage between collapse group and non-collapse group

2.3 股骨頭塌陷的Logistic回歸分析

由Logistic回歸模型分析顯示，ARCO分期、壞死形態、骨髓水腫這3項指標系數均為負值，根據模型的意義可知3者為保護因素，但上述指標中存在亞變量，從而得出ARCOⅠ期、中央型壞死、無骨髓水腫的ONFH發生塌陷的可能性低于ARCOⅡ期、周圍型壞死有骨髓水腫者，3者的相對危險度(OR值)約為0.2。然而總壞死體積、ASL和PSL象限壞死體積百分比這3項因素系數為正值，系股骨頭壞死塌陷的危險因素，其OR值均大于1，見表3。

2.4 ROC曲線分析

本研究基于上述股骨頭壞死塌陷的3個危險因素，繪制其ROC曲線(圖6)，ASL和PSL象限及總壞死體積百分比的ROC曲線下面積分別為0.814(95%CI：0.720～0.909)、0.853(95%CI：0.764～0.942)和0.835(95%CI：0.743～0.927)，P＜0.001(表4)，特異度和靈敏度分別為71.1%、68.9%、86.7%和93.5%、83.9%、77.4%，預測塌陷的最佳診斷界值分別為47.78%、21.00%、19.51%。

3 討論

3.1 股骨頭壞死檢查與分區方法

未行醫療干預的非創傷性股骨頭壞死多呈進展性破壞，其發生率約為80%[14]，最終需全髖關節置換術。盡管很多影像學檢查可應用于股骨頭壞死的篩查與診斷，但X線平片和MRI依然是目前主要的檢查方法，尤其是后者具有明顯的優勢，可有助于評估分期、塌陷、預后和治療療效等[15]。

在有關預測股骨頭壞死塌陷的方法中，Malizos等[7]提出的股骨頭8分法對股骨頭壞死的處理得到的信息較多并較全面，同時測量方法較簡單，有較好的可重復性。故本研究在分析股骨頭壞死MRI征象的基礎上，應用以上方法研究影響股骨頭壞死塌陷的危險因素，旨在探尋有助于臨床預測和評估股骨頭壞死塌陷的影像學征象與規律以指導臨床合理有效治療。

圖1 男，45歲，ARCOⅡ期股骨頭壞死患者。A：2012年3月的X線正位圖像；B：隨診至2013年6月出現X線圖像上可見的塌陷，塌陷位于上關節面(箭指示) 圖2 用面積測繪工具沿T1WI中股骨頭壞死區域低信號帶外緣描繪，自動得到每一層面內各個象限的壞死面積數據 圖3 關節積液分級。A：示右髖為Ⅰ級，左髖為Ⅱ級；B：示右髖為0級，左髖為Ⅲ級 圖4 右側股骨上段無骨髓水腫，左側存在明顯骨髓水腫 圖5 壞死形態：右側為周圍型壞死(長箭所示)，左側為中央型壞死(短箭所示)Fig. 1 Male, 45 years old, ARCO Ⅱ with ONFH. A: X-ray image was photoed at March 2012 without collapse; B: The picture was followed up to June 2013 when collapse appeared, collapse located under the superior joint surface (arrow). Fig. 2 On T1WI, using measurement tools, draw the outline of the necrosis area of femoral head along the low signal band, and receive the necrosis area of each quadrant within all layers automatically. Fig. 3 Joint effusion classification. A: Right hip is levelⅠand left hip is level Ⅱ; B: Right hip is level 0, left hip is level Ⅲ.Fig. 4 There is no bone marrow edema in the upper of right femur, but the left femur bone marrow edema is obvious. Fig. 5 Necrotic morphology: the right hip is the peripheral necrosis (long arrow), the left one is the central necrosis (short arrow).

3.2 MRI預測股骨頭壞死塌陷的征象

MRI以軟組織分辨率高和多方位成像，以及對其的定量測量等優勢，可綜合評估股骨頭壞死的嚴重程度，并在分析其是否有塌陷的可能性方面具有重要參考價值。Logistic回歸數據顯示，股骨頭塌陷MRI征象中的危險因素分別為ARCOⅡ期、周圍型壞死和骨髓水腫。

顯而易見的是，ARCO分期本身即是股骨頭壞死演變過程的直觀描述，所以對股骨頭的塌陷有積極的貢獻作用。本研究中ARCOⅠ期股骨頭的塌陷比率為6.67%(2/30)，而ARCOⅡ期為63.04%(29/46)，組織病理學研究發現，后者壞死股骨頭中發生以壞死骨吸收、新生骨形成等修復反應，相較前期，股骨頭的穩定性明顯下降，患者發生股骨頭塌陷的幾率隨之增加，所以ARCOⅡ期患者應警惕和預防股骨頭塌陷的發生。

表3 股骨頭塌陷的Logistic回歸分析Tab.3 Logistic regression analysis of the femoral head collapse

表4 股骨頭塌陷3種危險因素定量指標ROC曲線分析Tab.4 ROC curve analysis of three kinds of risk factors of femoral head collapse quantitative indicators

圖6 總壞死體積百分比、ASL象限壞死體積百分比、PSL象限壞死體積百分比的ROC曲線Fig. 6 ROC curve of V, ASL and PSL

本研究發現，MRI上股骨頭壞死形態與其塌陷密切相關，在中央型股骨頭壞死47髖中僅7髖發生塌陷(14.89%)，而周圍型股骨頭壞死的29髖中24髖發生塌陷(82.76%)，與相關的研究報道結果一致，與股骨頭的生物力學特點有關[16-18]，股骨頭壞死必然造成骨小梁結構破壞及紊亂，正常的應力分布被打破，形成以壞死組織與正常結構交界面的應力集中，尤其發生在關節面下的應力集中往往會引起塌陷。

MRI上出現骨髓水腫也是影響股骨頭塌陷的危險因素。本組股骨頭壞死伴有骨髓腔水腫發生塌陷的比率為75.76%(25/33)，無骨髓水腫者發生率僅為13.95%(6/43)。其機理與股骨頭壞死后應力集中引起的繼發性應力損傷有關，病理上可顯示一過性骨質疏松和骨小梁微骨折，從而加重股骨頭壞死塌陷的風險[20-21]。

3.3 各部位壞死體積百分比對股骨頭塌陷的作用

雖說前述股骨頭壞死的MRI征象在一定程度上顯示出引起塌陷的某些生物學行為，但股骨頭壞死部位及程度和量化評估也是重要的因素。研究表明[22]，壞死病灶較大且延伸至關節軟骨下承重區者，無論治療與否，股骨頭壞死均可能繼續進展或出現塌陷。研究中通過Malizos等[7]采用的定量評估股骨頭壞死體積的方法取得了較理想的結果，即股骨頭ASL與PSL象限以及總壞死體積百分比(%)對壞死塌陷的預測存在一定的參考價值，塌陷組與未塌陷組間的壞死體積百分比間差異具有明顯統計學意義(P＜0.001)，說明壞死體積越大、或發生在ASL和PSL象限的較大壞死均容易出現股骨頭壞死塌陷。

本研究還發現，總壞死體積百分比預測股骨頭塌陷最佳臨界值為19.51%，小于19.51%的34髖中僅有2髖發生塌陷；大于19.51%的42髖中有29髖發生塌陷，預測塌陷發生的比率為69.05%，如果結合ASL及PSL壞死體積比，其預測塌陷發生的比率為80.77%，其結果明顯高于前者，所以可以理解為綜合考慮3種指標能提高預測的準確性。其中ASL和PSL構成股骨頭負重區的外上部，其壞死體積百分比也在股骨頭塌陷發生中作出重要貢獻，該結論與國內外學者的研究結果基本一致[23-24]。

綜上所述，MRI征象和定量檢測在股骨頭壞死的評估方面具有重要的臨床價值。在各指標中，ARCO分期、骨髓水腫、壞死形態、ASL與PSL象限壞死體積百分比(%)、總壞死體積百分比(%)是股骨頭壞死發生塌陷的危險因素。但應強調MRI征象及定量檢測與臨床指標的綜合性分析，任何單項指標的評估價值均具有局限性；同時本組的樣本量還較小，分組不細致，治療因素等影響未充分考慮，將在后續研究中擴大樣本量進行深入探討。

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Prediction of collapse with MRI signs and necrosis volume measurement for non-traumatic osteonecrosis of femoral head

ZHANG Meng-meng1,2, RU Xiao-shuang1,3, FAN Hong-yu1, ZHANG Qing1, WU Jianlin1*

1Department of Radiology, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116011, China
2Department of Radiology, 302 Military Hospital of China, Beijing 100039, China
3Department of Radiology, Dalian Municipal Central Hospital Affiliated of Dalian Medical University, Dalian 116033, China
*Correspondence to: Wu JL, E-mail: cjr.wujianlin@vip.163.com

Objective:To investigate the clinical value of prediction of collapse in non-traumatic femoral head necrosis and based on the MRI signs and necrotic volume percentages.Materials and Methods:Fifty-six patients (76 hips) were diagnosed as non-traumatic femoral head necrosis without collapse at affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University since September 2010 to November 2012. The X-ray examination and MRI scan were performed at the first time examination and follow-up. According to the X-ray image to determine whether collapse or not, divided into collapse group(31 hips) and non-collapse group (45 hips). The bone marrow edema, joint effusion,location of necrotic lesions necrotic morphology and signal feature was analyzed in MRI of the first time examination, and the each quadrant volume and percentage of the femoral head necrosis was measured. ByLogisticregression analysis, the risk factors were concluded, and the sensitivity and specificity was determined by ROC curve(receiver operating characteristic curve).Results:There is no significant difference in routine T1 or T2 weighted imaging between the three group. The ADC values of bilateral midfrontal gyrus and superior temporal gyrus cortex significantly increasedin groups Ⅰ and Ⅱ compared to groups Ⅲ (P＜0.05). The duration of disease positively correlated with ADC values of the right midfrontal gyrus in group Ⅰ and Ⅱ.Conclusion:The accuracy of prediction of collapse in patients with femoral head necrosis can be effectively improved by using the MRI feature and the measurement of the necrotic volume.

Femur head necrosis; Magnetic resonance imaging; Collapse; Necrosis volume measurement

伍建林，E-mail：cjr.wujianlin@vip.163.com

2016-05-30

接受日期：2016-12-10

R445.2；R681.8

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.04.011

張萌萌, 汝曉雙, 范鴻禹, 等. 基于MRI征象與壞死體積測量對非創傷性股骨頭壞死塌陷預測價值的初步研究. 磁共振成像, 2017, 8(4): 296-301.