董晚亭 潘小文 羅容智 羅 飛

四川省骨科醫(yī)院放射科 (四川 成都 610000)

目前，MRI在脊柱關(guān)節(jié)炎中已獲得廣泛應(yīng)用，骶髂關(guān)節(jié)MRI病變是用于診斷脊柱關(guān)節(jié)炎的放射學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，對提高脊柱關(guān)節(jié)炎的診斷準(zhǔn)確性具有重要價值[1]。骶髂關(guān)節(jié)骨髓水腫在診斷中具有關(guān)鍵作用，但其敏感度(76%)及特異性(74%)不足[2]；同時，骶髂關(guān)節(jié)侵蝕在患有脊柱關(guān)節(jié)炎的情況下不太普遍，而且常規(guī) T1加權(quán)MRI掃描很難發(fā)現(xiàn)侵蝕等結(jié)構(gòu)性病變，敏感性較低(54%)[3]。CT比傳統(tǒng)X線檢測骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)異常的敏感度更高，而且檢測骨質(zhì)異常(如關(guān)節(jié)面骨侵蝕、毛糙等)的特異性也比MRI高，但其對水腫的檢測有限[4-5]。MRI與CT聯(lián)合使用可提高敏感度和特異性，但同時進(jìn)行CT和MRI檢查會增加患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)及放射性電離輻射，醫(yī)生還會面臨更復(fù)雜的工作流程。基于MRI的偽CT是一種基于深度學(xué)習(xí)的技術(shù)，其通過執(zhí)行三維MRI到CT映射并從軸向三維T1加權(quán)多梯度回波序列獲得類似CT圖像[6]，在骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變中可能具有潛在應(yīng)用價值。因此，本研究分析了基于MRI的偽CT圖像對疑似骶髂關(guān)節(jié)炎患者結(jié)構(gòu)性病變的診斷效能，以為今后工作提供思路。

1 資料與方法

1.1 一般資料回顧性選擇2020年1月至2020年12月于本院放射科行MRI及CT檢查的疑似骶髂關(guān)節(jié)炎患者53例。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡≥18歲；經(jīng)?？崎T診醫(yī)生診斷為疑似骶髂關(guān)節(jié)炎；無腰背外傷史及手術(shù)史；無惡性腫瘤；MRI及CT檢查均在同一天。排除標(biāo)準(zhǔn)：MRI及CT圖像不齊全；體內(nèi)有金屬植入物者；妊娠期患者；精神病患者；3個月內(nèi)使用過對骨代謝造成影響的藥物。入選患者中，男27例，女26例；年齡21~59歲，平均年齡(43.72±11.60)歲；腰痛持續(xù)時間1~18年，平均年齡(9.57±3.45)年；體脂指數(shù)18.50~28.14 kg/m2，平均體脂指數(shù)(25.05±6.49)kg/m2。本研究已獲得院倫理委員會批準(zhǔn)，患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 MRI檢查 采用美國通用電氣(GE)公司的1.5T超導(dǎo)MRI進(jìn)行檢查，患者取仰臥位，平行于骶骨長軸掃描，同時對可疑病變進(jìn)行增強(qiáng)掃描；掃描序列：T1加權(quán)成像序列、快速自旋回波序列以及反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列。此外，進(jìn)行三維T1多梯度回波序列掃描以供重建偽CT圖像，重復(fù)時間/回波時間為3ms/7ms，視野400mm×400mm，矩陣384×384，采集時間為5min37s。

1.2.2 偽CT圖像生成 選擇中創(chuàng)新影軟件重建偽CT圖像。該軟件借助U-net體系架構(gòu)的深度學(xué)習(xí)法，通過成對MRI和CT數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，利用三維T1多梯度回波序列掃描圖像中的局部空間上下文信息來重建缺失骨結(jié)構(gòu)。軟件運行后，通過醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信網(wǎng)絡(luò)連接影像存檔及通信系統(tǒng)(PACS)，PACS將源MRI掃描圖像自動轉(zhuǎn)發(fā)至軟件，生成偽CT圖像30min內(nèi)自動返回PACS[7]。

1.2.3 CT檢查 MRI檢查后同一天，采用德國西門子64排螺旋CT對全骶髂關(guān)節(jié)進(jìn)行平掃(患者取仰臥位)，準(zhǔn)直32×0.6mm，間距0.6，層厚5mm，視野625mm×500mm，旋轉(zhuǎn)時間0.5s，瞬時高低電壓切換，最低管電壓100kVp，最高管電壓140kVp；為進(jìn)一步分析，以0.5∶0.5的默認(rèn)比率計算加權(quán)平均圖像，以類似于120kV圖像。

1.2.4 圖像分析 偽CT圖像及CT圖像均在冠狀位重建(切片厚度和增量均為1mm)，由對本研究事先不知情的2名放射科醫(yī)生采用RadiAnt DICOM Viewer軟件，分別在3個不同時間段依據(jù)CT、偽CT及T1加權(quán)MRI圖像獨立評估骶髂關(guān)節(jié)中是否存在結(jié)構(gòu)性病變(一種成像方法獲得的圖像分析完成后，間隔2周再打亂順序分析下一種)，每側(cè)骶髂關(guān)節(jié)均分成四個象限用于侵蝕和硬化評分，分成上、下兩半用于強(qiáng)直評分。結(jié)構(gòu)性病變定義如下：侵蝕。CT或偽CT發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)表面軟骨下骨皮質(zhì)明顯中斷；T1加權(quán)MRI發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)邊緣骨缺損，軟骨下皮層暗信號全層丟失(見圖1~3大箭頭)。硬化。CT或偽CT發(fā)現(xiàn)高衰減值從關(guān)節(jié)間隙延伸至少5mm；T1加權(quán)MRI發(fā)現(xiàn)軟骨下低信號強(qiáng)度帶(見圖1~3小箭頭)。強(qiáng)直。CT或偽CT或MRI發(fā)現(xiàn)跨關(guān)節(jié)骨橋，關(guān)節(jié)兩側(cè)軟骨下骨板全層缺失[8-9]。兩名放射科醫(yī)生對CT評估結(jié)果共同進(jìn)行探討形成共識并作為參考標(biāo)準(zhǔn)。每個病灶的診斷置信度采用4分制評分，其中1分為置信度差，幾乎無法診斷；2分為低置信度，可能影響診斷；3分為中等置信度，不影響診斷；4分為高置信度，有助于明確診斷[10]。上述分析全部完成后間隔2周，隨機(jī)抽取20名的患者CT、偽CT及T1加權(quán)MRI圖像，由其中1名放射科醫(yī)生進(jìn)行再次分析，以用于評估觀察者內(nèi)的一致性。

圖1 CT中骶髂關(guān)節(jié)侵蝕及硬化圖像(男，30歲，骶髂關(guān)節(jié)炎)大箭頭：侵蝕，小箭頭：硬化。圖2 偽CT中骶髂關(guān)節(jié)侵蝕及硬化圖像(男，30歲，骶髂關(guān)節(jié)炎)大箭頭：侵蝕，小箭頭：硬化。圖3 MRI中骶髂關(guān)節(jié)侵蝕及硬化圖像(男，30歲，骶髂關(guān)節(jié)炎)大箭頭：侵蝕，小箭頭：硬化。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS 26.0軟件處理數(shù)據(jù)，Cohen's kappa系數(shù)分析不同成像方法觀察者內(nèi)和觀察者間的一致性。因來自同一參與者的病灶可靠性評分并非獨立數(shù)據(jù)，為了結(jié)合2名觀察者評分分析不同成像方式的診斷性能，本研究擬合了具有l(wèi)ogit連接函數(shù)的二項式分布廣義估計方程，并選擇等相關(guān)結(jié)構(gòu)作為作業(yè)相關(guān)矩陣對同一患者各測量值之間的相關(guān)性進(jìn)行校正(跨象限、觀察者及方法)，模型的固定效應(yīng)部分包含所使用的成像方法，并進(jìn)行邊際概率估計及成對比較(其中，偽CT與MRI的比較用于分析診斷性能；偽CT與MRI及偽CT與CT比較用于分析置信度)。檢驗水準(zhǔn)α=0.05(雙側(cè))。

2 結(jié) 果

2.1 疑似骶髂關(guān)節(jié)炎患者臨床診斷情況53例患者中，有39例(占比73.58%)最終臨床診斷為中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎，14例(占比26.42%)為其他關(guān)節(jié)病、變性或解剖變異；MRI和CT檢查間隔時間1~3h，平均間隔時間(1.65±0.53)h。CT診斷情況：有75個象限為侵蝕，占比17.69%(75/424)；有102個象限為硬化，占比24.06%(102/424)；有42個部分為強(qiáng)直，占比19.81%(42/212)。

2.2 不同成像方法觀察者內(nèi)和觀察者間的一致性除MRI診斷侵蝕的觀察者間一致性強(qiáng)度為中等外(k=0.593)，CT、偽CT及MRI診斷結(jié)構(gòu)性病變的觀察者內(nèi)一致性、觀察者間一致性絕大部分處于較強(qiáng)水平(k=0.627~0.898)，見表1。

表1 不同成像方法觀察者內(nèi)和觀察者間的一致性

2.3 不同成像方法對結(jié)構(gòu)性病變的診斷效能每名觀察者對結(jié)構(gòu)性病變診斷效能見表2(未采用模型調(diào)整)。對不同觀察者、象限及方法的參與者內(nèi)部相關(guān)效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整后發(fā)現(xiàn)：偽CT診斷侵蝕的準(zhǔn)確性及特異性明顯高于MRI，診斷硬化、強(qiáng)直的準(zhǔn)確性及敏感性明顯高于MRI，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，見表3。

表2 不同觀察者對結(jié)構(gòu)性病變的診斷效能(未采用模型調(diào)整)[%(n)]

表3 廣義估計模型中不同成像方法對結(jié)構(gòu)性病變的診斷效能[%(95%CI)]

2.4 不同成像方法診斷結(jié)構(gòu)性病變的置信度偽CT診斷侵蝕、強(qiáng)直的置信度明顯優(yōu)于MRI(均P<0.05)；偽CT診斷結(jié)構(gòu)性病變與CT比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(均P>0.05)，見表4。

表4 廣義估計模型中不同成像方法診斷結(jié)構(gòu)性病變的置信度[%(95%CI)]

3 討 論

國際脊柱關(guān)節(jié)炎專家評估協(xié)會在脊柱關(guān)節(jié)炎骶髂關(guān)節(jié)MRI病變相關(guān)內(nèi)容中提出，MRI有助于評估疾病活動性，其對脊柱關(guān)節(jié)炎的早期診斷具有重要價值，而且在常規(guī)影像學(xué)檢查中也是唯一可以清晰顯示骨髓炎癥水腫的[8]。但常用的T1加權(quán)MRI掃描對侵蝕、強(qiáng)直等的診斷置信度及特異性不高，可能會影響醫(yī)生最終診斷[11]。CT雖然能良好彌補上述缺陷，但無形中增大了患者身體輻射負(fù)擔(dān)及醫(yī)療成本。偽CT圖像可能有助于彌補MRI在骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變診斷中的局限性[12]。

基于深度學(xué)習(xí)的偽CT圖像合成技術(shù)可基于衰減圖以定量方式將骨結(jié)構(gòu)可視化，而且圖像質(zhì)量比原始圖像更高，有助于顯示皮質(zhì)及皮質(zhì)下骨骼，而且圖像后處理全程由后臺自動實現(xiàn)，用戶只需閱讀合成的偽CT圖像結(jié)果即可，無需另外介入。目前國內(nèi)基于深度學(xué)習(xí)的MRI偽CT圖像合成技術(shù)僅在腫瘤放射治療中應(yīng)用較多[13]，而在骨關(guān)節(jié)疾病診斷中的應(yīng)用較少。國外Staartjes等[14]研究發(fā)現(xiàn)，基于MRI合成的偽CT在腰椎病變檢查中具有極高的一致性。本研究采用MRI三維T1多梯度回波序列圖像，通過深度學(xué)習(xí)后合成了偽CT圖像，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)其對骶髂關(guān)節(jié)侵蝕、硬化及強(qiáng)直診斷的觀察者內(nèi)和觀察者間一致性均較好(k=0.704~0.898)，而且一致性強(qiáng)度大多與CT和MRI相同，為該技術(shù)在骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變診斷的臨床應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

Breighner等[15]研究發(fā)現(xiàn)，采用MRI零回波時間序列生成的CT樣圖像，與脊柱和臀部CT具有較好的一致性，但該技術(shù)對皮質(zhì)骨的特異性缺乏，而且需要特定的硬件設(shè)備。菅影超等[16]通過3D深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)MRI生成了偽CT，發(fā)現(xiàn)明顯提高了骨骼、空氣與軟組織之間成像精度。本研究采用的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過3D U-net架構(gòu)利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型對骶髂關(guān)節(jié)三維MRI圖像進(jìn)行自動分割處理，網(wǎng)絡(luò)編碼器按照不同模態(tài)分別提取特征再進(jìn)行總體融合，從而合成高成像質(zhì)量及高準(zhǔn)確度的偽CT圖像[17]。將兩名放射科醫(yī)生通過CT共同確認(rèn)的骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變作為參考標(biāo)準(zhǔn)，比較了偽CT和T1加權(quán)MRI的診斷效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：偽CT診斷侵蝕的準(zhǔn)確性及特異性明顯高于MRI，診斷硬化、強(qiáng)直的準(zhǔn)確性及敏感性明顯高于MRI；偽CT診斷侵蝕、強(qiáng)直的置信度明顯優(yōu)于MRI，與Jans等[18]報道基本一致。提示偽CT比MRI能夠更加可靠的描繪骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變，在不影響敏感性的情況下診斷侵蝕特異性的提高，有助于改善既往常規(guī)MRI特異性較低的問題；而對于硬化和強(qiáng)直，則在不失去特異性的情況下提高了敏感性(因硬化和強(qiáng)直為炎癥后骨骼修復(fù)的跡象[8])，這可能有助于指導(dǎo)患者治療及隨訪。

本研究存在的局限性：納入樣本量偏少，樣本均來自省級三甲醫(yī)院，可能存在選擇偏差，今后需加大樣本量進(jìn)行多中心研究；另外，偽CT對病變檢測的原始序列附加價值尚未分析，是下一步研究的目標(biāo)。

綜上，本研究發(fā)現(xiàn)基于MRI合成的偽CT描繪骶髂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性病變的診斷效能高于常規(guī) T1加權(quán)MRI，可靠性可與CT媲美。