單雙指數(shù)及拉伸指數(shù)模型在鑒別布氏桿菌性脊柱炎與脊柱結(jié)核中的價(jià)值

吳慧，高陽，劉挨師，趙鵬飛，武小鵬，牛廣明

作者單位：內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院影像科，呼和浩特 010050

布氏桿菌病是由各型布氏桿菌引起的人畜共患的全身傳染性及變態(tài)反應(yīng)性疾病，在全球分布，主要影響發(fā)展中國家[1]，常侵及脊柱引起脊柱炎。由于布氏桿菌性脊柱炎(brucella spondylitis，BSD)與脊柱結(jié)核(spinal tuberculosis，STB)在臨床表現(xiàn)、影像特征頗為相似，低熱盜汗、腰痛，骨質(zhì)破壞及椎旁膿腫，易被誤診為結(jié)核[2]。但因二者治療方案不同，早期明確診斷有重要意義。X線平片及CT可以顯示骨質(zhì)破壞及椎旁軟組織腫塊，但對(duì)早期的骨髓水腫不易顯示。而磁共振成像對(duì)早期骨髓水腫及小的椎旁膿腫顯示良好，但因兩種病變表現(xiàn)有重疊常規(guī)磁共振不易鑒別，功能性磁共振成像的出現(xiàn)可能成為其鑒別的有益補(bǔ)充。擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一種利用布朗運(yùn)動(dòng)檢測(cè)活體組織水分子擴(kuò)散的方法,定量參數(shù)表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparеnt diffusiоn cоеfficiеnt，ADC)可以反映生物組織的擴(kuò)散能力及微觀結(jié)構(gòu)。體素內(nèi)不相干運(yùn)動(dòng)(introvoxel incoherent motion，IVIM)通過計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)D值、假性擴(kuò)散D*值及灌注分?jǐn)?shù)f值檢測(cè)活體組織的擴(kuò)散和灌注信息，拉伸指數(shù)模型則通過擴(kuò)散異質(zhì)性指數(shù)a和分布擴(kuò)散指數(shù)(distribute diffusion coefficient，DDC)反映更復(fù)雜的組織生物學(xué)特征。功能成像的出現(xiàn)可以為疾病的診斷提供更多依據(jù)。以往文獻(xiàn)可見DWI或IVIM用于布氏桿菌脊柱炎或脊柱結(jié)核的診斷或脊柱良惡性病變的鑒別，但未見DWI、IVIM及拉伸指數(shù)模型聯(lián)合應(yīng)用于脊柱，本研究首次嘗試聯(lián)合三種模型用于BSD與STB的鑒別。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

本研究得到了本院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，并獲得了所有受試者的書面知情同意書。搜集我院2016年12月至2018年12月經(jīng)血凝集實(shí)驗(yàn)1︰100++以上或琥紅平板凝集實(shí)驗(yàn)＞++以上確診為BSD患者34例，其中男性21例，女性13例，年齡30～70歲，平均年齡53歲，患者均有不同程度牛羊接觸史或食用飲用未經(jīng)消毒的肉制乳制品。STB患者31例，男性18例，女性13例，年齡27～64歲，平均年齡47歲；結(jié)核菌素試驗(yàn)19例為陽性，8例為弱陽性，4例為陰性。手術(shù)病理證實(shí)18例。BSD及未手術(shù)的STB患者隨訪以進(jìn)行治療后的確認(rèn)。(BSD：多四環(huán)素聯(lián)合利福平，STB：聯(lián)合異煙肼、利福平、乙胺丁醇、吡嗪酰胺)。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)血凝集實(shí)驗(yàn)或琥紅平板實(shí)驗(yàn)、結(jié)核菌培養(yǎng)、手術(shù)病理證實(shí)或治療后確認(rèn)者；(2)無論是BSD還是STB病灶感興趣區(qū)(region of interest，ROI)面積≥0.8 cm2；排除標(biāo)準(zhǔn)：(1) MRI掃描圖像質(zhì)量差，不符合本研究的要求；(2)病變體積過小，在多b值DWI圖像上無法準(zhǔn)確劃取ROI，同時(shí)避免部分容積效應(yīng)。

1.2 掃描方法

所有檢查均在GE Discovery MR750 3.0 T磁共振掃描儀進(jìn)行。采用脊柱線圈和腹部線圈，脊柱線圈行脊柱常規(guī)掃描，然后更換為腹部線圈，行DWI及多b值DWI掃描。常規(guī)序列包括：Sag FRFSE T2WI TR 2767 ms，TE 123 ms，Sag FSE T1WI TR 786 ms，TE 8.2 ms，Sag STIR TR 2552 ms，TE 106 ms，F(xiàn)OV 352 mm×256 mm，矩陣320×320，層厚4.0 mm，間隔0.5 mm；Ax FSET2WI TR 3575 ms，TE 122 ms，F(xiàn)OV 320 mm×224 mm，矩陣200×200，層厚3.5 mm，間隔0.5 mm。DWI序列：TR 2400 ms，TE 68 ms，F(xiàn)OV 320 mm×320 mm，矩陣128×128，層厚4 mm，間隔1.0 mm，b值為0、800 s/mm2。多b值DWI序列：TR 3600 ms，TE 70.6 ms，F(xiàn)OV 96 mm×128 mm，矩陣240×192，層厚4 mm，間隔1.0 mm。選取9個(gè)b值(0，20、50，75、100、150、200、800、1000 s/mm2)，激勵(lì)次數(shù)分別為2、2、2、3、3、2、2、4、4次，掃描時(shí)間為9 min。

1.3 圖像及數(shù)據(jù)分析

掃描后將所有DWI及多b值DWI的圖像傳輸至GE function工作站(AW 4.6)，選擇ADC及MADC進(jìn)行后處理，由兩名有5年和8年脊柱磁共振診斷經(jīng)驗(yàn)醫(yī)師在不知患者臨床狀態(tài)的情況下，結(jié)合T2WI及增強(qiáng)掃描在功能圖上手工繪制感興趣區(qū)ROI，原則是每個(gè)病灶最大范圍連續(xù)3個(gè)層面勾畫類圓形ROI，大小 0.8～1.5 cm2，測(cè)其平均值。ROC位于骨髓水腫區(qū)(避開周圍膿腫區(qū))，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)區(qū)域的單指數(shù)模型參數(shù)：ADC、雙指數(shù)模型參數(shù)：D、D*、f及拉伸指數(shù)模型參數(shù)：DDC、a值及偽彩圖。不同模型計(jì)算公式：(1)單指數(shù)模型：S(b)/S0=e(-b.ADC)。(2)雙指數(shù)模型：S(b)/S0=f.e-b.D*+(1－f).e-b.DD，即真擴(kuò)散系數(shù)(tissue diffusivity，D/slow ADC)，代表真正的水分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，單位為mm2/s；D*為偽擴(kuò)散系數(shù)(psеudо-diffusiоn -cоеfficiеnt，D*/fast ADC)，與毛細(xì)血管灌注相關(guān)，受微循環(huán)中血流速度和血管幾何形狀影響，單位為mm2/s。f為灌注分?jǐn)?shù)(perfusion fraction，f)，代表微循環(huán)灌注占整個(gè)信號(hào)衰減過程中的比例，其大小與血管容積或毛細(xì)血管床密度相關(guān)。(3)拉伸指數(shù)模型：S(b)/S0=exp [-( b×DDC) a]，a代表擴(kuò)散異質(zhì)性指數(shù)，DDC代表分布擴(kuò)散系數(shù)，是多指數(shù)衰減中的一個(gè)平均化的ADC值，可以看作是每個(gè)部分連續(xù)分布ADC值的加權(quán)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 MRI表現(xiàn)

本研究納入BSD 34例、STB 31例，BSD以腰4、5、骶1椎體最為多見(25例，74%)，STB以腰3、4、5椎體多見(19例，61%)。BSD MRI表現(xiàn)：椎體高度完整或僅有輕度楔形變，破壞輕，強(qiáng)化較均勻，間隙狹窄、間盤信號(hào)異常少見，可形成椎旁膿腫但范圍小。STB MRI表現(xiàn)：椎體高度減少，破壞較重，強(qiáng)化不均勻，椎間隙變窄明顯，間盤受累，椎旁膿腫范圍廣(表1)。

表2 BSD與STB DWI不同模型參數(shù)值比較(±s)Tab. 2 Comparison of ADC , D, D*, f, DDC, α values of BSD and STB (±s)

表2 BSD與STB DWI不同模型參數(shù)值比較(±s)Tab. 2 Comparison of ADC , D, D*, f, DDC, α values of BSD and STB (±s)

組織類型 ROI (個(gè)) 單指數(shù)模型 雙指數(shù)模型 拉伸指數(shù)模型ADC (×10-3/mm2s ) D (×10-3/mm2s ) D* (×10-3/mm2s ) f DDC (×10-3/mm2s ) a BSD 34 1.01±0.16 0.73±0.09 3.24±0.83 0.48±0.13 1.28±0.26 0.81±0.04 STP 31 0.80±0.13 0.60±0.08 2.80±0.56 0.41±0.08 0.92±0.22 0.78±0.05 P值 0.000 0.000 0.004 0.237 0.000 0.002

表3 ADC、D、D*、f、DDC、a的鑒別診斷效能比較Tab. 3 Diagnоstic еfficiеncy оf ADС , D, D*, DDC, f，α value for BSD

表4 BSD與STB組ADC、DDC、D相關(guān)性分析Tab. 4 Correlation analysis between ADC, DDC and D in BSD and STB groups

2.2 兩名觀察者的測(cè)量

分別計(jì)算BSD組和STB組的單指數(shù)模型ADC值、雙指數(shù)模型D、D*、f值及拉伸指數(shù)模型DDC、a值(圖1，2)，兩名觀察者的測(cè)量值具有良好的一致性(一致性ICC≥0.92)。BSD組的ADC、D、D*、f、DDC、a值[分別為(1.01±0.16)×10-3mm2/s，(0.73±0.09)×10-3mm2/s，(3.24±0.83)×10-3mm2/s，0.48±0.13，(1.28±0.26)×10-3mm2/s，0.81±0.04]均高于STB組[(0.80±0.13)×10-3mm2/s，(0.60±0.08)×10-3mm2/s，(2.80±0.56)×10-3mm2/s，0.41±0.08，(0.92±0.22)×10-3mm2/s，0.78±0.05]，ADC、D、D*、DDC、a差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，f差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意(表2)。

2.3 各參數(shù)鑒別效能

ADC、D、D*、f、DDC、a值ROC曲線下面積AUC分別為：0.87、0.85、0.71、0.59、0.76、0.71，其中ADC、D、DDC、D*、a均具有較高診斷效能(AUC＞0.70)。ADC、D、DDC、D*、a診斷閾值分別為：0.000889、0.000664、0.00106、0.00309、0.81(表3)。

2.4 BSD組和STB組參數(shù)的相關(guān)性

BSD組和STB組中DDC＞ADC＞D，且ADC、D、DDC之間存在良好相關(guān)性，兩組中ACD與DDC相關(guān)性均最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為：0.81， 0.89，均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表4)。

3 討論

布氏桿菌病常累及脊柱引起椎體感染，臨床表現(xiàn)與結(jié)核有重疊，從而易被誤診為結(jié)核，但結(jié)核更易出汗及合并神經(jīng)系統(tǒng)損害[3-4]。布氏桿菌脊柱炎椎體高度改變不明顯，可能是由于其骨質(zhì)侵蝕伴有早期終板新骨形成[5]，在MR圖像上觀察到椎體邊緣如“鸚鵡喙”和硬化癥[6]，然而，結(jié)核骨質(zhì)侵蝕形成死骨而沒有新的骨形成表現(xiàn)為塌陷。布氏桿菌脊柱炎椎體信號(hào)較結(jié)核更均勻[7]，可有椎旁膿腫形成但范圍小于結(jié)核。但在實(shí)際工作中，最終診斷還是要依靠明確的流行病接觸史及實(shí)驗(yàn)室檢查。

對(duì)于早期或非典型的布氏桿菌脊柱炎或椎體結(jié)核常規(guī)MRI有時(shí)難以鑒別，一些功能性磁共振成像的出現(xiàn)或許可以提供更多診斷信息。IVIM-DWI成像技術(shù)是基于擴(kuò)散成像的原理，采用多個(gè)擴(kuò)散敏感因子b值同時(shí)進(jìn)行DWI成像，可將擴(kuò)散與灌注分離，較高b值反映組織真實(shí)擴(kuò)散，而較低b值反映微循環(huán)灌注，得出的擴(kuò)散參數(shù)D值原則上較傳統(tǒng)ADC更真實(shí)反映組織擴(kuò)散，同時(shí)還可得到灌注參數(shù)D*、f值。水分子擴(kuò)散的不均一性與多區(qū)間性，導(dǎo)致擴(kuò)散信號(hào)衰減的復(fù)雜性，Bennett提出了拉伸指數(shù)模型的概念，用擴(kuò)散異質(zhì)性指數(shù)a與分布擴(kuò)散系數(shù)DDC描述DWI信號(hào)衰減。

本研究得出布氏桿菌性脊柱炎的ADC、D、DDC高于脊柱結(jié)核，可能是由于布氏桿菌性脊柱炎病理改變?yōu)槿庋磕[，多為免疫細(xì)胞聚集，結(jié)構(gòu)較單一，而脊柱結(jié)核病理改變?yōu)楦衫覙訅乃溃Y(jié)核分枝桿菌分泌脂類、酶類物質(zhì)，侵襲力強(qiáng)，故骨質(zhì)破壞程度較布病更為嚴(yán)重，同時(shí)其細(xì)胞黏度大，易壞死液化形成膿汁，水分子擴(kuò)散受限，使得ADC、D、DDC減低[8-10]。同時(shí)得出：無論是布病組還是結(jié)核組ADC、D、DDC均具有較好相關(guān)性，且DDC＞ADC＞D。眾所周知，單指數(shù)ADC值、雙指數(shù)模型D值及拉伸指數(shù)模型DDC均反映病變擴(kuò)散特性，在其他臟器研究較多，且相關(guān)性很好，但未見脊柱方面研究，本研究驗(yàn)證三者在脊柱方面仍有較好的相關(guān)性，說明三個(gè)模型在脊柱方面研究是可行性。

本研究得出布氏桿菌性脊柱炎的D*和f高于脊柱結(jié)核，D*有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，f無意義。D*和f反映組織微循環(huán)灌注情況，布氏桿菌脊柱炎增生修復(fù)明顯，病變椎體出現(xiàn)大量新生血管，且新生血管內(nèi)皮不完整，而脊柱結(jié)核病理改變?yōu)楦衫覙訅乃?，不伴有新生骨新生血管形成[11-15]。使得布氏桿菌性脊柱炎的D*值高于結(jié)核。f值無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義可能是其易受一些生理活動(dòng)的影響[16]，但仍可反應(yīng)布病灌注高于結(jié)核的趨勢(shì)。f值及D*值很不穩(wěn)定，其值是否有效，很大程度上依賴于b值選擇的正確與否，本研究D*有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義可能與選取的低b值較多，激勵(lì)次數(shù)較大有關(guān)。

a與體素內(nèi)水分子擴(kuò)散不均質(zhì)性相關(guān)，在0到1之間變化。接近1時(shí)表示體素內(nèi)擴(kuò)散均質(zhì)，呈單指數(shù)衰減；相反接近0時(shí)體素內(nèi)擴(kuò)散的不均質(zhì)性增加，呈復(fù)雜的多指數(shù)衰減，其反映的微觀結(jié)構(gòu)擴(kuò)散異質(zhì)性與細(xì)胞多形性、新生血管數(shù)量和微觀壞死的程度等呈正相關(guān)[17-18]。研究結(jié)果顯示，布氏桿菌脊柱炎的a值略高于結(jié)核，可能由于布病有微血管增殖、新生骨，而結(jié)核有壞死、死骨、多核巨細(xì)胞、上皮樣細(xì)胞，相比而言結(jié)核較布病擴(kuò)散更不均勻，但兩者的差異并不大。關(guān)于IVIM在脊柱方面的研究頗少，主要集中在轉(zhuǎn)移及強(qiáng)直性脊柱炎，在脊柱結(jié)核與布氏桿菌脊柱炎方面緊見一篇報(bào)道[8]，學(xué)者認(rèn)為在二者鑒別AUC及敏感性D＞D*＞f (D=0.825，100%；D*=0.651，95.2%；f=0.598，95.2%)，與本研究相仿，尚未見拉伸指數(shù)模型在脊柱方面的報(bào)道，本研究首次嘗試聯(lián)合三種模型用于二者鑒別。雙指數(shù)及拉伸指數(shù)模型還需進(jìn)一步大樣本的研究。

本研究局限性：(1)研究納入的病例數(shù)較少，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量來驗(yàn)證結(jié)果；(2) IVIM的b值大小及數(shù)量沒有明確的統(tǒng)一，選用的b值是否是最優(yōu)化，需要進(jìn)一步研究；(3)雙指數(shù)及拉伸指數(shù)模型參數(shù)尚缺乏病理基礎(chǔ)證實(shí)。

綜上所述，單指數(shù)模型ADC值，雙指數(shù)模型D、D*值，拉伸指數(shù)模型DDC、a值在鑒別布氏桿菌脊柱炎與脊柱結(jié)核中效能均較高，雙指數(shù)模型同時(shí)提供灌注信息，拉伸指數(shù)模型提供擴(kuò)散異質(zhì)性信息，但雙指數(shù)模型及拉伸指數(shù)模型診斷效能并未高于傳統(tǒng)的單指數(shù)模型，同時(shí)掃描時(shí)間較長，所以臨床常規(guī)仍推薦應(yīng)用單指數(shù)模型，雙指數(shù)及拉伸指數(shù)模型可為其有益補(bǔ)充。

利益沖突：無。