單雙指數及拉伸指數模型在鑒別布氏桿菌性脊柱炎與脊柱結核中的價值

吳慧，高陽，劉挨師，趙鵬飛，武小鵬，牛廣明

作者單位：內蒙古醫科大學附屬醫院影像科，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反應性疾病，在全球分布，主要影響發展中國家[1]，常侵及脊柱引起脊柱炎。由于布氏桿菌性脊柱炎(brucella spondylitis，BSD)與脊柱結核(spinal tuberculosis，STB)在臨床表現、影像特征頗為相似，低熱盜汗、腰痛，骨質破壞及椎旁膿腫，易被誤診為結核[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可以顯示骨質破壞及椎旁軟組織腫塊，但對早期的骨髓水腫不易顯示。而磁共振成像對早期骨髓水腫及小的椎旁膿腫顯示良好，但因兩種病變表現有重疊常規磁共振不易鑒別，功能性磁共振成像的出現可能成為其鑒別的有益補充。擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一種利用布朗運動檢測活體組織水分子擴散的方法,定量參數表觀擴散系數(apparеnt diffusiоn cоеfficiеnt，ADC)可以反映生物組織的擴散能力及微觀結構。體素內不相干運動(introvoxel incoherent motion，IVIM)通過計算擴散系數D值、假性擴散D*值及灌注分數f值檢測活體組織的擴散和灌注信息，拉伸指數模型則通過擴散異質性指數a和分布擴散指數(distribute diffusion coefficient，DDC)反映更復雜的組織生物學特征。功能成像的出現可以為疾病的診斷提供更多依據。以往文獻可見DWI或IVIM用于布氏桿菌脊柱炎或脊柱結核的診斷或脊柱良惡性病變的鑒別，但未見DWI、IVIM及拉伸指數模型聯合應用于脊柱，本研究首次嘗試聯合三種模型用于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的批準，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月經血凝集實驗1︰100++以上或琥紅平板凝集實驗＞++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；結核菌素試驗19例為陽性，8例為弱陽性，4例為陰性。手術病理證實18例。BSD及未手術的STB患者隨訪以進行治療后的確認。(BSD：多四環素聯合利福平，STB：聯合異煙肼、利福平、乙胺丁醇、吡嗪酰胺)。納入標準：(1)經血凝集實驗或琥紅平板實驗、結核菌培養、手術病理證實或治療后確認者；(2)無論是BSD還是STB病灶感興趣區(region of interest，ROI)面積≥0.8 cm2；排除標準：(1) MRI掃描圖像質量差，不符合本研究的要求；(2)病變體積過小，在多b值DWI圖像上無法準確劃取ROI，同時避免部分容積效應。

1.2 掃描方法

所有檢查均在GE Discovery MR750 3.0 T磁共振掃描儀進行。采用脊柱線圈和腹部線圈，脊柱線圈行脊柱常規掃描，然后更換為腹部線圈，行DWI及多b值DWI掃描。常規序列包括：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，FOV 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，FOV 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，FOV 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，FOV 96 mm×128 mm，矩陣240×192，層厚4 mm，間隔1.0 mm。選取9個b值(0，20、50，75、100、150、200、800、1000 s/mm2)，激勵次數分別為2、2、2、3、3、2、2、4、4次，掃描時間為9 min。

1.3 圖像及數據分析

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進行后處理，由兩名有5年和8年脊柱磁共振診斷經驗醫師在不知患者臨床狀態的情況下，結合T2WI及增強掃描在功能圖上手工繪制感興趣區ROI，原則是每個病灶最大范圍連續3個層面勾畫類圓形ROI，大小 0.8～1.5 cm2，測其平均值。ROC位于骨髓水腫區(避開周圍膿腫區)，自動生成對應區域的單指數模型參數：ADC、雙指數模型參數：D、D*、f及拉伸指數模型參數：DDC、a值及偽彩圖。不同模型計算公式：(1)單指數模型：S(b)/S0=e(-b.ADC)。(2)雙指數模型：S(b)/S0=f.e-b.D*+(1－f).e-b.DD，即真擴散系數(tissue diffusivity，D/slow ADC)，代表真正的水分子無規則運動，單位為mm2/s；D*為偽擴散系數(psеudо-diffusiоn -cоеfficiеnt，D*/fast ADC)，與毛細血管灌注相關，受微循環中血流速度和血管幾何形狀影響，單位為mm2/s。f為灌注分數(perfusion fraction，f)，代表微循環灌注占整個信號衰減過程中的比例，其大小與血管容積或毛細血管床密度相關。(3)拉伸指數模型：S(b)/S0=exp [-( b×DDC) a]，a代表擴散異質性指數，DDC代表分布擴散系數，是多指數衰減中的一個平均化的ADC值，可以看作是每個部分連續分布ADC值的加權。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 MRI表現

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：椎體高度完整或僅有輕度楔形變，破壞輕，強化較均勻，間隙狹窄、間盤信號異常少見，可形成椎旁膿腫但范圍小。STB MRI表現：椎體高度減少，破壞較重，強化不均勻，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) 單指數模型 雙指數模型 拉伸指數模型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 兩名觀察者的測量

分別計算BSD組和STB組的單指數模型ADC值、雙指數模型D、D*、f值及拉伸指數模型DDC、a值(圖1，2)，兩名觀察者的測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差異有統計學意義，f差異無統計學意(表2)。

2.3 各參數鑒別效能

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組參數的相關性

BSD組和STB組中DDC＞ADC＞D，且ADC、D、DDC之間存在良好相關性，兩組中ACD與DDC相關性均最強，相關系數分別為：0.81， 0.89，均有統計學意義(表4)。

3 討論

布氏桿菌病常累及脊柱引起椎體感染，臨床表現與結核有重疊，從而易被誤診為結核，但結核更易出汗及合并神經系統損害[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，結核骨質侵蝕形成死骨而沒有新的骨形成表現為塌陷。布氏桿菌脊柱炎椎體信號較結核更均勻[7]，可有椎旁膿腫形成但范圍小于結核。但在實際工作中，最終診斷還是要依靠明確的流行病接觸史及實驗室檢查。

對于早期或非典型的布氏桿菌脊柱炎或椎體結核常規MRI有時難以鑒別，一些功能性磁共振成像的出現或許可以提供更多診斷信息。IVIM-DWI成像技術是基于擴散成像的原理，采用多個擴散敏感因子b值同時進行DWI成像，可將擴散與灌注分離，較高b值反映組織真實擴散，而較低b值反映微循環灌注，得出的擴散參數D值原則上較傳統ADC更真實反映組織擴散，同時還可得到灌注參數D*、f值。水分子擴散的不均一性與多區間性，導致擴散信號衰減的復雜性，Bennett提出了拉伸指數模型的概念，用擴散異質性指數a與分布擴散系數DDC描述DWI信號衰減。

本研究得出布氏桿菌性脊柱炎的ADC、D、DDC高于脊柱結核，可能是由于布氏桿菌性脊柱炎病理改變為肉芽腫，多為免疫細胞聚集，結構較單一，而脊柱結核病理改變為干酪樣壞死，結核分枝桿菌分泌脂類、酶類物質，侵襲力強，故骨質破壞程度較布病更為嚴重，同時其細胞黏度大，易壞死液化形成膿汁，水分子擴散受限，使得ADC、D、DDC減低[8-10]。同時得出：無論是布病組還是結核組ADC、D、DDC均具有較好相關性，且DDC＞ADC＞D。眾所周知，單指數ADC值、雙指數模型D值及拉伸指數模型DDC均反映病變擴散特性，在其他臟器研究較多，且相關性很好，但未見脊柱方面研究，本研究驗證三者在脊柱方面仍有較好的相關性，說明三個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高于脊柱結核，D*有統計學意義，f無意義。D*和f反映組織微循環灌注情況，布氏桿菌脊柱炎增生修復明顯，病變椎體出現大量新生血管，且新生血管內皮不完整，而脊柱結核病理改變為干酪樣壞死，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*值高于結核。f值無統計學意義可能是其易受一些生理活動的影響[16]，但仍可反應布病灌注高于結核的趨勢。f值及D*值很不穩定，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*有統計學意義可能與選取的低b值較多，激勵次數較大有關。

a與體素內水分子擴散不均質性相關，在0到1之間變化。接近1時表示體素內擴散均質，呈單指數衰減；相反接近0時體素內擴散的不均質性增加，呈復雜的多指數衰減，其反映的微觀結構擴散異質性與細胞多形性、新生血管數量和微觀壞死的程度等呈正相關[17-18]。研究結果顯示，布氏桿菌脊柱炎的a值略高于結核，可能由于布病有微血管增殖、新生骨，而結核有壞死、死骨、多核巨細胞、上皮樣細胞，相比而言結核較布病擴散更不均勻，但兩者的差異并不大。關于IVIM在脊柱方面的研究頗少，主要集中在轉移及強直性脊柱炎，在脊柱結核與布氏桿菌脊柱炎方面緊見一篇報道[8]，學者認為在二者鑒別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，尚未見拉伸指數模型在脊柱方面的報道，本研究首次嘗試聯合三種模型用于二者鑒別。雙指數及拉伸指數模型還需進一步大樣本的研究。

本研究局限性：(1)研究納入的病例數較少，還需要進一步擴大樣本量來驗證結果；(2) IVIM的b值大小及數量沒有明確的統一，選用的b值是否是最優化，需要進一步研究；(3)雙指數及拉伸指數模型參數尚缺乏病理基礎證實。

綜上所述，單指數模型ADC值，雙指數模型D、D*值，拉伸指數模型DDC、a值在鑒別布氏桿菌脊柱炎與脊柱結核中效能均較高，雙指數模型同時提供灌注信息，拉伸指數模型提供擴散異質性信息，但雙指數模型及拉伸指數模型診斷效能并未高于傳統的單指數模型，同時掃描時間較長，所以臨床常規仍推薦應用單指數模型，雙指數及拉伸指數模型可為其有益補充。

利益沖突：無。