单双指数及拉伸指数模型在鉴别布氏杆菌性脊柱炎与脊柱结核中的价值

吴慧，高阳，刘挨师，赵鹏飞，武小鹏，牛广明

作者单位：内蒙古医科大学附属医院影像科，呼和浩特 010050

布氏杆菌病是由各型布氏杆菌引起的人畜共患的全身传染性及变态反应性疾病，在全球分布，主要影响发展中国家[1]，常侵及脊柱引起脊柱炎。由于布氏杆菌性脊柱炎(brucella spondylitis，BSD)与脊柱结核(spinal tuberculosis，STB)在临床表现、影像特征颇为相似，低热盗汗、腰痛，骨质破坏及椎旁脓肿，易被误诊为结核[2]。但因二者治疗方案不同，早期明确诊断有重要意义。X线平片及CT可以显示骨质破坏及椎旁软组织肿块，但对早期的骨髓水肿不易显示。而磁共振成像对早期骨髓水肿及小的椎旁脓肿显示良好，但因两种病变表现有重叠常规磁共振不易鉴别，功能性磁共振成像的出现可能成为其鉴别的有益补充。扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)是一种利用布朗运动检测活体组织水分子扩散的方法,定量参数表观扩散系数(apparеnt diffusiоn cоеfficiеnt，ADC)可以反映生物组织的扩散能力及微观结构。体素内不相干运动(introvoxel incoherent motion，IVIM)通过计算扩散系数D值、假性扩散D*值及灌注分数f值检测活体组织的扩散和灌注信息，拉伸指数模型则通过扩散异质性指数a和分布扩散指数(distribute diffusion coefficient，DDC)反映更复杂的组织生物学特征。功能成像的出现可以为疾病的诊断提供更多依据。以往文献可见DWI或IVIM用于布氏杆菌脊柱炎或脊柱结核的诊断或脊柱良恶性病变的鉴别，但未见DWI、IVIM及拉伸指数模型联合应用于脊柱，本研究首次尝试联合三种模型用于BSD与STB的鉴别。

1 材料与方法

1.1 临床资料

本研究得到了本院伦理委员会的批准，并获得了所有受试者的书面知情同意书。搜集我院2016年12月至2018年12月经血凝集实验1︰100++以上或琥红平板凝集实验＞++以上确诊为BSD患者34例，其中男性21例，女性13例，年龄30～70岁，平均年龄53岁，患者均有不同程度牛羊接触史或食用饮用未经消毒的肉制乳制品。STB患者31例，男性18例，女性13例，年龄27～64岁，平均年龄47岁；结核菌素试验19例为阳性，8例为弱阳性，4例为阴性。手术病理证实18例。BSD及未手术的STB患者随访以进行治疗后的确认。(BSD：多四环素联合利福平，STB：联合异烟肼、利福平、乙胺丁醇、吡嗪酰胺)。纳入标准：(1)经血凝集实验或琥红平板实验、结核菌培养、手术病理证实或治疗后确认者；(2)无论是BSD还是STB病灶感兴趣区(region of interest，ROI)面积≥0.8 cm2；排除标准：(1) MRI扫描图像质量差，不符合本研究的要求；(2)病变体积过小，在多b值DWI图像上无法准确划取ROI，同时避免部分容积效应。

1.2 扫描方法

所有检查均在GE Discovery MR750 3.0 T磁共振扫描仪进行。采用脊柱线圈和腹部线圈，脊柱线圈行脊柱常规扫描，然后更换为腹部线圈，行DWI及多b值DWI扫描。常规序列包括：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，矩阵320×320，层厚4.0 mm，间隔0.5 mm；Ax FSET2WI TR 3575 ms，TE 122 ms，FOV 320 mm×224 mm，矩阵200×200，层厚3.5 mm，间隔0.5 mm。DWI序列：TR 2400 ms，TE 68 ms，FOV 320 mm×320 mm，矩阵128×128，层厚4 mm，间隔1.0 mm，b值为0、800 s/mm2。多b值DWI序列：TR 3600 ms，TE 70.6 ms，FOV 96 mm×128 mm，矩阵240×192，层厚4 mm，间隔1.0 mm。选取9个b值(0，20、50，75、100、150、200、800、1000 s/mm2)，激励次数分别为2、2、2、3、3、2、2、4、4次，扫描时间为9 min。

1.3 图像及数据分析

扫描后将所有DWI及多b值DWI的图像传输至GE function工作站(AW 4.6)，选择ADC及MADC进行后处理，由两名有5年和8年脊柱磁共振诊断经验医师在不知患者临床状态的情况下，结合T2WI及增强扫描在功能图上手工绘制感兴趣区ROI，原则是每个病灶最大范围连续3个层面勾画类圆形ROI，大小 0.8～1.5 cm2，测其平均值。ROC位于骨髓水肿区(避开周围脓肿区)，自动生成对应区域的单指数模型参数：ADC、双指数模型参数：D、D*、f及拉伸指数模型参数：DDC、a值及伪彩图。不同模型计算公式：(1)单指数模型：S(b)/S0=e(-b.ADC)。(2)双指数模型：S(b)/S0=f.e-b.D*+(1－f).e-b.DD，即真扩散系数(tissue diffusivity，D/slow ADC)，代表真正的水分子无规则运动，单位为mm2/s；D*为伪扩散系数(psеudо-diffusiоn -cоеfficiеnt，D*/fast ADC)，与毛细血管灌注相关，受微循环中血流速度和血管几何形状影响，单位为mm2/s。f为灌注分数(perfusion fraction，f)，代表微循环灌注占整个信号衰减过程中的比例，其大小与血管容积或毛细血管床密度相关。(3)拉伸指数模型：S(b)/S0=exp [-( b×DDC) a]，a代表扩散异质性指数，DDC代表分布扩散系数，是多指数衰减中的一个平均化的ADC值，可以看作是每个部分连续分布ADC值的加权。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 MRI表现

本研究纳入BSD 34例、STB 31例，BSD以腰4、5、骶1椎体最为多见(25例，74%)，STB以腰3、4、5椎体多见(19例，61%)。BSD MRI表现：椎体高度完整或仅有轻度楔形变，破坏轻，强化较均匀，间隙狭窄、间盘信号异常少见，可形成椎旁脓肿但范围小。STB MRI表现：椎体高度减少，破坏较重，强化不均匀，椎间隙变窄明显，间盘受累，椎旁脓肿范围广(表1)。

表2 BSD与STB DWI不同模型参数值比较(±s)Tab. 2 Comparison of ADC , D, D*, f, DDC, α values of BSD and STB (±s)

表2 BSD与STB DWI不同模型参数值比较(±s)Tab. 2 Comparison of ADC , D, D*, f, DDC, α values of BSD and STB (±s)

组织类型 ROI (个) 单指数模型 双指数模型 拉伸指数模型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的鉴别诊断效能比较Tab. 3 Diagnоstic еfficiеncy оf ADС , D, D*, DDC, f，α value for BSD

表4 BSD与STB组ADC、DDC、D相关性分析Tab. 4 Correlation analysis between ADC, DDC and D in BSD and STB groups

2.2 两名观察者的测量

分别计算BSD组和STB组的单指数模型ADC值、双指数模型D、D*、f值及拉伸指数模型DDC、a值(图1，2)，两名观察者的测量值具有良好的一致性(一致性ICC≥0.92)。BSD组的ADC、D、D*、f、DDC、a值[分别为(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组[(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差异有统计学意义，f差异无统计学意(表2)。

2.3 各参数鉴别效能

ADC、D、D*、f、DDC、a值ROC曲线下面积AUC分别为：0.87、0.85、0.71、0.59、0.76、0.71，其中ADC、D、DDC、D*、a均具有较高诊断效能(AUC＞0.70)。ADC、D、DDC、D*、a诊断阈值分别为：0.000889、0.000664、0.00106、0.00309、0.81(表3)。

2.4 BSD组和STB组参数的相关性

BSD组和STB组中DDC＞ADC＞D，且ADC、D、DDC之间存在良好相关性，两组中ACD与DDC相关性均最强，相关系数分别为：0.81， 0.89，均有统计学意义(表4)。

3 讨论

布氏杆菌病常累及脊柱引起椎体感染，临床表现与结核有重叠，从而易被误诊为结核，但结核更易出汗及合并神经系统损害[3-4]。布氏杆菌脊柱炎椎体高度改变不明显，可能是由于其骨质侵蚀伴有早期终板新骨形成[5]，在MR图像上观察到椎体边缘如“鹦鹉喙”和硬化症[6]，然而，结核骨质侵蚀形成死骨而没有新的骨形成表现为塌陷。布氏杆菌脊柱炎椎体信号较结核更均匀[7]，可有椎旁脓肿形成但范围小于结核。但在实际工作中，最终诊断还是要依靠明确的流行病接触史及实验室检查。

对于早期或非典型的布氏杆菌脊柱炎或椎体结核常规MRI有时难以鉴别，一些功能性磁共振成像的出现或许可以提供更多诊断信息。IVIM-DWI成像技术是基于扩散成像的原理，采用多个扩散敏感因子b值同时进行DWI成像，可将扩散与灌注分离，较高b值反映组织真实扩散，而较低b值反映微循环灌注，得出的扩散参数D值原则上较传统ADC更真实反映组织扩散，同时还可得到灌注参数D*、f值。水分子扩散的不均一性与多区间性，导致扩散信号衰减的复杂性，Bennett提出了拉伸指数模型的概念，用扩散异质性指数a与分布扩散系数DDC描述DWI信号衰减。

本研究得出布氏杆菌性脊柱炎的ADC、D、DDC高于脊柱结核，可能是由于布氏杆菌性脊柱炎病理改变为肉芽肿，多为免疫细胞聚集，结构较单一，而脊柱结核病理改变为干酪样坏死，结核分枝杆菌分泌脂类、酶类物质，侵袭力强，故骨质破坏程度较布病更为严重，同时其细胞黏度大，易坏死液化形成脓汁，水分子扩散受限，使得ADC、D、DDC减低[8-10]。同时得出：无论是布病组还是结核组ADC、D、DDC均具有较好相关性，且DDC＞ADC＞D。众所周知，单指数ADC值、双指数模型D值及拉伸指数模型DDC均反映病变扩散特性，在其他脏器研究较多，且相关性很好，但未见脊柱方面研究，本研究验证三者在脊柱方面仍有较好的相关性，说明三个模型在脊柱方面研究是可行性。

本研究得出布氏杆菌性脊柱炎的D*和f高于脊柱结核，D*有统计学意义，f无意义。D*和f反映组织微循环灌注情况，布氏杆菌脊柱炎增生修复明显，病变椎体出现大量新生血管，且新生血管内皮不完整，而脊柱结核病理改变为干酪样坏死，不伴有新生骨新生血管形成[11-15]。使得布氏杆菌性脊柱炎的D*值高于结核。f值无统计学意义可能是其易受一些生理活动的影响[16]，但仍可反应布病灌注高于结核的趋势。f值及D*值很不稳定，其值是否有效，很大程度上依赖于b值选择的正确与否，本研究D*有统计学意义可能与选取的低b值较多，激励次数较大有关。

a与体素内水分子扩散不均质性相关，在0到1之间变化。接近1时表示体素内扩散均质，呈单指数衰减；相反接近0时体素内扩散的不均质性增加，呈复杂的多指数衰减，其反映的微观结构扩散异质性与细胞多形性、新生血管数量和微观坏死的程度等呈正相关[17-18]。研究结果显示，布氏杆菌脊柱炎的a值略高于结核，可能由于布病有微血管增殖、新生骨，而结核有坏死、死骨、多核巨细胞、上皮样细胞，相比而言结核较布病扩散更不均匀，但两者的差异并不大。关于IVIM在脊柱方面的研究颇少，主要集中在转移及强直性脊柱炎，在脊柱结核与布氏杆菌脊柱炎方面紧见一篇报道[8]，学者认为在二者鉴别AUC及敏感性D＞D*＞f (D=0.825，100%；D*=0.651，95.2%；f=0.598，95.2%)，与本研究相仿，尚未见拉伸指数模型在脊柱方面的报道，本研究首次尝试联合三种模型用于二者鉴别。双指数及拉伸指数模型还需进一步大样本的研究。

本研究局限性：(1)研究纳入的病例数较少，还需要进一步扩大样本量来验证结果；(2) IVIM的b值大小及数量没有明确的统一，选用的b值是否是最优化，需要进一步研究；(3)双指数及拉伸指数模型参数尚缺乏病理基础证实。

综上所述，单指数模型ADC值，双指数模型D、D*值，拉伸指数模型DDC、a值在鉴别布氏杆菌脊柱炎与脊柱结核中效能均较高，双指数模型同时提供灌注信息，拉伸指数模型提供扩散异质性信息，但双指数模型及拉伸指数模型诊断效能并未高于传统的单指数模型，同时扫描时间较长，所以临床常规仍推荐应用单指数模型，双指数及拉伸指数模型可为其有益补充。

利益冲突：无。