DCE-MRI联合IVIM定量参数在布氏杆菌性脊柱炎治疗评价中的应用

赵鹏飞，贺红兵，王浩华，李宇璞，张昭静，乔鹏飞*

作者单位：1.内蒙古医科大学附属医院影像诊断科，呼和浩特 010050；2.呼和浩特市第二医院中蒙医布病科，呼和浩特 010031

0 前言

布氏杆菌性脊柱炎（Brucella spondylitis）是布氏杆菌侵袭脊柱（如椎体、椎间盘、椎旁软组织等）引起脊柱炎性病变[1-2]。根据《布鲁氏菌性脊柱炎诊断及治疗专家共识》（2022），急性期病程在6个月内，6 个月仍未痊愈转归为慢性期[3-4]。目前针对布氏杆菌性脊柱炎的治疗多根据患者的具体病情，主要采用联合抗生素保守治疗，以利福平、多西环素、喹诺酮类联合为主，对于难治者加用第三代头孢菌素，对于布氏杆菌性脊柱炎慢性期和/或发生复杂并发症，则需要适当延长联合用药的疗程，必要时需要辅以相应的外科治疗手段[5-6]。临床诊断多以血液学检查观察虎红平板凝集试验及试管凝集试验来评判，虎红平板凝集试验可快速筛查，++以上有提示作用，试管凝集试验滴度1∶100（++以上）方可确诊，对病程时间无限制；1∶50（++以上）和病程在1年以上者方可确诊[7-8]。临床治疗评估以试管凝集试验滴度1∶100、1∶200、1∶400 转为1∶50（-/+/++）或1∶25（-/+/++）和患者临床症状减轻可判定为好转[9-10]，但脊柱局部病变治疗效果及监测复发目前仅是从常规影像学判断[11]，虽然存在一定的客观性，但依然是观察形态学及信号改变，缺乏对病变内部细微结构改变的观察，故我们需要寻求客观数值对微环境的有效评判指标。动态对比增强MRI（dynamic contrast-enhanced MRI, DCE-MRI）和体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion, IVIM）可无创性定量分析活体组织微血管灌注、血管通透性及水分子扩散信息。在前期的研究中我们发现，DCE-MRI 定量参数在布氏杆菌性脊柱炎早期诊断中的价值，在常规MRI形态学及信号无改变情况下，微环境已经发生了病理生理学方面的变化；DCE-MRI、IVIM 定量参数在布氏杆菌性脊柱炎与脊柱结核、脊柱转移瘤鉴别诊断中的价值，上述三种疾病形态学存在相同或相似表现时，微环境的改变却存在很大的差异[12-14]，相对于形态学观察更科学、客观，且国内外目前暂无对布氏杆菌性脊柱炎急性期治疗效果微环境改变的影像学研究。本文旨在应用DCE-MRI 及IVIM 定量参数从微观角度评判布氏杆菌性脊柱炎急性期治疗过程中病变组织微环境的变化情况，从而评判治疗情况，在国际及国内属于首次，填补了相关方面的空白。

1 材料与方法

1.1 临床资料

本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经内蒙古医科大学医学伦理委员会批准，编号：YKD202301072。本研究已在美国国立卫生院临床试验网站（ClinicalTrials.gov）注册，注册号：NCT02809625。前瞻性招募内蒙古呼和浩特市第二医院2021 年1 月至2022年12月首次确诊并经严格临床治疗3个月的布氏杆菌性脊柱炎急性期患者。所有患者均在内蒙古医科大学附属医院影像诊断科于临床首次确诊及治疗后3个月行常规MRI及DCE-MRI、IVIM检查，并签署知情同意书。纳入标准：（1）患者虎红平板凝集试验（+++/++++），试 管 凝 集 试 验 滴 度1∶100（+++/++++）；（2）患者临床均表现为腰背部持续疼痛进行性加重和/或运动受限等症状；（3）首次发病未经治疗者；（4）既往史未发现其他脊柱病变者。排除标准：（1）孕妇或哺乳期妇女；（2）有MRI 扫描禁忌者；（3）有脊柱结核、骨髓瘤等其他脊柱疾病者；（4）临床资料、实验室资料收集不完整者。

1.2 检查方法

1.2.1 仪器设备

所有检查均在内蒙古医科大学附属医院影像诊断科3.0 T 超导型MR（SIEMENS Skyra, Germany）扫描仪上进行。首先使用全脊柱相控阵表面线圈行常规MRI 检查，包括矢状位短反转时间反转恢复（turbo inversion recovery magnitube, TIRM）序列、快速自旋回波（turbo spin echo, TSE）T2WI 和T1WI 序列，以及轴位TSE-T2WI 序列。矢状位TIRM 序列扫描参数：TR 3000 ms，TE 40 ms，回波链长（ETL）13；TSE-T2WI 序列扫描参数：TR 2000 ms，TE 98 ms，ETL 20；TSE-T1WI 序 列 扫 描 参 数：TR 650 ms，TE 8.1 ms，ETL 4；三种矢状位序列相同参数：FOV 280 mm×280 mm，层厚4.0 mm，层间距0.8 mm。轴位TSE-T2WI 序列扫描参数：TR 4020 ms，TE 100 ms，ETL 21，FOV 220 mm×220 mm，层厚4.0 mm，层间距0.4 mm。

DCE-MRI 采用三维容积内插梯度回波（volumetric interpolated breath-hold examination,VIBE）序列。扫描前行多翻转角（4 个）扫描，翻转角分别为5°、8°、10°、15°，每个序列扫描1个时相，扫描参数：TR 4.07 ms，TE 1.07 ms，FOV 380 mm×380 mm，矩阵256×170，层厚5.0 mm。然后行DCE 扫描，扫描参数：翻转角15°，TR 4.07 ms，TE 1.11 ms，FOV 380 mm×380 mm，矩阵256×170，层厚5.0 mm；使用MR 压力注射器（MEDRAD, Spectris Solaris EP,USA）经肘静脉套管针（20 G）按照0.2 mmol/kg，流率3.5 mL/s 注射钆双胺（Gadodiamide，GE 药业，规格0.5 mmol/mL），注射完毕后用20 mL生理盐水以相同流速冲洗连接管；开始注射对比剂时启动VIBE扫描，对病变椎体行多期连续动态扫描（共38 期），每期扫描时间9.8 s。

IVIM 序列采用腹部专用线圈，以病变椎体为中心扫描，扫描参数：共选用12 个b 值，其中低b 值6 个（0、50、100、150、200、600 s/mm²），高b 值6 个（800、1000、1200、1500、1800、2000 s/mm²），TR 4700 ms，TE 65 ms，FOV 350 mm×350 mm，矩阵128×160，层厚5 mm，层间距0.5 mm，扫描时间8 min 44 s。

1.2.2 DCE-MRI定量参数计算

DCE-MRI 图像在SIEMENS Syngo via 工作站（德国）行后处理，由两名分别具有7 年、8 年经验的主治医师分别在病变最显著区（强化最显著区域）勾画感兴趣区（region of interest, ROI），勾画时避开囊变、坏死、出血区域。对单椎体病变，选取其中三个层面，对多椎体病变，同样选取不同椎体的三个层面勾画ROI，因两次MRI检查定位无法完全复制，在治疗后3个月对照治疗前尽量在相近/相同层面选取其中三个层面，不规则形ROI 面积约1.5～3.0 cm2。分别测量每个ROI 的容积转运常数（Ktrans）、血管外细胞外容积分数（Ve）和对比剂从血管外细胞外间隙（extravascular extracellular space, EES）返回至血浆速率常数（Kep），Kep=Ktrans/Ve，然后取平均值（图1）。

图1 动态对比增强MRI 感兴趣区勾画示意图。Fig.1 Sketch the area of interest of dynamic contrast-enhanced MRI.

1.2.3 IVIM定量参数的计算

IVIM 所 得 图 像 在 MITK-Diffusion 软 件（2022.04，WIN 版，德国）行后处理，由上述两位主治医师在病变最显著区（对应DCE-MRI 强化最显著区域）在对照治疗前后DCE-MRI选取的层面勾画ROI，勾画时避开囊变、坏死、出血区域，不规则形ROI大小约1.0～2.0 cm2。分别测得每个ROI 的慢速扩散系数（D）、快速扩散系数（D*）、灌注分数（f），然后取平均值（图2）。

图2 体素内不相干运动感兴趣区勾画示意图。Fig.2 Sketch the area of interest of intravoxel incoherent motion.

1.3 统计学分析

采用SPSS 25.0 软件（SPSS Inc., Chicago,IL, USA）进行统计学分析。病变ROI 定量参数Ktrans、Kep、Ve、D、D*、f 值均呈非正态分布，以中位数±四分位数间距（）表示。以组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）对两名主治医师测得的椎体病变区DCE-MRI 和IVIM 定量参数结果进行一致性检验，ICC系数＞0.75认为一致性较好。采用Wilcoxon 秩和检验进行组内比较，α=0.05，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 患者一般资料及观察者一致性

本研究最终纳入30 例患者，其中男20 例、女10例，年龄39～63岁。ICC检验显示DCE-MRI及IVIM的6 个定量参数ICC 系数均＞0.75，在两位观察者间的一致性良好（表1）。

表1 两名医师测量的椎体病变区DCE-MRI和IVIM定量参数一致性检验Tab.1 Consistency test of DCE-MRI and IVIM quantitative parameters measured by two physicians in the vertebral lesion area

2.2 布氏杆菌性脊柱炎治疗前后分析结果

30 例布氏杆菌性脊柱炎急性期患者，均表现为腰痛和/或运动受限，虎红平板凝集试验++以上，试管凝集试验滴度1∶100（++以上）；布氏杆菌性脊柱炎常规MRI 表现：病变全部位于腰骶椎，其中以腰4、5 椎体多见（21 例，70%），T1WI 为低信号，T2WI 为混杂信号或高信号，脂肪抑制T2WI多数为不均匀高信号，增强扫描明显强化，形成脓肿后表现为环形强化，椎旁脓肿较局限。经严格治疗3个月后复查，患者症状明显减轻，体征明显改善，试管凝集试验滴度1∶100 转为滴度1∶50（+/++）或1∶25（+/++）；常规MRI表现：原有病变无明显变化16例，原有病变范围扩大和/或病变椎体数量增多14 例。DCE-MRI 定量参数Ktrans、Kep值及IVIM 定量参数D 值在治疗前及治疗后3 个月差异有统计学意义（P均＜0.05），Ktrans、Kep值在治疗后3 个月低于治疗前，D 值在治疗后3 个月高于治疗前；而DCE-MRI 定量参数Ve及IVIM 定量参数D*、f 值在治疗前及治疗后3 个月差异无统计学意义（P均＞0.05）。详见表2和图3、图4。

表2 DCE-MRI和IVIM定量参数治疗前后比较结果Tab.2 Comparison of DCE-MRI and IVIM quantitative parameters before and after treatment

图3 男，50岁，腰痛进行性加重半月余。磁共振T2WI（3A）示腰5椎体前上缘见斑片状混杂信号，T1WI（3B）呈低信号，脂肪抑制T2WI（3C）呈高信号，动态对比增强扫描（3D）病变椎体及椎旁软组织明显强化；容积转运常数（Ktrans）值为0.531 min-1，速率常数（Kep）值为1.176 min-1，慢速扩散系数（D）值为0.545×10-3 mm2/s。Fig.3 Male, 50 years old, with progressive worsening of low back pain for more than half a month.MR T2WI (3A) shows patchy mixed signals at the anterior upper edge of the L5 vertebral body, low signal on T1WI (3B), high signal on fat suppression T2WI (3C), and significant enhancement of the lesion vertebral body and paravertebral soft tissue on contrast-enhanced scanning (3D); measurement of volume transport constant (Ktrans) value is 0.531 min-1, rate constant (Kep) value is 1.176 min-1, the slow diffusion coefficient (D) value is 0.545×10-3 mm2/s.

图4 与图3 为同一患者，经过严格治疗后3 个月。磁共振T2WI（4A）示腰1、2、4、5 椎体见多发斑片状混杂信号，T1WI（4B）呈低信号，脂肪抑制T2WI（4C）呈高信号，动态对比增强扫描（4D）病变椎体及椎旁软组织明显强化，即原有腰5椎体病变范围较治疗前扩大，且腰1、2、4椎体出现新的病变；容积转运常数（Ktrans）值为0.213 min-1，速率常数（Kep）值为0.453 min-1，慢速扩散系数（D）值为0.913×10-3 mm2/s。Fig.4 The same patient as shown in Figure 3 shows multiple patchy mixed signals in the lumbar vertebrae 1, 2, 4, and 5 on MR T2WI (4A) after strict treatment for 3 months.T1WI (4B) shows low signal, while fat suppression T2WI (4C) shows high signal, and dynamic contrast-enhanced scanning (4D) shows significant enhancement of the lesion vertebral body and paravertebral soft tissue, that is, the original range of lesions in the L5 vertebral body has expand compared to before treatment, and new lesions have appear in the L1, L2, and L4 vertebral bodies; Ktrans value is 0.213 min-1, Kep value is 0.453 min-1, the D value is 0.913×10-3 mm2/s.

3 讨论

DCE-MRI 及IVIM 已被广泛应用于肿瘤性病变的术后复发、放化疗后效果的评估以及预后预测等方面[15-17]。本研究应用DCE-MRI 联合IVIM 定量参数评估布氏杆菌性脊柱炎急性期治疗效果，在国际及国内属于首次。本研究结果显示在布氏杆菌性脊柱炎急性期严格治疗3个月后患者症状明显减轻，体征明显改善，试管凝集试验滴度1∶100 转为滴度1∶50（+/++）或1∶25（+/++），临床达到好转；影像学常规MRI显示椎体病变无明显变化或进展，与临床表现存在差别；而DCE-MRI定量参数Ktrans、Kep值减低，IVIM定量参数D值增高。本研究结合患者的临床表现、实验室检查从病理生理学角度对布氏杆菌性脊柱炎治疗过程合理解释，为布氏杆菌性脊柱炎局部微环境的变化提供了更客观、更科学的依据，为指导临床用药提供了新的依据。

3.1 DCE-MRI 定量参数对布氏杆菌性脊柱炎的疗效评估

从微环境变化角度分析，Ktrans、Kep反映血管通透性及血管内皮细胞损伤程度，二者互为逆过程，其值越大反映血管内皮损伤越严重，血管通透性越大[18-19]。布氏杆菌性脊柱炎病理表现多为肉芽肿[20]，其内含有大量新生血管，且炎症反应急性期基本病理改变为渗出，所以血管通透性较高，大分子的对比剂在血管内及EES交换更积极，所以在未经治疗的布氏杆菌性脊柱炎病变椎体内无论新生血管数量多，还是血管的通透性高都导致常规MRI 病变椎体水肿更明显，增强扫描强化更显著，Ktrans、Kep值较高。经过积极、严格的治疗后，虽说3 个月仍处在疾病的急性期，病变椎体内新生血管数量仍处在较高水平，在常规MRI表现为原有病变无明显变化或范围扩大、病变数量增多，但血管内皮细胞间隙明显变窄，通透性明显改善，大分子的对比剂在血管内外交换能力减弱，病变处微环境在一定程度上得到改善，故在治疗后DCE-MRI 定量参数Ktrans、Kep值减低。而Ve值代表EES容积分数，在治疗前后差异无统计学意义，可能由在治疗过程中病变的骨组织较血管修复慢导致，EES 恢复可能需要更长的时间。与QIN 等[21]应用IVIM 和DCE-MRI 半定量参数对强直性脊柱炎模型大鼠骶髂关节病变活动性进行评价得出的结果一致。

3.2 IVIM定量参数对布氏杆菌性脊柱炎的疗效评估

病变区纯水分子扩散由D 值反映，D 值越大水分子扩散越快，细胞密度越低。肉芽肿不仅新生血管丰富，而且细胞密度大，EES 空间较小，并且实质细胞变性、坏死，水分子扩散受限较显著，D 值较低；增生的肉芽肿经积极的治疗可以恢复正常的组织结构，水分子扩散运动逐渐改善，从而D值在治疗后逐渐升高。D*代表灌注相关的扩散系数，f 代表快速扩散系数所占比例，二者高度相关，D*值越大表明微循环越丰富，微循环不仅表现在病变局部血管数量方面，而且与局部血流灌注情况有关。本研究D*及f 值差异无统计学意义，可能与治疗过程中病变处微循环并无实质性变化，而是表现在血管通透性方面的变化和细胞密度的改变有关。与LIU 等[22]应用IVIM 对强直性脊柱炎骶髂关节病变活动性评价得出结果高度一致。但与LALLEMAND 等[23]应用IVIM 和DCE-MRI 半定量参数观察肿瘤小鼠模型新辅助放射治疗后微环境改变结果却不一致，可能与肿瘤和炎性病变在病理生理上存在较大的差异，导致微环境的变化大不相同有关。

3.3 局限性及展望

DCE-MRI 及IVIM 定量参数能更好地描述椎体微观结构的改变，为病变区骨髓灌注、血管通透性、水分子运动提供了新的信息[24-25]。但鉴于本研究样本量小，且仅限于急性期患者及因布氏杆菌性脊柱炎患者疼痛明显，无法对无效治疗者进行相关研究，结果可能仅代表初步成果。之后作者将进一步扩大样本量，并扩大观察的病程范围，为布氏杆菌性脊柱炎患者提供全程疗效评估的影像学手段；并将影像组学应用于布氏杆菌性脊柱炎的早期诊断、鉴别诊断及疗效评估，在提供更智能、客观的依据，提高诊断及评估准确率的同时，减少医师的工作负担。

4 结论

本文首次应用DCE-MRI 联合IVIM 定量参数评估布氏杆菌性脊柱炎急性期治疗效果，可更科学、客观地从微观角度评估病变微环境变化，对指导临床用药提供了新的依据。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：乔鹏飞设计本研究的方案，对稿件重要内容进行了指导及修改，获得了内蒙古自治区卫生健康科技计划项目资助；赵鹏飞起草和撰写稿件，获取、分析、解释本研究的数据，获得了内蒙古自治区自然科学基金项目及内蒙古医科大学青年培育项目资助；贺红兵设计本研究的方案，分析本研究的临床数据，对稿件重要内容进行了指导、修改；王浩华参与磁共振扫描，获取、分析数据，对磁共振图像质量严格把关，参与统计分析，对稿件重要内容进行了修改；李宇璞、张昭静参与磁共振扫描，获取、分析数据，对磁共振图像质量严格把关，参与统计分析，对稿件重要内容进行了修改；全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。