陳鷹 鄭歡露 姚娟 李白艷 郭輝

作者單位：830054 烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科

脊柱結(jié)核在骨關(guān)節(jié)結(jié)核中最常見，占肺外結(jié)核的50%以上[1-2]，是由結(jié)核分枝桿菌經(jīng)血行、淋巴系統(tǒng)等途徑侵入至脊柱而引起的脊柱感染性疾病。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是診斷和隨訪脊柱感染性疾病較好的影像學(xué)診斷工具，能提供全面的解剖結(jié)構(gòu)[3]。隨著對MR成像序列、成像方法的不斷開發(fā)，以及對病變影像表現(xiàn)認(rèn)識的逐步深化，MRI的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。其中體素內(nèi)不相干運(yùn)動擴(kuò)散加權(quán)成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM-DWI)由于更能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映組織內(nèi)分子的微觀運(yùn)動情況，目前在腦膠質(zhì)瘤的分級、乳腺腫瘤良惡性鑒別及前列腺等疾病的診斷中已經(jīng)取得良好的應(yīng)用效果[4-7]，但在脊柱感染性疾病的診斷中尚研究較少。本研究旨在應(yīng)用IVIM模型探討IVIM-DWI在脊柱結(jié)核病灶中的灌注分?jǐn)?shù)(perfusion fraction，f)、單純擴(kuò)散系數(shù)(pure diffusion coefficient，D)、假性擴(kuò)散系數(shù)(pseudodiffusion coefficient，D*)等參數(shù)指標(biāo)的參數(shù)值范圍、參數(shù)變化機(jī)制及診斷價(jià)值，為臨床診斷脊柱結(jié)核提供有效的參考。

資料和方法

1.研究對象：選擇2018年1—9月在新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院經(jīng)臨床活檢、手術(shù)組織標(biāo)本病理檢查證實(shí)的18例脊柱結(jié)核患者作為結(jié)核組，其中男13例，女5例；年齡20～79歲，平均(40.39±14.84)歲；20～歲年齡組9例，40～歲年齡組7例，60～79歲年齡組2例。結(jié)核病變累及椎體46個(gè)，其中5例胸椎結(jié)核病變共累及23個(gè)椎體，16個(gè)胸椎結(jié)核病變發(fā)生在3例30歲以上患者；13例腰椎結(jié)核病變共累及23個(gè)椎體，其中跳躍2個(gè)椎體19個(gè)，13例腰椎結(jié)核病變累及椎間盤共計(jì)37個(gè)。所有患者均有不同程度的腰背部疼痛，伴或不伴下肢放射性疼痛。均排除其他影響脊柱功能的疾病，如強(qiáng)直性脊柱炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。同期在就診患者或人群中選取與結(jié)核組性別構(gòu)成比相同、平均年齡相差不超過5歲、與結(jié)核組受累椎體節(jié)段一致且椎體正常的18名正常志愿者作為對照組，其中男13例，女5例；年齡20～74歲，平均(41.83±15.97)歲，無腰椎基礎(chǔ)疾病和潛在的慢性腰椎疾病史。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審批通過，兩組患者均簽署知情同意書

2.脊柱MR常規(guī)掃描：所有受檢者采用美國西門子Signa 3.0 T MR掃描儀，8通道脊柱表面相控線圈，依次行自旋回波矢狀面T1WI、T2WI、壓脂序列掃描，冠狀面軸面T2WI掃描。脊柱IVIM-DWI掃描采用矢狀面頻譜衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)平面回波成像序列，擴(kuò)散敏感系數(shù)(b值)取0、50、150、200、400、600 s/mm2，掃描時(shí)間369 s。具體掃描序列及參數(shù)見表1。

3.圖像處理：將所獲得的MR原始圖像(圖1～4)傳至Siemens Syngo.via后處理工作站，所有的IVIM-DWI圖像導(dǎo)入雙指數(shù)模型(MITK-Diffusion)專用后處理軟件生成偽彩圖，由2名高年資、經(jīng)培訓(xùn)后的醫(yī)師分析處理圖像(圖5～8)。選取脊柱結(jié)核組病灶區(qū)及正常組骨髓或椎間盤圖像清晰、均勻一致的層面劃取感興趣區(qū)(region of interest，ROI)。①椎體ROI劃取：參考與椎體病變相關(guān)的研究報(bào)告[9]，選擇病變椎體矢狀面病變范圍較大、椎體破壞較輕、信號強(qiáng)度最均勻且處于正中的3個(gè)層面，測量時(shí)將圖像局部適當(dāng)放大，避開血管、壞死、偽影、骨皮質(zhì)終板炎、許莫結(jié)節(jié)等；②椎間盤ROI劃?。簠⒖嘉墨I(xiàn)[9]，選擇矢狀面最大、信號最均勻的3個(gè)層面。所有數(shù)據(jù)每層面均測量3次，最后取平均值，由MITK-Diffusion軟件自動計(jì)算生成f、D、D*偽彩圖，以及表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient，ADC)圖。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)處理：分別測量結(jié)核組所有患者的病變椎體、跳躍2椎體的病變椎體、受累椎間盤，以及對照組中與結(jié)核組患者相對應(yīng)的f、D、D*值。采用SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，非正態(tài)分布資料采用秩和檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用受試者工作曲線(ROC曲線)進(jìn)行分析結(jié)核病變椎體f、D、D*參數(shù)值的曲線下最大面積，根據(jù)敏感度與特異度之和的最大值選定最佳診斷閾值。

結(jié) 果

1.脊柱結(jié)核常規(guī)MRI表現(xiàn)：18例脊柱結(jié)核患者中，受累椎體表現(xiàn)為骨質(zhì)破壞及骨髓水腫，部分椎體塌陷、楔形改變，T1WI、T2WI、壓脂序列掃描分別呈低信號、高信號為主的混雜信號、高信號。37個(gè)病變椎間盤表現(xiàn)為正常椎間盤形態(tài)及信號消失，呈長T1、稍長T2信號，其中2例椎間隙變窄甚至消

表1 掃描序列及參數(shù)

注TR為脈沖序列重復(fù)時(shí)間；TE為回波時(shí)間；FOV為視野； FSE為快速自旋回波：IVIM-DWI為體素內(nèi)不相干運(yùn)動擴(kuò)散加權(quán)成像

圖1～4 腰5椎體結(jié)核病變的矢狀面原始圖像。分別為T2WI壓脂序列、T2WI序列、T1WI序列、standard ADC圖。圖中圓圈為腰5椎體結(jié)核病變位置

圖5～8 MITK-Diffusion專用軟件對脊柱結(jié)核病變椎體IVIM序列原始圖像進(jìn)行后處理后的圖像。依次為standard ADC圖、f偽彩圖、D偽彩圖、D*偽彩圖。圖中白色圓圈指ROI劃取在腰椎5結(jié)核病變椎體，大小約為25 mm2，白色箭頭指病變跳躍2椎體 圖9～12 對照組正常椎體矢狀面原始圖像。分別為T2WI壓脂序列、T2WI序列、T1WI序列、standard ADC圖 圖13～16 MITK-Diffusion專用軟件對對照組正常椎體IVIM序列原始圖像進(jìn)行后處理后的圖像。依次為standard ADC圖、f偽彩圖、D偽彩圖、D*偽彩圖 圖17～19 受累椎體椎旁膿腫形成：依次為分別為T2WI壓脂序列、T2WI序列、T1WI序列，受累椎體呈長T1、稍長T2信號，壓脂序列呈高信號，椎旁周圍膿腫呈長T1、長T2信號，邊界較清晰，不局限，呈“流注”現(xiàn)象

失，引起后凸畸形；5例形成椎旁膿腫，膿腫多大小不一，范圍不等，呈長T1、長T2信號，邊界較清晰，不局限，呈“流注”現(xiàn)象，見圖9～11。

2.兩組患者的IVIM-DMI參數(shù)：結(jié)核組病變椎體的f、D、D*值與跳躍2個(gè)椎體的正常椎體，以及與對照組正常椎體的f、D、D*值比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均<0.05)，見表2、3。結(jié)核組病變椎間盤的f、D值與對照組正常椎間盤的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均<0.05)，其中病變椎間盤的f值、D值均高于正常椎間盤，見表4。

3.D值在脊柱結(jié)核病變椎體中的診斷效能：對18例脊柱結(jié)核患者的病變椎體采用受試者工作曲線(ROC曲線)進(jìn)行分析，分別獲得18例脊柱結(jié)核病變椎體f、D、D*參數(shù)值的曲線下最大面積，如圖20所示；比較之后D值的曲線下面積最大(AUC最大)，為0.960，敏感度為95.74%，特異度為87.56%，根據(jù)敏感度與特異度之和的最大值選定最佳診斷閾值，即D值的最佳閾值為0.63×10-3mm2/s。

討 論

脊柱結(jié)核占肺外結(jié)核的50%以上，并有逐年增多的趨勢。MRI是臨床診斷及隨訪的常用影像學(xué)技術(shù)之一，有較高的組織分辨率，對病灶及周圍受侵范圍顯示較為精準(zhǔn)。隨著影像診斷技術(shù)的提高，MR掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從宏觀到微觀的突破性進(jìn)展。1988年，Dixon[10]在對腦組織的研究中首次提出了IVIM-DWI這一概念，近年來臨床主要應(yīng)用在神經(jīng)系統(tǒng)、乳腺、前列腺等疾病領(lǐng)域的診斷中，在脊柱結(jié)核中的應(yīng)用較為少見。

注 f值為病灶中的灌注分?jǐn)?shù)；D值為單純擴(kuò)散系數(shù)；D*值為假性擴(kuò)散系數(shù)圖20 病變椎體和正常椎體ROC曲線

表2 結(jié)核組中病變椎體與跳躍2個(gè)椎體的正常椎體各類數(shù)值間的比較

表3 結(jié)核組病變椎體與對照組正常椎體f、D、D*值的組間比較

表4 結(jié)核組病變椎間盤與對照組正常椎間盤組間比較

注采用秩和檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

IVIM-DMI是指生物組織在MRI中每個(gè)體素發(fā)生的微觀隨機(jī)平移運(yùn)動，這些運(yùn)動包括細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外水分子擴(kuò)散和毛細(xì)血管中血液微循環(huán)的非相干運(yùn)動。IVIM-DMI是一種功能成像，也是定量評估分子運(yùn)動的方法。IVIM-DMI采用雙指數(shù)模型[11-12]，通過不同定量參數(shù)評估組織的擴(kuò)散及微血管灌注情況，該模型參數(shù)包括f、D、D*值，其中D值反映純水分子擴(kuò)散，D*值主要與毛細(xì)血管灌注相關(guān)，f值表示微循環(huán)灌注在所選區(qū)域占總體擴(kuò)散效應(yīng)的百分比值。本研究通過IVIM-DMI在脊柱結(jié)核診斷中的應(yīng)用，旨在探討f、D、D*參數(shù)值范圍在脊柱結(jié)核中的診斷價(jià)值，與正常對照組進(jìn)行對比是為今后鑒別診斷脊柱感染性疾病(化膿性脊柱炎、布魯菌性脊柱炎)與脊柱轉(zhuǎn)移瘤做鋪墊。

Zhang和Lu[13]認(rèn)為椎體動靜脈吻合支是結(jié)核分枝桿菌的最后通路，當(dāng)椎體受結(jié)核感染后，結(jié)核分枝桿菌經(jīng)血行播散首先到達(dá)椎體終板，可使病變椎體區(qū)的小血管及新生血管增多，血管通透性增加，血管內(nèi)水分子向血管外漏出增多，導(dǎo)致血管外水分子增加，呈充血、水腫表現(xiàn)，故D值與D*值均增大；另外，正常椎體松質(zhì)骨表現(xiàn)為骨小梁結(jié)構(gòu)規(guī)律、邊緣成骨細(xì)胞均勻分布，骨小梁之間有大量的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、紅細(xì)胞和脂肪細(xì)胞分布，當(dāng)椎體發(fā)生骨質(zhì)破壞時(shí)，破骨細(xì)胞數(shù)量增多，骨小梁數(shù)量減少，受累椎體呈充血、水腫等病理學(xué)表現(xiàn)，細(xì)胞外間隙增大，水分子自由擴(kuò)散增加，進(jìn)一步使D值和D*值明顯增大。

本研究中，病變椎體劃分區(qū)域可能會包括各個(gè)病理階段的混雜組織，如纖維蛋白或漿液性滲出、結(jié)核性肉芽腫、干酪樣物質(zhì)、壞死骨及膿腫等，如果將病變信號最強(qiáng)的區(qū)域作為ROI，則所測得的參數(shù)值就不能準(zhǔn)確反映病變組織成分的改變，故選擇病變椎體ROI矢狀面病變范圍較大、椎體破壞較輕、信號強(qiáng)度最均勻的3個(gè)層面為ROI區(qū)域。結(jié)核組病變椎體的D值、D*值明顯高于對照組的正常椎體(P值均<0.05)，與班超等[14]和武小鵬等[15]的研究結(jié)果一致。本研究中D*值約為相對應(yīng)D值的10倍以上，與張永興等[16]在鼻咽癌的研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)樵诘蚥值時(shí)，D*值對MR信號的衰減更為敏感。但武小鵬等[15]、龔?fù)甗17]研究表明，椎體惡性腫瘤性病變與本研究椎體結(jié)核D與D*變化存在差異，可能是惡性腫瘤侵蝕正常骨髓細(xì)胞后，增殖活躍，數(shù)量急劇增加，正常的骨髓細(xì)胞被腫瘤細(xì)胞取代，水分子擴(kuò)散明顯受限，從而使D值降低，但由于腫瘤血管增多，血管灌注增加，使D*值呈升高趨勢。本研究中脊柱結(jié)核中病變椎體D值較武小鵬等[15]研究中的布魯桿菌性脊柱炎病變椎體D值[(0.52±3.65)×10-3mm2/s]高，與其研究的脊柱結(jié)核組的D值高于布魯桿菌性脊柱炎的結(jié)果相一致，而與布魯桿菌性脊柱炎相比較則D*值差異不大，可能是因?yàn)榧怪Y(jié)核骨質(zhì)破壞程度更為嚴(yán)重，導(dǎo)致總體表現(xiàn)出的D值更高。

理論上，f值和D*值均應(yīng)隨灌注的增加而增大，不同疾病間的f值和D*值變化應(yīng)該是一致的，但本研究中顯示病變椎體的D*值明顯高于正常椎體，而病椎的f值低于正常椎體(P值均<0.05)，可能原因如下。其一，本研究選取的病變椎體處于不同病理時(shí)期，而微循環(huán)灌注在不同病理過程中表現(xiàn)不同。在病變早期，小血管及新生血管增多，血管通透性增加，f值增加；隨著病程進(jìn)展出現(xiàn)結(jié)核性肉芽腫、干酪樣壞死物、死骨等病理改變時(shí)，微循環(huán)灌注減少，f值降低。其二，Sakamoto等[18]和Pang等[19]指出，f值與掃描參數(shù)TE密切相關(guān)，TE越長在低b值時(shí)的衰減信號越明顯，得到的f值越大，故f值的大小會依賴于掃描參數(shù)TE、TR的大小，可能是實(shí)際情況與理論相矛盾的原因。故本研究中設(shè)定的b值在國內(nèi)外尚無具體的標(biāo)準(zhǔn)，f值不能完全精確反映病變椎體的微循環(huán)灌注，尚需要進(jìn)一步加大樣本量做進(jìn)一步研究。Guiu等[20]研究認(rèn)為，b值的選擇與D*值的變化非常密切，低b值可以將組織擴(kuò)散與血液灌注共同分析，使所測得的水分子擴(kuò)散系數(shù)更加準(zhǔn)確，但低b值時(shí)，信噪比降低、噪聲大，測量誤差增大。

本研究中，結(jié)核組病變椎間盤的D值明顯高于對照組正常椎間盤(P<0.05)，可能原因如下：其一，脊柱正常椎間盤由軟骨終板、纖維環(huán)、髓核三部分組成，髓核含水量最為豐富，約為85%～95%的水分[20]，MR掃描的T2WI序列呈“夾心面包”征象；且椎間盤無血管結(jié)構(gòu)，其營養(yǎng)主要由附著在相鄰椎體的血管滲透供應(yīng)，當(dāng)椎體結(jié)核感染后，隨著病程進(jìn)展，椎間盤失去營養(yǎng)供給，椎間盤骨質(zhì)受累，“夾心面包”征象被破壞，導(dǎo)致椎間隙不同程度的變窄、邊界不清，多呈高信號，故測量時(shí)D值增高；其二，可能是由于椎間盤受累并有部分形成干酪樣壞死物質(zhì)液化而成的冷膿腫，呈明顯“流注”現(xiàn)象，導(dǎo)致椎旁膿腫含水量增加，D值增高；但由于本研究中，椎旁膿腫的樣本僅5例，代表性不強(qiáng)，故對于脊柱結(jié)核椎旁膿腫的參數(shù)值未加以研究，以期在后期的研究中進(jìn)一步完善。

本研究采用ROC曲線對脊柱結(jié)核病變椎體的D值進(jìn)行診斷性效能評估，脊柱結(jié)核病變椎體的D值最佳診斷閾值為0.63×10-3mm2/s，且該D值對病椎診斷的特異度及敏感度均較高(95.7%和87.5%)，最大曲線下面積為0.960；說明用IVIM序列擴(kuò)散加權(quán)成像所測得的D值對脊柱結(jié)核病變椎體有較高的診斷價(jià)值，故認(rèn)為D值能定量地反映脊柱結(jié)核患者病變椎體內(nèi)水分子擴(kuò)散情況。

本研究存在的局限性：(1)本組患者年齡普遍偏大，隨著年齡增加，椎體內(nèi)脂肪組織增加，組織間隙內(nèi)水分子減少，脂肪組織的擴(kuò)散能力低，故本研究中D值相對較龔?fù)甗17]和陳雪雯等[21]研究的對照組(年齡偏低)正常椎體的D值低。(2)因設(shè)定的多個(gè)b值DWI序列在國內(nèi)外尚無具體標(biāo)準(zhǔn)，故難以確定本研究設(shè)定的b值是否為最佳選擇，可能對數(shù)據(jù)的分析產(chǎn)生偏倚。(3)本研究選取的病變椎體時(shí)期不同，可能會影響研究結(jié)果。(4)本研究的樣本量較小，可能對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析產(chǎn)生偏倚，仍需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量來驗(yàn)證本研究的初步結(jié)果。(5)本研究采用的是脊柱結(jié)核與正常對照做對比，沒有與脊柱的其他感染性病變及腫瘤性病變進(jìn)行對比，我們會進(jìn)一步收集脊柱其他病變，進(jìn)一步完善IVIM在脊柱病變中的重要作用。

綜上所述，IVIM-DWI可定量評估脊柱結(jié)核的水分子擴(kuò)散及微血管灌注特性，對脊柱結(jié)核的診斷有一定的指導(dǎo)意義；與正常對照組相比較，IVIM-DWI定量分析量化參數(shù)中D值的敏感度、特異度最高，可為臨床診斷脊柱結(jié)核提供有效的參考。