弥散张量成像对布氏杆菌脊柱炎椎间盘病变的诊断价值及疗效评估

吴 朋，张玉姣，秦 芳，刘 兰，崔书君

1河北北方学院 附属第一医院医学影像部，河北张家口 0750002张家口市传染病医院骨外科，河北张家口 075000

布氏杆菌脊柱炎(Brucella spondylitis，BS)是由布氏杆菌引起的感染性脊柱炎。BS首先累及软骨终板，破坏软骨后累及相邻骨质下骨质、椎间盘，引起骨质破坏和椎间盘形态结构改变[1]。椎间盘无血液供应，其营养由终板提供，BS早期椎间盘受累较轻，随终板损害日益加重，椎间盘营养不足，最终椎间盘发生功能及形态的改变[2]。目前，BS最为重要的检查方法为常规磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI),但常规MRI检查出BS时已有形态学改变或BS临床症状严重及血清学检查阳性，但常规MRI检查未见异常，所以常规MRI对BS椎间盘早期改变诊断甚为困难。因此需要一种有效的影像检查方法明确诊断。弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)能够直观、清晰显示椎间盘微观结构改变特点，同时通过各项异性分数(fractional anisotropy，FA)、弥散系数(apparent diffusion coefficient，ADC)能够量化分析椎间盘早期病变及预后评估。本研究通过DTI检查提高BS椎间盘早期损害诊断，降低患者的致残率，同时通过测量ADC值和FA值评估各期BS预后情况，有助于判断治疗效果。

对象和方法

对象及分组收集2013年8月至2017年7月60例经血清学检查确诊BS患者(张家口市传染病医院40例、河北北方学院附属第一医院20例)。所有患者均采用玻片凝集法、日本Aquilion320排CT和3.0T磁共振扫描仪器检查。其中，男性40例、女性20例；年龄18～80岁，平均(42.33±20.97)岁。30例有0.5～27年的牛羊养殖史；15例患者有幼羊接生史；15例患者有吃未熟羊肉或乳制品的经历。所有患者均有乏力、发热、腰腿疼，4例患者出现臀部或髋关节疼痛就诊。所有病例均符合中华人民共和国行业标准WS269- 2007布氏杆菌病诊断标准[3]，入选标准：(1)流行病学史：所有患者均有牛、羊接触史或食入不熟牛羊肉制品或乳制品；(2)临床表现：所有患者均有发热、乏力、胸腰背部疼痛、骨关节和肌肉疼痛，部分表现神经症状、如头痛；(3)血清学检查：试管凝集实验滴度为1∶160++及以上，琥红平板凝集实验滴度为1∶100++及以上；(4)分离细菌： 血液、骨髓、其他体液及排泄物分离到布氏杆菌。排除标准：(1)琥红平板凝集试验(-)；(2)血清学凝集试验检查：低度小于1∶100；(3)细菌分离与培养无此菌生长；(4)皮肤过敏实验(-)；(5)CT/常规MRI资料不完整或图像不清晰；(6)DTI图像不能够进行ADC值和FA值测量(椎间隙严重狭窄)；(7)经临床确诊其他感染性脊椎炎；(8)椎间盘突出、膨出或变性以及外伤史。所有患者同意进行本研究，并签订知情同意书，同时，医院道德伦理委员会同意进行本研究。对照组：40例健康人，男性20例、女性20例，年龄22～73岁，平均(45.2±19.88)岁，无椎间盘异常病变。依据患者出现临床症状到患者就诊时间对BS进行分期：急性期为<3个月、亚急性期3～6个月、慢性期>6个月[4]。急性期26例、亚急性期21例、慢性期13例，其中13例经历3期时相。

实验室检查方法60例患者血沉(80.42±32.57) mm/h，45例患者显示coomb’s(+)。所有患者均行试管凝集试验(滴度均>1∶160)、琥红平板凝集试验(+)、皮肤过敏实验(+)。40例经血清学检查确诊，20例经穿刺活检或手术病理确诊。

影像学检查方法采用日本Aquilion，Toshiba 320排640层螺旋CT进行颈、胸、腰椎连续容积扫描。扫描参数：管电压125 kV、管电流380 mA、准直64×0.625 mm、检查野256 mm×256 mm、矩阵512×512、螺距0.964∶1。荷兰Philips，Ingeina 3.0T超导型磁共振扫描仪[注册证编号：国食药监械(进)字2012第3283290号]进行检查，使用脊椎线圈进行扫描。先进行腰椎扫面，后依次胸椎、颈椎。患者仰卧检查床上，先进行 T1加权像(T1 weighted image，T1WI)、T2加权像(T2 weighted image，T1WI)、短时间翻转恢复(short time inversion recovery，STIR)扫描后行弥散张量成像扫描。扫描参数如下：快速自旋回波(turbo spin echo，TSE)矢状位T1WI[重复时间(repetition time，TR)=636 ms，回波时间(echo time，TE)=10 ms]，有效视野(field of view，FOV)=256 mm×512 mm，层厚3.0 mm，层间距0.5 mm；TSE矢状位T2WI(TR=2400 ms，TE=96 ms)，FOV=256 mm×512 mm，层厚3.0 mm，层间距0.5 mm；STIR T2WI(TR=3363 ms，TE=60 ms，反转时间=270 ms)、FOV=300 mm×300 mm，层厚3.0 mm，层间距0.5 mm；TSE横断位T2WI(TR=405 ms，TE=18 ms)、FOV=512 mm×512 mm，层厚3.0 mm，层间距0.5 mm；DTI序列参数如下：TR=12 000 ms，TE=80 ms，弥散因子b=1000 s/mm2，FOV=230 mm×230 mm，弥散敏感梯度方向数15个，层厚5 mm，层间距0 mm，激励次数=4次，扫描定位线位于正中矢状面。

图像后处理所有CT图像信息传到Vitrea工作站进行图像分析。在原始横断面图像的基础上，同时结合多种图像后处理技术方法，包括容积重建、多平面重建等。MRI图像信息均传至Philips EWS(Extended Workspace)v2.6.3.5后处理工作站的随机软件包Fiber track 和Diffusion 进行DTI 后处理，自动生成ADC图、FA图[5- 6]。使用FiberTrak工作栏中校准程序进行图像校准，去除运动伪影和磁敏感伪影，同时应用滤波技术，提高图像信噪比，增加图像清晰度。测量椎间盘ADC值和FA值，在FA图中交互模式，大视野上以显示脊椎正中矢状面，调整到最佳阈值，小视野进行空间定位，即： 主图为FA图，3个小附图进行定位(包括矢状位、冠状位及横断位)(图1)，以确保测量图像的准确性。FA图、ADC图及弥散加权成像(diffusion-weighted imaging，DWI)图可以任意角度、任意方向进行旋转。头-脚方向为绿色、前-后方向为红色，左-右方向为图像位置。然后在b值=0图像上手动选择感兴趣区(region of interest,ROI)，沿着椎间盘外缘手动绘制椎间盘，以确保ROI大小与椎间盘(包括病变椎间盘)形态一致。ROI大小为5～20 mm2。每个椎间盘重复测量3次，取平均值。

图像质量评价由本科室2名高年资医师共同阅片评估CT和MRI图像，同时进行ADC值和FA值测量。详细记录病变部位、形态、信号改变、病变分布情况；对于同一测量部位的ADC值和FA值评估不一致，最终讨论达成一致。比较DWI与CT和常规MRI对BS病变的检测率。

BS：布氏杆菌脊柱炎;DTI：弥散张量成像

BS： Brucella spondylitis;DTI： diffusion tensor imaging

图1对照组(A)和BS患者(B)椎间盘在DTI的空间定位

Fig1The spatial localization of intervertebral disc in DTI in control group(A) and BS patients(B)

治疗方法药物治疗：(1)临床症状显着者，静脉给予头孢类、喹诺酮类抗生素。复方磺胺甲恶唑能渗透到细胞内，对急性期患者退热较快。(2)按WHO推荐的治疗方案，利福平加多西环素。手术方法：主要应用于部分患者确诊时已为慢性期，骨质破坏比较严重，脊柱变形，脊髓或神经根受压；部分患者疼痛症状明显，或腰大肌脓肿形成，经药物治疗无缓解。在治疗后6、12个月进行DTI随访复查，同时与治疗前进行比较。

统计学处理应用SPSS 17.0统计软件进行数据录入和统计分析。对各期BS的ADC 值、FA 值进行正态性检验，均符合正态分布。计量资料以均数±标准差表示。采用条形堆积图和箱式图表达不同检查方法对不同时期BS检测率。各期组内比较采用SNK法或Dunnett’s 法检验。以血清学检查或病理检查结果作为“金标准”，使用受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线评价ADC值、FA值对BS椎间盘的诊断效能，应用连续性变量ROC判定BS椎间盘病变，计算曲线下面积(Az值)，与0.5相比差异有统计学意义(P<0.05)，并测量界值。应用配对t检验比较治疗前、治疗后6个月和治疗后12个月ADC值和FA值变化。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

BS一般特点和CT特点BS与对照组年龄、身高、体重比较差异均无统计学意义(t=1.726，P=0.112；t=1.319，P=0.200；t=0.854，P=0.401)。CT检出累及椎间盘69个，均为慢性期，CT表现为椎间隙明显狭窄，邻近椎体上下缘骨质增生硬化，软骨终板严重破坏(图2)。

常规MRI特点T1WI检出累及椎间盘190个(颈椎占16.84%、胸椎占31.05%、腰椎占25.11%)，T2WI检出累及椎间盘192个(颈椎占16.67%、胸椎占31.25%、腰椎占52.08%)；STIR检出累及椎间盘195个(颈椎占16.41%、胸椎占31.28%、腰椎占52.31%)。DWI发现260个椎间盘异常信号，DWI检出率明显高于CT、T1WI、T2WI、STIR(图3)。常规MRI为正常椎间盘分层结构消失，出现碎裂征，T1WI呈低信号，T2WI呈高信号，随病变进展，椎间隙变窄，终板结构变薄、碎裂，T2WI呈明显高信号，STIR像呈显着高信号(图4)。DWI表现为急性期病变区明显扩散受限，呈高信号(图5)；亚急性期病变椎间盘呈稍高信号，治疗后/慢性期病变椎间盘信号减低。

DTI对各期FA值及ADC值测量结果研究结果显示颈1/2无椎间盘，所以未进行统计学处理。本研究60例患者和40例健康对照组均行DTI扫描，均获得信噪比较高图像。对照组颈、胸、腰椎间盘ADC值、FA值分别进行单因素方差分析，差异无统计学意义(F=3.527，P=0.078；F=5.762，P=0.069)，因此颈、胸、腰段椎体ADC值和FA值可进行统一研究。对照组ADC值和FA值分别为(1.75±0.43)×10-4mm2/s和0.60±0.19。不同椎间盘层面各时期组内ADC值和FA值差异均有统计学意义(表1)。BS患者DTI检查

A.腰3/4椎间隙明显变窄，邻近椎体上下缘骨质破坏；B.腰2/3椎间隙明显变窄，邻近椎体上下缘骨质破坏，增生硬化

A.the lumbar 3/4 intervertebral space was significantly narrowed，and the adjacent vertebral upper and lower margin was damaged；B. the lumbar 2/3 intervertebral space is significantly narrowed，adjacent to the upper and lower margin of vertebral body bone destruction，hyperplasia and sclerosis

图2BS患者CT表现，邻近椎体上下缘骨质增生硬化，软骨终板严重破坏

Fig2CT appearance of the patients with BS，the bone hyperplasia of the adjacent vertebral body was hard，and the cartilage endplate was severely damaged

T1WI：T1加权像；T2WI：T2加权像；STIR：短时间翻转恢复；DWI：弥散加权成像

T1WI： T1 weighted image；T2WI： T2 weighted image；STIR：short time inversion recovery；DWI： diffusion-weighted imaging

图3不同检查方法对不同时期BS分布堆积图(A)和箱式图(B)

Fig3Different inspection methods for different periods of BS distribution stacking figure(A) and box type figure(B)

A. T2WI呈高信号、椎间隙；B. T1WI呈低信号；C.T2WI横断位呈高信号，边缘不规整；D.病理显示大量炎症细胞浸润，软骨细胞结构破坏(HE染色，×200)；E.颈椎多个椎体T2WI信号不均匀；F.STIR像呈显着高信号；G.病理显示大量中性粒细胞，软骨细胞结构消失(HE染色，×200)

A. high signal and intervertebral space on T2WI；B. low signal on T1WI；C.the transverse position of T2WI shows high signal with irregular edge；D. pathological findings： a large number of inflammatory cells infiltrate，along with the destruction of chondrocyte structures(HE staining，×200)；E. the T2WI signal of multiple cervical vertebrae is uneven；F. STIR image shows obvious high signal；G. pathological findings： a large number of neutrophils，along with the disappearance of chondrocyte structures(HE staining，×200)

图4BS患者累及椎间盘

Fig4The intervertebral disc is involved in patients with BS

A.T2WI表现椎体上下缘轻度增高(红箭头)；B. DWI呈明显高信号；C.病理显示中性粒细胞和单核巨噬细胞(HE染色，×200)

A.T2WI shows a slight increase in the upper and lower margins of vertebral body(red arrow)；B. DWI shows obvious high signal；C. pathology shows neutrophils and mononuclear macrophages(HE staining，× 200)

图5BS患者累及软骨终板

Fig5The cartilaginous endplate is involved in patients with BS

表 1 不同观察时期BS患者与对照组椎间盘各项FA、ADC值比较(-±s)Table 1 Comparison of intervertebral disc FA and ADC values of BS patients in different observation periods(-±s)

FA：异性分数；ADC：表观扩散系数

FA：fractional anisotropy；ADC：apparent diffusion coefficient

测量ADC值在急性期、亚急性期及慢性期均有不同程度的增高，差异有统计学意义(t=2.782，P=0.017；t=2.362，P=0.025；t=3.200，P=0.005)。FA值测量结果显示在急性期、亚急性期及慢性期FA值降低，差异有统计学意义(t=3.552，P=0.002；t=2.528，P=0.020；t=2.181，P=0.047)。

FA值和ADC值诊断效能以血清实验室或病理检查结果与所有BS患者绘制FA值和ADC值ROC曲线，分析FA值和ADC值的曲线下面积(Az值)，Az值0.81～0.9具有可信度，Az值>0.9表示可信度较高。FA值最佳界值为0.68时，Az值为0.905，差异有统计学意义(P<0.05)，特异性为0.954、敏感性为0.963、准确性为0.943；ADC值最佳界值为1.87时，Az值为0.857，差异有统计学意义(P<0.05)，特异性为0.872、敏感性为0.884、准确性为0.901。FA值的AUC值高于ADC值的AUC值(P<0.05)(图6)。

BS治疗前后ADC值、FA值比较急性期15例、亚急性期8例、慢性期13例BS患者进行随访研究。急性期、亚急性期及慢性期治疗后6个月ADC值明显低于治疗前，FA值明显高于治疗前，差异有统计学意义(ADC值分别为t=2.913，P=0.007；t=3.104，P=0.005；t=3.484，P=0.002；FA值分别为t=2.431，P=0.023；t=2.764，P=0.019；t=2.274，P=0.031)，急性期、亚急性期及慢性期治疗后12个月ADC值低于治疗前，FA值高于治疗前，差异有统计学意义(ADC值分别为t=2.504，P=0.021；t=3.135，P=0.007；t=2.785，P=0.012；FA值分别为t=2.991，P=0.008；t=3.485，P=0.002；t=2.054，P=0.043)；急性期和亚急性期治疗后12个月ADC值与治疗后6个月比较差异有统计学意义(t=2.813，P=0.006；t=2.437，P=0.013)，各期治疗后12个月FA值与治疗后6个月比较差异有统计学意义(t=2.215，P=0.025；t=1.814，P=0.034；t=1.931，P=0.044)，仅ADC值在慢性期治疗后12个月与治疗后6个月比较差异无统计学意义(t=2.769，P=0.089) (表2)。

图6ADC值和FA值检出BS患者受试者工作特征曲线

Fig6The receiver operating characteristic curves of patients with BS(detected by ADC value and FA value)

表 2 不同时期治疗前后椎间盘ADC值、FA 值比较(-±s)Table 2 Comparison of ADC and FA values of intervertebral disc before and after treatment at different stages(-±s)

P1：治疗后6个月与治疗前比较；P2：治疗后12个月与治疗前比较；P3：治疗后12个月与治疗后6个月比较

P1： 6 months after treatmentvs. before treatment；P2：12 months after treatmentvs. before treatment；P3： 12 months after treatmentvs. 6 months after treatment

讨 论

布氏杆菌病是一种地方人畜共患性传染病和变态反应性疾病，尤其在我国北方地区，为乙类传染病[7]，BS占所有感染性脊柱炎9.7%～21.2%[8]。BS首先感染椎间盘上下终板，使之碎裂和破坏，影响纤维环血供，从而影响椎间盘的新陈代谢和功能，终板椎间盘变性、坏死，久之引起椎间盘退行性变，进一步使髓核内胶原纤维断裂和蛋白糖明显减少，最终导致椎间隙狭窄、椎体滑脱等[9]。BS早期软骨终板细胞水肿、变性，水分子弥散能力增加，所以DWI能够敏感检出BS的水肿灶，而常规CT与MRI对水肿灶难以显示，导致对BS早期病变显示率降低。本研究DWI检出率明显高于常规MRI和CT，表明DWI能够明显提高对BS微小水肿灶诊断率，同时发现MRI常规序列对早期BS诊断率较低，因此DWI对BS早期诊断提供有效的依据。

DTI序列是在DWI基础上发展起来的新序列，是唯一能够检查到活体内水分子扩散运动受限的序列，并且扫描速度快，能够发现早期组织的细微结构变化，同时常用ADC值、FA值进行量化分析[10- 12]。软骨终板为纤维软骨，结构特点是有大量平行或交叉排列的胶原纤维束，软骨细胞较小成行排列于纤维束之间。ADC 值反映水分子的扩散运动能力，水分子扩散能力越强，信号越高，ADC 值越大，反之越小[13]。FA值反映胶原纤维组织，结构排列越规律，各向异性越强，FA 值越高，反之越低。BS患者中ADC 值升高反映软骨细胞性水肿，水分子自由扩散运动的幅度增强，其ADC 值越高，笔者认为软骨早期阶段，由于胶原网架损伤和蛋白多糖的丢失，降低其负载能力，基质内残存更大的伸展空间，水含量增加，导致水分子自由扩散速度加快，因此软骨ADC 值增加；胶原纤维排列完整破坏，水分子扩散运动方向性下降，FA 值降低。因此，ADC 值及FA 值可反映软骨细胞及胶原纤维束结构的完整性有无破坏。本研究DTI测量ADC值在急性期、亚急性期有不同程度的增高，FA值在急性期、亚急性期降低，笔者认为可能与BS不同时期的病理生理的变化有关。急性期软骨细胞变性、细胞活性受阻、细胞缺氧，抑制细胞内外离子通道交换，导致软骨细胞变性坏死，同时细胞性水肿使胶原纤维平行方向的水分子扩散受限，从而导致急性期FA 值降低、ADC 值增高。在损伤后3～6个月，软骨细胞变性坏死面积扩大，同时存在软骨细胞修复和再生，但坏死细胞碎片使胶原纤维束方向上的扩散受限，从而出现亚急性期FA 值和ADC值有所恢复，但FA 值仍降低、ADC 值仍增高。本研究多数病变椎体在慢性期的FA值和ADC值均有所恢复，由于机体免疫系统修复的作用，此期与软骨细胞修复或胶原基质修复以及纤维组织增生有关。研究发现慢性期ADC值增高、FA值降低，表明软骨终板破坏大于修复，与椎间盘纤维大部分破坏、无法修复有关。

通过绘制ROC曲线显示，FA值的AUC值、特异性、敏感性和准确性均明显高于ADC值，表明FA值对BS诊断效能优于ADC值。笔者认为，FA值是扩散张量各向异性成分与整体弥散张量的比值，使水分子在各个方向弥散不同步，ADC值反映细胞水分子弥散受限能力。BS在早期使软骨终板和纤维环胶原纤维破坏，使软骨终板软骨细胞和纤维环胶原纤维排列方向发生改变，所测量的FA值降低，但细胞整体完整性存在，所以ADC值改变晚于FA值，随着病变进一步发展，软骨细胞水肿、扩散受限，ADC值增高。所以FA值对BS诊断效能优于ADC值。本病发病机制为布氏杆菌随血液循环感染、定植在椎间盘，此时仅引起椎间盘轻度微结构和功能改变，这时常规MRI并未显示形态、信号异常，但此时患者临床症状明显(出现严重颈背疼、腰背痛)，所以本研究通过测量ADC值和FA值定量分析椎间盘微结构和功能改变，以ADC值改变代表软骨细胞水肿、扩散受限，FA值改变代表纤维环微结构完整性受到破坏，因此，应用ADC值和FA值定量分析BS椎间盘改变早于常规MRI形态、信号改变，为临床早期诊断提供依据。

本研究经药物和手术治疗BS后，各期疗效显着，尤其在治疗6个月患者。随着治疗时间推移，患者临床症状消失，病情稳定。本研究BS治疗后6、12个月，急性期、亚急性期和慢性期FA值增高和ADC值降低，表明DTI能够较早期敏感检出软骨细胞和椎间盘胶原纤维束变化，通过测定ADC值、FA值变化，更准确地检测软骨终板和纤维环胶原纤维束变化，为临床治疗后评估提供客观依据，同时表明软骨细胞修复、胶原纤维束重新塑形，以及肉芽组织生长。本研究仅ADC值在慢性期治疗后12个月与治疗后6个月比较，差异无统计学意义，表明慢性炎细胞长期存在及纤维细胞增生所致，但不影响FA值的恢复，因此，DTI序列可成为BS预后评估的有效检测指标。

BS需要与以下几种疾病进行鉴别诊断：(1)结核性脊柱炎： 可以呈跳跃性侵犯，椎体变形明显，易形成椎旁脓肿，且脓肿有灌注趋势，增强扫描呈现环形强化。椎体呈溶骨型破坏，可以见到沙粒样死骨，周围见增生、硬化，终板有破坏趋势；(2)化脓性脊柱炎：全身中毒症状明显，白细胞显着升高，腰椎多见，椎体边缘及负重部位均侵犯，附件也可累及，软组织受累范围较小且较弥散，少有脓肿形成。(3)退行性椎间盘炎：椎体的相对缘表现无骨质破坏的异常信号，未见终板软骨损伤，T1WI 为低信号，T2WI 为高信号，脂肪抑制信号为高信号。

综上，DTI检查通过测量FA值和ADC值提高BS椎间盘诊断，能够发现CT和常规MRI不能检出的BS椎间盘病变，尤其在椎间盘尚未形态学改变之前；同时，通过测量FA值和ADC值评估BS预后情况，有助于判断治疗后疗效。