DCE-MRI聯合IVIM定量參數在布氏桿菌性脊柱炎治療評價中的應用

趙鵬飛，賀紅兵，王浩華，李宇璞，張昭靜，喬鵬飛*

作者單位：1.內蒙古醫科大學附屬醫院影像診斷科，呼和浩特 010050；2.呼和浩特市第二醫院中蒙醫布病科，呼和浩特 010031

0 前言

布氏桿菌性脊柱炎（Brucella spondylitis）是布氏桿菌侵襲脊柱（如椎體、椎間盤、椎旁軟組織等）引起脊柱炎性病變[1-2]。根據《布魯氏菌性脊柱炎診斷及治療專家共識》（2022），急性期病程在6個月內，6 個月仍未痊愈轉歸為慢性期[3-4]。目前針對布氏桿菌性脊柱炎的治療多根據患者的具體病情，主要采用聯合抗生素保守治療，以利福平、多西環素、喹諾酮類聯合為主，對于難治者加用第三代頭孢菌素，對于布氏桿菌性脊柱炎慢性期和/或發生復雜并發癥，則需要適當延長聯合用藥的療程，必要時需要輔以相應的外科治療手段[5-6]。臨床診斷多以血液學檢查觀察虎紅平板凝集試驗及試管凝集試驗來評判，虎紅平板凝集試驗可快速篩查，++以上有提示作用，試管凝集試驗滴度1∶100（++以上）方可確診，對病程時間無限制；1∶50（++以上）和病程在1年以上者方可確診[7-8]。臨床治療評估以試管凝集試驗滴度1∶100、1∶200、1∶400 轉為1∶50（-/+/++）或1∶25（-/+/++）和患者臨床癥狀減輕可判定為好轉[9-10]，但脊柱局部病變治療效果及監測復發目前僅是從常規影像學判斷[11]，雖然存在一定的客觀性，但依然是觀察形態學及信號改變，缺乏對病變內部細微結構改變的觀察，故我們需要尋求客觀數值對微環境的有效評判指標。動態對比增強MRI（dynamic contrast-enhanced MRI, DCE-MRI）和體素內不相干運動（intravoxel incoherent motion, IVIM）可無創性定量分析活體組織微血管灌注、血管通透性及水分子擴散信息。在前期的研究中我們發現，DCE-MRI 定量參數在布氏桿菌性脊柱炎早期診斷中的價值，在常規MRI形態學及信號無改變情況下，微環境已經發生了病理生理學方面的變化；DCE-MRI、IVIM 定量參數在布氏桿菌性脊柱炎與脊柱結核、脊柱轉移瘤鑒別診斷中的價值，上述三種疾病形態學存在相同或相似表現時，微環境的改變卻存在很大的差異[12-14]，相對于形態學觀察更科學、客觀，且國內外目前暫無對布氏桿菌性脊柱炎急性期治療效果微環境改變的影像學研究。本文旨在應用DCE-MRI 及IVIM 定量參數從微觀角度評判布氏桿菌性脊柱炎急性期治療過程中病變組織微環境的變化情況，從而評判治療情況，在國際及國內屬于首次，填補了相關方面的空白。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

本研究遵守《赫爾辛基宣言》，經內蒙古醫科大學醫學倫理委員會批準，編號：YKD202301072。本研究已在美國國立衛生院臨床試驗網站（ClinicalTrials.gov）注冊，注冊號：NCT02809625。前瞻性招募內蒙古呼和浩特市第二醫院2021 年1 月至2022年12月首次確診并經嚴格臨床治療3個月的布氏桿菌性脊柱炎急性期患者。所有患者均在內蒙古醫科大學附屬醫院影像診斷科于臨床首次確診及治療后3個月行常規MRI及DCE-MRI、IVIM檢查，并簽署知情同意書。納入標準：（1）患者虎紅平板凝集試驗（+++/++++），試 管 凝 集 試 驗 滴 度1∶100（+++/++++）；（2）患者臨床均表現為腰背部持續疼痛進行性加重和/或運動受限等癥狀；（3）首次發病未經治療者；（4）既往史未發現其他脊柱病變者。排除標準：（1）孕婦或哺乳期婦女；（2）有MRI 掃描禁忌者；（3）有脊柱結核、骨髓瘤等其他脊柱疾病者；（4）臨床資料、實驗室資料收集不完整者。

1.2 檢查方法

1.2.1 儀器設備

所有檢查均在內蒙古醫科大學附屬醫院影像診斷科3.0 T 超導型MR（SIEMENS Skyra, Germany）掃描儀上進行。首先使用全脊柱相控陣表面線圈行常規MRI 檢查，包括矢狀位短反轉時間反轉恢復（turbo inversion recovery magnitube, TIRM）序列、快速自旋回波（turbo spin echo, TSE）T2WI 和T1WI 序列，以及軸位TSE-T2WI 序列。矢狀位TIRM 序列掃描參數：TR 3000 ms，TE 40 ms，回波鏈長（ETL）13；TSE-T2WI 序列掃描參數：TR 2000 ms，TE 98 ms，ETL 20；TSE-T1WI 序 列 掃 描 參 數：TR 650 ms，TE 8.1 ms，ETL 4；三種矢狀位序列相同參數：FOV 280 mm×280 mm，層厚4.0 mm，層間距0.8 mm。軸位TSE-T2WI 序列掃描參數：TR 4020 ms，TE 100 ms，ETL 21，FOV 220 mm×220 mm，層厚4.0 mm，層間距0.4 mm。

DCE-MRI 采用三維容積內插梯度回波（volumetric interpolated breath-hold examination,VIBE）序列。掃描前行多翻轉角（4 個）掃描，翻轉角分別為5°、8°、10°、15°，每個序列掃描1個時相，掃描參數：TR 4.07 ms，TE 1.07 ms，FOV 380 mm×380 mm，矩陣256×170，層厚5.0 mm。然后行DCE 掃描，掃描參數：翻轉角15°，TR 4.07 ms，TE 1.11 ms，FOV 380 mm×380 mm，矩陣256×170，層厚5.0 mm；使用MR 壓力注射器（MEDRAD, Spectris Solaris EP,USA）經肘靜脈套管針（20 G）按照0.2 mmol/kg，流率3.5 mL/s 注射釓雙胺（Gadodiamide，GE 藥業，規格0.5 mmol/mL），注射完畢后用20 mL生理鹽水以相同流速沖洗連接管；開始注射對比劑時啟動VIBE掃描，對病變椎體行多期連續動態掃描（共38 期），每期掃描時間9.8 s。

IVIM 序列采用腹部專用線圈，以病變椎體為中心掃描，掃描參數：共選用12 個b 值，其中低b 值6 個（0、50、100、150、200、600 s/mm2），高b 值6 個（800、1000、1200、1500、1800、2000 s/mm2），TR 4700 ms，TE 65 ms，FOV 350 mm×350 mm，矩陣128×160，層厚5 mm，層間距0.5 mm，掃描時間8 min 44 s。

1.2.2 DCE-MRI定量參數計算

DCE-MRI 圖像在SIEMENS Syngo via 工作站（德國）行后處理，由兩名分別具有7 年、8 年經驗的主治醫師分別在病變最顯著區（強化最顯著區域）勾畫感興趣區（region of interest, ROI），勾畫時避開囊變、壞死、出血區域。對單椎體病變，選取其中三個層面，對多椎體病變，同樣選取不同椎體的三個層面勾畫ROI，因兩次MRI檢查定位無法完全復制，在治療后3個月對照治療前盡量在相近/相同層面選取其中三個層面，不規則形ROI 面積約1.5～3.0 cm2。分別測量每個ROI 的容積轉運常數（Ktrans）、血管外細胞外容積分數（Ve）和對比劑從血管外細胞外間隙（extravascular extracellular space, EES）返回至血漿速率常數（Kep），Kep=Ktrans/Ve，然后取平均值（圖1）。

圖1 動態對比增強MRI 感興趣區勾畫示意圖。Fig.1 Sketch the area of interest of dynamic contrast-enhanced MRI.

1.2.3 IVIM定量參數的計算

IVIM 所 得 圖 像 在 MITK-Diffusion 軟 件（2022.04，WIN 版，德國）行后處理，由上述兩位主治醫師在病變最顯著區（對應DCE-MRI 強化最顯著區域）在對照治療前后DCE-MRI選取的層面勾畫ROI，勾畫時避開囊變、壞死、出血區域，不規則形ROI大小約1.0～2.0 cm2。分別測得每個ROI 的慢速擴散系數（D）、快速擴散系數（D*）、灌注分數（f），然后取平均值（圖2）。

圖2 體素內不相干運動感興趣區勾畫示意圖。Fig.2 Sketch the area of interest of intravoxel incoherent motion.

1.3 統計學分析

采用SPSS 25.0 軟件（SPSS Inc., Chicago,IL, USA）進行統計學分析。病變ROI 定量參數Ktrans、Kep、Ve、D、D*、f 值均呈非正態分布，以中位數±四分位數間距（）表示。以組內相關系數（intra-class correlation coefficient, ICC）對兩名主治醫師測得的椎體病變區DCE-MRI 和IVIM 定量參數結果進行一致性檢驗，ICC系數＞0.75認為一致性較好。采用Wilcoxon 秩和檢驗進行組內比較，α=0.05，以P＜0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 患者一般資料及觀察者一致性

本研究最終納入30 例患者，其中男20 例、女10例，年齡39～63歲。ICC檢驗顯示DCE-MRI及IVIM的6 個定量參數ICC 系數均＞0.75，在兩位觀察者間的一致性良好（表1）。

表1 兩名醫師測量的椎體病變區DCE-MRI和IVIM定量參數一致性檢驗Tab.1 Consistency test of DCE-MRI and IVIM quantitative parameters measured by two physicians in the vertebral lesion area

2.2 布氏桿菌性脊柱炎治療前后分析結果

30 例布氏桿菌性脊柱炎急性期患者，均表現為腰痛和/或運動受限，虎紅平板凝集試驗++以上，試管凝集試驗滴度1∶100（++以上）；布氏桿菌性脊柱炎常規MRI 表現：病變全部位于腰骶椎，其中以腰4、5 椎體多見（21 例，70%），T1WI 為低信號，T2WI 為混雜信號或高信號，脂肪抑制T2WI多數為不均勻高信號，增強掃描明顯強化，形成膿腫后表現為環形強化，椎旁膿腫較局限。經嚴格治療3個月后復查，患者癥狀明顯減輕，體征明顯改善，試管凝集試驗滴度1∶100 轉為滴度1∶50（+/++）或1∶25（+/++）；常規MRI表現：原有病變無明顯變化16例，原有病變范圍擴大和/或病變椎體數量增多14 例。DCE-MRI 定量參數Ktrans、Kep值及IVIM 定量參數D 值在治療前及治療后3 個月差異有統計學意義（P均＜0.05），Ktrans、Kep值在治療后3 個月低于治療前，D 值在治療后3 個月高于治療前；而DCE-MRI 定量參數Ve及IVIM 定量參數D*、f 值在治療前及治療后3 個月差異無統計學意義（P均＞0.05）。詳見表2和圖3、圖4。

表2 DCE-MRI和IVIM定量參數治療前后比較結果Tab.2 Comparison of DCE-MRI and IVIM quantitative parameters before and after treatment

圖3 男，50歲，腰痛進行性加重半月余。磁共振T2WI（3A）示腰5椎體前上緣見斑片狀混雜信號，T1WI（3B）呈低信號，脂肪抑制T2WI（3C）呈高信號，動態對比增強掃描（3D）病變椎體及椎旁軟組織明顯強化；容積轉運常數（Ktrans）值為0.531 min-1，速率常數（Kep）值為1.176 min-1，慢速擴散系數（D）值為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.

圖4 與圖3 為同一患者，經過嚴格治療后3 個月。磁共振T2WI（4A）示腰1、2、4、5 椎體見多發斑片狀混雜信號，T1WI（4B）呈低信號，脂肪抑制T2WI（4C）呈高信號，動態對比增強掃描（4D）病變椎體及椎旁軟組織明顯強化，即原有腰5椎體病變范圍較治療前擴大，且腰1、2、4椎體出現新的病變；容積轉運常數（Ktrans）值為0.213 min-1，速率常數（Kep）值為0.453 min-1，慢速擴散系數（D）值為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 討論

DCE-MRI 及IVIM 已被廣泛應用于腫瘤性病變的術后復發、放化療后效果的評估以及預后預測等方面[15-17]。本研究應用DCE-MRI 聯合IVIM 定量參數評估布氏桿菌性脊柱炎急性期治療效果，在國際及國內屬于首次。本研究結果顯示在布氏桿菌性脊柱炎急性期嚴格治療3個月后患者癥狀明顯減輕，體征明顯改善，試管凝集試驗滴度1∶100 轉為滴度1∶50（+/++）或1∶25（+/++），臨床達到好轉；影像學常規MRI顯示椎體病變無明顯變化或進展，與臨床表現存在差別；而DCE-MRI定量參數Ktrans、Kep值減低，IVIM定量參數D值增高。本研究結合患者的臨床表現、實驗室檢查從病理生理學角度對布氏桿菌性脊柱炎治療過程合理解釋，為布氏桿菌性脊柱炎局部微環境的變化提供了更客觀、更科學的依據，為指導臨床用藥提供了新的依據。

3.1 DCE-MRI 定量參數對布氏桿菌性脊柱炎的療效評估

從微環境變化角度分析，Ktrans、Kep反映血管通透性及血管內皮細胞損傷程度，二者互為逆過程，其值越大反映血管內皮損傷越嚴重，血管通透性越大[18-19]。布氏桿菌性脊柱炎病理表現多為肉芽腫[20]，其內含有大量新生血管，且炎癥反應急性期基本病理改變為滲出，所以血管通透性較高，大分子的對比劑在血管內及EES交換更積極，所以在未經治療的布氏桿菌性脊柱炎病變椎體內無論新生血管數量多，還是血管的通透性高都導致常規MRI 病變椎體水腫更明顯，增強掃描強化更顯著，Ktrans、Kep值較高。經過積極、嚴格的治療后，雖說3 個月仍處在疾病的急性期，病變椎體內新生血管數量仍處在較高水平，在常規MRI表現為原有病變無明顯變化或范圍擴大、病變數量增多，但血管內皮細胞間隙明顯變窄，通透性明顯改善，大分子的對比劑在血管內外交換能力減弱，病變處微環境在一定程度上得到改善，故在治療后DCE-MRI 定量參數Ktrans、Kep值減低。而Ve值代表EES容積分數，在治療前后差異無統計學意義，可能由在治療過程中病變的骨組織較血管修復慢導致，EES 恢復可能需要更長的時間。與QIN 等[21]應用IVIM 和DCE-MRI 半定量參數對強直性脊柱炎模型大鼠骶髂關節病變活動性進行評價得出的結果一致。

3.2 IVIM定量參數對布氏桿菌性脊柱炎的療效評估

病變區純水分子擴散由D 值反映，D 值越大水分子擴散越快，細胞密度越低。肉芽腫不僅新生血管豐富，而且細胞密度大，EES 空間較小，并且實質細胞變性、壞死，水分子擴散受限較顯著，D 值較低；增生的肉芽腫經積極的治療可以恢復正常的組織結構，水分子擴散運動逐漸改善，從而D值在治療后逐漸升高。D*代表灌注相關的擴散系數，f 代表快速擴散系數所占比例，二者高度相關，D*值越大表明微循環越豐富，微循環不僅表現在病變局部血管數量方面，而且與局部血流灌注情況有關。本研究D*及f 值差異無統計學意義，可能與治療過程中病變處微循環并無實質性變化，而是表現在血管通透性方面的變化和細胞密度的改變有關。與LIU 等[22]應用IVIM 對強直性脊柱炎骶髂關節病變活動性評價得出結果高度一致。但與LALLEMAND 等[23]應用IVIM 和DCE-MRI 半定量參數觀察腫瘤小鼠模型新輔助放射治療后微環境改變結果卻不一致，可能與腫瘤和炎性病變在病理生理上存在較大的差異，導致微環境的變化大不相同有關。

3.3 局限性及展望

DCE-MRI 及IVIM 定量參數能更好地描述椎體微觀結構的改變，為病變區骨髓灌注、血管通透性、水分子運動提供了新的信息[24-25]。但鑒于本研究樣本量小，且僅限于急性期患者及因布氏桿菌性脊柱炎患者疼痛明顯，無法對無效治療者進行相關研究，結果可能僅代表初步成果。之后作者將進一步擴大樣本量，并擴大觀察的病程范圍，為布氏桿菌性脊柱炎患者提供全程療效評估的影像學手段；并將影像組學應用于布氏桿菌性脊柱炎的早期診斷、鑒別診斷及療效評估，在提供更智能、客觀的依據，提高診斷及評估準確率的同時，減少醫師的工作負擔。

4 結論

本文首次應用DCE-MRI 聯合IVIM 定量參數評估布氏桿菌性脊柱炎急性期治療效果，可更科學、客觀地從微觀角度評估病變微環境變化，對指導臨床用藥提供了新的依據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：喬鵬飛設計本研究的方案，對稿件重要內容進行了指導及修改，獲得了內蒙古自治區衛生健康科技計劃項目資助；趙鵬飛起草和撰寫稿件，獲取、分析、解釋本研究的數據，獲得了內蒙古自治區自然科學基金項目及內蒙古醫科大學青年培育項目資助；賀紅兵設計本研究的方案，分析本研究的臨床數據，對稿件重要內容進行了指導、修改；王浩華參與磁共振掃描，獲取、分析數據，對磁共振圖像質量嚴格把關，參與統計分析，對稿件重要內容進行了修改；李宇璞、張昭靜參與磁共振掃描，獲取、分析數據，對磁共振圖像質量嚴格把關，參與統計分析，對稿件重要內容進行了修改；全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。