基于LASSO回歸的膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷模型的構(gòu)建及驗(yàn)證

蔡玉郭 鄭永利 何敏 蒲育

結(jié)核病為常見(jiàn)感染性疾病，隨著疾病的進(jìn)展，結(jié)核感染部位不再僅局限于肺部，骨關(guān)節(jié)也成為結(jié)核感染的常見(jiàn)部位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，肺外結(jié)核中有11%～15%為骨關(guān)節(jié)結(jié)核，其中膝關(guān)節(jié)結(jié)核較為常見(jiàn)[1-3]。因膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期癥狀隱匿，容易被忽視，隨著病情的進(jìn)展可引起膝關(guān)節(jié)畸形、關(guān)節(jié)活動(dòng)障礙等并發(fā)癥，嚴(yán)重者可導(dǎo)致殘疾[4]。因此，對(duì)膝關(guān)節(jié)結(jié)核進(jìn)行早期診斷具有重要意義，病理檢查仍為膝關(guān)節(jié)結(jié)核診斷的標(biāo)準(zhǔn)，但病理取樣過(guò)程具有一定創(chuàng)傷性，不適用于早期篩查。γ-干擾素釋放試驗(yàn)(IGRA)、脂阿拉伯甘露聚糖(LAM)抗體檢測(cè)、關(guān)節(jié)腔液GeneXpert MTB/RIF檢測(cè)、MRI檢查等均被證實(shí)可用于膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期診斷[5-6]。本研究旨在通過(guò)多因素分析的方法篩選出膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷的影響因素，并以此建立列線圖預(yù)測(cè)模型，為膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷提供新的思路。

資料和方法

一、研究對(duì)象

選擇2019年1月至2022年1月成都市公共衛(wèi)生臨床醫(yī)療中心收治的136例膝關(guān)節(jié)結(jié)核患者，作為病例組，選擇同期就診的136例非結(jié)核性膝關(guān)節(jié)病變患者作為對(duì)照組進(jìn)行建模。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)病例組患者經(jīng)關(guān)節(jié)穿刺檢查證實(shí)為膝關(guān)節(jié)結(jié)核；(2)對(duì)照組經(jīng)膝關(guān)節(jié)穿刺檢查排除膝關(guān)節(jié)結(jié)核；(3)單側(cè)患?。?4)年齡在18歲以上；(5)神志清醒，無(wú)溝通障礙；(6)患者已獲知情同意。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)合并其他血液疾病；(2)有膝關(guān)節(jié)手術(shù)史；(3)有膝關(guān)節(jié)嚴(yán)重創(chuàng)傷史；(4)擬分析的相關(guān)資料不全。另選擇2022年2—10月就診的72例疑似膝關(guān)節(jié)結(jié)核患者作為驗(yàn)證組，其中13例經(jīng)病理學(xué)確診為膝關(guān)節(jié)結(jié)核。

二、研究方法

1.一般資料收集：收集患者性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)(BMI)。

2.實(shí)驗(yàn)室檢查：(1)患者入院時(shí)取空腹外周靜脈血6 ml，其中3 ml置于含抗凝劑試管中，抽血后4 h內(nèi)行IGRA檢查，以酶聯(lián)免疫吸附雙抗夾心法檢測(cè)γ-干擾素(IFN-γ)水平，試劑盒購(gòu)于江蘇博深生物科技有限公司，由專(zhuān)業(yè)人員嚴(yán)格按試劑盒說(shuō)明書(shū)操作。(2)另外3 ml血液樣本以3000 r/min，離心半徑15 cm，離心15 min后取血清，以蛋白芯片法檢測(cè)LAM表達(dá)情況，試劑盒購(gòu)于武漢賽培生物科技有限公司，由專(zhuān)業(yè)人員按試劑盒操作說(shuō)明書(shū)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)加入二抗后出現(xiàn)紫紅色斑點(diǎn)則判定為陽(yáng)性，無(wú)紫紅色斑點(diǎn)則判定為陰性。(3)關(guān)節(jié)腔液GeneXpert MTB/RIF檢查步驟為，入院時(shí)取患者關(guān)節(jié)腔液1 ml，加入2 ml標(biāo)本處理液后在室溫下孵育10 min，輕度振搖10 s后通過(guò)室溫孵育5 min，取混合液2 ml至GeneXpert MTB/RIF平臺(tái)專(zhuān)用標(biāo)本盒，以4通道GeneXpert MTB/RIF平臺(tái)(美國(guó)賽沛公司)進(jìn)行結(jié)核分枝桿菌(MTB)檢測(cè)。

3.MRI：采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的Multiva 1.5T磁共振成像系統(tǒng)，以膝關(guān)節(jié)專(zhuān)用線圈進(jìn)行檢查。掃描程序：快速自旋回波序列橫軸位壓脂 T2WI：射頻重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間(TR/TE)2485 ms/60 ms；T冠狀面壓脂 T2WI：TR/TR 2800 ms/50 ms；快速自旋回波序列矢狀位 T1WI：TR/TR 500 ms/17 ms；層間距0.4 mm，層厚4.0 mm。由2名未參與本研究具5年以上臨床經(jīng)驗(yàn)的影像學(xué)醫(yī)師對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷，意見(jiàn)不一致時(shí)由另一名具有高級(jí)職稱(chēng)的影像學(xué)醫(yī)師進(jìn)行仲裁，對(duì)患者骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織重癥、骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙狹窄、關(guān)節(jié)周?chē)撃[形成情況進(jìn)行評(píng)估。

4.模型建立：比較兩組患者各項(xiàng)指標(biāo)，以LASSO回歸篩選可能影響膝關(guān)節(jié)結(jié)核的因素，并進(jìn)行多因素logistic回歸，根據(jù)多因素分析結(jié)果建立列線圖模型，并以驗(yàn)證組對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

三、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

結(jié) 果

一、兩組患者一般資料、實(shí)驗(yàn)室檢查及MRI檢查結(jié)果的比較

兩組患者性別、年齡、IFN-γ釋放水平、LAM抗體、GeneXpert MTB/RIF、骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織腫脹、骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙狹窄、關(guān)節(jié)周?chē)撃[形成、局部肌肉萎縮差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均<0.05)，見(jiàn)表1。

表1 兩組患者一般資料、實(shí)驗(yàn)室檢查及MRI檢查結(jié)果的比較

續(xù)表1

二、膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷因素的篩選

圖1 LASSO回歸交叉驗(yàn)證結(jié)果

圖2 LASSO回歸系數(shù)路徑

三、膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷的多因素分析

將LASSO回歸篩選出的影響因素作為自變量，進(jìn)行多因素logistic回歸分析，結(jié)果顯示：隨著年齡的增加，發(fā)生膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)降低(P<0.05)；IFN-γ釋放水平增加、LAM抗體陽(yáng)性、GeneXpert MTB/RIF陽(yáng)性，以及發(fā)生骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織腫脹及關(guān)節(jié)周?chē)撃[形成，發(fā)生膝關(guān)節(jié)結(jié)核的風(fēng)險(xiǎn)增加(P值均<0.05)，見(jiàn)表2，3。

表2 影響膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷的多因素logistic回歸分析變量賦值表

表3 膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷的多因素分析

四、膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷列線圖模型的建立

根據(jù)多因素分析結(jié)果建立膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷列線圖模型，見(jiàn)圖3。

注 通過(guò)獲取患者模型中各項(xiàng)指標(biāo)值，相應(yīng)坐標(biāo)軸上分別向上作垂直線，與分值線段相交點(diǎn)則為該指標(biāo)的分?jǐn)?shù)，各指標(biāo)相加后獲得總分，再在總分坐標(biāo)軸上向下作垂直線，即獲得膝關(guān)節(jié)結(jié)核發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)概率值圖3 膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)列線圖模型

五、驗(yàn)證組一般資料、實(shí)驗(yàn)室檢查及MRI結(jié)果

72例驗(yàn)證組患者中，13例經(jīng)病理學(xué)確診為膝關(guān)節(jié)結(jié)核。驗(yàn)證組平均年齡為(47.27±16.08)歲，BMI指數(shù)為22.21±2.33，IFN-γ釋放水平為(187.09±83.71) pg/ml?；颊咭话阗Y料、實(shí)驗(yàn)室檢查及MRI結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 72例驗(yàn)證組患者一般資料、實(shí)驗(yàn)室檢查及MRI結(jié)果

六、列線圖模型的驗(yàn)證

根據(jù)驗(yàn)證組數(shù)據(jù)繪制ROC曲線，結(jié)果顯示：該列線圖模型預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)的曲線下面積(AUC)為0.927(95%CI：0.898～0.957)，見(jiàn)圖4；校準(zhǔn)曲線分析結(jié)果顯示，該列線圖模型預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)概率與實(shí)際概率基本吻合，見(jiàn)圖5。

圖4 受試者工作特征曲線圖

圖5 校準(zhǔn)曲線圖

七、列線圖模型臨床有效性分析

決策曲線分析結(jié)果顯示：當(dāng)列線圖模型預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)的概率閾值為0.15～0.90時(shí)，患者的凈收益率大于0，見(jiàn)圖6。

注 橫坐標(biāo)為高風(fēng)險(xiǎn)閾值，指當(dāng)模型概率閾值達(dá)到某個(gè)值時(shí)，患者的膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)概率(Pi)；當(dāng)Pi達(dá)到某個(gè)閾值(記為Pt)，就界定為陽(yáng)性，患膝關(guān)節(jié)結(jié)核的風(fēng)險(xiǎn)高。當(dāng)改變臨床決策后，即改變了膝關(guān)節(jié)結(jié)核與否之間的利弊平衡，縱坐標(biāo)即為利減去弊之后的凈獲益率。圖中存在All和None兩條線，代表兩種極端情況。None(橫線)指所有樣本均為陰性，凈獲益為0。All(斜線)指所有樣本均為陽(yáng)性。預(yù)測(cè)模型曲線與All和None的交叉點(diǎn)可使患者的經(jīng)獲益率大于0圖6 決策曲線圖

討 論

膝關(guān)節(jié)結(jié)核為關(guān)節(jié)結(jié)核的常見(jiàn)類(lèi)型，根據(jù)2020年版《關(guān)節(jié)結(jié)核與耐藥診斷專(zhuān)家共識(shí)》，將膝關(guān)節(jié)結(jié)核劃分為結(jié)核性滑膜炎、早期關(guān)節(jié)結(jié)核、晚期關(guān)節(jié)結(jié)核及毀損性關(guān)節(jié)結(jié)核4個(gè)階段，其中結(jié)核性滑膜炎為膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期表現(xiàn)，在此階段可采用全身給藥配合局部給藥或關(guān)節(jié)腔沖洗以達(dá)到滿意的療效，但若該病進(jìn)展為早期關(guān)節(jié)結(jié)核或復(fù)雜性滑膜結(jié)核時(shí)則需要采取手術(shù)治療才能獲得理想的治療效果[7-9]。由此可見(jiàn)，膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期診斷具有重要的意義。血液和關(guān)節(jié)腔液的實(shí)驗(yàn)室檢查及影像學(xué)檢查均為臨床常用的膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷方法，但實(shí)驗(yàn)室檢查陽(yáng)性檢出率低且耗時(shí)長(zhǎng)，影像學(xué)檢查則特異度有待提高，本研究旨在通過(guò)將目前常用的膝關(guān)節(jié)結(jié)核診斷指標(biāo)與患者臨床資料相結(jié)合，篩選出獨(dú)立影響因素，建立綜合多種指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型，以提高膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期診斷水平[10-11]。

與過(guò)去在單因素分析基礎(chǔ)上行多因素logistic分析不同，本研究在LASSO回歸篩選變量后行多因素logistic回歸，LASSO回歸是一種基于懲罰函數(shù)的模型，可有效壓縮回歸系數(shù)，保留子集收縮的優(yōu)點(diǎn)，與單因素logistic回歸分析相比，其能有效解決復(fù)共線性數(shù)據(jù)的有偏估計(jì)問(wèn)題[12-13]。本研究在LASSO回歸基礎(chǔ)上行多因素logistic回歸分析，結(jié)果顯示：隨著年齡的增加，發(fā)生膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)降低；IFN-γ釋放水平增加、LAM抗體陽(yáng)性、GeneXpert MTB/RIF陽(yáng)性，以及發(fā)生骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織腫脹及關(guān)節(jié)周?chē)撃[形成，發(fā)生膝關(guān)節(jié)結(jié)核的風(fēng)險(xiǎn)增加。

本研究中，觀察組年齡小于對(duì)照組，且年齡為膝關(guān)節(jié)結(jié)核發(fā)病的保護(hù)因素，流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，膝關(guān)節(jié)結(jié)核在30～39歲人群中高發(fā)，膝關(guān)節(jié)結(jié)核為傳染性疾病的一種，30～39歲人群為主要的社會(huì)勞動(dòng)力，此年齡段人群常因工作和學(xué)習(xí)等原因到外地生活，人口的流動(dòng)性較大，接觸人群復(fù)雜，更容易因感染MTB而出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)結(jié)核[14]。而除膝關(guān)節(jié)結(jié)核外，其他膝關(guān)節(jié)疾病多屬于退行性病變，患者多為中老年人群，兩種疾病高發(fā)年齡段差異較大，加上中老年人居住地變化少且接觸人群也較為簡(jiǎn)單，出現(xiàn)MTB感染風(fēng)險(xiǎn)更小[15]。

IFN-γ釋放水平、LAM抗體及GeneXpert MTB/RIF檢測(cè)均為近年膝關(guān)節(jié)結(jié)核診斷的實(shí)驗(yàn)室方法。本研究發(fā)現(xiàn)：上述3項(xiàng)指標(biāo)均為膝關(guān)節(jié)結(jié)核的影響因素，IGRA主要是根據(jù)患者感染MTB后可使T細(xì)胞被激活而與患者體內(nèi)的人早期分泌抗原靶蛋白6(ESAT-6)和培養(yǎng)濾液蛋白10(CEP-10)等抗原發(fā)生免疫反應(yīng)，釋放出IFN-γ，因此膝關(guān)節(jié)結(jié)核患者IFN-γ釋放水平高于對(duì)照組。LAM則為分枝桿菌多糖抗原的一種，其具有較強(qiáng)的免疫原性，是引起肺結(jié)核發(fā)病的重要因素[16]。膝關(guān)節(jié)結(jié)核為結(jié)核病的一種，LAM主要存在于MTB的細(xì)胞壁內(nèi)，在免疫逃逸中發(fā)揮著重要的作用，臨床上常用于活動(dòng)性結(jié)核病的診斷，本研究發(fā)現(xiàn)其也可用于膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期診斷，與相關(guān)研究結(jié)果一致[17]。GeneXpert MTB/RIF檢測(cè)是在PCR基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是一種主要針對(duì)MTB基因特征的檢測(cè)技術(shù)，該檢測(cè)操作簡(jiǎn)便、耗時(shí)短，可迅速檢測(cè)體內(nèi)MTB的存在。雖然上述實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法對(duì)于MTB感染均有較高的敏感度，但因在膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期，關(guān)節(jié)腔液處MTB含量較少導(dǎo)致LAM抗體、GeneXpert MTB/RIF出現(xiàn)了一定的假陰性，另外，對(duì)于部分處于MTB感染早期的患者，IFN-γ釋放水平仍未明顯升高，也可能導(dǎo)致臨床誤判的發(fā)生，因此需要結(jié)合其他手段，提高診斷效能[18]。

MRI因具有重復(fù)性高、軟組織分辨力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)為是滑膜成像的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)核性滑膜炎為膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期表現(xiàn)，MTB血行播散至膝關(guān)節(jié)，首先侵襲的是滑膜，可引起滑膜出現(xiàn)感染、腫脹、充血、液體滲出、纖維增生等改變，隨著病變的加重可逐步侵襲邊緣軟骨及軟骨下段骨質(zhì)[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織腫脹及關(guān)節(jié)周?chē)撃[均為膝關(guān)節(jié)結(jié)核的影響因素，Venetsanopoulou等[20]通過(guò)病理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)核性關(guān)節(jié)炎在肉芽組織血管翳破壞關(guān)節(jié)軟骨時(shí)多由軟骨邊緣開(kāi)始，直至軟骨完全剝落，使軟骨下骨暴露再破壞骨質(zhì)；而類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等非結(jié)核性關(guān)節(jié)炎的破壞特點(diǎn)是在滑膜邊緣形成血管翳后向關(guān)節(jié)軟骨擴(kuò)展并深入至軟骨面下，引起軟骨下骨質(zhì)破壞進(jìn)而引起關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的改變，可見(jiàn)不同的膝關(guān)節(jié)疾病均可對(duì)骨質(zhì)造成一定破壞，本研究中雖然單因素分析結(jié)果顯示兩組骨質(zhì)破壞差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但多因素分析未提示骨質(zhì)破壞為膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷因素，也印證了上述觀點(diǎn)。但從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，膝關(guān)節(jié)結(jié)核患者更易出現(xiàn)骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織腫脹及關(guān)節(jié)周?chē)撃[等改變，雖然上述影像學(xué)特征也存在于非結(jié)核性膝關(guān)節(jié)炎，特異度不高，但結(jié)合本研究模型中納入的IFN-γ釋放水平、LAM抗體檢測(cè)及GeneXpert MTB/RIF 等敏感度不高但特異度強(qiáng)的指標(biāo)，可起到相互輔助的作用，從而提高對(duì)早期膝關(guān)節(jié)結(jié)核的預(yù)測(cè)診斷效能。

本研究在多因素分析基礎(chǔ)上篩選出膝關(guān)節(jié)結(jié)核早期診斷影響因素，并以此建立列線圖模型，該模型既包括實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)，也囊括了影像學(xué)資料，還納入了發(fā)病年齡，使臨床信息更完善，有助于全面反映患者的機(jī)體狀況，結(jié)合影像學(xué)與實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)，有效彌補(bǔ)了因單一檢測(cè)手段篩查而出現(xiàn)的漏診問(wèn)題，并可根據(jù)模型計(jì)算出患者膝關(guān)節(jié)結(jié)核的患病風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于預(yù)測(cè)概率較高的患者建議采取穿刺病理的方法進(jìn)行確診，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)較低者可不用進(jìn)行病理檢查，在減輕患者醫(yī)療費(fèi)用負(fù)擔(dān)的同時(shí)還可避免因穿刺帶來(lái)的感染和疼痛等并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，隨著年齡的增加，發(fā)生膝關(guān)節(jié)結(jié)核風(fēng)險(xiǎn)降低；IFN-γ釋放水平增加、LAM抗體陽(yáng)性、GeneXpert MTB/RIF陽(yáng)性，以及發(fā)生骨髓水腫、半月板損傷、軟骨損傷、周?chē)M織腫脹及關(guān)節(jié)周?chē)撃[形成，發(fā)生膝關(guān)節(jié)結(jié)核的風(fēng)險(xiǎn)增加。根據(jù)上述因素建立的列線圖預(yù)測(cè)模型可用于膝關(guān)節(jié)結(jié)核的早期篩查，但需要注意的是本研究結(jié)果僅可用于輔助篩查，最終確診還需通過(guò)病理檢查明確診斷。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)蔡玉郭：研究設(shè)計(jì)和實(shí)施、數(shù)據(jù)采集、文章撰寫(xiě)；鄭永利和何敏：數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)文章知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱；蒲育：數(shù)據(jù)分析與解釋、對(duì)文章知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱