基于LASSO回归的膝关节结核早期诊断模型的构建及验证

蔡玉郭 郑永利 何敏 蒲育

结核病为常见感染性疾病，随着疾病的进展，结核感染部位不再仅局限于肺部，骨关节也成为结核感染的常见部位。据统计，肺外结核中有11%～15%为骨关节结核，其中膝关节结核较为常见[1-3]。因膝关节结核早期症状隐匿，容易被忽视，随着病情的进展可引起膝关节畸形、关节活动障碍等并发症，严重者可导致残疾[4]。因此，对膝关节结核进行早期诊断具有重要意义，病理检查仍为膝关节结核诊断的标准，但病理取样过程具有一定创伤性，不适用于早期筛查。γ-干扰素释放试验(IGRA)、脂阿拉伯甘露聚糖(LAM)抗体检测、关节腔液GeneXpert MTB/RIF检测、MRI检查等均被证实可用于膝关节结核的早期诊断[5-6]。本研究旨在通过多因素分析的方法筛选出膝关节结核早期诊断的影响因素，并以此建立列线图预测模型，为膝关节结核早期诊断提供新的思路。

资料和方法

一、研究对象

选择2019年1月至2022年1月成都市公共卫生临床医疗中心收治的136例膝关节结核患者，作为病例组，选择同期就诊的136例非结核性膝关节病变患者作为对照组进行建模。纳入标准：(1)病例组患者经关节穿刺检查证实为膝关节结核；(2)对照组经膝关节穿刺检查排除膝关节结核；(3)单侧患病；(4)年龄在18岁以上；(5)神志清醒，无沟通障碍；(6)患者已获知情同意。排除标准：(1)合并其他血液疾病；(2)有膝关节手术史；(3)有膝关节严重创伤史；(4)拟分析的相关资料不全。另选择2022年2—10月就诊的72例疑似膝关节结核患者作为验证组，其中13例经病理学确诊为膝关节结核。

二、研究方法

1.一般资料收集：收集患者性别、年龄、体质量指数(BMI)。

2.实验室检查：(1)患者入院时取空腹外周静脉血6 ml，其中3 ml置于含抗凝剂试管中，抽血后4 h内行IGRA检查，以酶联免疫吸附双抗夹心法检测γ-干扰素(IFN-γ)水平，试剂盒购于江苏博深生物科技有限公司，由专业人员严格按试剂盒说明书操作。(2)另外3 ml血液样本以3000 r/min，离心半径15 cm，离心15 min后取血清，以蛋白芯片法检测LAM表达情况，试剂盒购于武汉赛培生物科技有限公司，由专业人员按试剂盒操作说明书进行检测，当加入二抗后出现紫红色斑点则判定为阳性，无紫红色斑点则判定为阴性。(3)关节腔液GeneXpert MTB/RIF检查步骤为，入院时取患者关节腔液1 ml，加入2 ml标本处理液后在室温下孵育10 min，轻度振摇10 s后通过室温孵育5 min，取混合液2 ml至GeneXpert MTB/RIF平台专用标本盒，以4通道GeneXpert MTB/RIF平台(美国赛沛公司)进行结核分枝杆菌(MTB)检测。

3.MRI：采用荷兰飞利浦公司生产的Multiva 1.5T磁共振成像系统，以膝关节专用线圈进行检查。扫描程序：快速自旋回波序列横轴位压脂 T2WI：射频重复时间/回波时间(TR/TE)2485 ms/60 ms；T冠状面压脂 T2WI：TR/TR 2800 ms/50 ms；快速自旋回波序列矢状位 T1WI：TR/TR 500 ms/17 ms；层间距0.4 mm，层厚4.0 mm。由2名未参与本研究具5年以上临床经验的影像学医师对结果进行判断，意见不一致时由另一名具有高级职称的影像学医师进行仲裁，对患者骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织重症、骨质破坏、关节间隙狭窄、关节周围脓肿形成情况进行评估。

4.模型建立：比较两组患者各项指标，以LASSO回归筛选可能影响膝关节结核的因素，并进行多因素logistic回归，根据多因素分析结果建立列线图模型，并以验证组对模型进行验证。

三、统计学处理

结 果

一、两组患者一般资料、实验室检查及MRI检查结果的比较

两组患者性别、年龄、IFN-γ释放水平、LAM抗体、GeneXpert MTB/RIF、骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织肿胀、骨质破坏、关节间隙狭窄、关节周围脓肿形成、局部肌肉萎缩差异均有统计学意义(P值均<0.05)，见表1。

表1 两组患者一般资料、实验室检查及MRI检查结果的比较

续表1

二、膝关节结核早期诊断因素的筛选

图1 LASSO回归交叉验证结果

图2 LASSO回归系数路径

三、膝关节结核早期诊断的多因素分析

将LASSO回归筛选出的影响因素作为自变量，进行多因素logistic回归分析，结果显示：随着年龄的增加，发生膝关节结核风险降低(P<0.05)；IFN-γ释放水平增加、LAM抗体阳性、GeneXpert MTB/RIF阳性，以及发生骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织肿胀及关节周围脓肿形成，发生膝关节结核的风险增加(P值均<0.05)，见表2，3。

表2 影响膝关节结核早期诊断的多因素logistic回归分析变量赋值表

表3 膝关节结核早期诊断的多因素分析

四、膝关节结核早期诊断列线图模型的建立

根据多因素分析结果建立膝关节结核早期诊断列线图模型，见图3。

注 通过获取患者模型中各项指标值，相应坐标轴上分别向上作垂直线，与分值线段相交点则为该指标的分数，各指标相加后获得总分，再在总分坐标轴上向下作垂直线，即获得膝关节结核发生风险概率值图3 膝关节结核风险预测列线图模型

五、验证组一般资料、实验室检查及MRI结果

72例验证组患者中，13例经病理学确诊为膝关节结核。验证组平均年龄为(47.27±16.08)岁，BMI指数为22.21±2.33，IFN-γ释放水平为(187.09±83.71) pg/ml。患者一般资料、实验室检查及MRI结果见表4。

表4 72例验证组患者一般资料、实验室检查及MRI结果

六、列线图模型的验证

根据验证组数据绘制ROC曲线，结果显示：该列线图模型预测膝关节结核风险的曲线下面积(AUC)为0.927(95%CI：0.898～0.957)，见图4；校准曲线分析结果显示，该列线图模型预测膝关节结核风险概率与实际概率基本吻合，见图5。

图4 受试者工作特征曲线图

图5 校准曲线图

七、列线图模型临床有效性分析

决策曲线分析结果显示：当列线图模型预测膝关节结核风险的概率阈值为0.15～0.90时，患者的净收益率大于0，见图6。

注 横坐标为高风险阈值，指当模型概率阈值达到某个值时，患者的膝关节结核风险概率(Pi)；当Pi达到某个阈值(记为Pt)，就界定为阳性，患膝关节结核的风险高。当改变临床决策后，即改变了膝关节结核与否之间的利弊平衡，纵坐标即为利减去弊之后的净获益率。图中存在All和None两条线，代表两种极端情况。None(横线)指所有样本均为阴性，净获益为0。All(斜线)指所有样本均为阳性。预测模型曲线与All和None的交叉点可使患者的经获益率大于0图6 决策曲线图

讨 论

膝关节结核为关节结核的常见类型，根据2020年版《关节结核与耐药诊断专家共识》，将膝关节结核划分为结核性滑膜炎、早期关节结核、晚期关节结核及毁损性关节结核4个阶段，其中结核性滑膜炎为膝关节结核的早期表现，在此阶段可采用全身给药配合局部给药或关节腔冲洗以达到满意的疗效，但若该病进展为早期关节结核或复杂性滑膜结核时则需要采取手术治疗才能获得理想的治疗效果[7-9]。由此可见，膝关节结核的早期诊断具有重要的意义。血液和关节腔液的实验室检查及影像学检查均为临床常用的膝关节结核早期诊断方法，但实验室检查阳性检出率低且耗时长，影像学检查则特异度有待提高，本研究旨在通过将目前常用的膝关节结核诊断指标与患者临床资料相结合，筛选出独立影响因素，建立综合多种指标的预测模型，以提高膝关节结核的早期诊断水平[10-11]。

与过去在单因素分析基础上行多因素logistic分析不同，本研究在LASSO回归筛选变量后行多因素logistic回归，LASSO回归是一种基于惩罚函数的模型，可有效压缩回归系数，保留子集收缩的优点，与单因素logistic回归分析相比，其能有效解决复共线性数据的有偏估计问题[12-13]。本研究在LASSO回归基础上行多因素logistic回归分析，结果显示：随着年龄的增加，发生膝关节结核风险降低；IFN-γ释放水平增加、LAM抗体阳性、GeneXpert MTB/RIF阳性，以及发生骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织肿胀及关节周围脓肿形成，发生膝关节结核的风险增加。

本研究中，观察组年龄小于对照组，且年龄为膝关节结核发病的保护因素，流行病学数据显示，膝关节结核在30～39岁人群中高发，膝关节结核为传染性疾病的一种，30～39岁人群为主要的社会劳动力，此年龄段人群常因工作和学习等原因到外地生活，人口的流动性较大，接触人群复杂，更容易因感染MTB而出现膝关节结核[14]。而除膝关节结核外，其他膝关节疾病多属于退行性病变，患者多为中老年人群，两种疾病高发年龄段差异较大，加上中老年人居住地变化少且接触人群也较为简单，出现MTB感染风险更小[15]。

IFN-γ释放水平、LAM抗体及GeneXpert MTB/RIF检测均为近年膝关节结核诊断的实验室方法。本研究发现：上述3项指标均为膝关节结核的影响因素，IGRA主要是根据患者感染MTB后可使T细胞被激活而与患者体内的人早期分泌抗原靶蛋白6(ESAT-6)和培养滤液蛋白10(CEP-10)等抗原发生免疫反应，释放出IFN-γ，因此膝关节结核患者IFN-γ释放水平高于对照组。LAM则为分枝杆菌多糖抗原的一种，其具有较强的免疫原性，是引起肺结核发病的重要因素[16]。膝关节结核为结核病的一种，LAM主要存在于MTB的细胞壁内，在免疫逃逸中发挥着重要的作用，临床上常用于活动性结核病的诊断，本研究发现其也可用于膝关节结核的早期诊断，与相关研究结果一致[17]。GeneXpert MTB/RIF检测是在PCR基础上发展而来的，是一种主要针对MTB基因特征的检测技术，该检测操作简便、耗时短，可迅速检测体内MTB的存在。虽然上述实验室检测方法对于MTB感染均有较高的敏感度，但因在膝关节结核早期，关节腔液处MTB含量较少导致LAM抗体、GeneXpert MTB/RIF出现了一定的假阴性，另外，对于部分处于MTB感染早期的患者，IFN-γ释放水平仍未明显升高，也可能导致临床误判的发生，因此需要结合其他手段，提高诊断效能[18]。

MRI因具有重复性高、软组织分辨力强等优势而被认为是滑膜成像的标准。结核性滑膜炎为膝关节结核的早期表现，MTB血行播散至膝关节，首先侵袭的是滑膜，可引起滑膜出现感染、肿胀、充血、液体渗出、纤维增生等改变，随着病变的加重可逐步侵袭边缘软骨及软骨下段骨质[19]。本研究发现，骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织肿胀及关节周围脓肿均为膝关节结核的影响因素，Venetsanopoulou等[20]通过病理学研究发现，结核性关节炎在肉芽组织血管翳破坏关节软骨时多由软骨边缘开始，直至软骨完全剥落，使软骨下骨暴露再破坏骨质；而类风湿性关节炎等非结核性关节炎的破坏特点是在滑膜边缘形成血管翳后向关节软骨扩展并深入至软骨面下，引起软骨下骨质破坏进而引起关节结构的改变，可见不同的膝关节疾病均可对骨质造成一定破坏，本研究中虽然单因素分析结果显示两组骨质破坏差异有统计学意义，但多因素分析未提示骨质破坏为膝关节结核早期诊断因素，也印证了上述观点。但从统计数据来看，膝关节结核患者更易出现骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织肿胀及关节周围脓肿等改变，虽然上述影像学特征也存在于非结核性膝关节炎，特异度不高，但结合本研究模型中纳入的IFN-γ释放水平、LAM抗体检测及GeneXpert MTB/RIF 等敏感度不高但特异度强的指标，可起到相互辅助的作用，从而提高对早期膝关节结核的预测诊断效能。

本研究在多因素分析基础上筛选出膝关节结核早期诊断影响因素，并以此建立列线图模型，该模型既包括实验室指标，也囊括了影像学资料，还纳入了发病年龄，使临床信息更完善，有助于全面反映患者的机体状况，结合影像学与实验室指标，有效弥补了因单一检测手段筛查而出现的漏诊问题，并可根据模型计算出患者膝关节结核的患病风险。对于预测概率较高的患者建议采取穿刺病理的方法进行确诊，对于风险较低者可不用进行病理检查，在减轻患者医疗费用负担的同时还可避免因穿刺带来的感染和疼痛等并发症的风险。

综上所述，随着年龄的增加，发生膝关节结核风险降低；IFN-γ释放水平增加、LAM抗体阳性、GeneXpert MTB/RIF阳性，以及发生骨髓水肿、半月板损伤、软骨损伤、周围组织肿胀及关节周围脓肿形成，发生膝关节结核的风险增加。根据上述因素建立的列线图预测模型可用于膝关节结核的早期筛查，但需要注意的是本研究结果仅可用于辅助筛查，最终确诊还需通过病理检查明确诊断。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献蔡玉郭：研究设计和实施、数据采集、文章撰写；郑永利和何敏：数据收集、统计分析、对文章知识性内容作批评性审阅；蒲育：数据分析与解释、对文章知识性内容作批评性审阅