多种影像学技术评价脊椎结核病理机制的初步研究

多种影像学技术评价脊椎结核病理机制的初步研究

王云玲1， 牛桂华2， 王红1， 马景旭1， 贾文霄1

(1新疆医科大学第二附属医院影像中心， 乌鲁木齐830063；2新疆伊犁哈萨克自治州中医医院影像中心， 伊犁835000)

摘要:目的探讨兔腰椎结核动物模型的CT、MRI表现，为诊断腰椎结核提供影像学依据。方法健康新西兰白兔60只，通过腹部侧方入路手术方式将人型结核杆菌H37Rv标准菌株进行新西兰白兔腰椎种植，构建椎体结核动物模型，术后4、8 w时行CT及MRI检查，并对病变行组织病理学检查。结果成功建立新西兰白兔腰椎结核动物模型。应用MRI常规检查方法及DWI检查可以早期发现椎体是否感染结核；且在术后第4、8周时MRI诊断脊柱结核不同病变的敏感性高于CT；病理学HE染色检查显示实验组病变椎体、椎旁软组织内可见脓细胞、类上皮样细胞及坏死组织。结论在新西兰白兔腰椎椎体进行结核标准菌株的种植感染，通过病理学检查证实可以构建出脊柱结核动物模型；CT、MRI能够为疾病早期诊断提供影像学依据， 磁共振成像中弥散加权成像(DWI)序列更为敏感。

关键词：兔； 腰椎结核； CT 及MRI； 弥散加权成像

中图分类号：R445.2文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1009-5551.2015.07.018

[收稿日期：2015-02-20]

基金项目：省部共建国家重点实验室培育基地—新疆重大疾病医学重点实验室专项基金(SKLI-XJMDR-ZX-2014-1)

作者简介：付明刚( 1978-),男，在读博士，主治医师，研究方向：乳腺外科。

A preliminary study of CT and MRI evaluation on the pathological

mechanism of lumbar vertebra tuberculosis

WANG Yunling, NIU Guihua, WANG Hong, MA Jingxu, JIA Wenxiao

(1DepartmentofRadiology,TheSecondAffiliatedHospitalofXinjiangMedicalUniversity,

Urumqi830063,China;2DepartmentofRadiology,TraditionalChineseMedicineHospitalof

XinjiangHA-SaKeAutonomousRegion,YiLi835000,China)

Abstract:ObjectiveTo provide an animal model for basic research of bone tuberculosis. MethodsSixty healthy New Zealand rabbits were selected in this study. Firstly, animal models of spinal tuberculosis were made by operation, then they were examined with imaging and pathology methods at 4 weeks and 8 weeks respectively. ResultsThe spinal tuberculosis model was successfully established in rabbits. Application of conventional MRI method and DWI method can be detected at an early stage bone which is infected with tuberculosis; and after 4 week, 8 weeks, the sensitivity of MRI diagnosing spine tuberculosis is higher than that of CT. For the group with infections, pus, epithelioid cells or necrotic foci formation could be seen from vertebrae, paraspinal soft tissue sections according to the HE staining. ConclusionRabbit spinal tuberculosis disease model can be successfully established though planting standard strains of human type Mycobacterium tuberculosis H37Rv on healthy rabbits lumbar. CT, MRI can provide early diagnosis of spinal tuberculosis with some information, DWI in MRI scanning method is more sensitive to early diagnosis of spinal tuberculosis.

Key words: rabbits; spine tuberculosis; CT and MRI; DWI

结核杆菌可引起全身多个组织及部位感染，最常见的感染部位为肺部组织，在肺外结核中骨关节结核最为常见，骨关节结核治疗不及时可导致严重的椎体骨质破坏、椎体融合后突畸形和神经损害等并发症[1]。因其致残率较高，因此早期诊断尤为重要[2]。CT 在客观评价椎体附件骨骨质破坏、椎间盘狭窄、椎旁软组织脓肿形成等方面有一定优势[3]。而MRI由于对水、蛋白质、脂肪含量的变化高度敏感，因此在结核杆菌感染早期MRI图像就能有异常表现,为临床诊断提供依据[4]，磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)可以从分子水平定量的角度对疾病诊断提供一定信息。本研究旨在建立兔腰椎脊柱结核动物模型，应用不同影像学检查方法，探讨CT与MRI影像学技术在诊断早期脊柱结核中的应用价值。

1资料与方法

1.1实验动物选择健康新西兰大白兔60只，体质量2.5～4.0 kg，实验前所有动物拍摄脊柱X线正侧位片，脊柱结构异常不纳入实验研究。中国生物制品研究所提供的H37Rv结核分支杆菌标准毒力菌株。将60只新西兰白兔随机分为3组，实验组40只(腰椎椎体注入H37Rv结核分支杆菌标准毒力菌株悬浊液)，对照组15只(腰椎椎体注入生理盐水)，正常组5只(不作任何处理)。

1.2造模方法将H37Rv结核分枝杆菌标准毒力菌株在罗氏培养基进行扩增，2～3 w后用生理盐水配制成均匀的菌悬液(5.0 mg/mL)待用。将实验组兔进行麻醉，通过外科手术在腹侧面作纵行切口，进入腹腔于腰5椎体上部从上向下用骨钻缓慢钻孔，局部止血后填入明胶海绵，在明胶海绵上缓慢浸注5.0 mg/mL结核菌悬液0.2 mL。对照组：麻醉方法同实验组，局部浸注生理盐水0.2 mL。

1.3CT及MRI观察指标及扫描参数CT扫描后观察骨质、椎间隙及椎管脊髓、椎旁软组织冷脓肿等情况。CT扫描：80～120 kV，280 mA，Fov200，层厚及层间距均为1 mm。选择软组织窗,窗宽为400 HU，窗位为80 HU；选择骨窗,窗宽为1 500 HU，窗位为250 HU。扫描时间约10 s。

MRI检查使用Philips Gyroscan 1. 5T磁共振成像仪扫描检查，采用8通道正交头线圈进行固定，采用TFE序列进行定位，扫描全脊柱。DWI扫描参数为 ：TR 1 800～2 000 ms，TE70 ms，矩阵150×120，层厚2 mm，层间距1 mm，采集5层，扫描时间68 s。扫描结束后数据传送至后处理工作站，在病变显示最大层面及病灶的中心区域进行感兴趣区选定，由2名高年资医师分别采用盲法进行多次重复选定测量，计算应用表观扩散系数(ADC)，ADC=[(S低/S高)]/(b高-b低)(公式中S为信号强度，b值为弥散敏感系数)。对照组与正常组选择相应椎体按照同样方法进行测量。

1.4病理学检查造模后第8周实验组影像学检查结束后，处死实验动物取病变区域：椎体附件骨骨质及椎旁软组织病变，骨组织用10%中性甲醛溶液固定，软组织用10%中性福尔马林溶液固定，使用5%硝酸脱钙、丙酮脱水，常规石蜡包埋切片，切片厚度5 mm并行HE染色，显微镜下观察病变椎体附件骨及椎旁软组织内是否有结核杆菌感染。

2结果

2.1动物术后一般情况实验组麻醉死亡2只,药物注入椎管内出现双下肢瘫痪1只，此3只实验兔研究数据不纳入研究结果；对照组手术顺利；在同等条件下进行常规饲养，动物进食较好，一般情况良好。

2.2CT及MRI检查结果术后第4周CT显示,实验组兔腰5椎体边缘不规则骨质破坏区，椎间隙未见明显狭窄；术后第8周实验组兔腰6椎体及腰5椎体侧缘出现骨质破坏，较第4周时骨质破坏区明显增大(图1)。对照组第4、8周CT平扫示，除手术所钻骨孔外未见明显骨质破坏、椎间隙正常。术后第4周MRI显示，实验组兔腰5椎体边缘出现长T1WI及混杂T2WI异常信号，腰4～5、腰5～6椎间盘在T2WI上信号减低，b值为600时DWI序列可见腰5椎体呈稍高异常信号；第8周实验组兔腰5椎体出现明显骨质破坏，呈混杂长T1长T2异常信号，b值为600时DWI序列腰5椎体呈明显高信号，拟合出ADC图测量ADC值为1.51×10-3mm2/s(图2)。对照组兔腰椎椎体后方软组织T1WI显示为低信号，T2WI显示信号略增强，DWI呈稍高信号(考虑手术创伤引起)，椎体形态正常。第8周时腰椎椎体及椎间盘未见异常信号改变，椎间隙未见狭窄。正常组椎体随着b值的增加信号强度无明显改变。

2.3DWI序列ADC值的测量3组椎体ADC值差异有统计学意义(P<0.05)，术后第4、8周实验组椎体的ADC值高于对照组及正常组(表1)。

图1　术后第8周实验组腰椎CT矢状图像

(箭头所示相应层面椎间隙变窄)

图2　术后第8周兔腰椎的DWI扫描

组别例数第4周第8周实验组371.06±0.161.62±0.18对照组150.60±0.060.59±0.07正常组50.61±0.040.60±0.07

2.4MRI与CT诊断脊柱结核不同病变的敏感性比较实验组术后CT与MRI诊断结核椎体早期的骨质破坏和椎旁脓肿的敏感性差异有统计学意义(P<0.05)。MRI对硬膜与脊髓受压的诊断敏感性高于CT(P<0.05)，而CT对死骨与钙化的诊断敏感性高于MRI(P<0.05)(表2)。

表2实验组术后MRI与CT诊断脊柱结核不同病变的敏感性比较/只(%)

2.5组织病理学检测实验组42只新西兰白兔中37只病变椎体周缘软组织内可见炎细胞浸润；骨组织和病变椎体周缘软组织内可见肉芽肿形成及干酪样坏死物质。骨小梁排列紊乱、断裂，局部可见大量淋巴细胞和纤维细胞浸润。病变组织病理切片HE染色阳性，可见棒状革兰氏阴性杆菌及脓细胞、类上皮样细胞或坏死灶等形成(图3)。对照组骨组织内未见异常。

图3　实验组造模后第8周骨组织抗酸染色

3讨论

3.1脊柱结核的发病机制肺部结核、慢性腹膜透析、营养不良、糖尿病和以前确诊的结核感染被认为是结核性脊柱炎的危险因素，最新研究显示遗传易感性也成为脊柱结核的发病原因之一[5-6]。脊柱结核的发病被认为是结核分枝杆菌通过血液传播到椎体松质骨静脉或动脉血管引起，中央型脊柱结核多由椎体静脉传播所致，而有学者认为连续或不连续的多个椎体感染是通过椎静脉系统扩散所致[2]。脊柱结核发病多由边缘开始，逐渐蔓延到椎体中央部分。年轻的脊柱结核患者由于椎间盘血供丰富，早期会出现椎间隙的变窄，而老年患者椎间隙狭窄则出现较晚。脊柱结核典型表现为椎体骨质破坏、椎间隙变窄，后期会出现明显畸形，截瘫是脊柱结核的最严重的并发症，给患者及家庭带来沉重的社会经济负担。

3.2CT对脊柱结核的早期评价的应用价值部分脊柱结核患者早期无明显消瘦、乏力及盗汗等结核中毒症状，因此诊断比较困难。传统的影像学检查方法如X线、CT等可清晰显示椎体结核引起的明显骨质破坏、椎间隙狭窄、椎旁脓肿等，但是在结核杆菌感染早期未出现明显形态学改变前进行诊断较为困难，通过影像学技术早期准确地诊断脊柱结核一直是众多学者关注的热点问题[7]。

典型的脊柱结核 CT表现一般为椎体骨质呈虫蚀样、班片状破坏，边界模糊或者清楚，可有硬化、死骨形成，死骨常为小砂粒，骨质破坏区内多发坏死形成是脊柱结核特征性改变[8]。本研究结果显示术后第4周兔腰6椎体已出现轻度骨质密度减低区，提示存在骨质破坏，第8周腰6椎体及腰5椎体侧方出现骨质破坏，并较第4周时骨质破坏区增大，研究证实在感染结核杆菌第4周左右，CT检查可以发现不同程度的骨质破坏，进一步说明CT在脊柱结核早期显示细微椎体骨质破坏方面具有明显优势，可以显示X线平片难以发现的轻度的骨质破坏。

3.3MRI对于脊柱结核的早期评价的应用价值通过实验组术后CT与MRI诊断脊柱结核的敏感性比较发现，MRI在脊柱结核的早期时，发现骨质破坏、椎旁脓肿及脊柱结核对硬膜与脊髓受压的诊断敏感性高于CT(P<0.05)。

目前研究主要是通过对DWI信号高低的观察及ADC值测量对疾病进行分析诊断。进行DWI成像时信号的衰减值受物质的ADC值和弥散敏感系数值(b值)2个因素的影响[9-10]，DWI信号衰减程度与梯度因子b值有关，b值越大，对扩散的敏感性越高，所测得的ADC值越准确，但是b值过大，容易导致图像扭曲变形和SNR减低，反而会影响病灶ADC值的测量,因此在DWI成像时选择最为适当的b值尤为重要。本研究发现当选择b=600 s/mm2时图像清晰度较高、伪影较少，测得病变椎体及病变组织的ADC值也较为稳定。目前报道的b值范围多为500～2 000 s/mm2，当b值<400 s/mm2时，随着b值的降低，图像逐渐偏向于T2像，图像信噪比增高，所得图像较为清晰，但其对水分子的运动检测的敏感性降低。另一方面组织的血液循环、血管灌注等运动在很大程度上影响其组织信号的衰减程度，只有取b值>500 s/mm2时，这种由组织血流运动引起的对DWI图像的影响才能消除[11]。本研究选择b=600 s/mm2进行成像，并对不同组织的ADC值进行测量，结果证实实验组病变椎体、椎旁软组织与对照组及正常组ADC值差别较大，且差别有统计学意义。

本研究结果显示，在结核杆菌侵入骨质后第4周即可引起不同程度的骨质破坏，且随着感染时间的延长骨质破坏逐渐加重， CT 在显示脊柱结核早期骨质破坏方面具有重要价值，而MRI在显示病变范围、椎间盘破坏的程度、椎旁脓肿方面都具有明显的优势，从而可以间接反映结核感染的程度及活动状况。此外，MRI-DWI成像技术可以定量测定病变椎体水分子的扩散程度，为诊断脊柱结核提供可靠的量化信息。

综上所述，MRI与CT影像学检查技术在脊柱结核的早期诊断中可以优势互补，提高检查的敏感度，在脊柱结核的早期诊断中具有重要的临床应用前景。

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(本文编辑杨晨晨)

通信作者：郭丽英，女，教授，主任医师，博士生导师，研究方向：乳腺外科，E-mail: 2315365607@qq.com。