超早期ONFH股骨头微环境变化的CT与MR定量研究*

杨璐希，黄 雨，刘中财，喻钧伦，李 卓，王 竹，郑永基，杨 茹，胡富碧，

1.成都医学院第一附属医院 放射科(成都 610500)；2.汉源县中医医院 骨科(雅安 625400)；3.德阳市人民医院 放射科(德阳 618400)

股骨头缺血坏死(osteonecrosis of the femoral head，ONFH)是股骨头软骨下骨血供减少，导致骨细胞凋亡及软骨下骨塌陷，继发髋关节骨关节炎的病理生理过程，糖皮质激素可降低骨重塑能力，损害骨陷凹-微管系统，是诱发ONFH最多见的因素[1]。MRI是诊断ONFH较敏感的技术，但常规扫描无法检出超早期ONFH。由于ONFH被检出后已难以逆转病程，因此，其超早期的病理变化及诊断研究备受关注。为此，本研究开展了MR横向弛豫技术联合Micro-CT动态观察超早期ONFH的实验研究，以期发现其股骨头微环境变化的规律，为超早期ONFH的影像学诊断奠定基础。

1 材料与方法

1.1 实验动物

新西兰大白兔45只，雌雄不拘，体质量(2.30±0.31)kg，单笼饲养，随机分为空白对照组15只、实验组30只。实验组随机分为造模5、7、9、11、13 d共5个观察组，每组6只，与对照组(每次3只)共同观察。造模技术为激素联合脂多糖改良方法[2]。

1.2 MRI检查

致死剂量深度麻醉后仰卧位四肢固定于兔固定板，运用Siemens Avanto 1.5T MR成像仪，8通道体部相控矩阵线圈中心置于两侧髋关节连线的中点进行扫描。扫描序列：T1WI、T2WI、T2-FLAIR、T2mapping及T2*mapping。其中，T2mapping和T2*mapping序列的扫描参数分别为：TR 2000 ms，TE 20、40、60、80 ms，ST 3.5mm，SS 0 mm，FOV 160×160，NEX 2和TR 900 ms，TE 4.77、13.03、21.29、29.55、37.81、44.65、51.49 ms，ST 3.5 mm，SS 0.7 mm，FOV 160×160，NEX 2。不同定量技术均于同一部位进行测量，感兴趣区(ROI)大小为：4 mm2。

1.3 Micro-CT检查

MRI扫描结束后，行对照组及实验组死亡兔股骨上段取出后的Micro-CT扫描，参数为：70 Kpv，功率50 w、1 mA，每转动0.72°采集一幅图，大视野，行二维与三维重建。冠状面定位后以自带软件测量股骨头ROI的BMD(骨密度)、Tb.N(骨小梁数目)、Tb.Th(骨小梁平均厚度)、Tb.SP(骨小梁分离度)。

1.4 组织学检查

10%甲醛液固定股骨头、脱钙、脱水、透明、浸蜡、包埋、冠状位切片、贴片、脱蜡、染色、封片后，由两名高年资病理诊断医师盲法阅片，取4个高倍视野计算平均空骨陷窝率。

1.5 统计学方法

2 结果

2.1 兔生存情况

实验组造模5～13 d组兔各死亡1、2、2、2只，合计死亡7只。兔死亡前拒饮食，部分拉稀便，精神萎靡，俯卧。纳入23只存活兔，与对照组双侧共同观测。

2.2 MR测量

各组兔股骨头光整，T1WI、T2WI未见信号异常。实验组兔第5天测量时，T2值、T2*值即低于对照组，但随着造模时间延长而逐步增高，至第13天时仍低于对照组(表1)。

表1 实验组与对照组股骨头T2值、T2*值的动态变化

组别T2*髋数9d11d13d5d7d9d11d13d实验组65.3±8.169.7±5.474.3±3.41210888对照组82.2±4.577.6±6.279.5±5.266666

t检验结果显示，第5、7、9、11和13天时实验组与对照组T2值、T2*值的组间差异均具有统计学意义(P<0.05)。

2.3 Micro-CT测量

各组、各期兔股骨头形态完整，肉眼观察图像骨小梁结构无明显差异。测量结果显示，实验组Tb.SP、Tb.N随造模时间延长逐渐增高，BMD、Tb.Th则逐渐减低，对照组的测量值基本稳定(表2)。为验证T2值、T2*值、BMD、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp的稳定性，随机选取5只兔重复测量10次，计算出其变异系数(CV)，分别为2.54%、1.75%、1.02%、0.89%、0.75%、1.04%。

表2 实验组与对照组股骨头Micro-CT测量值的动态变化

组别Tb.NTb.Th9d11d13d5d7d9d实验组1.11±0.251.16±0.211.20±0.200.97±0.160.92±0.180.78±0.17对照组0.92±0.180.89±0.190.86±0.191.02±0.141.11±0.251.03±0.25

组别Tb.ThTb.Sp11d13d5d7d9d11d13d实验组0.75±0.190.68±0.160.08±0.030.10±0.040.11±0.040.12±0.040.16±0.03对照组1.00±0.201.05±0.170.12±0.020.14±0.040.15±0.030.15±0.040.14±0.03

t检验结果显示，实验组兔股骨头BMD、Tb.Th自造模第7天及之后与对照组的差异有统计学意义(P<0.05)，Tb.N、Tb.Th值均自造模第9天差异具有统计学意义(P<0.05)，Tb.Sp自造模第5天差异具有统计学意义(P<0.05)。

2.4 相关性分析

行实验组23只46髋CT、MR各时间点测量值的相关性分析，发现Micro-CT各参数中Tb.Sp与T2值、T2*值多呈正相关关系；Tb.Th与T2值、T2*值则多呈负相关关系(表3)。

表3 实验组Micro-CT各参数与T2值、T2*值动态变化的相关性

注：*P<0.05

2.5 组织学观察

所有股骨头色泽、形态、软硬度均无明显异常。实验组第7天空骨陷窝率高于对照组，第13天其空骨陷窝率均>40%，骨小梁变细或中断、骨髓内脂肪细胞增多、体积增大，髓腔内出血等病理改变随时间延长而逐渐加重(图1～2)。

图1 实验组第7天组织学观察(HE染色，×10)注：股骨头、小梁内骨陷窝部分细胞核边集，出现空骨陷窝

图2 实验组第13天组织学观察(HE染色，×10)注：股骨头、小梁内细胞核边集增多，空骨陷窝增多

3 讨论

超早期ONFH是致病因素(外伤、激素、酒精等)侵入至股骨头发生Ⅰ期变化的间隔期，该期CT、MRI常规检查表现均为阴性[3]，因此，该期的临床诊断很难，相关的影像学研究也鲜有报道。本实验运用CT与MRI定量分析技术动态观测兔股骨头缺血坏死超早期模型，主要目的是缩短ONFH影像诊断的时间窗。

Micro-CT可敏感反映骨质结构的变化，具有较高的特异性，其中BMD变化可解释骨生物力学性能70%的变化，综合其他参数可解释90%的变化[4]。本研究发现，随着造模时间延长，BMD、Tb.Th呈逐渐降低的趋势，Tb.Sp、Tb.N呈逐渐增高的趋势。从时间窗来看，Tb.Sp变化最早呈现出统计学意义(第5天)，BMD和Tb.Th则次之(第7天)，而Tb.N的变化发生最晚(第9天)。上述参数值的变化较好地解释了ONFH超早期骨质结构各成分相互关联、互相制约的变化状况，呈现出骨质结构削弱为主导，骨小梁应力逐渐减低的病理变化规律，但此改变与骨质疏松病理变化一致，并非ONFH特有。

MR成像原理与CT不同，其测量所得的T2值和T2*值是组织的固有特性。本实验测量显示的股骨头T2值和T2*值降低改变与潘振宇等[5]研究结果一致，也同样呈现出了先降低后逐渐恢复的变化趋势，但其观测时间为2～8周(间隔1周)，不同于本实验5～13 d(间隔1 d)的观测时间点。该结果意味着T2值和T2*值降低而后升高的趋势或许是ONFH发病进程中的基本表现，当诱因不同时(如是否使用内毒素)，其变化出现的时间和变化程度会有所不同。

超早期ONFH的T2值与T2*值改变无疑是骨及骨髓细微变化的综合体现，结合Micro-CT的测量结果，从相关指标参数的变化时间窗分析，可确定该期的骨髓病理变化较骨的病理变化发生更早、更活跃。众所周知，常规MRI诊断ONFH的时间窗早于普通CT，但常规MRI也无法发现超早期ONFH。陈昆涛等[6]通过单纯激素建模兔的MRI研究发现，STIR扫描能较早发现股骨头斑点状高信号改变，其时间窗为2周，晚于本实验的5 d。虽然本实验采用的建模技术与之不同，但STIR序列反映的是ONFH骨质疏松或水肿表现，而T2值与T2*值反映的则是先于骨成分的骨髓变化情况，尽管该期骨髓变化与之相关的细节尚不知晓，但从理

论和实验依据来看，T2值与T2*值测量无疑可先于STIR等MR技术预测ONFH的发生。

已有的临床研究证实[7]，大剂量激素治疗3周内即可能出现股骨头坏死早期症状，但该期及之前的常规检查都难以发现影像学阳性征象。本实验所用Micro-CT技术仅能用于实验，无法用于临床，而T2值与T2*值临床测量技术则已很成熟，且近几年已初步应用于骨髓的研究中[8-10]，从本实验的测量结果来看，T2值与T2*值测量可更早探及股骨头区域组织变化，预测超早期ONFH的敏感性更高。当ONFH高危患者股骨头T2值与T2*值降低时，即使其动态观察呈现恢复趋势，都预示着ONFH可能会发生。

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