多種影像學技術評價脊椎結核病理機制的初步研究

多種影像學技術評價脊椎結核病理機制的初步研究

王云玲1， 牛桂華2， 王紅1， 馬景旭1， 賈文霄1

(1新疆醫科大學第二附屬醫院影像中心， 烏魯木齊830063；2新疆伊犁哈薩克自治州中醫醫院影像中心， 伊犁835000)

摘要:目的探討兔腰椎結核動物模型的CT、MRI表現，為診斷腰椎結核提供影像學依據。方法健康新西蘭白兔60只，通過腹部側方入路手術方式將人型結核桿菌H37Rv標準菌株進行新西蘭白兔腰椎種植，構建椎體結核動物模型，術后4、8 w時行CT及MRI檢查，并對病變行組織病理學檢查。結果成功建立新西蘭白兔腰椎結核動物模型。應用MRI常規檢查方法及DWI檢查可以早期發現椎體是否感染結核；且在術后第4、8周時MRI診斷脊柱結核不同病變的敏感性高于CT；病理學HE染色檢查顯示實驗組病變椎體、椎旁軟組織內可見膿細胞、類上皮樣細胞及壞死組織。結論在新西蘭白兔腰椎椎體進行結核標準菌株的種植感染，通過病理學檢查證實可以構建出脊柱結核動物模型；CT、MRI能夠為疾病早期診斷提供影像學依據， 磁共振成像中彌散加權成像(DWI)序列更為敏感。

關鍵詞：兔； 腰椎結核； CT 及MRI； 彌散加權成像

中圖分類號：R445.2文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1009-5551.2015.07.018

[收稿日期：2015-02-20]

基金項目：省部共建國家重點實驗室培育基地—新疆重大疾病醫學重點實驗室專項基金(SKLI-XJMDR-ZX-2014-1)

作者簡介：付明剛( 1978-),男，在讀博士，主治醫師，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

結核桿菌可引起全身多個組織及部位感染，最常見的感染部位為肺部組織，在肺外結核中骨關節結核最為常見，骨關節結核治療不及時可導致嚴重的椎體骨質破壞、椎體融合后突畸形和神經損害等并發癥[1]。因其致殘率較高，因此早期診斷尤為重要[2]。CT 在客觀評價椎體附件骨骨質破壞、椎間盤狹窄、椎旁軟組織膿腫形成等方面有一定優勢[3]。而MRI由于對水、蛋白質、脂肪含量的變化高度敏感，因此在結核桿菌感染早期MRI圖像就能有異常表現,為臨床診斷提供依據[4]，磁共振擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)可以從分子水平定量的角度對疾病診斷提供一定信息。本研究旨在建立兔腰椎脊柱結核動物模型，應用不同影像學檢查方法，探討CT與MRI影像學技術在診斷早期脊柱結核中的應用價值。

1資料與方法

1.1實驗動物選擇健康新西蘭大白兔60只，體質量2.5～4.0 kg，實驗前所有動物拍攝脊柱X線正側位片，脊柱結構異常不納入實驗研究。中國生物制品研究所提供的H37Rv結核分支桿菌標準毒力菌株。將60只新西蘭白兔隨機分為3組，實驗組40只(腰椎椎體注入H37Rv結核分支桿菌標準毒力菌株懸濁液)，對照組15只(腰椎椎體注入生理鹽水)，正常組5只(不作任何處理)。

1.2造模方法將H37Rv結核分枝桿菌標準毒力菌株在羅氏培養基進行擴增，2～3 w后用生理鹽水配制成均勻的菌懸液(5.0 mg/mL)待用。將實驗組兔進行麻醉，通過外科手術在腹側面作縱行切口，進入腹腔于腰5椎體上部從上向下用骨鉆緩慢鉆孔，局部止血后填入明膠海綿，在明膠海綿上緩慢浸注5.0 mg/mL結核菌懸液0.2 mL。對照組：麻醉方法同實驗組，局部浸注生理鹽水0.2 mL。

1.3CT及MRI觀察指標及掃描參數CT掃描后觀察骨質、椎間隙及椎管脊髓、椎旁軟組織冷膿腫等情況。CT掃描：80～120 kV，280 mA，Fov200，層厚及層間距均為1 mm。選擇軟組織窗,窗寬為400 HU，窗位為80 HU；選擇骨窗,窗寬為1 500 HU，窗位為250 HU。掃描時間約10 s。

MRI檢查使用Philips Gyroscan 1. 5T磁共振成像儀掃描檢查，采用8通道正交頭線圈進行固定，采用TFE序列進行定位，掃描全脊柱。DWI掃描參數為 ：TR 1 800～2 000 ms，TE70 ms，矩陣150×120，層厚2 mm，層間距1 mm，采集5層，掃描時間68 s。掃描結束后數據傳送至后處理工作站，在病變顯示最大層面及病灶的中心區域進行感興趣區選定，由2名高年資醫師分別采用盲法進行多次重復選定測量，計算應用表觀擴散系數(ADC)，ADC=[(S低/S高)]/(b高-b低)(公式中S為信號強度，b值為彌散敏感系數)。對照組與正常組選擇相應椎體按照同樣方法進行測量。

1.4病理學檢查造模后第8周實驗組影像學檢查結束后，處死實驗動物取病變區域：椎體附件骨骨質及椎旁軟組織病變，骨組織用10%中性甲醛溶液固定，軟組織用10%中性福爾馬林溶液固定，使用5%硝酸脫鈣、丙酮脫水，常規石蠟包埋切片，切片厚度5 mm并行HE染色，顯微鏡下觀察病變椎體附件骨及椎旁軟組織內是否有結核桿菌感染。

2結果

2.1動物術后一般情況實驗組麻醉死亡2只,藥物注入椎管內出現雙下肢癱瘓1只，此3只實驗兔研究數據不納入研究結果；對照組手術順利；在同等條件下進行常規飼養，動物進食較好，一般情況良好。

2.2CT及MRI檢查結果術后第4周CT顯示,實驗組兔腰5椎體邊緣不規則骨質破壞區，椎間隙未見明顯狹窄；術后第8周實驗組兔腰6椎體及腰5椎體側緣出現骨質破壞，較第4周時骨質破壞區明顯增大(圖1)。對照組第4、8周CT平掃示，除手術所鉆骨孔外未見明顯骨質破壞、椎間隙正常。術后第4周MRI顯示，實驗組兔腰5椎體邊緣出現長T1WI及混雜T2WI異常信號，腰4～5、腰5～6椎間盤在T2WI上信號減低，b值為600時DWI序列可見腰5椎體呈稍高異常信號；第8周實驗組兔腰5椎體出現明顯骨質破壞，呈混雜長T1長T2異常信號，b值為600時DWI序列腰5椎體呈明顯高信號，擬合出ADC圖測量ADC值為1.51×10-3mm2/s(圖2)。對照組兔腰椎椎體后方軟組織T1WI顯示為低信號，T2WI顯示信號略增強，DWI呈稍高信號(考慮手術創傷引起)，椎體形態正常。第8周時腰椎椎體及椎間盤未見異常信號改變，椎間隙未見狹窄。正常組椎體隨著b值的增加信號強度無明顯改變。

2.3DWI序列ADC值的測量3組椎體ADC值差異有統計學意義(P<0.05)，術后第4、8周實驗組椎體的ADC值高于對照組及正常組(表1)。

圖1　術后第8周實驗組腰椎CT矢狀圖像

(箭頭所示相應層面椎間隙變窄)

圖2　術后第8周兔腰椎的DWI掃描

組別例數第4周第8周實驗組371.06±0.161.62±0.18對照組150.60±0.060.59±0.07正常組50.61±0.040.60±0.07

2.4MRI與CT診斷脊柱結核不同病變的敏感性比較實驗組術后CT與MRI診斷結核椎體早期的骨質破壞和椎旁膿腫的敏感性差異有統計學意義(P<0.05)。MRI對硬膜與脊髓受壓的診斷敏感性高于CT(P<0.05)，而CT對死骨與鈣化的診斷敏感性高于MRI(P<0.05)(表2)。

表2實驗組術后MRI與CT診斷脊柱結核不同病變的敏感性比較/只(%)

2.5組織病理學檢測實驗組42只新西蘭白兔中37只病變椎體周緣軟組織內可見炎細胞浸潤；骨組織和病變椎體周緣軟組織內可見肉芽腫形成及干酪樣壞死物質。骨小梁排列紊亂、斷裂，局部可見大量淋巴細胞和纖維細胞浸潤。病變組織病理切片HE染色陽性，可見棒狀革蘭氏陰性桿菌及膿細胞、類上皮樣細胞或壞死灶等形成(圖3)。對照組骨組織內未見異常。

圖3　實驗組造模后第8周骨組織抗酸染色

3討論

3.1脊柱結核的發病機制肺部結核、慢性腹膜透析、營養不良、糖尿病和以前確診的結核感染被認為是結核性脊柱炎的危險因素，最新研究顯示遺傳易感性也成為脊柱結核的發病原因之一[5-6]。脊柱結核的發病被認為是結核分枝桿菌通過血液傳播到椎體松質骨靜脈或動脈血管引起，中央型脊柱結核多由椎體靜脈傳播所致，而有學者認為連續或不連續的多個椎體感染是通過椎靜脈系統擴散所致[2]。脊柱結核發病多由邊緣開始，逐漸蔓延到椎體中央部分。年輕的脊柱結核患者由于椎間盤血供豐富，早期會出現椎間隙的變窄，而老年患者椎間隙狹窄則出現較晚。脊柱結核典型表現為椎體骨質破壞、椎間隙變窄，后期會出現明顯畸形，截癱是脊柱結核的最嚴重的并發癥，給患者及家庭帶來沉重的社會經濟負擔。

3.2CT對脊柱結核的早期評價的應用價值部分脊柱結核患者早期無明顯消瘦、乏力及盜汗等結核中毒癥狀，因此診斷比較困難。傳統的影像學檢查方法如X線、CT等可清晰顯示椎體結核引起的明顯骨質破壞、椎間隙狹窄、椎旁膿腫等，但是在結核桿菌感染早期未出現明顯形態學改變前進行診斷較為困難，通過影像學技術早期準確地診斷脊柱結核一直是眾多學者關注的熱點問題[7]。

典型的脊柱結核 CT表現一般為椎體骨質呈蟲蝕樣、班片狀破壞，邊界模糊或者清楚，可有硬化、死骨形成，死骨常為小砂粒，骨質破壞區內多發壞死形成是脊柱結核特征性改變[8]。本研究結果顯示術后第4周兔腰6椎體已出現輕度骨質密度減低區，提示存在骨質破壞，第8周腰6椎體及腰5椎體側方出現骨質破壞，并較第4周時骨質破壞區增大，研究證實在感染結核桿菌第4周左右，CT檢查可以發現不同程度的骨質破壞，進一步說明CT在脊柱結核早期顯示細微椎體骨質破壞方面具有明顯優勢，可以顯示X線平片難以發現的輕度的骨質破壞。

3.3MRI對于脊柱結核的早期評價的應用價值通過實驗組術后CT與MRI診斷脊柱結核的敏感性比較發現，MRI在脊柱結核的早期時，發現骨質破壞、椎旁膿腫及脊柱結核對硬膜與脊髓受壓的診斷敏感性高于CT(P<0.05)。

目前研究主要是通過對DWI信號高低的觀察及ADC值測量對疾病進行分析診斷。進行DWI成像時信號的衰減值受物質的ADC值和彌散敏感系數值(b值)2個因素的影響[9-10]，DWI信號衰減程度與梯度因子b值有關，b值越大，對擴散的敏感性越高，所測得的ADC值越準確，但是b值過大，容易導致圖像扭曲變形和SNR減低，反而會影響病灶ADC值的測量,因此在DWI成像時選擇最為適當的b值尤為重要。本研究發現當選擇b=600 s/mm2時圖像清晰度較高、偽影較少，測得病變椎體及病變組織的ADC值也較為穩定。目前報道的b值范圍多為500～2 000 s/mm2，當b值<400 s/mm2時，隨著b值的降低，圖像逐漸偏向于T2像，圖像信噪比增高，所得圖像較為清晰，但其對水分子的運動檢測的敏感性降低。另一方面組織的血液循環、血管灌注等運動在很大程度上影響其組織信號的衰減程度，只有取b值>500 s/mm2時，這種由組織血流運動引起的對DWI圖像的影響才能消除[11]。本研究選擇b=600 s/mm2進行成像，并對不同組織的ADC值進行測量，結果證實實驗組病變椎體、椎旁軟組織與對照組及正常組ADC值差別較大，且差別有統計學意義。

本研究結果顯示，在結核桿菌侵入骨質后第4周即可引起不同程度的骨質破壞，且隨著感染時間的延長骨質破壞逐漸加重， CT 在顯示脊柱結核早期骨質破壞方面具有重要價值，而MRI在顯示病變范圍、椎間盤破壞的程度、椎旁膿腫方面都具有明顯的優勢，從而可以間接反映結核感染的程度及活動狀況。此外，MRI-DWI成像技術可以定量測定病變椎體水分子的擴散程度，為診斷脊柱結核提供可靠的量化信息。

綜上所述，MRI與CT影像學檢查技術在脊柱結核的早期診斷中可以優勢互補，提高檢查的敏感度，在脊柱結核的早期診斷中具有重要的臨床應用前景。

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(本文編輯楊晨晨)

通信作者：郭麗英，女，教授，主任醫師，博士生導師，研究方向：乳腺外科，E-mail: 2315365607@qq.com。