股骨头缺血性坏死的磁共振影像与骨小梁强度分析
作者：王刚 赵国库 张新 孙磊
单位：
关键词：股骨头坏死；磁共振成像；组织学，比较；骨小梁
中华医学杂志980623 【摘要】 目的 了解直接反映股骨头的机械强度并且可预测股骨头塌陷的骨小梁结构改变，在磁共振高低信号之间的差异。方法 采用全髋关节置换术后完整股骨头坏死标本，进行磁共振扫描，并按扫描线精确定位、连续切片、多平面取样，并将磁共振影像与病理切片完全重叠对应，对平均骨小梁宽度、平均骨小梁板间隙。进行骨组织计量学分析。结果 (1)低信号区平均骨小梁宽度明显低于高信号区。(2)低信号区骨小梁板间隙较高信号区离散程度大。结论 低信号区单位体积内骨量下降，机械强度低，提示低信号区较高信号区易发生骨折和塌陷。
Magnetic resonance imaging with multiplane histomorphometry in avascular necrosis of femoral head:analysis of trabeculae Wang Gang, Zhao Guoku, Zhang Xin, et al. Department of Orthopaedic Surgery, First Teaching Hospital, Norman Bethune University of Medical Sciences, Changchun 130021
, 百拇医药
【Abstract】 Objective To distinguish the differences of changes of bone trabecular structure between high and low signal area which could directly reflect the mechanical strength and estimate the risk of collapse in avascular necrosis of femoral head (ANFH). Methods After total hip replacement, the specimen of ANFH was scanned by MR imaging. Accurate localization，consecutive slicing, multiplane histomorphometry, correspondence of MR images with slices were used. Mean trabecular width (MTW μm) and mean trabecular space (MTS μm) were selected as observation indexes. Results MTW in the low signal area was lower than that in the high signal area. MTS in the low signal area was higher than that in the high signal area. The results indicated that the dispersive degree of bone trabeculae was higher in the low signal area. Conclusion Bone trabeculae in the low signal area necrosed and atrophied so that the bone volume and mechanical strength of trabeculae declined and bone trabeculae in the low signal area were liable to microfracture and collapse.
, 百拇医药
【Key words】 Femur head necrosis Magnetic resonance imaging Multiplane Histology, comparative Bone trabecula
(Natl Med J China, 1998, 78：467-469)
目前国内外对股骨头坏死的磁共振影像与病理学作了大量研究[1～4]，但多数还处于描述“镜下所见的”定性阶段。就取样方法而言，无论是单一平面随机取样还是髓芯活检取材，都只能取到三维结构的一部分，很难代表股骨头坏死的全貌。为此，作者将全髋关节置换术切除的股骨头坏死标本，进行精确定位、连续切片、多平面取样，把磁共振影像与病理切片完全重叠对应，并用图像分析仪进行了骨组织计量学分析。
对象与方法
一、对象
, http://www.100md.com
11例(13个髋关节)临床诊断非创伤性股骨头缺血性坏死，平均年龄56.3岁，均有大量饮酒或服用类固醇激素史，X线片示晚期股骨头坏死，核磁共振(MRI)诊断骨缺血坏死，行人工全髋关节置换术。
二、方法
1.将上述标本置于100×100×60 mm的容器中，用60%的石膏浆包埋，石膏凝固后立即行MRI扫描。
2.采用荷兰飞利浦公司生产的Gyroscan T5-Ⅱ型超导磁共振扫描机，场强为0.5T。SE(spin echo)序列T1加权相为TR/TE=500 ms/25 ms；T2加权相为TR/TE=1 800 ms/90 ms，层厚为4 mm，间隔0.4 mm，共9个层面，矩阵为235×256。
3.MRI测量股骨头标本距石膏边缘的距离以确定第一扫描线的位置。在石膏块上按MRI扫描方向每隔4.4 mm(4.0+0.4 mm)划平行线，每条线恰好落在MRI扫描层面之间。按照划线将包埋于石膏模中的股骨头标本切开，即制成与MRI扫描层面位置相一致的股骨头厚切片[5]。
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4.脱钙骨组织连续切片的制备及系统随机取样方法：股骨头厚切片经固定、脱钙、脱水、石蜡包埋，将与MRI扫描线一致的厚度为4 mm的组织用德国产的Polycut-S型切片机切成8 μm厚的组织切片。固定间隔72 μm取一张，共取32张。置于特制超大载玻片上，伊红苏木精染色。
5.组织切片上MRI信号范围的标定：将与切片相对应的MRI的T1及T2加权像拍摄黑白负片，置于放大机上，仔细调节使放大的影像与组织切片轮廓完全重叠。用4寸相纸感光后冲洗成为与组织切片大小一致的磁共振影像照片。将组织切片覆于MRI照片上使二者重叠对应，将照片中的MRI高低信号范围描记在组织切片上(附图)。
左侧为8μm厚的组织切片，右侧为MRI的T1加权相黑白照片，将组织切片覆于MRI照片上并使二者对应重叠，将照片中的MRI高低信号轮廓描记在组织切片上
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附图 组织切片上MRI信号范围的标定
6.显微镜下组织学观察及多平面连续骨组织计量：用CIAM汉化真彩色生物医学图像分析仪，分别对高信号区及低信号区内的骨组织进行观察和测量。测量指标：(1)平均骨小梁宽度(MTW)，单位μm。(2)平均骨小梁板间隙(MTS)，单位μm。
7.统计学处理：应用国际公认的SAS统计软件，进行配对t检验。
结果
1.磁共振成像结果：T1加权相可见股骨头变形，颈侧2/3呈高信号，轮廓不规则，花瓣样。头侧1/3为软骨下低信号区，呈楔形和不规则形。T1加权相和T2加权相的高、低信号区域无明显差别。
2.普通光镜观察结果：(1)高信号区：部分骨小梁形态、密度正常，部分骨小梁增厚，部分骨小梁变细。骨小梁板间距不等，差异较大。髓腔内中等量脂肪细胞，少量无定形坏死组织碎屑。(2)低信号区：部分骨小梁萎缩、部分骨小梁形态正常，还有部分骨小梁增厚。骨小梁板间隙差异较大。髓腔内大量无定形坏死组织碎屑，修复组织可见。
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但是平均骨小梁宽度和平均骨小梁板间隙无论在高信号区还是低信号区都有正常、偏高和偏低的表现，变异范围很大，传统镜下定性研究很难区分这两项指标在高信号区和低信号区之间的差别，很难对骨小梁的机械强度作出本质上的区分。因此，我们采用多平面骨组织计量学方法。
3.高信号区和低信号区的多平面连续骨组织计量学结果：(1)低信号区平均骨小梁宽度68.1±16.8 μm，高信号区为88±26.7 μm。低信号区的平均骨小梁宽度明显低于高信号区(P<0.01)，提示低信号区骨小梁坏死萎缩，单位体积内骨量下降。(2)低信号区平均骨小梁板间隙397.9±120.9 μm，高信号区为284.9±67.7 μm，经多平面连续骨组织计量、并配对t检验后显示显著性差异(P<0.01)，提示低信号区骨小梁之间离散程度大、机械强度低，低信号区较高信号区易发生骨折和塌陷。
讨论
按照磁共振扫描线将股骨头切开，得到与磁共振扫描层面位置完全一致的组织切片，增加了本实验的准确性。多平面取样，每隔72 μm取一张病理切片，可以最大限度地减小单纯随机取样带来的样本误差。Polycut-S型切片机切取股骨头的完整切片，用比例放大的方法将MRI影像放大为与病理切片轮廓一致的照片，使二者完全重叠对应，可以有效克服制片过程中组织收缩以及MRI摄片比例带来的误差，使组织切片与MRI信号精确对应。
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以往的定性研究是根据某一区域的优势组织定性确定该区域的组织学特征，对于处于临界状态的模棱两可的视野性质的判断因观察者不同而标准不一。本实验采用多平面骨组织计量学方法兼顾了不同空间分布的组织学信息，用来自不同的层次和平面的量化组织学参数，经过统计学处理，综合反映相对应磁共振影像的病理学特征。
平均骨小梁宽度和平均骨小梁板间隙无论在高信号区还是低信号区都有正常、增高和降低的表现，用传统的普通光镜观察很难区分高信号区和低信号区二者在病理特点方面本质上的差别。经多平面连续骨组织计量、配对t检验处理后显示二者有显著性差异。这一发现在以往的国内外同类研究中均未见有涉及。
本实验的临床意义在于可以推测磁共振影像的不同信号所代表的不同组织的机械强度和塌陷的危险性。平均骨小梁宽度和平均骨小梁板间隙这种形态学改变则是骨组织机械强度的敏感指标。组织计量学方法使形态结构的变化得以定量表达，因而使形态与机能间的准确关系能够通过各种数学方法阐明。通过此项研究可以从机能变化的角度更深层次地了解股骨头缺血性坏死的病理改变。
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参考文献
1 大圆健二，高冈邦夫.特发性大腿骨头坏死症のMRI诊断.整形*灾害外科，1989，32：789-797.
2 Jergesen HE, Lang P, Moseley ME, et al. Histologic correlation in magnetic resonance imaging of femoral head osteonecrosis. Clin Orthop, 1990, 253:150-163.
3 Lang P, Jergesen HE, Moseley ME, et al. Avascular necrosis of the femoral head: high-field-strength MR imaging with histologic correlation. Radiolgy, 1988, 169:517-524.
4 小久保宇，高取吉雄，鸭川盛秀，等.大腿骨头坏死症のMR画像——T1强调画像とT2强调画像との差异について.临床放射线，1990，35：83-88.
5 张新，孙磊，谷贵山，等.非创伤性股骨头坏死磁共振影像与病理组织对照分析.中国骨伤，1995，(增刊)：15-16.
(收稿：1997-06-13 修回：1998-02-09)
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关键词：股骨头坏死；磁共振成像；组织学，比较；骨小梁
中华医学杂志980623 【摘要】 目的 了解直接反映股骨头的机械强度并且可预测股骨头塌陷的骨小梁结构改变，在磁共振高低信号之间的差异。方法 采用全髋关节置换术后完整股骨头坏死标本，进行磁共振扫描，并按扫描线精确定位、连续切片、多平面取样，并将磁共振影像与病理切片完全重叠对应，对平均骨小梁宽度、平均骨小梁板间隙。进行骨组织计量学分析。结果 (1)低信号区平均骨小梁宽度明显低于高信号区。(2)低信号区骨小梁板间隙较高信号区离散程度大。结论 低信号区单位体积内骨量下降，机械强度低，提示低信号区较高信号区易发生骨折和塌陷。
Magnetic resonance imaging with multiplane histomorphometry in avascular necrosis of femoral head:analysis of trabeculae Wang Gang, Zhao Guoku, Zhang Xin, et al. Department of Orthopaedic Surgery, First Teaching Hospital, Norman Bethune University of Medical Sciences, Changchun 130021
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【Abstract】 Objective To distinguish the differences of changes of bone trabecular structure between high and low signal area which could directly reflect the mechanical strength and estimate the risk of collapse in avascular necrosis of femoral head (ANFH). Methods After total hip replacement, the specimen of ANFH was scanned by MR imaging. Accurate localization，consecutive slicing, multiplane histomorphometry, correspondence of MR images with slices were used. Mean trabecular width (MTW μm) and mean trabecular space (MTS μm) were selected as observation indexes. Results MTW in the low signal area was lower than that in the high signal area. MTS in the low signal area was higher than that in the high signal area. The results indicated that the dispersive degree of bone trabeculae was higher in the low signal area. Conclusion Bone trabeculae in the low signal area necrosed and atrophied so that the bone volume and mechanical strength of trabeculae declined and bone trabeculae in the low signal area were liable to microfracture and collapse.
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【Key words】 Femur head necrosis Magnetic resonance imaging Multiplane Histology, comparative Bone trabecula
(Natl Med J China, 1998, 78：467-469)
目前国内外对股骨头坏死的磁共振影像与病理学作了大量研究[1～4]，但多数还处于描述“镜下所见的”定性阶段。就取样方法而言，无论是单一平面随机取样还是髓芯活检取材，都只能取到三维结构的一部分，很难代表股骨头坏死的全貌。为此，作者将全髋关节置换术切除的股骨头坏死标本，进行精确定位、连续切片、多平面取样，把磁共振影像与病理切片完全重叠对应，并用图像分析仪进行了骨组织计量学分析。
对象与方法
一、对象
, http://www.100md.com
11例(13个髋关节)临床诊断非创伤性股骨头缺血性坏死，平均年龄56.3岁，均有大量饮酒或服用类固醇激素史，X线片示晚期股骨头坏死，核磁共振(MRI)诊断骨缺血坏死，行人工全髋关节置换术。
二、方法
1.将上述标本置于100×100×60 mm的容器中，用60%的石膏浆包埋，石膏凝固后立即行MRI扫描。
2.采用荷兰飞利浦公司生产的Gyroscan T5-Ⅱ型超导磁共振扫描机，场强为0.5T。SE(spin echo)序列T1加权相为TR/TE=500 ms/25 ms；T2加权相为TR/TE=1 800 ms/90 ms，层厚为4 mm，间隔0.4 mm，共9个层面，矩阵为235×256。
3.MRI测量股骨头标本距石膏边缘的距离以确定第一扫描线的位置。在石膏块上按MRI扫描方向每隔4.4 mm(4.0+0.4 mm)划平行线，每条线恰好落在MRI扫描层面之间。按照划线将包埋于石膏模中的股骨头标本切开，即制成与MRI扫描层面位置相一致的股骨头厚切片[5]。
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4.脱钙骨组织连续切片的制备及系统随机取样方法：股骨头厚切片经固定、脱钙、脱水、石蜡包埋，将与MRI扫描线一致的厚度为4 mm的组织用德国产的Polycut-S型切片机切成8 μm厚的组织切片。固定间隔72 μm取一张，共取32张。置于特制超大载玻片上，伊红苏木精染色。
5.组织切片上MRI信号范围的标定：将与切片相对应的MRI的T1及T2加权像拍摄黑白负片，置于放大机上，仔细调节使放大的影像与组织切片轮廓完全重叠。用4寸相纸感光后冲洗成为与组织切片大小一致的磁共振影像照片。将组织切片覆于MRI照片上使二者重叠对应，将照片中的MRI高低信号范围描记在组织切片上(附图)。
左侧为8μm厚的组织切片，右侧为MRI的T1加权相黑白照片，将组织切片覆于MRI照片上并使二者对应重叠，将照片中的MRI高低信号轮廓描记在组织切片上
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附图 组织切片上MRI信号范围的标定
6.显微镜下组织学观察及多平面连续骨组织计量：用CIAM汉化真彩色生物医学图像分析仪，分别对高信号区及低信号区内的骨组织进行观察和测量。测量指标：(1)平均骨小梁宽度(MTW)，单位μm。(2)平均骨小梁板间隙(MTS)，单位μm。
7.统计学处理：应用国际公认的SAS统计软件，进行配对t检验。
结果
1.磁共振成像结果：T1加权相可见股骨头变形，颈侧2/3呈高信号，轮廓不规则，花瓣样。头侧1/3为软骨下低信号区，呈楔形和不规则形。T1加权相和T2加权相的高、低信号区域无明显差别。
2.普通光镜观察结果：(1)高信号区：部分骨小梁形态、密度正常，部分骨小梁增厚，部分骨小梁变细。骨小梁板间距不等，差异较大。髓腔内中等量脂肪细胞，少量无定形坏死组织碎屑。(2)低信号区：部分骨小梁萎缩、部分骨小梁形态正常，还有部分骨小梁增厚。骨小梁板间隙差异较大。髓腔内大量无定形坏死组织碎屑，修复组织可见。
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但是平均骨小梁宽度和平均骨小梁板间隙无论在高信号区还是低信号区都有正常、偏高和偏低的表现，变异范围很大，传统镜下定性研究很难区分这两项指标在高信号区和低信号区之间的差别，很难对骨小梁的机械强度作出本质上的区分。因此，我们采用多平面骨组织计量学方法。
3.高信号区和低信号区的多平面连续骨组织计量学结果：(1)低信号区平均骨小梁宽度68.1±16.8 μm，高信号区为88±26.7 μm。低信号区的平均骨小梁宽度明显低于高信号区(P<0.01)，提示低信号区骨小梁坏死萎缩，单位体积内骨量下降。(2)低信号区平均骨小梁板间隙397.9±120.9 μm，高信号区为284.9±67.7 μm，经多平面连续骨组织计量、并配对t检验后显示显著性差异(P<0.01)，提示低信号区骨小梁之间离散程度大、机械强度低，低信号区较高信号区易发生骨折和塌陷。
讨论
按照磁共振扫描线将股骨头切开，得到与磁共振扫描层面位置完全一致的组织切片，增加了本实验的准确性。多平面取样，每隔72 μm取一张病理切片，可以最大限度地减小单纯随机取样带来的样本误差。Polycut-S型切片机切取股骨头的完整切片，用比例放大的方法将MRI影像放大为与病理切片轮廓一致的照片，使二者完全重叠对应，可以有效克服制片过程中组织收缩以及MRI摄片比例带来的误差，使组织切片与MRI信号精确对应。
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以往的定性研究是根据某一区域的优势组织定性确定该区域的组织学特征，对于处于临界状态的模棱两可的视野性质的判断因观察者不同而标准不一。本实验采用多平面骨组织计量学方法兼顾了不同空间分布的组织学信息，用来自不同的层次和平面的量化组织学参数，经过统计学处理，综合反映相对应磁共振影像的病理学特征。
平均骨小梁宽度和平均骨小梁板间隙无论在高信号区还是低信号区都有正常、增高和降低的表现，用传统的普通光镜观察很难区分高信号区和低信号区二者在病理特点方面本质上的差别。经多平面连续骨组织计量、配对t检验处理后显示二者有显著性差异。这一发现在以往的国内外同类研究中均未见有涉及。
本实验的临床意义在于可以推测磁共振影像的不同信号所代表的不同组织的机械强度和塌陷的危险性。平均骨小梁宽度和平均骨小梁板间隙这种形态学改变则是骨组织机械强度的敏感指标。组织计量学方法使形态结构的变化得以定量表达，因而使形态与机能间的准确关系能够通过各种数学方法阐明。通过此项研究可以从机能变化的角度更深层次地了解股骨头缺血性坏死的病理改变。
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参考文献
1 大圆健二，高冈邦夫.特发性大腿骨头坏死症のMRI诊断.整形*灾害外科，1989，32：789-797.
2 Jergesen HE, Lang P, Moseley ME, et al. Histologic correlation in magnetic resonance imaging of femoral head osteonecrosis. Clin Orthop, 1990, 253:150-163.
3 Lang P, Jergesen HE, Moseley ME, et al. Avascular necrosis of the femoral head: high-field-strength MR imaging with histologic correlation. Radiolgy, 1988, 169:517-524.
4 小久保宇，高取吉雄，鸭川盛秀，等.大腿骨头坏死症のMR画像——T1强调画像とT2强调画像との差异について.临床放射线，1990，35：83-88.
5 张新，孙磊，谷贵山，等.非创伤性股骨头坏死磁共振影像与病理组织对照分析.中国骨伤，1995，(增刊)：15-16.
(收稿：1997-06-13 修回：1998-02-09)
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