MRI评价氟骨症患者骨髓增生的研究

张永利陈克敏邓廉夫徐海峰齐 进潘自来陆 勇黄 蔚

MRI评价氟骨症患者骨髓增生的研究

张永利1陈克敏2邓廉夫2徐海峰3齐 进2潘自来2陆 勇2黄 蔚2

目的：基于椎体MRI信号强度评价氟骨症患者的骨髓增生。方法：基于回顾分析109例氟骨症患者的脊柱MRI和36例椎板骨组织形态计量学参数，评价MRI诊断氟骨症患者骨髓增生的敏感度。结果：36例椎板骨组织的平均造血细胞容积占骨髓组织78.3%，为骨髓增生活跃（诊断标准：造血细胞占骨髓组织41%～60%为骨髓增生正常，61%～80%为增生活跃，81%～100%为增生极度活跃）。依椎体信号强度分组发现，11例T1WI为低信号患者的平均骨髓造血细胞为骨髓增生极度活跃（92.3%）；15例等信号的平均骨髓造血细胞为骨髓增生活跃（79.4%）；10例高信号的平均骨髓造血细胞为骨髓增生活跃（61.1%）。依椎体T1WI诊断氟骨症患者骨髓增生的敏感度为100%，特异度为60%。结论：MRI可无创性评价氟骨症患者的骨髓增生，但最终诊断仍需结合骨髓的细胞学检查。

氟骨症；磁共振成像；组织形态计量学；骨髓

氟骨症是因长期过量摄入氟化物所引起的一种全身性代谢性骨病，全球均有发病，中国是发病率较高的国家。氟骨症的X线表现及其病理基础已有许多报道［1-2］。近年MRI研究发现氟骨症患者椎体的T1WI和T2WI均可为低信号，原因可能与骨髓造血细胞或脂肪细胞数量改变有关。本文通过分析氟骨症患者椎体MRI的信号强度与椎板骨组织形态计量参数的相关性，旨在证明MRI可无创性评价氟骨症患者的骨髓增生。

方 法

1.临床资料

自2001年12月至2013年9月搜集109例氟骨症脊柱MRI（男性57例，女性52例；年龄33～72岁，平均51±9岁），其中因椎管狭窄行全椎板切除术获椎板组织样本36例（男16例，女20例；年龄34～68岁，平均年龄51±7岁）。该109例均来地方性氟中毒流行地区，饮用水氟含量3～15mg/L（正常＜1mg/L）。所有患者均摄取脊柱X线平片，并符合以下诊断标准：①居住在地方性氟中毒流行区20年以上；②有氟斑牙， 标明牙齿氟中毒；③尿氟＞1.5ml/L（正常＜1.5ml/L）；④体检有典型氟骨症症状和发现；⑤通过回顾病史和实验室检查除外其他代谢性骨病、血液病、外伤及服用刺激骨髓药物史；⑥MRI检查前60d均无参加强体力劳动或耐力运动史。

2.MRI图像分组

对所有109例患者依椎体T1WI和STIR序列的信号强度分为低、等、高信号组。T1WI高信号定义为椎体信号高于脊髓；等信号定义为椎体信号等或略低于脊髓，但高于脑脊液；低信号定义为椎体信号等或略高于脑脊液。STIR低信号定义为椎体信号低于脊髓；等信号定义为椎体信号等或略高于脊髓；高信号定义为椎体信号等或略低于脑脊液。两名放射医师独立分组，结果经一致性检验差异无统计学意义（κ=1.628，P=0.152）。

3.椎体骨髓信号强度的标准化

依据Rozman等［3］描述的椎体骨髓信号强度标准化方法，在HP ADW4.4工作站上取10mm×10mm正方形感兴趣区（ROI）置胸椎椎体中部，取4mm×15mm矩形ROI置于相应脊髓作为内对照。确认脊髓在T1WI和STIR序列皆无异常信号，分别测量椎体和脊髓信号强度。用椎体信号强度除以脊髓信号强度。两名放射学医师测量每例5个椎体，取平均值。

4.椎板骨组织形态计量分析

在自动光学显微镜下用马赛克拼接法采集100倍放大病理图像。用Image-Pro Plus 6.0病理图像处理软件（Media Cybernetics， Warrendale， PA U.S.）。手动选择骨髓组织，自动选择脂肪细胞（filter range=10，包括脂肪颗粒），用彩色模块填充脂肪细胞并测量面积，用彩色模块填充骨髓组织并测量面积。造血细胞面积等于骨髓组织面积减去脂肪细胞面积。每例取3张病理切片，切片间隔4mm，每张切片取10个不含骨皮质的骨松质马赛克图像，每个马赛克图像取1～3个测量区。由放射学和病理学医师各1名采集数据，取平均值。

依据美国骨矿研究学会公布的组织形态计量学方法用面积代表容积［4］，以百分比表示。骨髓造血细胞容积（HV/MV， %）等于造血细胞容积（HV）除以骨髓组织容积（MV）；脂肪细胞容积（AV/MV， %）等于脂肪细胞容积（AV）除以骨髓组织容积（MV）。其中HV代表造血细胞容积，AV代表脂肪细胞容积，MV代表骨髓组织容积。

5.骨髓增生的诊断标准

用骨髓造血细胞与脂肪细胞比率诊断骨髓增生的方法［5］。HV/MV占骨髓组织的20%以下为骨髓增生极度低下，21%～40%为增生低下，41%～60%为增生正常，61%～80%增生活跃；81%～100%增生极度活跃。AV/MV参考质子磁共振波普（MRS）测量的椎体脂肪含量：健康成年男性50%±8.7%，女性59.2%±10.0%［6-7］。

6.统计学处理

所有计量资料均以平均数±标准差表示。两组间的计量资料比较用两样本t检验，与正常参考值的计量资料比较用单样本t检验。多组间的计量资料比较用方差分析，并选择Tukey法行两两比较。椎体信号强度与椎板骨组织形态计量参数相关性的分析用Pearson相关性检验，以确切概率法表示。用2×2列联表法计算T1WI诊断骨髓增生的敏感度、特异度。用2×2交叉列表法计算椎体T1WI低对等和高信号诊断骨髓增生极度活跃的优势比，结果以比值比（OR），95%可信区间（95%， CI）表示。设低和等信号为骨髓增生，赋值为1，否赋值为2获受试者工作特征曲线。用SPSS 20.0 for Windows（SPSS，Chicago， IL， U.S.）统计学软件，检验水准α值取双侧 0.05。

结 果

1.椎体信号强度

所有氟骨症109例患者中发现椎体T1WI为低信号25例（22.9%，25/109），等和高信号分别为50例（45.9%，50/109）和34例（31.2%，34/109）。STIR序列显示椎体为低信号92例（84.4%），等信号17例（15.6%）。对36例有椎板组织样本患者的椎体信号强度分析发现，椎体T1WI为低信号11例（30.6%，11/36），等和高信号分别为15例（41.7%，15/36）和10例（27.8%，10/36）；STIR序列显示椎体低信号31例（86.1%，31/36），等信号5例（13.9，5/36）。对该36例椎体骨髓信号强度标准化发现，椎体T1WI低信号组的平均值最低（0.39±0.14），高信号组最高（1.26±0.23），等信号组为中间值（0.71±0.10）；STIR序列低信号组的平均值（0.35±0.09）低于等信号组（0.50±0.04）。方差分析显示T1WI低、等、高信号三组之间信号强度的差异有统计学意义（F=107.890， P＜0.001），Tukey法两两比较显示差异均有统计学意义（P＜0.001）。两样本 t检验显示STIR低和等信号两组之间信号强度差异有统计学意义（t=5.740，P＜0.001），提示依椎体信号强度分组与椎体骨髓信号强度标准化的定量结果呈高度一致。

2.椎板骨髓组织病理及其骨髓增生

表1　椎体信号强度与椎板骨髓HV/MV的对照

图1　氟骨症，41岁女性，骨髓增生极度活跃。 A.颈椎T1WI示椎体为低信号，C2～C4水平后纵韧带骨化。 B.病理切片示骨髓造血细胞明显增加（双尾黑箭），脂肪细胞明显减少（长黑箭头），局灶性骨髓纤维化（短黑箭），骨髓间质积液（曲黑箭）和粗大、扭曲骨小梁（黑星号）。H&E染色，×100。

椎板骨髓的一般病理表现为骨髓造血细胞增多，脂肪细胞减少，偶见骨髓间质积液和局灶性骨髓纤维化。对36例椎板骨组织形态计量分析发现，HV/MV从骨髓增生正常至骨髓增生极度活跃（42.4%～97.4%），平均为骨髓增生活跃（78.3%）。Pearson相关性检验显示椎板骨髓HV/ MV与椎体T1WI信号强度呈负相关（r=-0.945，P＜0.001），但与STIR信号强度无相关性（r=-0.262， P=0.123），提示基于椎体信号强度评价氟骨症患者的骨髓增生T1WI优于STIR序列。椎板骨髓的AV/MV从明显减少至正常（3.6%～57.6%），平均明显减少（21.7%），与正常参考值比较差异有统计学意义（P＜0.001）。因本研究是评价MRI诊断氟骨症患者的骨髓增生，因此对AV/MV减少及其临床意义未作进一步分析。

图2　氟骨症，57岁男性，骨髓增生活跃。A.颈椎T1WI示椎体为等信号，C2～T3水平后纵韧带骨化。B.病理切片示骨髓造血细胞增加（短黑箭），脂肪细胞减少（长黑箭），局灶性骨髓纤维化（双尾黑箭）和粗大、扭曲骨小梁（黑五星）。H&E染色，×100。

图3　氟骨症，49岁男性，骨髓增生正常。A.胸椎T1WI示椎体为高信号强度，T1、T2、T4、T6、T8水平黄韧带骨化。B. 病理切片示骨髓造血细胞（短黑箭）和脂肪细胞（长黑箭）基本正常，AV/MV（36.6%），骨小梁稀疏（双尾黑箭）。H&E染色，×100。

3.椎体信号强度与骨髓增生的比较

对36例椎板骨的HV/MV与椎体T1WI信号强度比较发现，11例椎体低信号者的HV/MV皆为骨髓增生极度活跃（范围88.8%～97.4%；平均92.3%）（图1）；15例等信号的HV/MV从骨髓增生活跃至骨髓增生极度活跃，其中5例为骨髓增生极度活跃（82.4%～88.8%），10例为骨髓增生活跃（71.2%～80.1%），平均为骨髓增生活跃（79.9%）（图2）；10例高信号的HV/MV从骨髓增生正常至骨髓增生活跃，其中6例骨髓增生正常（42.4%～60.2%），4例增生活跃（64.0%～71.9%），平均接近骨髓增生正常（61.1%）（图3）。方差分析显示T1WI低、等、高信号三组之间的HV/MV差异有统计学意义（F=66.849， P＜0.001），Tukey法两两比较显示差异均有统计学意义（P＜0.001）。Pearson相关性检验显示T1WI低、等、高信号组的信号强度均与HV/MV呈负相关（表1）。依椎体T1WI低和等信号诊断骨髓增生的敏感度为100%，特异度60%。T1WI低信号诊断骨髓增生极度活跃的优势比是等和高信号的5.0倍（OR=5.0， 95% CI ：2.283～10.951，P＜0.001）。T1WI诊断骨髓增生的受试者工作特征曲线下面积为0.982。

讨 论

1.椎体与椎板的骨髓组织成分

椎体及其附件、胸骨、髂骨、颅骨均为红骨髓终生保留部位，Bennike通过对髂骨翼、棘突和胸骨的活检证明三个部位的骨髓细胞学构成和诊断标准相同［9］。本研究发现椎体T1WI信号强度与椎板骨髓造血细胞呈负相关，而且相关系数（-0.95）接近于Rozman等［3］的髂骨翼骨髓造血细胞与椎体信号强度相关性的分析结果（-0.93），因此用椎板骨髓组织细胞百分比代替椎体可用于此项研究中。红骨髓的主要3种成分中，造血细胞约占60%，脂肪细胞约占40%，而网状内皮细胞及纤维框架等基质组织占极少比率（0.2%左右），计量时大都忽略不计。本研究将网状内皮细胞等基质组织其计入HV/MV主要基于：①目前的病理图像处理软件不能自动识别H&E染色的网状内皮细胞等基质组织；②从HV/MV减去0.2%不影响对骨髓增生的判定结果。

2.MRI诊断氟骨症患者骨髓增生敏感度

本研究发现依椎体T1WI信号强度诊断氟骨症患者骨髓增生（含骨髓增生活跃和极度活跃）的敏感度达100%，依椎体低信号强度诊断骨髓增生极度活跃的优势比是等和高信号的5.0倍，受试者工作特征曲线下面积大0.982，提示MRI是评价氟骨症患者骨髓增生的有效方法。诊断特异度较低（60%）的原因是部分病例HV/MV增加或AV/MV减少程度不足以使椎体T1WI信号强度减低至等或低信号。质子MRS可直接测定椎体骨髓水和脂肪组织含量，以脂肪信号代表AV/MV，水信号代表HV/MV，通过对水与脂肪比率的分析或可提高诊断特异度。然而，无论MRI或MRS对骨髓增生的诊断皆为间接性评估，最终诊断仍需结合骨髓的髓细胞与红细胞、成熟红细胞与幼稚红细胞比率等细胞学检查指标。

椎体T1WI信号减低并不为氟骨症所特有，如弥漫性骨硬化、恶性骨髓增生性疾病、骨硬化病（石骨症）和溶血性贫血等均可有相同表现［8］，但结合流行病学史及尿中氟含量测定氟骨症多不难诊断。

3.对氟骨症患者血液系统损伤的研究

目前，关于对氟骨症患者血液系统研究大都限于对外周血参数的定量分析。Mythili研究发现氟骨症患者有50%的病例出现血红蛋白减少，认为氟骨症可引起低血色素性贫血。本研究对椎板骨髓造血细胞定量分析发现，氟骨症有78.9%（30/36）患者的造血细胞容积高于骨髓增生正常值，明显高于外周血的血红蛋白减少的比率，原因可能是部分病例的外周血血色素减少通过骨髓反应性增生调节至正常，但确切原因还需深入研究。

本研究的限度是未设椎板骨组织病理对照组，但引用的参考标准是经许多研究证实，而且也是目前临床常用的骨髓增生诊断标准，因此应不影响本研究结果的可靠性。

总之，虽然研究发现氟骨症患者的HV/MV大都高于骨髓增生正常值，而且依MRI信号强度可无创性判定骨髓增生，但氟骨症患者的HV/MV增加为生理性或病理性，是否与骨重建的发生有关还需分子生物学的研究证实。

［ 1 ］Junchao X， Yunzhao W， Daimin X， et al. X-ray findings and pathologic base of fluorosis. Chinese Medical Journal， 1987， 100: 8～18.

［ 2 ］Wang YZ， Yin YM， Gilula LA， et al. Endemic fluorosis of the skeleton: radiographic features in 127 patients. AJR，1994， 162: 93 -98.

［ 3 ］Rozman M， Mercader JM， Aguilar JL， et al. Estimation of bone marrow cellularity by means of vertebral magnetic resonance. Haematologica，1997， 82: 166-170.

［ 4 ］Dempster DW， Compston JE， Drezner MK， et al. Standardized nomenclature， symbols， and units for bone histomorphometry: a 2012 update of the report of the ASBMR histomorphometry nomenclature committee. J Bone Miner Res，2013， 28: 1-16.

［ 5 ］陈文杰， 陈辉树. 造血系统疾病临床病理学. 北京：北京医科大学中国协和医科大学联合出版社， 1997: 354.

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Evaluation of Bone Marrow Hyperplasia by MRI in Patients with Osteofluorosis

ZHANG Yong-li1， CHEN Ke-min2， DENG Lian-fu2， XU Hai-feng3，PAN Zi-lai2， QI Jin2， LU Yong2， HUANG Wei2

【Abstract】Purpose： To evaluate bone marrow hyperplasia in patients with osteofluorosis according to the vertebrae MRI signal intensity. Methods： Spinal MRI of 109 patients with osteofluorosis， and histomorphometrical parameters of the vertebra lamina in 36 patients of them were analyzed retrospectively. The sensitivity in diagnosis of bone marrow hyperplasia with MRI was assessed. Results： In 36 patients with lamina species， histomorphometry revealed that their mean hemopoietic cell volume accounted for 78.3% of bone marrow tissues， which was in accordance with active myeloproliferation （diagnostic standard: normal hemopoietic cell volume is 41%～60%， active myeloproliferation， 61%～80%， and hyperactive， 81%～100%）. In grouping of vertebrae signal intensity on T1WI， 11 patients with low signal intensity were with hyperactive myeloproliferation， whose mean hemopoietic cell volume accounted for 92.3% of bone marrow tissues； 15 with medium signal intensity were with active myeloproliferation，whose mean hemopoietic cell volume accounted for 79.4% of bone marrow tissues； and 10 with high signal intensity were with active myeloproliferation， whose mean hemopoietic cell volume accounted for 61.1% of bone marrow tissues. T1WI had a sensitivity of 100% and a specificity of 60% for the diagnosis of myeloproliferation in the patients with osteofluorosis. Conclusion： MRI can be used to noninvasively assess bone marrow hyperplasia in the patients with osteofluorosis， but it is necessary to perform cytological examination of bone marrow tissues for the final diagnosis.

Osteofluorosis； Magnetic resonance imaging； Histomorphometry； Bone marrow

R445.2

A

1006-5741（2016）-04-0351-05

2015.09.11；修回时间：2016.05.08）

中国医学计算机成像杂志，2016，22：351-355

1上海中医药大学附属上海第七人民医院

2上海交通大学医学院附属瑞金医院

3上海市浦东新区人民医院

通信地址：上海市浦东新区高桥大同路358号，上海 200137

陈克敏（电子邮箱： keminchenrj@163.com）

Chin Comput Med Imag，2016，22：351-355

1 Shanghai Seventh People Hospital， Shanghai University of Traditional Chinese Medicine

2 Ruijin Hospital， Medical School， Shanghai Jiaotong University

3 Pudong New Region People Hospital

Address: No.358 Datong Rd， Shanghai 200137， P. R. C

Address corresponding to CHEN Ke-min （E-mail: keminchenrj@163.com）