骨感染的影像-病理学对照

肌肉骨骼系统感染在临床上很常见,其致病菌难以检测,但影像学检查能显示感染引起的机保变化。机体对感染的反应方式有限,主要是限制感染。然而影像学表现多样,反映机体的抵抗力和致病菌的毒力之间不断变化的动态平衡,只有了解疾病的动态变化过程,才能结合临床表现和实验室结果合理地应用影像学检查方法。深入理解肌肉骨骼系统感染不同时期的病理学改变,才能很好解释获得的大量影像学信息,从而作出准确诊断,及时制订有效的治疗方案,防止发育成熟和正在发育的骨骼系统受到破坏。本次重点阐述骨感染的发病机制和影像学-病理学对照,解释不同影像学检查技术对鉴别或发现感染及其类似病变的价值。

一、病理生理学

1884年Nelaton首先提出“骨髓炎”,是指骨和骨髓的感染,多为化脓菌感染。骨髓炎通常为细菌感染引起,但致病菌也可为真菌、寄生虫和病毒。动物研究表明,骨骼对感染具有先天的抵抗力,只有细菌大量入侵、创伤或体内有异物时才容易发生骨感染。骨髓炎最常见的致病菌是金黄色葡萄球菌,细菌通过表达受体(黏附素)与骨基质(纤维连接蛋白、层粘连蛋白、胶原和骨睡液酸糖蛋白)和软骨成分结合附着于骨骼。金黄色葡萄球菌也能产生纤维连接素结合蛋白,从而黏附于骨骼外科手术的置入物上。

虽然金黄色葡萄球菌感染是所有年龄骨髓炎的最常见病因,但有些特殊情况下其他致病菌也能引起骨髓炎。B组链球菌、大肠埃希菌、流感嗜血菌是新生儿和婴儿骨髓炎的常见致病菌。革兰阴性菌是成年人骨髓炎的常见致病菌,尤其静脉吸毒者。软组织感染引起邻近部位的骨髓炎通常为多种致病菌;术前应用抗生素治疗的患者,术后发生骨髓炎通常由表皮葡萄球菌引起。

骨和关节感染有4种主要途径,包括血行播散、邻近结构感染播散、直接种植和术后感染。

骨骼的血管解剖对骨髓炎的发病机制有重要作用,骨的供血血管随年龄而变化,导致骨髓炎有不同的影像学和病理学表现。骨的血供有3种类型,婴儿干骺端的血管穿过骺板供应骨骺,但>1岁骺板未闭合的儿童,干骺端和骨骺的血供不同,骺板闭合后干骺端的血管能够重建供应骨骺。因此,婴儿和成年人的干骺端感染能扩展至骨骺,引起骺板破坏,骺板可阻止感染进一步扩展,化脓性关节炎也可破坏骺板。

骨髓炎依据发病特点和临床表现,分为急性、亚急性和慢性。组织学上急性期主要表现为多形性白细胞浸润;慢性期主要为淋巴细胞和浆细胞。

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菌血症细菌侵入干骺端血管,发生急性血源性骨髓炎,好发于儿童,多位于膝关节附近,健康成年人相对少见,但可发生于免疫力低下或静脉吸毒者。干骺端是急性血源性骨髓炎的好发部位,尤其是膝关节的干骺端,可能与儿童膝关节骨骼生长快,受外伤机会较多有关。骨髓炎的好发部位通常血流减慢,巨噬细胞的吞噬能力降低,有利于细菌繁殖。

发生骨感染出现急性炎症反应,表现为血管充血、水肿和多形核细胞浸润。炎性渗出物导致无膨胀性的骨内压升高,血管沟受压引起广泛的骨坏死,细菌、多形核细胞和死亡组织释放的酶也导致局部骨髓或皮质坏死。炎性渗出物透过哈弗管网和福耳克曼管网至远侧干骺端薄层的皮质,皮质形成脓肿抬高骨膜,使外层皮质的血供中断,脓液可透过骨膜渗入邻近的软组织,形成单发或多发脓肿。骨膜抬高引起骨膜下化骨,起源于骨膜的形成层(内层)。骨膜下形成的新骨称为包壳,部分或全部包绕感染骨。婴儿和儿童骨膜疏松,容易剥离,因此骨膜明显抬高,形成大量的包壳。

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婴儿由于骨膜疏松,发现软组织水肿和脓肿通常早于骨异常改变;而成年人的骨膜与下方的皮质连接紧密,骨膜反应出现较晚,所以很少见骨膜下脓肿和骨包壳形成。干骺端和骨膜的血供受阻可导致广泛皮质坏死,严重患者可形成死骨。死骨为失去血供的死亡骨,其内有潜在的隐匿性致病菌。死骨没有血供,但仍含矿物质,X线片上表现为高密度影,而有血供的骨由于感染引起骨质疏松,表现为低密度。由于抗生素不能渗入至无血供的死骨对死骨内的细菌无效,致病菌可潜伏数年,因此临床有效的治疗需要发现并去除死骨。死骨内的细菌多年后可再发作,并形成脓肿,通过骨包壳的缺损排出形成痿管(下图)。软组织内可形成脓肿或与皮肤相通,通过慢性窦道排出死骨。慢性骨髓炎迁延可引起骨萎缩和病理性骨折,使骨质脆弱。

骨感染的影像-病理学对照
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适当治疗后病变开始愈合,骨髓腔的肉芽组织逐渐被纤维和脂肪组织取代,脓肿转变为囊腔。

二、影像学表现

(一)磁共振成像(MRI)骨感染病灶T1WI上表现为低信号,T2WI和短期反转恢复脉冲序列(STIR)上表现为高信号。骨感染早期就能发现异常,为病变的充血、水肿和炎性细胞反应,而早期X线片检查通常为阴性,只有>60%的骨小梁破坏后才能显示异常。

MRI是诊断骨髓感染首选的影像学检查方法,因为它能准确显示感染范围,以及骨坏死大小、软组织脓肿和窦道。MRI能评价骨皮质和死骨,但对于细微的异常改变,CT检查优于MRI。T2WI、STIR和增强扫描上正常骨皮质表现为无信号,而皮质病变表现为高信号。骨皮质破坏后常发生骨质疏松,随后导致骨膜抬高、骨膜炎和软组织受累。T2WI上皮质和骨膜下可见高信号,为感染物质、未矿化的细胞性骨膜反应和骨膜抬高(葱皮样表现),MRI显示骨膜受累优于X线片。T2WI上矿化的骨膜反应为实性或层状的无信号区,而未矿化的细胞性骨膜层为高信号。

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与三相骨扫描比较,MRI脂肪抑制增强检查可提高骨髓炎诊断的敏感性(88%)和特异性(93%),特异性高于MRI平扫,尤其对慢性骨髓炎手术后和神经性关节病等病例。

(二)放射性核素显像

99mTc-MDP(亚甲基二磷酸盐)和99mTc-HMDP(羟亚甲基二磷酸盐)骨扫描对检测骨髓炎很敏感,通常使用三相骨扫描,包括血流相、血池相和延迟相。骨髓炎3个时相都表现为摄取增加,反映充血和骨转换增加,但骨扫描异常没有特异性,骨折、治疗后骨髓炎和糖尿病神经性关节病也可有相同表现。病变有脓液、侵袭性强、血供严重破坏时,可见摄取减少的冷区。

放射性核素显像分辨率低,无法准确显示病变,SPECT扫描有一定程度的提高,但骨扫描仍是骨髓炎患者重要影像学检查,骨扫描阴性可排除骨髓炎,其敏感性90%,儿童和老年患者敏感性较低。

骨扫描的特异性很低,In标记白细胞闪烁显像有助于提高诊断的特异性,对检查慢性骨髓炎和糖尿病足骨髓炎有重要作用。

PET(正电子发射体层摄影)的初步研究提示对诊断骨感染有很大潜力,有助于和其他病变进行鉴别诊断。FDG(氟脱氧葡萄糖)是PET常用的显像剂,为葡萄糖类似物,聚集在炎症区,与糖酵解增加有关。与骨扫描不同,PET检查快速且分辨率高,能多方位成像。

De Winter等的研究发现,FDG PET诊断骨胳肌感染准确性为94%,而骨扫描联合白细胞闪烁显像的准确性仅81%。PET能鉴别中轴骨的造血区和感染灶,目前其他的影像学检查技术均难以分辨。Guhlmann等报道PET诊断慢性骨髓炎敏感性为100%,特异性为92%。

(三)计算机体层摄影(CT)

CT对诊断骨髓炎有重要价值,能准确发现病灶内的死骨、钙化和气体以及骨皮质破坏。CT最早表现是发现骨髓内的气体,由于骨髓水肿呈高密度,髓内气体显示清晰。CT能显示慢性骨髓炎的死骨,而X线片上由于周围高密度骨质硬化而难以显示。

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随着多排螺旋CT和多平面重建的发展和应用,CT对不规则骨和关节感染有重要价值,如胸锁关节、骨盆和脊柱,对指导穿刺抽吸或活检尤为重要。

然而,CT检查的限制为不能准确鉴别脓液反应性肉芽组织、水肿和纤维化。

(四)超声检查

超声检查价格低廉,普及性广,没有电离辐射,可用来检测骨和软组织感染,尤其是软组织脓肿和关节积液。临床诊断不明的患者,超声检查有助于评价疼痛或肿胀的软组织病因,如蜂窝织炎、血栓性静脉炎、滑囊炎、血肿、腱鞘炎或皮下脓肿。超声检查骨髓炎最早期的改变是深部软组织肿胀,邻近感染骨的骨膜反应。临床骨髓炎的患者,超声检查显示儿童表现为骨膜下积液,成年人为邻近感染骨的软组织脓肿。

超声可以和其他影像学检查方法联合应用诊断骨髓炎,能实时引导渗出物或脓肿的穿刺抽吸或活检。

三、骨髓炎分期

(一)急性骨髓炎

急性骨髓炎7~21天X线片才能显示骨质破坏,而骨扫描和MRI能早期发现异常改变。婴儿和儿童急性骨髓炎最早的X线表现,是干骺端周围深部的局限性软组织肿胀,软组织间隙消失和肌肉肿胀,可以扩散累及浅表肌肉和皮下组织,X线片可以发现异常,但超声检查显示更佳,影像学发现骨异常程度晚于病理改变。

X线片显示发育成熟骨的骨骺、干骺端或骨干的破坏灶,为边界不清的低密度区,也可见骨内膜扇贝样、皮质内透亮区或管状、骨膜下边界不清的骨缺损,通常伴有轻度骨膜炎,但X线和超声检查发现未发育成熟骨的骨膜反应更加明显。

多数急性骨髓炎,结合临床表现、实验室和影像学检查能够明确诊断,早期制订治疗计划。未治疗的急性血源性骨髓炎血培养仅50%为阳性,但血培养阳性可不必行骨穿刺活检,儿童血培养阳性率低于成年人。

有时急性骨髓炎的临床表现不典型,病理和影像学检查也不能明确诊断。嗜酸性肉芽肿和尤因肉瘤、骨肉瘤等骨肿瘤和急性骨髓炎类似,临床表现和发病年龄相似,患者急性发病,临床表现和实验室检查为感染表现,患肢出现红、肿、痛,X线片表现也相似,可见边界不清的骨质溶解、骨膜反应和软组织改变。比较而言,尤因肉瘤的骨膜反应更加不规则,软组织肿块更加明显。

(二)亚急性骨髓炎

急性期后骨髓炎逐渐局限,典型表现是Brodie脓肿致病菌通常为金黄色葡萄球菌,由于致病菌毒力减低或机体的免疫力提高,感染局限形成脓肿,好发于男性青少年胫骨远端的干骺端。脓肿壁内衬肉芽组织,周围为硬化的骨松质,X线片上表现为有硬化边的透亮区。

中央脓腔T1WI上为低信号,T2WI和STIR上为高信号。脓肿壁的肉芽组织形成内环,T1W1和质子密度像上信号稍高于脓腔,增强后明显强化,T2WI上难以与高信号的脓液鉴别

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增强扫描是诊断或排除骨和软组织脓肿唯一可靠的检查方法,93%患者可见纤维性反应和硬化的脓肿外环,T1WI、T2WI上均为低信号。周围的晕环为骨髓水肿和炎症反应,T1WI上为低信号,T2WI和STIR上为高信号。亚急性骨髓炎可见半影征,而肿瘤无此征象,为脓肿和硬化骨之间的过渡区,T2WI上为高信号,增强后可见强化。软组织脓肿内的低信号为气体或细胞碎片。

皮质内的小脓肿难以与骨样骨瘤鉴别,骨样骨瘤中心的瘤巢增强扫描后有强化,而死骨没有强化,所有MRI序列上死骨均为低信号。脓肿可见半影征,但T2WI上显示明显高信号的炎症反应,有助于诊断骨样骨瘤。

(三)慢性骨髓炎

亚急性期Brodie脓肿后演变为慢性骨髓炎,是由于急性骨髓炎治疗不及时或治疗不当发展而来,发生于15%~30%的患者。

骨髓炎的亚急性期和慢性期,病变皮质周围形成大量的骨膜骨,与受累骨髓内丰富的海绵状骨小梁有关,部分为治疗反应。骨膜骨导致广泛骨重塑,X线片上表现为轮廓不规则的高密度影,硬化区内常见囊变和死骨。

X线片能诊断慢性骨髓炎,但仅9%患者可见死骨,连续随访观察敏感性增加至14%,特异性为70%。CT显示死骨、骨髓钙化和皮质破坏优于X线片和MRI,与MRI联合应用诊断价值更大。MR所有序列上死骨均表现为低信号,增强后无强化。窦道和凄管在T.WI上为曲线状的高信号,增强后强化。MRI是帮助外科脓肿引流的重要检查手段。

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鉴别慢性骨髓炎是否处于活动期非常困难,广泛骨重塑和骨硬化可以掩盖活动性的改变。X线片上新发的骨质破坏、细线状骨膜炎和死骨形成提示骨髓炎复发,CT和MRI检查发现脓肿和死骨形成也提示处于活动期,PET的初步研究显示很有前景,检测重塑骨感染的敏感性为100%,特异性为92%,而且矫形外科装置不会影响其准确性。

四、术后骨感染

骨折内固定术、椎间盘手术、关节成形术和各种重建手术,可合并感染或化脓性关节炎,由于伴有组织损伤、术前预防性用药对致病菌的抑制或致病菌低毒性,可掩盖感染的症状,常导致诊断不及时。
结构完整的骨感染,其炎性渗出物引起髓内压增高,导致广泛缺血和骨坏死,而术后骨感染不会发生压力增高,因为手术已经进行解压,炎症反应(包括骨膜新骨形成和死骨)并不常见。胫骨和股骨是内固定术后常见的感染部位,关节成形术后感染多发生于髋和膝关节。
联合应用X线片、骨扫描、关节造影和关节穿刺抽吸术有助于明确诊断,可见骨和软骨破坏增多、骨膜炎、软组织肿胀和假体周围增大的透亮区。

五、糖尿病足骨髓炎

糖尿病足骨髓炎的早期诊断尤为重要,可以防止疾病进一步进展,减少截肢率。糖尿病血管和神经病变导致组织缺氧和知觉丧失,发生反复外伤和肌肉萎缩,从而引起广泛骨质减少、骨质吸收和断裂,并发足畸形。缺血容易引起足部皮肤溃疡,高血糖为细菌繁殖提供良好环境,导致邻近骨发生骨髓炎。溃疡多发生在畸形足骨突起上方受压迫的部位,最常见于跖骨头(主要是第1和第5);其他部位包括趾骨尖、趾间关节、跟骨和踝骨上方。溃疡好发于前足部,1/5发生于后足部。骨髓炎的发生部位常邻近皮肤溃疡,由于软组织感染侵犯引起。

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糖尿病骨髓炎患者有1/3患化脓性关节炎引主要累及第1和第5跖趾关节。

X线片是诊断足骨髓炎的首选影像学检查,但敏感性差。软组织感染和溃疡导致邻近骨局灶性溶解、皮质破坏,高度提示骨髓炎,但骨质减少、高密度碎骨片和骨膜反应不是骨髓炎的特异性表现,也可见于继发性神经性关节病,诊断敏感性为52%~93%,特异性为50%~74%。
骨扫描诊断骨髓炎的敏感性为85%~93%,特异性为43%~54%。神经性关节病尤其发生于足中部和足后部;继发于软组织感染的蜂窝织炎和骨膜炎,骨扫描检查的假阳性较高。In标记白细胞闪烁显像的诊断特异性高(78%),常用于神经性关节病患者的骨髓炎诊断。
MRI是诊断骨髓炎最敏感(接近100%)的影像学检查方法,且有很高特异性(>81%)
。T1WI上骨髓正常高信号的脂肪被低信号的感染取代;T2WI和STIR上由于水肿而表现为高信号,STIR序列敏感性(96%)和阴性预测值(94%)最高,可用来筛选可疑的骨髓炎患者,脂肪抑制T1WI增强扫描可见脓肿特有的环形强化;骨折、肿瘤、炎性关节炎、神经性关节病和其他术后改变等可见弥漫强化;但脂肪抑制T1WI增强扫
描对诊断骨髓炎的特异性最高(88%)。
糖尿病足骨髓炎的主要征象没有特异性,与骨折、神经性关节病、技术因素如脂肪抑制不均匀(由于足部骨的容积磁化率和叠加效应所致)有相同或相似的表现,因此难以诊断,但MRI上有些表现能提示诊断,均为继发性改变,包括蜂窝织炎、软组织肿块、软组织脓肿、窦道和皮质破坏,这些表现有助于明确诊断,其中发现窦道、皮肤溃疡和皮质破坏对诊断骨髓炎的阳性预测值最高。

MRI容易显示软组织、关节、腱鞘内的溃疡、水肿和积液,骨髓炎的MRI表现通常无特异性,需要结合临床和其他影像学检查。神经性关节病几乎可见所有的骨髓炎征象,除了脓肿、足部局灶溃疡、皮质破坏处的高信号。通常T1WI和T2WI上骨髓内均呈低信号,提示骨硬化。
糖尿病患者由于血供受损,有时可掩盖骨髓炎和脓肿病变。增强MRI对显示无强化区很重要,与坏死和坏疽,发生于1/4的足感染患者,这有助于外科手术前制订治疗方案,尽可能减少对非感染组织的损伤。

患者急性期X线片诊断,早期应用抗生素治疗,可避免应用更多的影像学检查;糖尿病足广泛神经性关节病可应用111In标记白细胞闪烁显像,这些检查可用于卫生资源缺乏的情况。

MRI检查虽然价格昂贵,但是诊断糖尿病足最有效、性价比最高的方法。

六、化脓性关节炎

化脓性关节炎来源于血行播散、邻近的骨髓炎或外伤后直接种植,金黄色葡萄球菌是最常见的致病菌,常见于新生儿,侵犯髋、膝和距小腿关节。

没有特异性的影像学检查能够早期除外化脓性关节炎,因此需要进行鉴别诊断时,应立即行关节腔穿刺。

化脓性关节炎是致残性疾病,只有及时诊断才能防止发生关节损伤。诊断不及时会导致软骨快速破坏,与中性粒细胞、滑膜细胞和细菌产生的酶作用有关。细菌感染导致滑膜水肿、肥厚,由于关节渗出液和软组织肿胀,X线片可见大量积液;随后可见关节间隙变窄,边缘和中央的软骨缺损,关节充血在X线片上表现为骨质减少;最后发生软骨下塌陷和关节强直,典型化脓性关节炎邻近骨发生骨膜炎,而关节结核表现为关节边缘骨侵蚀和骨质疏松,但关节间隙存在。

MRI能显示滑膜增厚、外翻和强化改变,与炎性血管壁的通透性增加、滑膜周围水肿和关节渗出液有关。

七、结论

通常骨髓炎的诊断比较明确,但临床和影像学表现可能不一致,即使影像技术不断进展,有时仍然不能明确诊断,尤其是有合并症情况,如糖尿病足并发骨髓炎。很好地理解疾病的病理生理过程,紧密联系放射和病理学表现,能明显提高诊断的信心和准确性(组织学检查结果由Pancras Hogendoorn提供)。

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