剪切波彈性成像評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)軟骨早期退變

安秀艷，黃春旺，叢淑珍，周瑞莉，尚詩瑤，錢 雋

廣東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院//廣東省人民醫(yī)院超聲科，廣東 廣州510080

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（KOA）是膝關(guān)節(jié)的局部損傷、炎癥和慢性勞損引起關(guān)節(jié)面軟骨變性，軟骨下骨板反應(yīng)性骨損，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)一系列癥狀和體征，確定軟骨退變程度對(duì)了解KOA的病理生理學(xué)和臨床進(jìn)展具有重要意義［1-2］。近年來超聲檢查檢測骨關(guān)節(jié)及其周圍軟組織的臨床價(jià)值正逐漸受到重視，一些研究表明超聲檢查軟骨厚度效果良好［3-4］。在關(guān)節(jié)軟骨損傷早期，超聲圖像上就可以出現(xiàn)聲學(xué)信號(hào)異常。既往提出的超聲評(píng)估股骨髁軟骨退變的半定量分級(jí)方法，跟組織學(xué)評(píng)級(jí)的相關(guān)性很好［5］。近年來彈性成像是超聲研究的熱點(diǎn)，可以提供軟組織彈性模量信息，其是決定組織抗變形能力的重要力學(xué)參數(shù)。由于剪切波彈性成像（SWE）中所需的組織內(nèi)剪切波可以通過超聲設(shè)備的聲輻射力激發(fā)產(chǎn)生［6］，無需直接的接觸，受操作者的影響較小，且可以用于較深部組織的檢測，較應(yīng)變彈性成像更具優(yōu)勢。目前，SWE 技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于乳腺、肝臟等疾病的臨床診斷［7-8］，但是對(duì)于軟骨研究很少。本研究目的是初步探討SWE測量正常人體內(nèi)膝關(guān)節(jié)不同部位軟骨彈性模量，并與早期KOA患者膝關(guān)節(jié)軟骨的彈性值進(jìn)行對(duì)照研究，以期望對(duì)臨床早期診斷提供參考價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

試驗(yàn)組納入標(biāo)準(zhǔn)：因膝關(guān)節(jié)疼痛不適就診且只有一側(cè)關(guān)節(jié)受累的患者，視覺模擬評(píng)估法（VAS）［9］1～6級(jí)，按Kazam超聲評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0～2級(jí)［10］，正常為0級(jí)；軟骨表面粗糙為1級(jí)；軟骨局部缺損，未及全層為2級(jí)；軟骨局部全層缺損為3級(jí)；軟骨局部全層缺損，伴有軟骨下骨破壞為4級(jí)。對(duì)照組納入標(biāo)準(zhǔn)：志愿者需體健，無吸煙、酗酒史。排除標(biāo)準(zhǔn)：由風(fēng)濕類風(fēng)濕病、痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎、自身免疫疾病、慢性腎病、內(nèi)分泌疾病、長期服藥史、關(guān)節(jié)外傷或手術(shù)史等引起關(guān)節(jié)病變的疾患。本研究雙側(cè)膝關(guān)節(jié)受累病例剔除。最終共納入試驗(yàn)組20例，男8例，女12例，年齡40～69歲（53.85±9.22歲），BMI 18.66～31.14 kg/m2（23.99±3.43 kg/m2）。對(duì)照組20例，男9例，女11例，年齡40～67 歲（51.90±8.70 歲），BMI 17.26～26.56 kg/m2（22.85±2.27 kg/m2）。兩組年齡與BMI差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具有可比性。本研究得到了機(jī)構(gòu)倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，在參與研究之前，所有患者和志愿者都被告知程序，并獲得書面知情同意。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器 應(yīng)用深圳邁瑞mindray Resona 8超聲診斷儀，高頻線陣探頭，頻率4～15 MHz，儀器內(nèi)置SWE技術(shù)。

圖1 早期KOA患者髁間區(qū)軟骨SWE圖像Fig.1 SWE image of cartilage in the intercondylar area of an early KOApatient.

1.2.2 方法 本實(shí)驗(yàn)中，由一位高年資骨科副主任醫(yī)師采用VAS評(píng)分對(duì)受試者的主訴癥狀和活動(dòng)功能進(jìn)行評(píng)分。具體的使用方法為：在紙上面劃一條約10 cm的橫線，橫線的一端為0，表示無痛；另一端為10，表示劇痛；中間部分表示不同程度的疼痛。讓病人根據(jù)自我感覺在橫線上劃一記號(hào)，表示疼痛的程度。患者被要求對(duì)過去一個(gè)月中受累膝關(guān)節(jié)的疼痛嚴(yán)重程度給出一個(gè)平均估計(jì)。1～3級(jí)為輕度疼痛，4～6級(jí)為中度疼痛，7～10級(jí)為重度疼痛。

首先進(jìn)行常規(guī)超聲檢查，患者取仰臥位于檢查床上，膝關(guān)節(jié)屈曲至最大角度，采用肌骨模式，將超聲探頭置于髕骨上緣進(jìn)行橫縱掃查，可顯示股骨內(nèi)外側(cè)髁、髁間區(qū)軟骨；在掃查過程中，調(diào)整探頭角度，使入射聲波盡量垂直于關(guān)節(jié)軟骨表面，盡可能清晰地顯示軟骨，選取成像質(zhì)量良好的圖像，測量股骨髁間區(qū)、內(nèi)側(cè)髁處關(guān)節(jié)軟骨厚度（圖1）。在不施壓的情況下切換至SWE模式，量程為0～180 kPa，當(dāng)剪切波信號(hào)穩(wěn)定的時(shí)候，即儀器右上角顯示M-STB index達(dá)到5顆星時(shí)采集圖像。我們?cè)谕粓D像上選擇3個(gè)相鄰直徑1 mm的感興趣區(qū)（ROI），用儀器提供的Q-BOXTM定量測量楊氏模量，取平均值，將3次測量結(jié)果進(jìn)行平均作為最終測量結(jié)果。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，通過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)確定參數(shù)的正態(tài)分布，同一觀察者比較行配對(duì)t檢驗(yàn)，兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組軟骨厚度及楊氏模量結(jié)果

通過Shapiro-Wilk檢驗(yàn)確定本研究的參數(shù)服從或近似服從正態(tài)分布。試驗(yàn)組髁間區(qū)、內(nèi)側(cè)髁、對(duì)照組髁間區(qū)、內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度分別為0.225±0.025、0.217±0.026、0.235±0.023、0.209±0.019 mm；試驗(yàn)組髁間區(qū)、內(nèi)側(cè)髁、對(duì)照組髁間區(qū)、內(nèi)側(cè)髁軟骨楊氏模量分別為24.17±3.85、25.94±3.55、19.93±2.69、21.59±2.57 kPa（表1）。

2.2 組內(nèi)不同部位軟骨厚度及楊氏模量比較

試驗(yàn)組髁間區(qū)軟骨厚度大于內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度，髁間區(qū)軟骨楊氏模量小于內(nèi)側(cè)髁軟骨楊氏模量，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.001、0.000，表1）；對(duì)照組髁間區(qū)軟骨厚度大于內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度，髁間區(qū)軟骨楊氏模量小于內(nèi)側(cè)髁軟骨楊氏模量，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.000、0.000）。

表1 兩組不同部位軟骨厚度與楊氏模量比較Tab.1 Comparison of cartilage thickness and Young's modulus in different parts of the two groups

2.3 組間不同部位軟骨厚度及楊氏模量比較

試驗(yàn)組與對(duì)照組髁間區(qū)軟骨厚度、內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.179、0.321，表1）。試驗(yàn)組髁間區(qū)軟骨楊氏模量、內(nèi)側(cè)髁軟骨楊氏模量大于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.000、0.000）。

3 討論

KOA在骨科疾病中發(fā)生率很高且呈明顯的上升趨勢［11］，它可以引起疼痛、僵硬、畸形、活動(dòng)障礙等臨床表現(xiàn)，因此對(duì)KOA的早期診斷、治療及預(yù)防具有重要的臨床意義。KOA最本質(zhì)、最初的變化是軟骨的損傷、退變［12］。國際骨性關(guān)節(jié)炎研究協(xié)會(huì)的骨性關(guān)節(jié)炎組織學(xué)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［13］將軟骨退變的組織學(xué)表現(xiàn)分為7級(jí)，0級(jí)為正常，Ⅰ～Ⅲ級(jí)病變被認(rèn)為是處于骨性關(guān)節(jié)炎的早期，若能在Ⅰ～Ⅲ級(jí)對(duì)軟骨的退變做出診斷，就可以進(jìn)行有效干預(yù)，阻止或延緩KOA進(jìn)展。

X線片是骨科最常用的臨床檢查手段，但是對(duì)于關(guān)節(jié)早期的軟組織退變的檢測不夠敏感［14］。MRI能夠直接顯示軟骨，其分辨率可達(dá)0.36 mm，但也無法顯示國際骨性關(guān)節(jié)炎研究協(xié)會(huì)評(píng)分為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)的病變［15-17］；且MRI檢查費(fèi)用昂貴，檢查耗時(shí)長，不易廣泛開展。超聲檢查是一種無創(chuàng)、無輻射、價(jià)格低廉的影像學(xué)檢查方法，它對(duì)于檢測膝關(guān)節(jié)軟骨及關(guān)節(jié)周圍軟組織的臨床價(jià)值正逐漸受到重視。SWE可以通過剪切波速度推算組織硬度［18］，提供定量診斷的依據(jù)。由于剪切波的波長、頻率、振幅等屬性由可以通過SWE 設(shè)備進(jìn)行精確的量化調(diào)節(jié)控制，因此理論上受操作者的影響較小。但在實(shí)際操作中，由于膝關(guān)節(jié)表面呈弧形，而SWE要求在檢查時(shí)良好地貼合組織而不施加任何壓力，操作者的技術(shù)操作對(duì)圖像質(zhì)量、檢測結(jié)果還是有較大影響的，郝云霞等研究也認(rèn)為在施加壓力時(shí)，組織彈性會(huì)發(fā)生變化，剪切波速度也會(huì)發(fā)生變化［19-20］。本研究認(rèn)為患者體位按要求擺好、固定，操作者肘關(guān)節(jié)有支架支撐，膝關(guān)節(jié)表面涂上5～10 mm深度的耦合劑，可以明顯改善圖像質(zhì)量，提高測量準(zhǔn)確性。

本研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)組與對(duì)照組組內(nèi)比較髁間區(qū)軟骨厚度大于內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度，相關(guān)系數(shù)高，這與既往研究結(jié)果一致［1］。兩組組間軟骨厚度比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這與本研究設(shè)計(jì)相符，篩選KOA早期軟骨還沒有明顯形變的病例作為研究對(duì)象。

本研究在測量軟骨楊氏模量時(shí)，由于部分軟骨厚度達(dá)不到2 mm，因而取1 mm2為感興趣區(qū)，且盡量遠(yuǎn)離骨表面。儀器提供的Q-BOXTM定量測量參考值中有最大值、平均值等，本研究采用平均值，因?yàn)楸狙芯渴茄芯寇浌菑浡圆∽兌蔷窒扌筒∽?，?次臨近位置測量結(jié)果進(jìn)行平均作為最終測量結(jié)果。

有研究顯示25例有病理學(xué)改變的股骨遠(yuǎn)端軟骨彈性應(yīng)變率比值高于25例正常軟骨的應(yīng)變率比值，認(rèn)為彈性成像是顯示病理軟骨的有效工具［2］；其還首次應(yīng)用SWE技術(shù)評(píng)價(jià)OA對(duì)股骨遠(yuǎn)端軟骨的影響，認(rèn)為研究組內(nèi)側(cè)髁和髁間區(qū)的彈性模量明顯高于對(duì)照組。本研究顯示，兩組組內(nèi)比較髁間區(qū)楊氏模量小于內(nèi)側(cè)髁楊氏模量，這可能與內(nèi)側(cè)髁位置較淺、能量衰減較少有一定關(guān)系。組間比較試驗(yàn)組髁間區(qū)及內(nèi)側(cè)髁軟骨的楊氏模量均大于對(duì)照組，表明KOA早期軟骨的楊氏模量值比正常人群稍有增加，結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)果相似［21-22］。根據(jù)胡克定律，在組織的彈性限度內(nèi)，楊氏模量越大，組織硬度越高［23］，因此KOA早期軟骨硬度增加，產(chǎn)生形變能力下降，軟骨容易受磨損，這與病理改變相符合，也證實(shí)了SWE對(duì)軟骨早期退變有一定檢測能力。

綜上，本研究初步探討了SWE在體定量評(píng)價(jià)膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能，早期KOA患者膝關(guān)節(jié)髁間區(qū)及內(nèi)側(cè)髁軟骨楊氏模量均大于正常人群，為臨床早期診斷和干預(yù)開辟了新的道路。本研究局限性在于樣本量較小，今后需進(jìn)一步收集病例以證實(shí)本研究結(jié)果；另外也可將BMI及病程等因素納入分析，進(jìn)一步研究這些因素對(duì)結(jié)果的影響。