影像學評價骨折愈合的研究進展

劉嵬 張英劍

摘 ? 要：目前臨床醫(yī)生在評價骨折愈合情況時仍缺乏統(tǒng)一的影像學標準及金標準?；颊唛g的個體、骨折部位以及骨折類型的差異都使骨折的影像學評估工作變得比較復雜。對骨骼的生物力學的特點及骨折愈合過程的深入研究有助于指導骨折愈合的評估工作。標準化評分系統(tǒng)的研究和特定影像學標志的識別進一步明確了影像科醫(yī)生在這一過程中的作用。本文就骨折愈合的評分系統(tǒng)和影像學特征加以綜述，了解現有各種評價骨折愈合技術方法的實用性、局限性以及潛在發(fā)展方向。

關鍵詞：影像學;骨折愈合;影像學評分

中圖分類號：R683 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.24.013

文章編號：1006-1959（2018）24-0048-05

Abstract：At present， there is still a lack of uniform imaging standard and gold standard in the evaluation of fracture healing by clinicians.Imaging evaluation of fractures is complicated by differences in individual， site and type of fracture.An in-depth study of the biomechanical characteristics of bone and the process of fracture healing is helpful to guide the evaluation of fracture healing.Further study of bone biomechanics and fracture healing is helpful to evaluate fracture healing.The study of standardized scoring system and the identification of specific imaging markers further clarify the role of imaging physicians in this process.In this paper， the scoring system and imaging features of fracture healing are reviewed， and the practicability， limitation and potential development of existing methods for evaluating fracture healing are discussed.

Key words：Medical imaging;Fracture healing;Imaging score

目前影像學評估骨折愈合的方法眾多，出現很多影像學評分標準及影像學特征相關的研究。本文就這些關于骨折愈合的評分系統(tǒng)和影像學特征加以綜述，以便了解目前這些評價骨折愈合技術各自的的實用性和局限性，以及該領域的新方法和潛在發(fā)展方向。

1 骨折愈合的過程

骨折愈合（fracture healing）是一個復雜的再生過程，這一過程除了最初的出血和炎癥階段，其余均與骨骼發(fā)育類似[1]。在骨折部位，血腫形成和炎癥反應激活了各種生長因子和細胞因子，導致間充質干細胞增殖和分化為軟骨細胞或成骨細胞。骨折斷端和髓腔內很快充滿了能夠形成軟骨痂的軟骨細胞。在骨干骨折斷端的周圍，骨膜的深層富含具有轉化為成骨細胞能力的干細胞，可以通過膜內骨化直接成骨[2]。由于硬骨痂是由周圍到中心形成的，所以骨折間隙中的軟骨通過軟骨內骨化轉化為編織骨。待編織骨填充骨折斷端間隙后，破骨細胞與成骨細胞不斷循環(huán)交替工作，將編織骨轉化為板層骨，并改造髓腔[3]。

從生物力學角度講，骨折的愈合意味著強度和剛度等機械性能的恢復。骨折的畸形愈合往往都能在正常的生理愈合時間內完成，但畸形愈合或導致骨的角度、長度及旋轉異常。少數骨折（5%～10%）會出現延遲愈合或不愈合[1]，即骨折愈合過程發(fā)生的時間明顯長于該部位骨折愈合的預期時間3～6個月。骨不連分為肥大型和萎縮型。肥大型骨不連的特征是骨折端有血管，具有生物活性。而萎縮型骨不連骨折斷端無血管形成，僅僅存在少量骨痂或根本無骨痂形成，骨折線仍然可見[4]。

很多不良因素都可能破壞骨折正常的愈合過程，最終形成延遲愈合或不愈合。骨折端血供不佳可抑制骨折愈合的早期炎癥和修復階段，導致萎縮型的骨不連。這可能是局部因素造成的，如骨折的類型和部位、合并嚴重血管損傷、血腫的壓迫、與滋養(yǎng)動脈的距離增加以及骨折斷端骨缺損。也與患者年齡、合并癥、自身條件、吸煙、酗酒和藥物等全身因素有關[5]。肥大型骨不連主要與骨折愈合晚期重建階段骨折斷端的不穩(wěn)定有關。骨折斷端持續(xù)不穩(wěn)定導致局部生長滑膜組織，形成假關節(jié)，影像學上在骨折斷端可見到液體或氣體的特征。感染可干擾骨折的愈合過程，約1/3的骨不連與感染有關[6]。

2骨折愈合的評估

臨床上需要確定骨折何時愈合，以便決定患者患肢的負重狀態(tài)、活動水平以及是否需要佩戴支具。雖然骨不連與臨床決策密切相關，但目前文獻報道中，仍缺乏統(tǒng)一的標準[7]。臨床上判斷患者骨折是否愈合通常依靠體格檢查、影像學表現及患者主觀感受等因素。體格檢查標準通常包括患肢負重時骨折部位無疼痛，局部無壓痛、叩擊痛和患肢的負重能力。影像學評估主要靠X光片，通常包括：通過骨、骨痂或小梁橋接骨折;正側位片上四個皮質中的三個皮質骨折橋接;以及骨折線影消失和骨皮質連續(xù)?；颊咦陨韺δ芎吞弁此降闹饔^感受評估也越來越成為重要的判別因素之一。然而近來研究表明患者臨床表現，影像學，和患者主觀感受這三個方面的診斷可能不一致[8]。由于患者個體差異及文化程度不同，體格檢查時觸診疼痛的體征也是非常主觀且不可靠的[9]。目前，臨床上也在不斷探索新的檢測骨痂成熟度的方法，Yoshida T等[10]應用一種測量生物電阻抗的技術來評估骨痂的成熟度，決定何時去除骨折外固定器。

3影像學的作用

雖然骨科醫(yī)生不能單憑影像學資料作出診斷和臨床決定，但影像學資料在對于骨折是否愈合的判斷上仍然起關鍵作用。X光片和CT是最常用的方式，超聲和核素成像也逐漸顯現出實用價值。

3.1 X光片 ?由于X光片成本低、應用廣泛及輻射相對小，已經成為目前骨折愈合評估中最常用的技術。外骨痂的形成和生長以及骨折線被骨痂的橋接是骨折愈合過程中兩個最容易被識別的X線征象。隨著骨皮質連續(xù)性不斷增強及骨痂不斷生長，骨折抗旋轉性能與強度也不斷提升[11]。早期也有關于人骨折愈合的評分系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)比較復雜且實用性不強。Eastaugh SJ等[12]在2009年提出最大骨痂指數的概念，他們在骨折處連續(xù)拍攝兩個體位的X光片，然后測量兩個平面上的骨痂組織直徑，與相同水平的骨骼直徑的比值稱為最大骨痂指數，試圖建立可量化的骨痂組織單位。盡管他們發(fā)現最大骨痂指數與生物力學強度測試之間有中等程度的相關性，但作者也指出，即使是拍片過程中很小的體位旋轉變化也會影響測量，并且許多骨折類型不適于這種技術。Whelan DB等[13]發(fā)現，通過投照管狀骨相互垂直的兩個體位，計數發(fā)生骨折斷端橋接的皮質數量可以可靠的評估骨折的愈合。他們根據脛骨正側位四個皮質的骨痂及骨折線影的不同分配制定了脛骨骨折愈合的影像學評分（radiographic union score for tibia，RUST），旨在規(guī)范脛骨骨折愈合的評估。

有學者使用大鼠脛骨的動物模型來驗證這種評分系統(tǒng)的可靠性[14]，結論與上述Whelan DB的研究結果不完全一致。Whelan DB等強調必須是皮質骨之間出現橋接才算這一皮質骨愈合，但有時會出現X光片上外骨痂生長良好，但對應骨皮質仍無橋接，骨折線影仍可見，經生物力學測定，可以按照骨折愈合判定[13]。所以他們對不同范圍內骨折線影的計分進行修訂，從而使RUST評分系統(tǒng)變得可靠性更強，并建議術后立即拍X光片留作參考，以便在后續(xù)的比較中提高觀察者間評分的可靠性，主要幫助避免錯誤地將重疊骨分類為骨痂形成。這一點在輕度移位的螺旋型骨折的評估中尤為重要。

基于RUST評分的成功，很多研究者已經將Whelan DB的評分系統(tǒng)用于骨骼系統(tǒng)的其他部分的骨折評估。髖部骨折愈合的影像學評分[15]（radiographic union score for hip，RUSH）和橈骨骨折愈合的影像學評分[16]（radiographic union score for radius，RUSS）這兩個系統(tǒng)在應用過程中已經顯示出其可靠性并被廣泛應用。RUSH評分包括RUST評分的標準評分算法，但也增加了對股骨近端穩(wěn)定性特別重要的骨小梁骨折線情況的評估。RUSH評分已用于評估股骨頸和股骨粗隆間骨折，提高了觀察者對兩種骨折類型愈合情況判定的可靠性。Frank T[15]等發(fā)現股骨頸骨折6個月時RUSH評分仍<18分，即可診斷骨不連，這一結果敏感性及特異性均為100%，且觀察者如果對按時間順序依次投照的系列X光片觀察得出的結論要比觀察單一一張未知時間點的X光片得出的結論要可靠得多。RUSS評分也被證明是一個可靠的評分系統(tǒng)，盡管內固定物的遮擋可能會導致評分者之間存在較明顯的計分差異[17]。

除了評分系統(tǒng)，也有關于X光片中可預測骨折不愈合的跡象的影像學特征的研究報道。Salih S[18]等描述“骨折線”征，骨折線低密度影延伸并超過原始皮質邊界但不延續(xù)到骨痂的邊界。該征象對脛骨干骨折肥大性骨不連有較高的預測價值，陽性預測值為88.9%，陰性預測值為75.0%。其認為這個影像學標志提示需要增加骨折斷端穩(wěn)定性，延遲取出內固定物。

Duryea J[19]等基于圖像建立了一種定量測量骨痂面積的算法。臨床醫(yī)生需要做的是幫助確認影像中骨折范圍，該算法即可自動定義其他參數并計算骨痂的體積。這種基于軟件的讀片技術其優(yōu)點主要在于限制用戶的主觀輸入，降低了觀察者之間對影像判別和評估的主觀差異。

3.2 CT ?隨著CT掃描的圖像層厚越來越小，成像質量越來越高，現已經成為評估骨折愈合的實用工具。已有動物實驗證實CT的影像密度與實際骨強度具有高度相關性且骨痂在CT上顯影要早于X光片[20]。盡管已證明CT評估骨愈合是有用的，但是由于其較高的成本和較高的輻射劑量，它并非常規(guī)用于骨折愈合的評估。但在X光片診斷不確切的情況下，CT檢查卻是很實用的輔助手段。有研究證實在X光片診斷不確定的情況下選擇CT檢查對骨折愈合情況的判斷是有效的。CT圖像比X光片更適合于定量和容積測量，以減少主觀因素的干擾，因此CT可用于評估骨愈合過程的宏觀和微觀結構特性。通過連續(xù)掃描的方式，測量骨折斷端的CT值，可以有效地對骨折愈合情況做出正確評估[21]。有學者進行動物實驗結果發(fā)現使用CT評估小鼠骨折模型中股骨的愈合比生物力學實驗更實用[22]。但CT對于金屬內固定物有較強的束狀偽影。傳統(tǒng)CT掃描中為減少金屬偽影常增加管球的電壓或電流，意在消除束狀偽影，但也導致圖像中軟組織影的對比度降低和輻射劑量的增加[23]。雙能量CT掃描的出現既減少了束狀偽影，又保留了較好的軟組織對比度，而且輻射劑量與常規(guī)CT相當。但考慮到經濟性及實用性，即使是低輻射劑量的雙能量CT掃描，也不推薦在一般骨折患者隨訪時常規(guī)應用，往往是患者骨折3個月后X光片顯示愈合不良或者患者仍有疼痛時才推薦應用[24]。像腕舟骨這種有壞死風險的骨折以及某些骨折部位在X光片上被金屬固定物嚴重遮擋，隨訪時則需要借助CT檢查評估骨折愈合情況。

3.3超聲 ?由于超聲檢查無創(chuàng)、經濟且無電離輻射，所以在肌肉骨骼成像中迅速得到普及。受其成像原理限制，超聲在評估骨折部位時，只有外骨痂表面和其覆蓋的軟組織可顯影，而深層的骨折情況顯影較差。盡管有成像的局限性，超聲在評估骨愈合方面也是存在優(yōu)勢的。由于X光片和CT顯影是依靠骨痂內鈣鹽沉積情況的，所以往往在骨折后6～8周后才逐漸顯影，但骨折后1～2周骨痂就能在超聲上顯像[25]。超聲是能在X光片顯影之前就可靠的預測出骨折是否已愈合，Wawrzyk M等[26]的研究已證實這一發(fā)現，并指出內固定物是超聲檢查的重要標記參照物，找到內固定物后就可在其臨近的組織中進行超聲檢查評估。并提出小兒長骨骨折愈合過程中骨痂形成的超聲表現與X光片表現之間存在相關性，建議在兒童骨折中超聲檢查代替X光檢查。但是與X光片和CT相比，超聲主要受成像原理所限，強回聲后方的聲影導致其只能評價外骨痂的情況而無法良好的評價骨皮質的愈合情況。

隨著新技術的不斷研發(fā)，超聲的成像效果也在不斷進步。利用特殊探頭可以獲得超聲三維重建圖像，對觀察復雜骨折的愈合情況很有幫助。此外，多普勒成像有可能觀察骨折后骨痂周圍血管生長的情況。動物實驗證明，超聲能量成像可以識別長骨骨折修復早期時新生血管的形成情況[27]。

3.4核醫(yī)學影像 ?Tc99m-MDP骨掃描是一種功能成像技術，示蹤劑的濃聚影像提示有血流和新骨形成。正常骨折愈合的過程表現為急性期骨折部位彌漫性攝取、亞急性期線性攝取、以及隨著愈合進程攝取減少。X光片和CT上如果見到骨痂影像，則提示骨折周圍組織有活性，但如沒有骨痂影像，就無法辨別局部組織是否有活性或死骨的范圍。骨掃描就能根據示蹤劑攝取情況加以區(qū)分，雖沒有形成骨痂，但如果局部沒有示蹤劑顯影則提示有死骨形成，有示蹤劑顯影的部分則說明該處的骨組織仍有活性[28]。PET/CT檢查中出現攝取18F-FDG可提示局部成骨細胞活性和骨痂生長。18F-FDG在骨折愈合正常的過程中攝取良好，但在骨不連的模型中攝取減少，所以18F-FDG可用于早期預測骨不連及監(jiān)測新骨生長[29]。Wenter V[30]等研究發(fā)現18F-FDG PET/CT檢查可以有助于鑒別骨不連是否由感染因素造成的。Ventura M[31]等在動物實驗中發(fā)現18F-FDG PET/CT可監(jiān)測生物材料中骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2）的釋放情況。然而，PET/CT由于輻射劑量明顯高于其他方法而尚未普遍應用于骨折愈合的隨訪中。目前它仍然主要用于腫瘤學的相關監(jiān)測。

4結論

骨折愈合的評估依賴于包括主觀因素在內的多種因素，是臨床工作的重要組成部分。目前的研究主要是將骨痂的形成情況作為骨折愈合的關鍵指標和預測骨折能否愈合的關鍵因素，所以對骨的生物力學和骨折愈合過程的研究有助于指導目前的臨床實踐。X光片、CT、超聲及核醫(yī)學都可作為評估骨折愈合的方式，但它們各有利弊。探究統(tǒng)一的評分系統(tǒng)和影像學體征有助于放射科醫(yī)生診斷的標準化。利用計算機輔助測量和優(yōu)化成像技術將更能提高這一復雜工作的客觀性，協(xié)助臨床醫(yī)師診斷及治療。

參考文獻：

[1]Ho-Shui-Ling A，Bolander J，Rustom LE，et al.Bone regeneration strategies：Engineered scaffolds， bioactive molecules and stem cells current stage and future perspectives[J].Biomaterials，2018， （180）：143-162.

[2]Bragdon BC，Bahney CS.Origin of Reparative Stem Cells in Fracture Healing[J].Curr Osteoporos Rep，2018，16（4）：490-503.

[3]Shi R，Huang Y，Ma C，et al.Current advances for bone regeneration based on tissue engineering strategies[J].Front Med，2018：1-29.

[4]Marsh D.Concepts of fracture union，delayed union，and nonunion[J].Clin Orthop Relat Res，1998（355 Suppl）：S22-S30.

[5]梁冠文，梁朝輝.骨不連的風險因素及診斷評估[J].中華臨床醫(yī)師雜志（電子版），2017，11（3）：479-483.

[6]Mills L，Tsang J，Hopper G，et al.The multifactorial aetiology of fracture nonunion and the importance of searching for latent infection[J].Bone Joint Res，2016，5（10）：512-519.

[7]Cook GE，Bates BD，Tornetta P，et al.Assessment of Fracture Repair[J].J Orthop Trauma，2015，29（Suppl 12）：S57-S61.

[8]Morshed S.Current options for determining fracture union[J].Adv Med，2014：708574.

[9]Fisher N，Driesman AS，Konda S，et al.Patient Reported Pain After Successful Nonunion Surgery：Can We Completely Eliminate It？[J].J Orthop Trauma，2018，32（2）：e59-e63.

[10]Yoshida T，Kim WC，Oka Y，et al.Monitoring of Callus Maturation and Measurement of Resistance Rates Using Bioelectrical Impedance for Patients Treated With an External Fixator[J]. Orthopedics，2018，41（1）：54-58.

[11]Peterburs B，Mittelstaedt A，Haas P，et al.Biomechanical and histological analyses of the fracture healing process after direct or prolonged reduction[J].Eur J Med Res，2018，23（1）：39.

[12]Eastaugh-Waring SJ，Joslin CC，Hardy JR，et al.Quantification of fracture healing from radiographs using the maximum callus index[J].Clin Orthop Relat Res，2009，467（8）：1986-1991.

[13]Whelan DB，Bhandari M，Stephen D，et al.Development of the radiographic union score for tibial fractures for the assessment of tibial fracture healing after intramedullary fixation[J].J Trauma，2010，68（3）：629-632.

[14]Tawonsawatruk T，Hamilton DF，Simpson AH.Validation of the use of radiographic fracture-healing scores in a small animal model[J].J Orthop Res，2014，32（9）：1117-1119.

[15]Frank T，Osterhoff G，Sprague S，et al.The radiographic union score for hip （RUSH） identifies radiographic nonunion of femoral neck fractures[J].Clin Orthop Relat Res，2016，474（6）：1396-1404.

[16]Patel SP，Anthony SG，Zurakowski D，et al.Radiographic scoring system to evaluate union of distal radius fractures[J].J Hand Surg Am，2014，39（8）：1471-1479.

[17]Perlepe V，Omoumi P，Larbi A，et al.Can we assess healing of surgically treated long bone fractures on radiograph？ [J].Diagn Interv Imaging，2018，99（6）：381-386.

[18]Salih S，Blakey C，Chan D，et al.The callus fracture sign：a radiological predictor of progression to hypertrophic non-union in diaphyseal tibial fractures.Strategies Trauma Limb Reconstr[J].Strategies in Trauma&Limb; Reconstruction，2015，10（3）：149-153.

[19]Duryea J，Evans C，Glatt V.Image Analysis Software as a Strategy to Improve the Radiographic Determination of Fracture Healing[J].J Orthop Trauma，2018，32（9）：e354-e358.

[20]Field JR，Ruthenbeck GR.Qualitative and Quantitative Radiological Measures of Fracture Healing[J].Vet Comp Orthop Traumatol，2018，31（1）：1-9.

[21]Schweizer A，Mauler F，Vlachopoulos L，et al.Computer-Assisted 3-Dimensional Reconstructions of Scaphoid Fractures and Nonunions With and Without the Use of Patient-Specific Guides：Early Clinical Outcomes and Postoperative Assessments of Reconstruction Accuracy[J].J Hand Surg Am，2016，41（1）：59-69.

[22]O′Neill KR，Stutz CM，Mignemi NA，et al.Micro-com-uted tomography assessment of the progression of fracture healing in mice[J].Bone，2012，50（6）：1357-1367.

[23]王超，朝俊濤，胡銘，等.CT 運動偽影在肋骨骨折中的辨別及對策[J].醫(yī)學信息，2017，30（4）：268-269.

[24]Mallinson PI，Coupal TM，McLaughlin PD，et al.Dual-Energy CT for the Musculoskeletal System[J].Radioligy，2016，281（3）：690-707.

[25]Pozza S，De Marchi A，Albertin C，et al.Technical and clinical feasibility of contrast-enhanced ultrasound evaluation of long bone non-infected nonunion healing[J].Radiol Med，2018，123（9）：703-709.

[26]Wawrzyk M，Sokal J，Andrzejewska E，et al.The Role of Ultrasound Imaging of Callus Formation in the Treatment of Long Bone Fractures in Children[J].Pol J Radiol，2015，80（1）：473-478.

[27]Pozzi A，Risselada M，Winter MD.Assessment of fracture healing after minimally invasive plate osteosynthesis or open reduction and internal fixation of coexisting radius and ulna fractures in dogs via ultrasonography and radiography[J].J Am Vet Med Assoc，2012，241（6）：744-753.

[28]Niikura T，Lee SY，Sakai Y，et al.Comparison of radiographic appearance and bone scintigraphy in fracture nonunions[J].Orthopedics，2014，37（1）：e44-50.