剪切波彈性成像評價膝關節軟骨早期退變

安秀艷，黃春旺，叢淑珍，周瑞莉，尚詩瑤，錢 雋

廣東省醫學科學院//廣東省人民醫院超聲科，廣東 廣州510080

膝關節骨性關節炎（KOA）是膝關節的局部損傷、炎癥和慢性勞損引起關節面軟骨變性，軟骨下骨板反應性骨損，導致膝關節出現一系列癥狀和體征，確定軟骨退變程度對了解KOA的病理生理學和臨床進展具有重要意義［1-2］。近年來超聲檢查檢測骨關節及其周圍軟組織的臨床價值正逐漸受到重視，一些研究表明超聲檢查軟骨厚度效果良好［3-4］。在關節軟骨損傷早期，超聲圖像上就可以出現聲學信號異常。既往提出的超聲評估股骨髁軟骨退變的半定量分級方法，跟組織學評級的相關性很好［5］。近年來彈性成像是超聲研究的熱點，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參數。由于剪切波彈性成像（SWE）中所需的組織內剪切波可以通過超聲設備的聲輻射力激發產生［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，較應變彈性成像更具優勢。目前，SWE 技術已經成功應用于乳腺、肝臟等疾病的臨床診斷［7-8］，但是對于軟骨研究很少。本研究目的是初步探討SWE測量正常人體內膝關節不同部位軟骨彈性模量，并與早期KOA患者膝關節軟骨的彈性值進行對照研究，以期望對臨床早期診斷提供參考價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

試驗組納入標準：因膝關節疼痛不適就診且只有一側關節受累的患者，視覺模擬評估法（VAS）［9］1～6級，按Kazam超聲評級標準0～2級［10］，正常為0級；軟骨表面粗糙為1級；軟骨局部缺損，未及全層為2級；軟骨局部全層缺損為3級；軟骨局部全層缺損，伴有軟骨下骨破壞為4級。對照組納入標準：志愿者需體健，無吸煙、酗酒史。排除標準：由風濕類風濕病、痛風性關節炎、自身免疫疾病、慢性腎病、內分泌疾病、長期服藥史、關節外傷或手術史等引起關節病變的疾患。本研究雙側膝關節受累病例剔除。最終共納入試驗組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差異無統計學意義，具有可比性。本研究得到了機構倫理委員會的批準，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，儀器內置SWE技術。

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

1.2.2 方法 本實驗中，由一位高年資骨科副主任醫師采用VAS評分對受試者的主訴癥狀和活動功能進行評分。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。讓病人根據自我感覺在橫線上劃一記號，表示疼痛的程度。患者被要求對過去一個月中受累膝關節的疼痛嚴重程度給出一個平均估計。1～3級為輕度疼痛，4～6級為中度疼痛，7～10級為重度疼痛。

首先進行常規超聲檢查，患者取仰臥位于檢查床上，膝關節屈曲至最大角度，采用肌骨模式，將超聲探頭置于髕骨上緣進行橫縱掃查，可顯示股骨內外側髁、髁間區軟骨；在掃查過程中，調整探頭角度，使入射聲波盡量垂直于關節軟骨表面，盡可能清晰地顯示軟骨，選取成像質量良好的圖像，測量股骨髁間區、內側髁處關節軟骨厚度（圖1）。在不施壓的情況下切換至SWE模式，量程為0～180 kPa，當剪切波信號穩定的時候，即儀器右上角顯示M-STB index達到5顆星時采集圖像。我們在同一圖像上選擇3個相鄰直徑1 mm的感興趣區（ROI），用儀器提供的Q-BOXTM定量測量楊氏模量，取平均值，將3次測量結果進行平均作為最終測量結果。

1.3 統計學方法

采用SPSS22.0統計軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差表示，通過Shapiro-Wilk檢驗確定參數的正態分布，同一觀察者比較行配對t檢驗，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組軟骨厚度及楊氏模量結果

通過Shapiro-Wilk檢驗確定本研究的參數服從或近似服從正態分布。試驗組髁間區、內側髁、對照組髁間區、內側髁軟骨厚度分別為0.225±0.025、0.217±0.026、0.235±0.023、0.209±0.019 mm；試驗組髁間區、內側髁、對照組髁間區、內側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 組內不同部位軟骨厚度及楊氏模量比較

試驗組髁間區軟骨厚度大于內側髁軟骨厚度，髁間區軟骨楊氏模量小于內側髁軟骨楊氏模量，差異有統計學意義（P=0.001、0.000，表1）；對照組髁間區軟骨厚度大于內側髁軟骨厚度，髁間區軟骨楊氏模量小于內側髁軟骨楊氏模量，差異有統計學意義（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

試驗組與對照組髁間區軟骨厚度、內側髁軟骨厚度比較，差異均無統計學意義（P=0.179、0.321，表1）。試驗組髁間區軟骨楊氏模量、內側髁軟骨楊氏模量大于對照組，差異有統計學意義（P=0.000、0.000）。

3 討論

KOA在骨科疾病中發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、活動障礙等臨床表現，因此對KOA的早期診斷、治療及預防具有重要的臨床意義。KOA最本質、最初的變化是軟骨的損傷、退變［12］。國際骨性關節炎研究協會的骨性關節炎組織學分級標準［13］將軟骨退變的組織學表現分為7級，0級為正常，Ⅰ～Ⅲ級病變被認為是處于骨性關節炎的早期，若能在Ⅰ～Ⅲ級對軟骨的退變做出診斷，就可以進行有效干預，阻止或延緩KOA進展。

X線片是骨科最常用的臨床檢查手段，但是對于關節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0.36 mm，但也無法顯示國際骨性關節炎研究協會評分為Ⅰ級和Ⅱ級的病變［15-17］；且MRI檢查費用昂貴，檢查耗時長，不易廣泛開展。超聲檢查是一種無創、無輻射、價格低廉的影像學檢查方法，它對于檢測膝關節軟骨及關節周圍軟組織的臨床價值正逐漸受到重視。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。由于剪切波的波長、頻率、振幅等屬性由可以通過SWE 設備進行精確的量化調節控制，因此理論上受操作者的影響較小。但在實際操作中，由于膝關節表面呈弧形，而SWE要求在檢查時良好地貼合組織而不施加任何壓力，操作者的技術操作對圖像質量、檢測結果還是有較大影響的，郝云霞等研究也認為在施加壓力時，組織彈性會發生變化，剪切波速度也會發生變化［19-20］。本研究認為患者體位按要求擺好、固定，操作者肘關節有支架支撐，膝關節表面涂上5～10 mm深度的耦合劑，可以明顯改善圖像質量，提高測量準確性。

本研究發現，在試驗組與對照組組內比較髁間區軟骨厚度大于內側髁軟骨厚度，相關系數高，這與既往研究結果一致［1］。兩組組間軟骨厚度比較差異無統計學意義，這與本研究設計相符，篩選KOA早期軟骨還沒有明顯形變的病例作為研究對象。

本研究在測量軟骨楊氏模量時，由于部分軟骨厚度達不到2 mm，因而取1 mm2為感興趣區，且盡量遠離骨表面。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，因為本研究是研究軟骨彌漫性病變而非局限型病變，將3次臨近位置測量結果進行平均作為最終測量結果。

有研究顯示25例有病理學改變的股骨遠端軟骨彈性應變率比值高于25例正常軟骨的應變率比值，認為彈性成像是顯示病理軟骨的有效工具［2］；其還首次應用SWE技術評價OA對股骨遠端軟骨的影響，認為研究組內側髁和髁間區的彈性模量明顯高于對照組。本研究顯示，兩組組內比較髁間區楊氏模量小于內側髁楊氏模量，這可能與內側髁位置較淺、能量衰減較少有一定關系。組間比較試驗組髁間區及內側髁軟骨的楊氏模量均大于對照組，表明KOA早期軟骨的楊氏模量值比正常人群稍有增加，結果與現有研究結果相似［21-22］。根據胡克定律，在組織的彈性限度內，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，也證實了SWE對軟骨早期退變有一定檢測能力。

綜上，本研究初步探討了SWE在體定量評價膝關節關節軟骨的力學性能，早期KOA患者膝關節髁間區及內側髁軟骨楊氏模量均大于正常人群，為臨床早期診斷和干預開辟了新的道路。本研究局限性在于樣本量較小，今后需進一步收集病例以證實本研究結果；另外也可將BMI及病程等因素納入分析，進一步研究這些因素對結果的影響。