膝關節軟骨下骨不全骨折影像學征象、手術時機選擇研究進展

劉曉嵐,覃瀅,肖運平*

(1.右江民族醫學院研究生學院,廣西 百色 533000;2.廣西柳州市人民醫院放射科,廣西 柳州 545006;3.柳州市分子影像重點實驗室,廣西 柳州 545006)

膝關節軟骨下骨不全骨折(subchondral insufficiency fracture of the knee,SIFK)過去被稱為膝關節自發性骨壞死(spontaneous osteonecrosis of the Knee,SONK),最新的文獻[1]指出SONK一詞錯誤地描述了該病的病因和發病機制,用術語“膝關節軟骨下骨不全骨折”(subchondral insufficiency fracture of the knee,SIFK)會更準確。目前研究[2]普遍支持SONK是SIFK的終末期表現。SIFK常表現為60 歲以上的女性在無明顯誘因下出現膝關節疼痛,多局限于單側膝關節內側間室,股骨內側髁是最常見的位置。SIFK的早期發現及治療至關重要,但人們對這一疾病的認識仍較局限,有關該疾病的病因學、發病機制、影像學評估及手機時機選擇等尚有爭議,筆者綜述如下。

1 病因學及發病機制

目前,SIFK的病因及發病機制尚不清楚,目前最常見的是應力源性理論和血管源性理論[3]。應力源性理論認為[4]SIFK與低骨礦物質密度、半月板后根部撕裂、半月板突出、脛骨近端內翻畸形等因素有關。血管源性理論認為由于膝關節血供被中斷,微循環障礙引起廣泛骨髓水腫,最終發展成骨組織缺血壞死[5]。有學者[6]認為應力源性理論和血管源性理論兩個學說是相互作用的,并非單獨存在。Hatanaka等[7]對手術切除的完整SIFK標本進行組織病理學檢查,在冠狀面上觀察到一條線性骨折線且與軟骨下骨終板平行,表明早期SIFK并非原發性骨壞死,而是軟骨下骨折的結果。在一篇關于骨髓水腫綜述的報道中作者也認為SIFK的發病機制可能是機械性損傷[8]。雖然SIFK的發病機制不明,但基于上述病理學、影像學相關證據,筆者認為SIFK的首要發病機制是應力源性理論的可能性更大。

2 影像學研究進展

2.1 X線 過去MRI尚未廣泛應用于臨床時,人們根據X線對SIFK進行分期,有Koshino分期、Aglietti 分期、改良Ficat和Arlet分期以及Mont分期等[9-11](見圖1)。有研究[12]表明在X線片上早期SIFK常為陰性,當受累區域見透亮區及相應髁間隆起扁平化時提示已處于SIFK晚期階段。Tsukamoto等[13]在X線片上測量SIFK患者的股脛角(femorotibial angle,FTA)、脛骨近端內側角(medial proximal tibial angle,MPTA)進行早期診斷,發現當MPTA<84 °并有膝關節疼痛癥狀時常提示SIFK的發生,此時需行MRI檢查。但該研究屬于回顧性研究,無法明確MPTA和FTA與SIFK的因果關系,需進行前瞻性研究來探討。

a Ⅰ期 b Ⅱ期 c Ⅲ期 d Ⅳ期圖1 X線分期:Koshino分期

2.2 MRI MRI是目前普遍認可用于早期識別SIFK的手段,在觀察半月板病變、關節軟骨損傷、骨髓水腫等方面效果較好,當患者出現突然加重的膝關節疼痛、經X線檢查陰性時應進行MRI檢查避免漏診SIFK[14]。但MRI需6周左右才能在T1WI圖像上觀察到線樣低信號帶[15]。因此出現膝關節疼痛首先經X線和MRI進行診斷,若為陰性則2個月后復查[16],這樣能使SIFK的早期識別率明顯提高。

2.2.1 軟骨下骨折線及骨髓病變 如前所述,早期MRI上SIFK表現為軟骨下骨板區域線樣低信號帶,伴周圍廣泛的骨髓水腫,該線性低信號帶被認為是骨折線。Kosaka等[17]對SIFK患者骨髓病變的病理學進行評價,他們認為SIFK中的骨髓病變表現是軟骨下骨折的結果。也有研究[18]表明早期出現大面積骨髓水腫時會掩蓋骨折線的存在。骨折線有助于早期識別SIFK,但當病變部位未觀察到骨折線時并不能排除SIFK,應結合骨髓水腫等征象進行綜合判斷。

2.2.2 半月板病變 半月板對于維持膝關節功能至關重要,其可增加股骨髁和脛骨平臺的接觸面積、均勻分散膝關節表面的應力負荷,當半月板損傷時,壓力負荷也隨之發生改變[19]。如果老年患者有骨質疏松癥或軟骨及半月板變性病史時,高度警惕SIFK[20]。若伴有半月板撕裂、半月板突出、軟骨損傷時,MRI檢出率遠高于X線片[21]。學者Wu[22]提出內側半月板后根部撕裂(medial meniscus posterior root tears,MMPRTs)的發生率為69.6%,許志陽等[23]的研究推測MMPRTs導致環向應變能力喪失,脛股界面的接觸應力增加,股骨內側髁軟骨和軟骨下骨短期退變,承載負荷的功能減退,隨后繼發SIFK。在MRI上觀察到鬼影征、裂隙征、長頸鹿頸征、脛骨后部閃亮角病變時提示MMPRTs的發生[24-25]。MMPRTs的持續時間越長會引起嚴重的骨髓水腫及高級別SIFK[26]。當半月板完整的膠原纖維被破壞,環向應變能力降低,從而膠原纖維徑向向外延展引起半月板突出[27]。內側半月板突出(medial meniscal extrusion,MME)使半月板承載負荷的能力下降,類似于內側半月板部分切除或全切除術后,導致脛股內側關節軟骨承載的軸向應力過大,最終引起軟骨和軟骨下骨發生損傷、退變,導致SIFK的發生[28]。Achtnich等[29]認為正常膝關節出現生理性退變后會引起內側半月板突出,這主要由膝關節壓力負荷所決定。而宋群山等[30]的研究結果也表明骨關節炎(osteoarthritis,OA)患者的半月板突出可能與半月板自身損傷相關,特別是MMPRTs。Kim等[31]引入了一個基于撕裂間隙的新分類,MRI上可觀察到撕裂間隙與撕裂類型的增加成正比,而撕裂類型越高,半月板突出的程度越高,并出現嚴重的軟骨磨損和OA。當發生MMPRTs后受力面積減小會使膝關節生物應力增加,從而導致半月板突出。內側半月板突出會改變內側間室的應力傳導,股骨內側髁軟骨及軟骨下骨無法承載應力從而引起SIFK。MMPRTs和半月板突出與SIFK關系密切,但MMPRTs是否在SIFK發生之前就已經存在仍需進一步探討。

2.2.3 干骺端爆裂征 Vidoni等[32]觀察到MRI上受累髁的干骺端軟組織水腫是SIFK新的早期間接征象,并稱為“干骺端爆裂征”。Sayyid等[33]提出低級別SIFK和高級別SIFK的軟組織水腫分布有差異,且54.5% 的高級別SIFK與延伸非鄰近病灶周圍軟組織水腫有關,但也有學者認為[34]軟組織水腫對不良臨床結果沒有顯著影響,他們回顧性分析37例SIFK患者,發現軟組織水腫的發生率為83.7%,但最終需進行手術處理或再次發生SIFK的影響因素與軟組織水腫無關。Allam[35]的研究也提出SIFK分級與病灶周圍軟組織水腫無關聯。值得注意的是,這些研究并未設置對照組與其他膝關節疾病如OA、急性骨軟骨骨折、感染和腫瘤進行鑒別,不能說明該部位的軟組織水腫是SIFK的特異性表現,因此需要前瞻性的大樣本研究并進行長期隨訪,觀察軟組織水腫在SIFK中的作用,并進一步判斷低高級別SIFK的軟組織水腫分布及程度有無差異。當患者出現軟骨下低信號骨折線、半月板撕裂和突出、軟骨下關節面輪廓改變、鄰近軟組織水腫時預后不良的百分比較高,但軟骨下關節面輪廓塌陷是唯一與不良結果呈正比的影像學特征[34]。

2.3 平面骨閃爍顯像及SPECT/CT 平面骨閃爍顯像早期被用于診斷SIFK,隨后相關研究認為[2]其低敏感性與低特異性,不適應于SIFK的診斷。最近一項關于左股骨內側髁軟骨下骨不全骨折的研究報道[36]X線片上平面骨閃爍顯像未見異常改變,而SPECT/CT顯示病灶軟骨下區域攝取強烈。在復雜結構的評估上,SPECT/CT的敏感性明顯較平面骨閃爍顯像高,能進行三維的解剖學評估,有利于病灶定位及異常征象的顯示。當患者因相關禁忌證無法進行MRI檢查時,此檢查也是有價值的。

2.4 深度卷積神經網絡 有學者利用深度卷積神經網絡實現了SIFK和OA的鑒別[37]。該研究通過對冠狀位脂肪抑制的PDWI序列對采集的圖像進行增強、調整大小、歸一化,隨后對數據集進行訓練,最后使用ROC曲線和曲線下面積來評估人與機器的性能,發現深度卷積神經網絡在區分SIFK和OA方面非常準確,實現了與放射科專家同等或更高的性能。但該方法主要基于已有的MRI和臨床表現,缺乏病理結果。

3 手術時機參考

3.1 基于病灶大小及形態特征 李浩等[38]認為臨床癥狀較輕、病變范圍較小、關節面無塌陷的患者經保守治療后效果較好。當患者經保守治療3個月后臨床或影像學表現未改善[39]、病程大于3個月、病變缺損面積大于5 cm2時,進展至OA的風險較高,因此可評估患者年齡、膝關節活動度、下肢力線和塌陷程度選擇自體骨軟骨移植、脛骨高位截骨術、膝關節單髁置換術和全膝關節置換術等方法進行手術治療[40]。近年來有研究發現在MRI上測量病灶前后徑、橫徑、高度,三者平均總和≥26 mm或病灶前后徑≥16.5 mm、橫徑≥10.5 mm提示不良的預后[31]。Akamatsu等[41]則同時結合下肢力線和MRI病灶深度提出首次就診時FTA>180 °,MRI 的深度>20 mm,提示在癥狀發作后1年內需要進行手術治療。賀強等[42]隨訪了經保守治療1年后的Aglietti Ⅰ～Ⅱ期的90例SIFK患者,發現不僅骨壞死深度會影響SIFK的進展,當骨髓水腫面積大于髁部的50%,甚至累及骨干骺端或骨干部時,保守治療失敗率為75%,因此骨壞死深度的增加、骨密度減少、骨髓水腫面積增加進而導致手術的風險更大。一項研究測量了半月板突出的寬度與半月板自身寬度的比值,并將其定義為內側半月板相對邊緣性移位(relative percentage of extrusion,RPE),當RPE>33%提示病變進展,需進行手術治療[43]。因此,當在影像學上觀察到病灶大小和深度、RPE和骨髓水腫面積超過所界定的正常值及出現膝內翻畸形時是手術的指征。

3.2 基于X線和MRI的SIFK分期 大多數研究[6,44]認為Koshino Ⅱ期且骨髓水腫在2級以上、Koshino Ⅲ期及以上、Aglietti Ⅳ期或Ⅴ期、Mont Ⅲ期及以上時手術療效滿意。最近有新的基于MRI的SIFK分級系統(見圖2)[33]被用于SIFK危險因素及結局的評估,根據病變嚴重情況將SIFK分為高級別病變(high-grade,HG)及低級別病變(low-grade,LG),LG是指最初僅在MRI中觀察到骨折線的存在及病灶附近見骨髓水腫信號,在該分級系統中歸類為1級、2級。若出現內側半月板后根部撕裂伴半月板突出(>3 mm)、病灶較大、高級別軟骨病及關節表面塌陷中的任一表現則提示HG的發生,在該分級系統中歸類為3級、4級。在此分級系統的基礎上,Allam等[35]經研究發現高級別SIFK與同側間室高級別軟骨損傷有關,軟骨損傷僅出現在SIFK所在的間室中。該研究的不足在于難以確定SIFK所在間室的軟骨病與SIFK發生的前后關系,且該分級系統僅建立在影像學基礎上,缺乏臨床數據及病理學結果,暫未廣泛使用。因此一旦SIFK分期進展至HG,必須進行手術治療。

b 2級

c 3級

d 4級圖2 MRI分期:基于MRI的SIFK分級系統

3.3 基于人口統計學和影像學特征的SIFK評分系統 Pareek等[45]創建了一個預測關節成形術進展的模型并構建了一個用于臨床的評分系統,該模型預測進展至全膝關節置換術或膝關節單髁置換術的因素從小到大為內側半月板突出、外側半月板根部撕裂、股骨內側髁上的SIFK、K-L 4 級、外側半月板突出。該評分系統SIFK分數分為0～11分,按上述預測關節成形術從小到大排列的五大因素分別賦予分數為1分、2分、2分、2分、4分。低風險為0～2分,中風險為3～4分,高風險為>4分,結果表明低風險、中風險、高風險患者進展至關節成形術的風險依次為8.8%、40.4%、78.9%。并且發生在股骨內側髁 上的SIFK進展至關節成形術的風險較高。因此,筆者認為評估分數>4分需手術干預。但這一評分系統在SIFK其他病變部位的結果仍需探討。

3.4 基于數字化X線斷層融合成像的定量分析 Nelson等[46]經數字化X線斷層融合成像定量分析SIFK進展過程,經研究發現,斜率間隙(a slope lacunarity,Sλ)水平較高的患者發生全膝關節置換術的概率更高,這表明SIFK進展至關節置換的概率較高,與Sλ標準差的較高值和形態測量值(mean intercept length,MIL)有關。 但該研究未對軟骨下塌陷及半月板突出情況進行評估。

綜上所述,病變壞死體積及上述SIFK分期、分級系統、評分系統對于手術時機選擇具有一定指導性,但當在MRI上觀察到軟骨下骨板區域凹陷或出現廣泛液體信號的間隙,這表明已發生軟骨下骨板塌陷,已進入SIFK的晚期階段,結局是不可逆的[47]。若關節軟骨暫未受累時,除關節置換手術外也可采用關節保留手術,如膝關節鏡檢查、核心減壓、自體骨軟骨移植和骨移植[48]。即使是小病灶的SIFK,一旦發生終末期OA或軟骨下關節面塌陷,關節置換術是唯一合適的治療手段。因此需在關節面塌陷之前早期干預,避免此情況的發生。

4 總結與展望

目前,SIFK的發病機制、危險因素、預后因素等尚未完全明確,準確評估SIFK不同時期的影像學表現可為臨床診治、手術時機選擇及預后等提供一定參考。但大多數患者首次就診時通常不會將MRI作為首先檢查,而是采用X線片,一定程度上會導致SIFK的漏診。其次,將MRI中觀察到骨折線作為診斷SIFK的標準會存在一定程度的偏差,可能患者目前處于極早期階段,暫未出現可見的微觀骨折。另外,目前對于SIFK的分期標準各有差異,暫無統一的分期標準。期望未來功能影像學、分子成像技術等能在SIFK的早期診斷、預后評估上發揮更大作用,以及建立統一基于綜合影像學的SIFK分期,為臨床診治提供更客觀、科學參考。