OCT在骨关节炎的应用进展

陈志达等

【摘 要】 现阶段诊断骨关节炎的影像学方法虽然很多，但各有其不足。采取有效的方法检测早期关节软骨损伤和退变对保护和修复软骨非常重要。光学相干断层成像是一项新的光扫描断层显像技术，能动态观察并反映关节软骨组织学横断面影像的高分辨率新型无损成像技术。文章介绍光学相干断层成像应用于骨关节炎的进展。

【关键词】 骨关节炎；光学相干断层成像；应用进展

doi：10.3969/j.issn.2095-4174.2015.07.017

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是主要涉及骨骼、软骨、半月板、韧带和滑膜组织的退变，逐渐发展到影响整个关节运动功能的退行性关节病[1]。OA的病理变化以关节软骨退变和骨赘形成为特征，好发于膝关节[2]。其发病率也随人口老龄化的进展逐年增高[1，3]。OA的发病机制是多因素的，但最终导致胶原蛋白的分解和软骨细胞的破坏[4]。目前临床上评估关节软骨损伤情况和诊断OA的影像学检查包括X线、CT、MRI、超声和关节镜检查等，但它们均无法可靠地诊断早期软骨损伤和退变。有实验证据表明，发生在关节软骨细胞的分解代谢障碍可能是可逆的[5]。因此，临床上采用有效的检查方法检测早期软骨损伤和退变，保护和修复软骨显得非常重要。光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）是一项能动态观察并反映关节软骨组织学横断面影像的高分辨率新型无损成像技术[6-11]。本文介绍OCT作为一种新的检查技术运用于OA的进展。

1 目前运用于OA的影像学手段

1.1 X线 X线是目前临床上诊断OA最常用的方法。OA的X线片（站立或负重位）表现为：关节间隙变窄、关节内游离体、关节半脱位、关节对线不良、软骨下骨硬化和/或囊性变、关节缘骨赘形成等[12]。X线主要通过测量关节间隙的宽度变化来间接反映关节软骨退变程度。然而早期OA的X线表现无明显异常，随着时间的发展，关节软骨的进一步破坏，才能在X线片上显示出来，此时，病变往往已经发展到了晚期，OA病理改变已经是不可逆了，错过早期预防和治疗的黄金时机[13]。另外，Hunter等[14]研究发现，X线投照角度及半月板退变、吸收等改变也可导致关节间隙变窄。

X线片只能片面反映关节软骨退变程度，而不能排除关节内其他非骨性结构的病变。因此，单纯的X线片不能成为一个客观指标来反映关节软骨的病变程度。

1.2 CT CT能发现X线检查所能看到的全部征象，并早期精确地了解关节结构的以下微细变化。①骨质增生：CT能清晰地显示关节骨端、骨关节面、关节边缘骨赘及关节内游离体。于晓明[15]认为，膝OA患者的CT影像中，髁间嵴增生为其主要表现。②半月板疾患[16]：CT表现为半月板失去正常的形态及轮廓，出现膨隆、凸出；主要有半月板局限性低密度、边缘模糊征及轮廓改变、半月板裂隙征及真空征等。③关节软组织改变：包括关节囊肿胀、关节腔积液等。关节囊肿胀在CT上可观察到软组织密度的关节囊肿胀、增厚，OA伴关节腔积液在CT上表现为关节腔内水样密度。④关节软骨退变：CT可清晰地显示关节软骨下细微的骨质破坏。CT能发现骨关节面中断或消失、关节间隙变窄、软骨下骨质囊变和关节面边缘骨赘形成等关节退行性变的各种征象。但CT的软组织分辨率比MRI和超声低，难以直接观察关节软骨的变性坏死，因此，对早期OA的诊断也是很有限的。

1.3 超 声 超声具有较高的分辨率，可显示关节软骨表面结构、厚度变化，从而推断其病变的性质、程度及范围。超声能直接显示关节软骨的观点已经得到肯定[17]。OA患者的超声影像中早期表现为关节软骨边缘模糊、毛糙，软骨低回声带变薄甚至部分缺损，严重者可出现软骨低回声带消

失[18]。但是超声无法穿过骨质观察关节软骨下骨的变化。并且超声所能观察的界面较小，无法得到完整图像，有时不能全面显示关节内的细微改变。超声对诊断操作人员的要求还较高，一般骨科大夫对超声显像的认识不是很深入，所以，超声在OA的早期诊断中应用不是很广泛。

1.4 MRI MRI作为一种非创伤性的检查方法，能够直接显示关节软骨的厚度、轮廓形态和信号改变[19]。构成软骨基质的大分子和水是MRI定量和定性显影关节软骨的基础[20]。通过MRI测得软骨基质成分的变化可在关节软骨出现明显形态学破坏前发现软骨病变。具体表现为关节软骨面的毛糙，关节软骨的破坏，软骨面下的囊状改变以及髌骨、股骨髁、胫骨髁的局灶性信号异常等。但关节软骨内软骨细胞的差异分布及不同软骨区域有着不同来源的胶原纤维，阻止MRI提供准确的、能作为正常参考的体积测量[21]。同时，显像时间过长以及费用问题限制了其监测OA的应用。

1.5 关节镜 关节镜检查能直观地观察关节内部结构变化，全面地掌握关节内非骨性结构的病变范围、程度，并且对OA的早期病理状态有直观了解和把握。关节镜检查虽能较准确地诊断关节软骨表面病变，但也存在弊端：①关节镜检查是一种侵入性的检查，可能引起软组织损伤及感染等并发症，对多数间隙小的小关节不适用。②观察视野小，存在盲区，只能观察局部关节组织的表面部分，有时无法全面显示关节内的细微改变。③主观性强，要求操作者有熟练的技术和丰富的经验。④依从性差，患者对关节镜存在恐惧，很少有OA患者早期接受关节镜检查。所以，关节镜诊断的准确性受到质疑。因此，在早期OA的诊断中应用关节镜并不是最佳方法。

2 OCT

2.1 成像原理[22-24] OCT的成像原理与B超相似。不同的是OCT用光波代替了声波，通过不同组织对光的反射、吸收及散射能力的不同来成像。由发光二极管发出的低相干光传到干涉仪后分为两束，分别进入探测光路及参照光路。由于不同深度的被检组织的空间结构不同，其对光的反射或折射的特性也不同，此光线与参照光路反射回来的光线之间会产生时间差，即光学延长时间，应用低相干光干涉度量学原理检测此时间差，可获得组织反射的幅度和时间延迟信息，经计算机处理后形成被检组织某一点的一维伪彩色断层图像。OCT图像的轴向分辨率由光学范围的测量分辨率决定，约为4～15 ?m，聚焦的光束大小决定其横向分辨率，约为20～25 ?m，其分辨率大小亦与图像大小有关。

2.2 用于早期OA诊断 OCT运用于早期OA的诊断，主要是因为正常的关节软骨存在胶原纤维而呈现双折射[25]。Cernohorsky等[9]研究表明，正常软骨对OCT偏振光敏感，可以使用偏振OCT（polarization sensitive OCT，PS-OCT）对软骨的双折射进行评价。早期OA关节软骨的胶原纤维排列杂乱无章。Drexler等[26]检验了用OCT扫描的OA软骨的偏振性和用偏振显微镜观察的同一软骨的胶原纤维变化的关系，结果发现，在OA关节软骨中偏光显微镜所观察到胶原纤维分解是PS-OCT正常情况下双折射的损失。此外，对关节软骨的代谢性研究表明，OCT双折射损失可能是早期软骨退变的一个标志。通过对软骨进行体外培养测量胰岛素样生长因子-1（IGF-1）和蛋白多糖的合成，发现OCT扫描双折射有损失的软骨细胞合成IGF-1慢，而双折射完整的蛋白多糖、IGF-1合成快。软骨细胞生长因子合成变慢和胶原纤维的微观结构解体出现在软骨退变的早期阶段。这些研究证实了OCT用于真实地反映早期软骨病变[5，7]。

2.3 监测OA的动物模型 OA的病因尚未明确，许多动物模型被用来研究OA的病因、病机及治疗。但目前的检查措施无法实时监测这些动物模型OA的发展过程。多项研究表明，早期阶段的手术和医疗干预可以改变关节软骨的破坏[27-30]。这就需要一个高分辨率和微创成像方式来评估和跟踪软骨变化。目前可使用的非侵入性的成像方式有X线、CT、MRI。MRI通过三维成像来显示关节的结构，但其分辨率超过100 ?m，无法评估关节软骨的早期变化[31]。X线和CT也同样受限于它们的分辨率。侵入性的成像方式包括关节镜和高频超声。高频超声只有大约80～90 ?m的分辨率，关节镜必须插入组织内才能检测，也只能观察OA形成后软骨表面变化。这两种侵入性的成像方式均不利于日常监测[24]。OCT的出现解决了以上的难题。①OCT图像的轴向分辨率约为4～15 ?m，高于CT、MRI、超声分辨率的20倍以上。因此可以真实地反映关节内情况。②它基于光纤，允许使用小的内窥镜和手持式探头，整个仪器小型和轻便，适用于临床及科研使用。目前，最小的OCT探头直径为0.36 mm[23]。③OCT可以通过空气或生理盐水为介质，而不需要直接与组织接触。④OCT高达每秒8帧的图像采集率，使所得的图像接近无

损[32]。Roberts等[23]通过OCT监测大鼠OA模型进展，结果发现，OCT能观察到早期软骨表面纤颤、软骨厚度和骨软骨之间的变化。Patel等[33]通过在大鼠膝关节内注射碘乙酸钠使关节软骨厚度逐渐减小，通过PS-OCT观察到软骨胶原纤维结构解体。这项研究表明，OCT能够实时地监测、评估OA的动物模型。

2.4 分析关节软骨修复 关节软骨主要是由少量的软骨细胞和细胞外基质组成的无血管组织，退化、创伤、炎症等病因常常导致关节软骨缺损，但关节软骨的自身修复能力有限。而且有研究表明，关节软骨再生的是纤维软骨而不是透明软骨，不符合生物力学要求[34]。因此，如何修复关节软骨的破坏和缺损，已成为科研和临床的一大挑战[35]。细胞移植为解决关节软骨缺损修复提供了新的方法[36]。细胞移植后修复软骨缺损能获得很好的效果，但存在着许多问题[37-39]：①软骨细胞的来源有限，费用高；②骨膜肥厚；③移植分层；④与组织结合力差等。这就需要非侵入性、无损的检查技术来分析软骨的修复，评估治疗过程。OCT能穿透到软骨下超过2～3 mm，加之超高的分辨率，可应用于组织工程[40-41]。Han等[42]通过自体软骨细胞移植到家兔缺损的膝关节软骨中，比较OCT与关节镜、组织切片所得到的图像，4周后发现OCT能识别骨膜肥厚程度，24周后能发现软骨微小纤颤。这与进行组织切片放大20倍的效果一样，更重要的是它还能检测移植的软骨细胞与组织之间的嵌合距离。该研究也评估了OCT的安全性，说明OCT能在不损伤组织情况下实时观察关节软骨修复，可以通过它及时对动物模型进行组织学分析。

2.5 检测软骨硬度变化 很多组织病变如纤维化、退化、水肿往往伴随着力学特性的改变。而力学特性的改变又是软骨早期退化或者修复质量不佳的重要表现[43]。有必要寻求一种定量化的客观评价组织力学特性改变的测量方法。弹性成像作为一种新的成像模式，可以获得组织内部不同地方的弹性对比度[44]。印压实验是其中一种操作简单的测量方法，并被广泛使用。黄燕平等[43]基于OCT研究出了气冲印压系统。利用气柱产生印压作用，通过用OCT完成对组织形变的追踪，可以测试关节软骨的初始厚度和形变。实验结果表明，该系统可以用于软骨力学特性的定量检测。气冲印压系统在研究软骨光学及力学特性方面发展前景广阔，基于OCT不仅可以定性分析软骨病变中微小的形态结构变化，还可以定量获得软骨厚度[45]、折射系数[45]、表面粗糙度[46]和光学反射系数[46]等参数来客观分析软骨状态的改变，在关节软骨方面的研究有很广阔的发展前景。

3 讨 论

OCT在国外已被广泛运用于OA关节软骨方面的临床和科研；在国内却仅仅局限于眼科、皮肤科、牙科的临床运用，其中以眼科的临床运用最成功。OCT具有X线、CT、MRI、超声和关节镜检查等无法比拟的优点。①安全性高：OCT采用光学原理，不会产生电离辐射，不会损伤关节内部结构，是一种安全的、非侵入的成像诊断技术。②分辨率高：相对于MRI、超声，OCT的分辨率大大提高。IV代OCT的轴向分辨率达到5 ?m。③扫描速度快，信噪比高，几乎没有运动伪影，所得的图像达到无损。④数据量大，信息丰富：不仅能观察关节组织的表面部分，而且能显示其内部结构和生化改变。⑤活体组织直接成像，不需要制备样本，成像过程也不需要接触被成像的组织。节约了大量的人力和物力。目前也存在缺点：虽然其分辨率高，但成像深度有限，只有2～3 mm。而关节软骨横断面的深度约200～300 ?m，深度越大，光线无散射的射出表面的比例就越小，以至于无法检测到。如何将光纤偏振滤光器被引入到OCT系统中，提高OCT成像深度，将是今后的一个研究方向。OCT仍处于早期发展阶段，需要更多的科研和临床研究，才能使它成为临床常规检查技术。

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收稿日期：2015-03-18；修回日期：2015-05-10