剪切波弹性成像评价膝关节软骨早期退变

安秀艳，黄春旺，丛淑珍，周瑞莉，尚诗瑶，钱 隽

广东省医学科学院//广东省人民医院超声科，广东 广州510080

膝关节骨性关节炎（KOA）是膝关节的局部损伤、炎症和慢性劳损引起关节面软骨变性，软骨下骨板反应性骨损，导致膝关节出现一系列症状和体征，确定软骨退变程度对了解KOA的病理生理学和临床进展具有重要意义［1-2］。近年来超声检查检测骨关节及其周围软组织的临床价值正逐渐受到重视，一些研究表明超声检查软骨厚度效果良好［3-4］。在关节软骨损伤早期，超声图像上就可以出现声学信号异常。既往提出的超声评估股骨髁软骨退变的半定量分级方法，跟组织学评级的相关性很好［5］。近年来弹性成像是超声研究的热点，可以提供软组织弹性模量信息，其是决定组织抗变形能力的重要力学参数。由于剪切波弹性成像（SWE）中所需的组织内剪切波可以通过超声设备的声辐射力激发产生［6］，无需直接的接触，受操作者的影响较小，且可以用于较深部组织的检测，较应变弹性成像更具优势。目前，SWE 技术已经成功应用于乳腺、肝脏等疾病的临床诊断［7-8］，但是对于软骨研究很少。本研究目的是初步探讨SWE测量正常人体内膝关节不同部位软骨弹性模量，并与早期KOA患者膝关节软骨的弹性值进行对照研究，以期望对临床早期诊断提供参考价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

试验组纳入标准：因膝关节疼痛不适就诊且只有一侧关节受累的患者，视觉模拟评估法（VAS）［9］1～6级，按Kazam超声评级标准0～2级［10］，正常为0级；软骨表面粗糙为1级；软骨局部缺损，未及全层为2级；软骨局部全层缺损为3级；软骨局部全层缺损，伴有软骨下骨破坏为4级。对照组纳入标准：志愿者需体健，无吸烟、酗酒史。排除标准：由风湿类风湿病、痛风性关节炎、自身免疫疾病、慢性肾病、内分泌疾病、长期服药史、关节外伤或手术史等引起关节病变的疾患。本研究双侧膝关节受累病例剔除。最终共纳入试验组20例，男8例，女12例，年龄40～69岁（53.85±9.22岁），BMI 18.66～31.14 kg/m2（23.99±3.43 kg/m2）。对照组20例，男9例，女11例，年龄40～67 岁（51.90±8.70 岁），BMI 17.26～26.56 kg/m2（22.85±2.27 kg/m2）。两组年龄与BMI差异无统计学意义，具有可比性。本研究得到了机构伦理委员会的批准，在参与研究之前，所有患者和志愿者都被告知程序，并获得书面知情同意。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪器 应用深圳迈瑞mindray Resona 8超声诊断仪，高频线阵探头，频率4～15 MHz，仪器内置SWE技术。

图1 早期KOA患者髁间区软骨SWE图像Fig.1 SWE image of cartilage in the intercondylar area of an early KOApatient.

1.2.2 方法 本实验中，由一位高年资骨科副主任医师采用VAS评分对受试者的主诉症状和活动功能进行评分。具体的使用方法为：在纸上面划一条约10 cm的横线，横线的一端为0，表示无痛；另一端为10，表示剧痛；中间部分表示不同程度的疼痛。让病人根据自我感觉在横线上划一记号，表示疼痛的程度。患者被要求对过去一个月中受累膝关节的疼痛严重程度给出一个平均估计。1～3级为轻度疼痛，4～6级为中度疼痛，7～10级为重度疼痛。

首先进行常规超声检查，患者取仰卧位于检查床上，膝关节屈曲至最大角度，采用肌骨模式，将超声探头置于髌骨上缘进行横纵扫查，可显示股骨内外侧髁、髁间区软骨；在扫查过程中，调整探头角度，使入射声波尽量垂直于关节软骨表面，尽可能清晰地显示软骨，选取成像质量良好的图像，测量股骨髁间区、内侧髁处关节软骨厚度（图1）。在不施压的情况下切换至SWE模式，量程为0～180 kPa，当剪切波信号稳定的时候，即仪器右上角显示M-STB index达到5颗星时采集图像。我们在同一图像上选择3个相邻直径1 mm的感兴趣区（ROI），用仪器提供的Q-BOXTM定量测量杨氏模量，取平均值，将3次测量结果进行平均作为最终测量结果。

1.3 统计学方法

采用SPSS22.0统计软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差表示，通过Shapiro-Wilk检验确定参数的正态分布，同一观察者比较行配对t检验，两组间比较采用独立样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组软骨厚度及杨氏模量结果

通过Shapiro-Wilk检验确定本研究的参数服从或近似服从正态分布。试验组髁间区、内侧髁、对照组髁间区、内侧髁软骨厚度分别为0.225±0.025、0.217±0.026、0.235±0.023、0.209±0.019 mm；试验组髁间区、内侧髁、对照组髁间区、内侧髁软骨杨氏模量分别为24.17±3.85、25.94±3.55、19.93±2.69、21.59±2.57 kPa（表1）。

2.2 组内不同部位软骨厚度及杨氏模量比较

试验组髁间区软骨厚度大于内侧髁软骨厚度，髁间区软骨杨氏模量小于内侧髁软骨杨氏模量，差异有统计学意义（P=0.001、0.000，表1）；对照组髁间区软骨厚度大于内侧髁软骨厚度，髁间区软骨杨氏模量小于内侧髁软骨杨氏模量，差异有统计学意义（P=0.000、0.000）。

表1 两组不同部位软骨厚度与杨氏模量比较Tab.1 Comparison of cartilage thickness and Young's modulus in different parts of the two groups

2.3 组间不同部位软骨厚度及杨氏模量比较

试验组与对照组髁间区软骨厚度、内侧髁软骨厚度比较，差异均无统计学意义（P=0.179、0.321，表1）。试验组髁间区软骨杨氏模量、内侧髁软骨杨氏模量大于对照组，差异有统计学意义（P=0.000、0.000）。

3 讨论

KOA在骨科疾病中发生率很高且呈明显的上升趋势［11］，它可以引起疼痛、僵硬、畸形、活动障碍等临床表现，因此对KOA的早期诊断、治疗及预防具有重要的临床意义。KOA最本质、最初的变化是软骨的损伤、退变［12］。国际骨性关节炎研究协会的骨性关节炎组织学分级标准［13］将软骨退变的组织学表现分为7级，0级为正常，Ⅰ～Ⅲ级病变被认为是处于骨性关节炎的早期，若能在Ⅰ～Ⅲ级对软骨的退变做出诊断，就可以进行有效干预，阻止或延缓KOA进展。

X线片是骨科最常用的临床检查手段，但是对于关节早期的软组织退变的检测不够敏感［14］。MRI能够直接显示软骨，其分辨率可达0.36 mm，但也无法显示国际骨性关节炎研究协会评分为Ⅰ级和Ⅱ级的病变［15-17］；且MRI检查费用昂贵，检查耗时长，不易广泛开展。超声检查是一种无创、无辐射、价格低廉的影像学检查方法，它对于检测膝关节软骨及关节周围软组织的临床价值正逐渐受到重视。SWE可以通过剪切波速度推算组织硬度［18］，提供定量诊断的依据。由于剪切波的波长、频率、振幅等属性由可以通过SWE 设备进行精确的量化调节控制，因此理论上受操作者的影响较小。但在实际操作中，由于膝关节表面呈弧形，而SWE要求在检查时良好地贴合组织而不施加任何压力，操作者的技术操作对图像质量、检测结果还是有较大影响的，郝云霞等研究也认为在施加压力时，组织弹性会发生变化，剪切波速度也会发生变化［19-20］。本研究认为患者体位按要求摆好、固定，操作者肘关节有支架支撑，膝关节表面涂上5～10 mm深度的耦合剂，可以明显改善图像质量，提高测量准确性。

本研究发现，在试验组与对照组组内比较髁间区软骨厚度大于内侧髁软骨厚度，相关系数高，这与既往研究结果一致［1］。两组组间软骨厚度比较差异无统计学意义，这与本研究设计相符，筛选KOA早期软骨还没有明显形变的病例作为研究对象。

本研究在测量软骨杨氏模量时，由于部分软骨厚度达不到2 mm，因而取1 mm2为感兴趣区，且尽量远离骨表面。仪器提供的Q-BOXTM定量测量参考值中有最大值、平均值等，本研究采用平均值，因为本研究是研究软骨弥漫性病变而非局限型病变，将3次临近位置测量结果进行平均作为最终测量结果。

有研究显示25例有病理学改变的股骨远端软骨弹性应变率比值高于25例正常软骨的应变率比值，认为弹性成像是显示病理软骨的有效工具［2］；其还首次应用SWE技术评价OA对股骨远端软骨的影响，认为研究组内侧髁和髁间区的弹性模量明显高于对照组。本研究显示，两组组内比较髁间区杨氏模量小于内侧髁杨氏模量，这可能与内侧髁位置较浅、能量衰减较少有一定关系。组间比较试验组髁间区及内侧髁软骨的杨氏模量均大于对照组，表明KOA早期软骨的杨氏模量值比正常人群稍有增加，结果与现有研究结果相似［21-22］。根据胡克定律，在组织的弹性限度内，杨氏模量越大，组织硬度越高［23］，因此KOA早期软骨硬度增加，产生形变能力下降，软骨容易受磨损，这与病理改变相符合，也证实了SWE对软骨早期退变有一定检测能力。

综上，本研究初步探讨了SWE在体定量评价膝关节关节软骨的力学性能，早期KOA患者膝关节髁间区及内侧髁软骨杨氏模量均大于正常人群，为临床早期诊断和干预开辟了新的道路。本研究局限性在于样本量较小，今后需进一步收集病例以证实本研究结果；另外也可将BMI及病程等因素纳入分析，进一步研究这些因素对结果的影响。