剪切波弹性成像技术在膝关节半月板中的应用进展

叶 然，熊华花，杨俊兴，邱建文

（1.广州中医药大学深圳医院（福田）体检科，广东 518034；2.广州医科大学 研究生院，广东 510182；3.深圳市第二人民医院 超声科，广东 518025；4.广州中医药大学深圳医院（福田）骨伤科，广东 518034）

1 半月板的解剖、成分及功能

半月板是覆盖在胫骨内侧和外侧平台上的两个新月形纤维软骨，内侧半月板呈“C”形，外侧半月板呈“O”形。半月板主要由水（65%～70%）、胶原纤维（20%～25%）和蛋白多糖（＜1%）组成［1］。90%的胶原纤维是I型胶原纤维，环形排列的胶原纤维主要用于对抗外界负荷所带来的张力，而放射状排列的胶原纤维则主要为半月板提供纵向强度，避免发生纵行撕裂［2］。 胶原纤维之间分布着大量亲水性的蛋白多糖，可以将水分子吸纳入半月板组织中，有利于半月板内的液体储存［3］。

半月板的主要功能包括填充关节间隙，扩大股骨髁与胫骨之间的关节面，将轴向负荷产生的力大面积地传递到关节软骨和关节表面下，吸收冲击，分散压力，起到减震和缓冲的作用。同时可以在运动中防止膝关节过度伸展、过度弯曲和过度旋转，以及防止股骨向前滑动，起到维持关节稳定的作用。还具有调节关节滑液的分布，起到关节润滑的作用［1］。

2 半月板的常规影像学检查

随着老龄化人口的加剧及体育运动事业的开展，半月板退行性变和外伤性损伤正成为临床常见的骨关节疾病。近年来的研究表明，半月板的损伤会加速膝关节软骨病变，最终进展为膝骨性关节炎［4-6］。因此，半月板病变的早期准确诊断和积极干预治疗具有重要的临床价值。

目前诊断半月板损伤的金标准是关节镜检查，但其是一种侵入性检查，多用于半月板确诊损伤后的治疗。磁共振成像（MRI）是诊断半月板损伤的首选且无创的检查技术，有较高的信噪比、对比度噪声比、空间分辨率和对比度分辨率［7］。然而，它不允许动态评估，容易产生运动伪影，而且价格昂贵，不能用于有禁忌症的患者。

利用高分辨率超声研究膝骨关节的形态学变化，已成为近年来的研究热点［8］。然而有研究指出，高频超声对半月板损伤的检出准确度明显低于MRI［9］。

3 SW E的基本原理

剪切波弹性成像（shear wave elastography，SWE）技术是通过探头发射聚焦超声波束，即声辐射力脉冲序列，对目标组织施加激励，使组织中产生横向剪切波，高帧频成像技术不仅可以检测出组织中合成的剪切波，还可以定量测量其剪切波速度，然后将剪切波速度进行彩色编码并叠加在二维灰阶图像上，从而得到彩色弹性图谱。同时，该剪切波速度可以用来计算组织弹性，得到相应的杨氏模量值。组织的硬度越高，剪切波在组织中的传播速度越快，相应的杨氏模量值就越大。由于不同组织或同一组织在不同病理时期的剪切波传播速度不同，弹性模量值也不同，因此可以反映组织的病理变化程度［10-11］。该技术不依赖外力，具有安全性、有效性、准确性和可重复性等优点，因而被国内外众多专家学者用来评估组织的弹性特征。

4 SW E在半月板检测中的应用研究

SWE被广泛运用于评估乳腺和甲状腺肿物［12-13］，以及肝硬化［14］。在肌肉骨骼系统中，SWE也可以用于评估肌肉、肌腱和韧带的弹性特性［15］，但对软骨的研究极少。安秀艳等（2021）［16］利用SWE技术来评估早期膝关节骨性关节炎患者的关节软骨，选取20例健康成人和20例早期膝骨关节炎患者作为研究对象，进行常规及SWE检查，测量了髁间区和内侧髁软骨的厚度以及对应部位的杨氏模量。结果显示，相同部位的软骨厚度在试验组和观察组之间没有差异；而同样部位软骨的杨氏模量，试验组明显大于对照组，具有统计学差异。该研究显示，早期膝骨关节炎患者在其软骨厚度还没有发生明显改变时，其弹性模量值已显著高于对照组，说明软骨的硬度增加，产生形变的能力下降，软骨容易受到磨损，与组织病理学的改变相符合。该研究提示，SWE对于软骨的早期退变有一定的检测能力。

Bedewi等（2020）［17］使用SWE技术评估健康成人的内侧半月板前角，选取17名24-30岁健康人群（1名男性，16名女性）作为研究对象，由两名操作者分别对左右侧共34个膝关节的内侧半月板前角进行杨氏模量测量，分析弹性模量与身高、体重、BMI和性别、年龄的关系。结果显示，右侧的内侧半月板前角杨氏模量为24.86±6.35kPa，其弹性模量值与高度呈显著负相关，与体重、BMI和性别、年龄无显著关系。左侧的内侧半月板前角杨氏模量为23.86±4.49kPa，其弹性模量值与年龄呈显著负相关、与BM I呈显著正相关，与身高、体重和性别无显著关系。观察者内部的可靠性系数为0.87，两名观察者之间的组间可靠性系数为0.78。尽管该研究的样本量较少，而且存在明显的性别和年龄偏倚，其数据的可靠性和有效性尚待进一步证实，但是其初步的研究结果提示，SWE可能是一种潜在的研究半月板硬度的工具。

周霞（2019）［18］将SWE与MRI结合应用于内侧半月板前角退行性变的患者。试验纳入20例MRI异常的患者共23个半月板，以及30例MRI正常的共60个半月板。结果显示，半月板退变组的弹性值比对照组增高，以杨氏模量30.20 kPa为界，诊断半月板退行性变的敏感性和特异性分别为82.6%和76.7%。对照组的内侧半月板弹性值在左右侧之间无统计学差别，并且与性别、年龄以及BMI均无统计学意义的相关性。其研究结果提示，SWE可以用来评估半月板的弹性特征，有助于超声对半月板退行性变提供附加诊断信息。

Gurun等（2021）［19］同样以MRI作为参考标准，研究SWE在半月板退变分级中的诊断效率。这项研究包括了50名需要进行双侧膝关节MRI检查的患者。由两名操作者分别对所有患者双侧膝关节的内侧及外侧半月板进行SWE测量。之后所有患者接受双侧膝关节MRI检查，采用Lotysch等的MRI分级系统，对患者进行分组。结果同样显示，半月板的弹性模量值与MRI退变等级之间存在着显著正相关，且与年龄之间也存在显著的统计学正相关性，而与性别、身高、BM I和脚部使用偏好之间没有显著差异。此项研究还观察到，内侧半月板的硬度值要显著高于外侧。对于半月板的SWE测量，两名观察者内部的平均组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）＞0.89，两名观察者之间的平均组内相关系数＞0.92，显示出可靠的可重复性。

Park等（2020）［20］则以病理组织学为标准，利用SWE研究半月板的变性。在该研究中，使用SWE评估13名因原发性骨关节炎伴内翻畸形而接受全膝关节置换术患者的15个内侧半月板和15个外侧半月板。他们先在手术前进行体内测量，再将手术后获得的半月板放入特制的模具中进行体外测量。他们观察到，随着组织学变性的增加，无论在体内还是体外测得的弹性模量值均呈显著增加，表明半月板的病理组织学和弹性模量之间存在着统计学意义上的显著关系。同期还招募了5名健康志愿者，结果显示，无论在患者组还是在对照组，内侧半月板的杨氏模量值均明显大于外侧半月板，具有统计学差异。认为可能与内外侧半月板的解剖结构密切相关，因此内侧半月板比外侧半月板更容易出现退化和撕裂。由于样本量较小，他们没有发现年龄与半月板硬度之间的相关性，但是其研究结果提示，SWE可以作为一种评估半月板变性的无创的诊断工具，值得进一步开展前瞻性的研究。

5 半月板修复术后的疗效观察

半月板损伤的治疗，早期通常采用半月板全切除术或部分切除术。这种方法对于患者术后早期的功能恢复较好，但会导致软骨损伤并加速骨关节炎的发生［21］。近年来，保留半月板结构和功能的关节镜辅助下的半月板修复手术，已经取代半月板部分或全切术，成为治疗半月板损伤的最佳选择，并取得了较好的短期临床效果。

膝关节功能评分量表是评估膝关节损伤和临床疗效的测评工具，临床上普遍使用Lysholm量表评分（Lysholm knee score scale，LKSS［22］）和国际膝关节文献协会（International Knee Documentation Committee，IKDC［23］）的膝关节功能评分量表对膝关节功能进行评价。上述评分表均为自我评估表，基于患者对治疗前后的主观感受来做出评判。然而，医生对疗效的评价通常与患者对症状的主观感受是不一致的，如果患者对治疗感觉不满意，评分可能就不高。因此，在疗效评价中缺乏客观准确的量化指标。

虽然MRI在鉴别半月板变性和撕裂方面具有较高的灵敏性和特异性，但是在半月板修复愈合状态的准确率只有77.6%［24］，难以准确评估半月板手术后的愈合情况，给临床诊断带来困扰。

马宁等（2020）［25］利用体外构建的仿生组织工程软骨修复羊膝关节软骨损伤，通过组织学染色、点压力学分析、超声弹性成像检查来评价修复效果，探讨超声弹性成像方法评估再生软骨质量的可行性。他们先对雄性山羊的股骨髁负重区软骨进行造模，然后将体外构建好的仿生组织工程软骨植入造模后的软骨缺损区进行修复。在术后3个月和6个月分别进行超声弹性成像，然后取材进行大体评分、病理染色、糖胺多糖含量测定和力学检测分析。结果显示，6个月组的修复效果明显优于其他各组，更接近于正常软骨组织。超声弹性成像检查与对应取材后的标本从大体形态、点压力学测试结果对比基本一致，认为超声弹性成像可以作为术后移植物监测的检查手段。

6 小结与展望

到目前为止，SWE技术应用于半月板的研究样本量极少，难免存在抽样误差及选择偏倚，研究尚处于初步探索阶段，缺乏系统性。随着自体软骨细胞移植、间充质干细胞和生长因子的治疗以及仿生组织工程技术等前沿医学的快速兴起，半月板的修复与再生正显示出积极可观的进展，半月板损伤后的成功治愈或将成为可能。因而迫切需要一种既简单快捷又准确可靠的检查手段，对半月板进行无创的影像学评估。

SWE是一种新型的超声检测技术，可以在静息状态下无需施加外力而实时测量软组织的弹性值，能准确评估活体组织及其病变的弹性特征，有较高的临床应用价值。未来随着对半月板弹性成像大样本量数据的采集，以及操作指南和诊断标准的制定，相信SWE技术在半月板损伤的诊断和疗效监测中将具有广阔的应用前景。