超聲射頻信號(hào)定量分析發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨退行性變的可行性研究

李?yuàn)檴?，王媛媛，孫洋，何瓊，楊震，羅建文，崔立剛

1.北京大學(xué)第三醫(yī)院 超聲診斷科，北京 100191；2.清華大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，北京 100084

引言

膝關(guān)節(jié)軟骨退行性變?cè)诟鞣N膝關(guān)節(jié)疾病中（如骨關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等）相當(dāng)常見(jiàn)，隨著病變發(fā)展，可引起膝關(guān)節(jié)疼痛，造成膝關(guān)節(jié)功能障礙。早期診斷、早期治療是改善預(yù)后的關(guān)鍵[1]。但目前的診斷手段均存在一定局限性，常規(guī)的X線和CT并不能直觀地顯示軟骨病變；核磁對(duì)于軟骨的顯示雖佳，但其價(jià)格昂貴、耗時(shí)久，并不是臨床膝關(guān)節(jié)炎患者的常規(guī)檢查方式；高頻超聲經(jīng)濟(jì)、便捷，可以清晰地顯示關(guān)節(jié)軟骨，但對(duì)軟骨退行性改變的評(píng)估仍然存在主觀、敏感性差等問(wèn)題?；诔暽漕l信號(hào)定量分析的研究表明，原始射頻信號(hào)較灰階超聲圖像能夠提供更多的組織信息，早期發(fā)現(xiàn)病理改變。本研究將提取膝關(guān)節(jié)滑車軟骨的超聲原始射頻信號(hào)，評(píng)估其早期發(fā)現(xiàn)軟骨退行性改變的可行性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選擇2018年4～10月入院行膝關(guān)節(jié)鏡檢查的患者58人60例膝關(guān)節(jié)作為研究對(duì)象。其中韌帶損傷30例，髕骨脫位4例，半月板損傷8例，骨性關(guān)節(jié)炎18例。以關(guān)節(jié)鏡結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)將病人分為病例組及對(duì)照組。

病例組：關(guān)節(jié)鏡結(jié)果顯示股骨滑車軟骨退行性變患者39人40例膝關(guān)節(jié)，其中男17人，女22人，年齡30～69歲，平均（54±12）歲。

對(duì)照組：關(guān)節(jié)鏡結(jié)果顯示股骨滑車軟骨正?；颊?9人20例膝關(guān)節(jié)，其中男12人，女7人，年齡18～37歲，平均年齡（24±5）歲。

1.2 儀器與方法

使用 GE LOGIQ E9（美國(guó)），9L 高頻線陣探頭，配備原始射頻信號(hào)開(kāi)放端口。所有受試者均平臥于檢查床，膝關(guān)節(jié)屈曲90°，由同一醫(yī)師于髕骨上緣采集股骨滑車軟骨橫切面的常規(guī)灰階及射頻信號(hào)，采集過(guò)程中探頭垂直于股骨長(zhǎng)軸。

所有數(shù)據(jù)均于儀器內(nèi)置肌骨條件B-Mode模式下采集，圖像深度深度3.5 cm，增益及其他參數(shù)保持原始設(shè)置不變，聚焦置于軟骨平面。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 常規(guī)灰階超聲圖像分析

由一位具有10年肌骨超聲經(jīng)驗(yàn)的非操作醫(yī)師對(duì)軟骨的常規(guī)灰階圖像進(jìn)行盲法判讀并分類：軟骨形態(tài)正常、前表面光滑清晰且內(nèi)部回聲均勻記錄為正常；軟骨表面欠清晰，內(nèi)部回聲增強(qiáng)和（或）軟骨出現(xiàn)缺損記錄為異常。

1.3.2 超聲射頻信號(hào)的參數(shù)分析

采用Matlab 2016對(duì)原始射頻信號(hào)進(jìn)行圖像重建，選取滑車軟骨區(qū)域作為感興趣區(qū)域并進(jìn)行10個(gè)參數(shù)的計(jì)算，分析軟骨上邊界和下邊界的聲學(xué)特征，并與軟骨內(nèi)部聲學(xué)特征進(jìn)行比較。具體分析參數(shù)如下：上邊界粗糙度（URI_ant)、上邊界反射強(qiáng)度（R_ant）、上邊界反射均勻度（SVR_ant）、上邊界和內(nèi)部回波對(duì)比度（Contrast_ant）、下邊界粗糙度（URI_post）、下邊界反射強(qiáng)度（R_post）、下邊界超聲反射均勻度（SVR_post）、下邊界和內(nèi)部回波對(duì)比度（Contrast_post）、內(nèi)部反射強(qiáng)度平均值（R_mean）、內(nèi)部回聲均勻度（std）（圖1）。主要參數(shù)公式如下：

圖1 射頻信號(hào)重建圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件，兩組間均數(shù)比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，同時(shí)繪制ROC曲線。計(jì)算射頻信號(hào)參數(shù)及常規(guī)高頻灰階超聲檢測(cè)軟骨退變的敏感性、特異性及準(zhǔn)確率。均以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0.01有顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 高頻超聲灰階圖像分析

病變組40例中，27例滑車軟骨被診斷為退變，13例被診斷為正常；對(duì)照組20例4例被診斷退變，16例被診斷為正常（圖2）。其診斷敏感度、特異度、準(zhǔn)確率、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值及陰性預(yù)測(cè)值，見(jiàn)表1。

圖2 股骨滑車軟骨高頻超聲灰階圖像

表1 灰階超聲圖像及部分參數(shù)檢測(cè)軟骨退變的敏感性、特異性及準(zhǔn)確性

2.2 基于射頻信號(hào)的多參數(shù)分析

病例組的URI_ant（8.84±0.65）顯著高于對(duì)照組（7.38±1.08）（P＜0.01），病例組的 R_ant（0.11±0.06）顯著低于對(duì)照組（0.17±0.07）（P＜0.01），病例組的 SVR_ant（0.07±0.04）顯著低于對(duì)照組（0.12±0.06）（P＜0.01），病例組的Contrast_ant（6.13±1.36）顯著低于對(duì)照組（9.25±3.26）（P＜0.01），其他參數(shù)在兩組間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表2）。

運(yùn)用ROC曲線分析各參數(shù)對(duì)軟骨退變的診斷價(jià)值，結(jié)果表明 URI_ant、R_ant、SVR_ant和 URI_post分別以 8.454、0.096、0.070、6.436為截點(diǎn)時(shí)，曲線下面積最大，分別為0.904、0.774、0.753、0.846。各參數(shù)檢測(cè)軟骨退變的敏感性、特異性、準(zhǔn)確率、陽(yáng)性預(yù)測(cè)值及陰性預(yù)測(cè)值，見(jiàn)表1。

表2 病例組與對(duì)照組的參數(shù)比較()

表2 病例組與對(duì)照組的參數(shù)比較()

注：*P＜0.01。

聲學(xué)參數(shù) 病例組 對(duì)照組 P值URI_ant 8.84±0.65 7.38±1.08 ＜0.001*R_ant 0.11±0.06 0.17±0.07 0.002*SVR_ant 0.07±0.04 0.12±0.06 0.005*Contrast_ant 6.13±1.36 9.25±3.26 0.001*URI_post 7.95±1.00 6.95±1.56 0.331 R_post 0.17±0.09 0.20±0.08 0.065 SVR_post 0.13±0.07 0.15±0.05 0.278 Contrast_post 9.14±6.20 11.04±7.60 0.312 R_mean 0.03±0.01 0.04±0.01 0.877 std 0.03±0.01 0.02±0.01 0.149

3 討論

膝關(guān)節(jié)軟骨為透明軟骨，附著于運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的骨性關(guān)節(jié)面，是組成活動(dòng)關(guān)節(jié)面的彈性負(fù)重組織。作為人體最大的負(fù)重關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)軟骨也是最易發(fā)生退行性變的部位。多項(xiàng)研究表明，在軟骨病變?cè)缙诳赏ㄟ^(guò)細(xì)胞保護(hù)劑、生長(zhǎng)因子治療，同時(shí)可通過(guò)物理治療、減重等手段來(lái)逆轉(zhuǎn)軟骨的病理改變，從而有效阻止疾病進(jìn)展[2]。關(guān)節(jié)鏡檢查是診斷、評(píng)估軟骨退行性變的金標(biāo)準(zhǔn)，但作為一種有創(chuàng)檢查手段，其重復(fù)性受限，一些患者難以耐受，故在阻止或延緩膝關(guān)節(jié)軟骨退行性變的進(jìn)一步發(fā)展中，仍需要一種無(wú)創(chuàng)、可重復(fù)的檢查手段。

已有研究[3-4]證明常規(guī)高頻超聲可通過(guò)對(duì)軟骨的厚度、邊緣及內(nèi)部回聲進(jìn)行軟骨情況的評(píng)估，但目前臨床應(yīng)用較少，主要問(wèn)題是缺乏統(tǒng)一的診斷標(biāo)準(zhǔn)，且受成像設(shè)備以及成像條件、操作者的個(gè)體認(rèn)知及經(jīng)驗(yàn)等影響嚴(yán)重。本研究中常規(guī)高頻超聲的診斷效果差強(qiáng)人意，除了以上影響因素以外，其主要原因是病例組部分病例軟骨退變處于早期階段，利于常規(guī)超聲辨別的較明顯的病變特征（如軟骨缺損、變?。┥形闯霈F(xiàn)。

超聲射頻信號(hào)是指超聲探頭發(fā)射聲學(xué)脈沖波在生物組織內(nèi)傳播、相互作用后組織反射回來(lái)的通過(guò)超聲探頭接收到的回波信號(hào)。相較于常規(guī)超聲的灰度信息，該信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何圖像處理，保留著不同組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的振幅和相位等全部信息[5]。通過(guò)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行多參數(shù)提取，可對(duì)軟骨進(jìn)行定量分析。已有國(guó)外學(xué)者利用射頻信號(hào)參數(shù)對(duì)離體軟骨進(jìn)行定量分析，證實(shí)其有效性，但在體軟骨的相關(guān)研究鮮有報(bào)道[6-8]。本研究初步驗(yàn)證了其在體應(yīng)用的可行性。

早期的軟骨退變表現(xiàn)為透明軟骨淺表層的糖胺聚糖的丟失和膠原纖維的排列紊亂[9]。退變進(jìn)展一定程度則會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變，軟骨表面的不規(guī)則越來(lái)越明顯，成為小的裂縫并逐漸向下延伸直至軟骨下骨。軟骨由淺至深逐步崩解脫落，局部厚度變薄，最后軟骨下骨暴露[10]。本研究表明一些早期表現(xiàn)在常規(guī)高頻超聲中并無(wú)明顯差異，即使有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師判讀也難以鑒別。我們采用原始射頻信號(hào)分析發(fā)現(xiàn)與軟骨前表面相關(guān)的參數(shù)URI_ant、R_ant、SVR_ant及Contrast_ant在病變組與對(duì)照組軟骨之間均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，符合軟骨退變的淺表層病理學(xué)改變，即其成分的變化和上表面粗糙度的增加。這也與國(guó)外學(xué)者[11-14]離體軟骨相關(guān)聲學(xué)參數(shù)的研究相一致。

膝關(guān)節(jié)軟骨退變的病理變化除了表淺退化還存在基底退化[15]，骨關(guān)節(jié)炎早期鈣化層軟骨細(xì)胞會(huì)激活表現(xiàn)出生長(zhǎng)板細(xì)胞特性，繼而表達(dá)肥大的軟骨細(xì)胞表型，分泌Ⅹ型膠原，引起軟骨基質(zhì)礦化、潮線前移或復(fù)制；同時(shí)，來(lái)自骨髓腔的新生血管侵入鈣化層，使鈣化層被骨組織慢慢取代[16-18]。但本研究并未發(fā)現(xiàn)病變組與對(duì)照組間軟骨后表面參數(shù)的差異，可能與樣本量以及超聲機(jī)器調(diào)節(jié)有關(guān)，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究亦存在一些不足，首先樣本量有限，且僅對(duì)膝關(guān)節(jié)滑車軟骨進(jìn)行了分析，并未全面采集內(nèi)外側(cè)髁及髁間軟骨的信號(hào)；其次并未對(duì)軟骨退變進(jìn)行分級(jí)。未來(lái)可以擴(kuò)大樣本量，更換不同頻率探頭，獲得關(guān)節(jié)鏡或病理標(biāo)本進(jìn)行更深層次的研究。

4 結(jié)論

基于超聲射頻信號(hào)的參數(shù)URI_ant、R_ant、SVR_ant及Contrast_ant的定量分析，對(duì)評(píng)估股骨滑車軟骨退變具有一定潛力，尤其是URI_ant和Contrast_ant，具有在體應(yīng)用的可行性，并能夠早于常規(guī)超聲發(fā)現(xiàn)異常。未來(lái)需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，進(jìn)一步驗(yàn)證參數(shù)間與退行性變程度的相關(guān)性。