膝關(guān)節(jié)軟骨下骨不全骨折影像學(xué)征象、手術(shù)時(shí)機(jī)選擇研究進(jìn)展

劉曉嵐,覃瀅,肖運(yùn)平*

(1.右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院,廣西 百色 533000;2.廣西柳州市人民醫(yī)院放射科,廣西 柳州 545006;3.柳州市分子影像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 柳州 545006)

膝關(guān)節(jié)軟骨下骨不全骨折(subchondral insufficiency fracture of the knee,SIFK)過去被稱為膝關(guān)節(jié)自發(fā)性骨壞死(spontaneous osteonecrosis of the Knee,SONK),最新的文獻(xiàn)[1]指出SONK一詞錯(cuò)誤地描述了該病的病因和發(fā)病機(jī)制,用術(shù)語“膝關(guān)節(jié)軟骨下骨不全骨折”(subchondral insufficiency fracture of the knee,SIFK)會更準(zhǔn)確。目前研究[2]普遍支持SONK是SIFK的終末期表現(xiàn)。SIFK常表現(xiàn)為60 歲以上的女性在無明顯誘因下出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)疼痛,多局限于單側(cè)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室,股骨內(nèi)側(cè)髁是最常見的位置。SIFK的早期發(fā)現(xiàn)及治療至關(guān)重要,但人們對這一疾病的認(rèn)識仍較局限,有關(guān)該疾病的病因?qū)W、發(fā)病機(jī)制、影像學(xué)評估及手機(jī)時(shí)機(jī)選擇等尚有爭議,筆者綜述如下。

1 病因?qū)W及發(fā)病機(jī)制

目前,SIFK的病因及發(fā)病機(jī)制尚不清楚,目前最常見的是應(yīng)力源性理論和血管源性理論[3]。應(yīng)力源性理論認(rèn)為[4]SIFK與低骨礦物質(zhì)密度、半月板后根部撕裂、半月板突出、脛骨近端內(nèi)翻畸形等因素有關(guān)。血管源性理論認(rèn)為由于膝關(guān)節(jié)血供被中斷,微循環(huán)障礙引起廣泛骨髓水腫,最終發(fā)展成骨組織缺血壞死[5]。有學(xué)者[6]認(rèn)為應(yīng)力源性理論和血管源性理論兩個(gè)學(xué)說是相互作用的,并非單獨(dú)存在。Hatanaka等[7]對手術(shù)切除的完整SIFK標(biāo)本進(jìn)行組織病理學(xué)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(fā)性骨壞死,而是軟骨下骨折的結(jié)果。在一篇關(guān)于骨髓水腫綜述的報(bào)道中作者也認(rèn)為SIFK的發(fā)病機(jī)制可能是機(jī)械性損傷[8]。雖然SIFK的發(fā)病機(jī)制不明,但基于上述病理學(xué)、影像學(xué)相關(guān)證據(jù),筆者認(rèn)為SIFK的首要發(fā)病機(jī)制是應(yīng)力源性理論的可能性更大。

2 影像學(xué)研究進(jìn)展

2.1 X線 過去MRI尚未廣泛應(yīng)用于臨床時(shí),人們根據(jù)X線對SIFK進(jìn)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(dāng)受累區(qū)域見透亮區(qū)及相應(yīng)髁間隆起扁平化時(shí)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(nèi)側(cè)角(medial proximal tibial angle,MPTA)進(jìn)行早期診斷,發(fā)現(xiàn)當(dāng)MPTA<84 °并有膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀時(shí)常提示SIFK的發(fā)生,此時(shí)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(guān)系,需進(jìn)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(rèn)可用于早期識別SIFK的手段,在觀察半月板病變、關(guān)節(jié)軟骨損傷、骨髓水腫等方面效果較好,當(dāng)患者出現(xiàn)突然加重的膝關(guān)節(jié)疼痛、經(jīng)X線檢查陰性時(shí)應(yīng)進(jìn)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(xiàn)膝關(guān)節(jié)疼痛首先經(jīng)X線和MRI進(jìn)行診斷,若為陰性則2個(gè)月后復(fù)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(xiàn)為軟骨下骨板區(qū)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(rèn)為是骨折線。Kosaka等[17]對SIFK患者骨髓病變的病理學(xué)進(jìn)行評價(jià),他們認(rèn)為SIFK中的骨髓病變表現(xiàn)是軟骨下骨折的結(jié)果。也有研究[18]表明早期出現(xiàn)大面積骨髓水腫時(shí)會掩蓋骨折線的存在。骨折線有助于早期識別SIFK,但當(dāng)病變部位未觀察到骨折線時(shí)并不能排除SIFK,應(yīng)結(jié)合骨髓水腫等征象進(jìn)行綜合判斷。

2.2.2 半月板病變 半月板對于維持膝關(guān)節(jié)功能至關(guān)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(guān)節(jié)表面的應(yīng)力負(fù)荷,當(dāng)半月板損傷時(shí),壓力負(fù)荷也隨之發(fā)生改變[19]。如果老年患者有骨質(zhì)疏松癥或軟骨及半月板變性病史時(shí),高度警惕SIFK[20]。若伴有半月板撕裂、半月板突出、軟骨損傷時(shí),MRI檢出率遠(yuǎn)高于X線片[21]。學(xué)者Wu[22]提出內(nèi)側(cè)半月板后根部撕裂(medial meniscus posterior root tears,MMPRTs)的發(fā)生率為69.6%,許志陽等[23]的研究推測MMPRTs導(dǎo)致環(huán)向應(yīng)變能力喪失,脛股界面的接觸應(yīng)力增加,股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨和軟骨下骨短期退變,承載負(fù)荷的功能減退,隨后繼發(fā)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(shí)提示MMPRTs的發(fā)生[24-25]。MMPRTs的持續(xù)時(shí)間越長會引起嚴(yán)重的骨髓水腫及高級別SIFK[26]。當(dāng)半月板完整的膠原纖維被破壞,環(huán)向應(yīng)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(nèi)側(cè)半月板突出(medial meniscal extrusion,MME)使半月板承載負(fù)荷的能力下降,類似于內(nèi)側(cè)半月板部分切除或全切除術(shù)后,導(dǎo)致脛股內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)軟骨承載的軸向應(yīng)力過大,最終引起軟骨和軟骨下骨發(fā)生損傷、退變,導(dǎo)致SIFK的發(fā)生[28]。Achtnich等[29]認(rèn)為正常膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)生理性退變后會引起內(nèi)側(cè)半月板突出,這主要由膝關(guān)節(jié)壓力負(fù)荷所決定。而宋群山等[30]的研究結(jié)果也表明骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)患者的半月板突出可能與半月板自身損傷相關(guān),特別是MMPRTs。Kim等[31]引入了一個(gè)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(xiàn)嚴(yán)重的軟骨磨損和OA。當(dāng)發(fā)生MMPRTs后受力面積減小會使膝關(guān)節(jié)生物應(yīng)力增加,從而導(dǎo)致半月板突出。內(nèi)側(cè)半月板突出會改變內(nèi)側(cè)間室的應(yīng)力傳導(dǎo),股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨及軟骨下骨無法承載應(yīng)力從而引起SIFK。MMPRTs和半月板突出與SIFK關(guān)系密切,但MMPRTs是否在SIFK發(fā)生之前就已經(jīng)存在仍需進(jìn)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(guān),但也有學(xué)者認(rèn)為[34]軟組織水腫對不良臨床結(jié)果沒有顯著影響,他們回顧性分析37例SIFK患者,發(fā)現(xiàn)軟組織水腫的發(fā)生率為83.7%,但最終需進(jìn)行手術(shù)處理或再次發(fā)生SIFK的影響因素與軟組織水腫無關(guān)。Allam[35]的研究也提出SIFK分級與病灶周圍軟組織水腫無關(guān)聯(lián)。值得注意的是,這些研究并未設(shè)置對照組與其他膝關(guān)節(jié)疾病如OA、急性骨軟骨骨折、感染和腫瘤進(jìn)行鑒別,不能說明該部位的軟組織水腫是SIFK的特異性表現(xiàn),因此需要前瞻性的大樣本研究并進(jìn)行長期隨訪,觀察軟組織水腫在SIFK中的作用,并進(jìn)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(dāng)患者出現(xiàn)軟骨下低信號骨折線、半月板撕裂和突出、軟骨下關(guān)節(jié)面輪廓改變、鄰近軟組織水腫時(shí)預(yù)后不良的百分比較高,但軟骨下關(guān)節(jié)面輪廓塌陷是唯一與不良結(jié)果呈正比的影像學(xué)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(guān)研究認(rèn)為[2]其低敏感性與低特異性,不適應(yīng)于SIFK的診斷。最近一項(xiàng)關(guān)于左股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨下骨不全骨折的研究報(bào)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(qū)域攝取強(qiáng)烈。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的評估上,SPECT/CT的敏感性明顯較平面骨閃爍顯像高,能進(jìn)行三維的解剖學(xué)評估,有利于病灶定位及異常征象的顯示。當(dāng)患者因相關(guān)禁忌證無法進(jìn)行MRI檢查時(shí),此檢查也是有價(jià)值的。

2.4 深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 有學(xué)者利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)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(jìn)行增強(qiáng)、調(diào)整大小、歸一化,隨后對數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練,最后使用ROC曲線和曲線下面積來評估人與機(jī)器的性能,發(fā)現(xiàn)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在區(qū)分SIFK和OA方面非常準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)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(xiàn),缺乏病理結(jié)果。

3 手術(shù)時(shí)機(jī)參考

3.1 基于病灶大小及形態(tài)特征 李浩等[38]認(rèn)為臨床癥狀較輕、病變范圍較小、關(guān)節(jié)面無塌陷的患者經(jīng)保守治療后效果較好。當(dāng)患者經(jīng)保守治療3個(gè)月后臨床或影像學(xué)表現(xiàn)未改善[39]、病程大于3個(gè)月、病變?nèi)睋p面積大于5 cm2時(shí),進(jìn)展至OA的風(fēng)險(xiǎn)較高,因此可評估患者年齡、膝關(guān)節(jié)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(shù)、膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)和全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)等方法進(jìn)行手術(shù)治療[40]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)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(yù)后[31]。Akamatsu等[41]則同時(shí)結(jié)合下肢力線和MRI病灶深度提出首次就診時(shí)FTA>180 °,MRI 的深度>20 mm,提示在癥狀發(fā)作后1年內(nèi)需要進(jìn)行手術(shù)治療。賀強(qiáng)等[42]隨訪了經(jīng)保守治療1年后的Aglietti Ⅰ～Ⅱ期的90例SIFK患者,發(fā)現(xiàn)不僅骨壞死深度會影響SIFK的進(jìn)展,當(dāng)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(shí),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(jìn)而導(dǎo)致手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)更大。一項(xiàng)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(nèi)側(cè)半月板相對邊緣性移位(relative percentage of extrusion,RPE),當(dāng)RPE>33%提示病變進(jìn)展,需進(jìn)行手術(shù)治療[43]。因此,當(dāng)在影像學(xué)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(xiàn)膝內(nèi)翻畸形時(shí)是手術(shù)的指征。

3.2 基于X線和MRI的SIFK分期 大多數(shù)研究[6,44]認(rèn)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(shí)手術(shù)療效滿意。最近有新的基于MRI的SIFK分級系統(tǒng)(見圖2)[33]被用于SIFK危險(xiǎn)因素及結(jié)局的評估,根據(jù)病變嚴(yán)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(tǒng)中歸類為1級、2級。若出現(xiàn)內(nèi)側(cè)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(guān)節(jié)表面塌陷中的任一表現(xiàn)則提示HG的發(fā)生,在該分級系統(tǒng)中歸類為3級、4級。在此分級系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,Allam等[35]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)高級別SIFK與同側(cè)間室高級別軟骨損傷有關(guān),軟骨損傷僅出現(xiàn)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(fā)生的前后關(guān)系,且該分級系統(tǒng)僅建立在影像學(xué)基礎(chǔ)上,缺乏臨床數(shù)據(jù)及病理學(xué)結(jié)果,暫未廣泛使用。因此一旦SIFK分期進(jìn)展至HG,必須進(jìn)行手術(shù)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(tǒng)

3.3 基于人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和影像學(xué)特征的SIFK評分系統(tǒng) Pareek等[45]創(chuàng)建了一個(gè)預(yù)測關(guān)節(jié)成形術(shù)進(jìn)展的模型并構(gòu)建了一個(gè)用于臨床的評分系統(tǒng),該模型預(yù)測進(jìn)展至全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)或膝關(guān)節(jié)單髁置換術(shù)的因素從小到大為內(nèi)側(cè)半月板突出、外側(cè)半月板根部撕裂、股骨內(nèi)側(cè)髁上的SIFK、K-L 4 級、外側(cè)半月板突出。該評分系統(tǒng)SIFK分?jǐn)?shù)分為0～11分,按上述預(yù)測關(guān)節(jié)成形術(shù)從小到大排列的五大因素分別賦予分?jǐn)?shù)為1分、2分、2分、2分、4分。低風(fēng)險(xiǎn)為0～2分,中風(fēng)險(xiǎn)為3～4分,高風(fēng)險(xiǎn)為>4分,結(jié)果表明低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)患者進(jìn)展至關(guān)節(jié)成形術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)依次為8.8%、40.4%、78.9%。并且發(fā)生在股骨內(nèi)側(cè)髁 上的SIFK進(jìn)展至關(guān)節(jié)成形術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)較高。因此,筆者認(rèn)為評估分?jǐn)?shù)>4分需手術(shù)干預(yù)。但這一評分系統(tǒng)在SIFK其他病變部位的結(jié)果仍需探討。

3.4 基于數(shù)字化X線斷層融合成像的定量分析 Nelson等[46]經(jīng)數(shù)字化X線斷層融合成像定量分析SIFK進(jìn)展過程,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),斜率間隙(a slope lacunarity,Sλ)水平較高的患者發(fā)生全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的概率更高,這表明SIFK進(jìn)展至關(guān)節(jié)置換的概率較高,與Sλ標(biāo)準(zhǔn)差的較高值和形態(tài)測量值(mean intercept length,MIL)有關(guān)。 但該研究未對軟骨下塌陷及半月板突出情況進(jìn)行評估。

綜上所述,病變壞死體積及上述SIFK分期、分級系統(tǒng)、評分系統(tǒng)對于手術(shù)時(shí)機(jī)選擇具有一定指導(dǎo)性,但當(dāng)在MRI上觀察到軟骨下骨板區(qū)域凹陷或出現(xiàn)廣泛液體信號的間隙,這表明已發(fā)生軟骨下骨板塌陷,已進(jìn)入SIFK的晚期階段,結(jié)局是不可逆的[47]。若關(guān)節(jié)軟骨暫未受累時(shí),除關(guān)節(jié)置換手術(shù)外也可采用關(guān)節(jié)保留手術(shù),如膝關(guān)節(jié)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(fā)生終末期OA或軟骨下關(guān)節(jié)面塌陷,關(guān)節(jié)置換術(shù)是唯一合適的治療手段。因此需在關(guān)節(jié)面塌陷之前早期干預(yù),避免此情況的發(fā)生。

4 總結(jié)與展望

目前,SIFK的發(fā)病機(jī)制、危險(xiǎn)因素、預(yù)后因素等尚未完全明確,準(zhǔn)確評估SIFK不同時(shí)期的影像學(xué)表現(xiàn)可為臨床診治、手術(shù)時(shí)機(jī)選擇及預(yù)后等提供一定參考。但大多數(shù)患者首次就診時(shí)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(dǎo)致SIFK的漏診。其次,將MRI中觀察到骨折線作為診斷SIFK的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)可見的微觀骨折。另外,目前對于SIFK的分期標(biāo)準(zhǔn)各有差異,暫無統(tǒng)一的分期標(biāo)準(zhǔn)。期望未來功能影像學(xué)、分子成像技術(shù)等能在SIFK的早期診斷、預(yù)后評估上發(fā)揮更大作用,以及建立統(tǒng)一基于綜合影像學(xué)的SIFK分期,為臨床診治提供更客觀、科學(xué)參考。