王迎春 丁明 王衛(wèi)東 李東韜 徐虎 丁坦 朱慶生

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis,KOA）是一類常見的老年性疾病，其病因復(fù)雜、臨床癥狀多樣，嚴(yán)重影響了病人的生活質(zhì)量［1-3］。目前針對KOA的診斷主要集中在影像學(xué)（X線、CT、MRI、超聲、PET等）［4-6］、生物標(biāo)志物［7，8］、步態(tài)分析［9，10］、關(guān)節(jié)鏡檢查［11，12］等方面。隨著醫(yī)療技術(shù)水平的提升，KOA的影像學(xué)輔助診斷不斷創(chuàng)新、發(fā)展。并且隨著數(shù)字信號處理和計算機等先進技術(shù)的發(fā)展，通過采集分析膝關(guān)節(jié)聲波振動信號的KOA新輔助診斷方法也不斷改進與創(chuàng)新［13，14］。本文對傳統(tǒng)影像學(xué)技術(shù)的改進以及以聲波振動信號作為KOA輔助診斷的新技術(shù)進行綜述。

一、文獻檢索策略

數(shù)據(jù)庫檢索選擇 PubMed、Embase、Science Direct、中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、維普數(shù)據(jù)庫等。檢索年限為最近10年。檢索詞為“knee osteoarthritis，diagnosis，imaging，Vibroarthrography，sound，骨關(guān)節(jié)炎，診斷，影像學(xué)，聲波，擺動信號”等。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的臨床診斷試驗；②隨機對照研究；③現(xiàn)況研究內(nèi)容涉及輔助診斷方法；④文獻臨床循證等級Ⅰ級或Ⅱ級。排除標(biāo)準(zhǔn)：①非臨床相關(guān)文獻；②與膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎輔助診斷無關(guān)；③循證等級Ⅲ級或Ⅳ級。共檢索322篇文章，經(jīng)納入和排除標(biāo)準(zhǔn)，最后符合標(biāo)準(zhǔn)的共有38篇，其中中文文獻12篇，外文文獻26篇（圖1）。

圖1 文獻納入流程圖

二、影像學(xué)檢查

（一）放射線檢查

X線片在典型KOA病人的診斷中陽性率極高，價格低廉，且方便快捷，因此應(yīng)用普遍，是診斷KOA最基本、最經(jīng)濟的方法。若病變尚處于早期，關(guān)節(jié)軟骨退變而骨質(zhì)變化尚未出現(xiàn)時，X線片診斷往往無法提示病變?；赬線的Kellgren-Lawrence半定量分級被廣泛應(yīng)用于KOA病情的評估，但有研究認(rèn)為K-L分級的最高級病變經(jīng)MRI評估，其軟骨下骨損傷、滑膜炎、關(guān)節(jié)積液和軟骨損傷的嚴(yán)重程度在30個月內(nèi)均有波動，因此從MRI角度看，K-L最高級病變不一定代表真正的晚期KOA［15］。CT能更清楚顯示骨性關(guān)節(jié)面中斷、消失、關(guān)節(jié)間隙變窄、軟骨下骨質(zhì)囊變和關(guān)節(jié)面邊緣骨贅形態(tài)，較X線片有更高的密度分辨率，但對半月板及滑膜存在無法顯像的問題。放射線檢查在KOA輔助檢查中雖然有著不可替代的作用，但仍屬于“入門級”影像學(xué)輔助檢查，其輔助診斷的比重也隨著新技術(shù)的發(fā)展逐漸降低。

（二）MRI檢查

MRI可早期檢測到如骨髓水腫、半月板變性、滑膜增生及軟骨下骨硬化等細微解剖學(xué)改變［16］。MRI對軟組織成像的優(yōu)越性伴隨著計算機處理水平的不斷提高愈發(fā)明顯。目前MRI檢查新技術(shù)主要可分為半定量和定量兩種。半定量MRI是通過組織的強化曲線得到一系列參數(shù)而后進行成像的一類技術(shù)?，F(xiàn)行的半定量MRI評估系統(tǒng)主要有WORMS系統(tǒng)、KOS系統(tǒng)和BLOKS系統(tǒng)，都具有較高可信度，后兩者要比前者結(jié)果更為精細。目前一種基于半定量MRI的新評分系統(tǒng)MOAKS［17］實現(xiàn)了對關(guān)節(jié)橫斷面及縱切面同時進行半定量評估，優(yōu)化骨髓及軟骨的損傷分級，細化半月板形態(tài)學(xué)各方面參數(shù)，可對半月板脫出程度進行評分。吳楠等［18］研究認(rèn)為MOAKS在中國人中應(yīng)用可以綜合評估KOA的特征，其評分高低可以反映臨床癥狀、關(guān)節(jié)面損傷程度，可以作為骨關(guān)節(jié)炎疾病研究和評估的重要工具之一。定量MRI是通過與相鄰或正常組織對比得到一系列參數(shù)后進行成像的一類技術(shù)。目前常用的定量MRI技術(shù)包括軟骨延遲增強掃描（delayed gadolinium-enhanced MR imaging of cartilage,dGEMRIC），T2，T2*，T1ρ，化學(xué)交換飽和傳遞成像（chemical exchange saturation transfer,CEST），鈉成像等［4，19］。陳聰?shù)龋?0］采用T2-mapping序列檢查，測量200例KOA病人（觀察組）和200例健康者（對照組），結(jié)果顯示觀察組各處軟骨的平均T2值均明顯高于對照組，股骨內(nèi)外髁負重部位的軟骨T2值均顯著高于非負重部位。T2*mapping作為一種軟骨生化成像技術(shù)，相較于T2 mapping技術(shù)具有成像時間更短、空間分辨率更高等優(yōu)點。石橋等［21］利用3.0T磁共振T2*mapping成像技術(shù)定量分析KOA，認(rèn)為膝關(guān)節(jié)軟骨T2*mapping可提示早期膝關(guān)節(jié)軟骨損傷、變性，并可通過T2*值對KOA程度進行評估。dGEMRIC可通過檢測糖胺聚糖（glycosaminoglycan,GAG）分布及含量變化，觀察軟骨退化、進展及修復(fù)過程，對軟骨損傷程度測定具有較強敏感性［22］。CEST是通過將具有特定頻率的偏共振射頻預(yù)飽和脈沖施加到軟骨GAG羥基組中，經(jīng)過化學(xué)交換影響水的信號強度，通過檢測水的信號觀察GAG含量變化。鈉成像類似于dGEMRIC，主要通過測定軟骨細胞外基質(zhì)中固定電荷密度間接觀察GAG損耗情況，具有較高特異性，且不需添加對比劑，應(yīng)用前景廣闊。

（三）超聲檢查

超聲檢查作為影像學(xué)檢查的一種方法，其優(yōu)勢是對淺表組織具有較高的分辨率，能顯示滑膜、軟骨、軟骨下骨病變及關(guān)節(jié)積液，而且具有無創(chuàng)性、無放射損害、直觀、實時、低價、檢查迅速等優(yōu)點。Yanagisawa等［23］用超聲記錄評估81例病人（131膝）內(nèi)側(cè)半月板內(nèi)向放射狀移位，關(guān)節(jié)周圍間隙以及骨贅的數(shù)量，之后再行X線片K-L分級，比較超聲診斷KOA的價值，結(jié)果示90.8%病人KOA超聲診斷結(jié)果與X線片一致，用超聲診斷KOA特異性達95.5%，陽性預(yù)測值為97.5%，陰性預(yù)測值為84%，認(rèn)為利用超聲診斷KOA具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性。Podlipska等［24］一項研究比較了超聲、X線片和MRI對KOA病理的評估，發(fā)現(xiàn)超聲檢查在半月板擠壓、半月板和軟骨損傷方面的表現(xiàn)優(yōu)于X線片檢查，超聲還檢測到與MRI檢查類似的骨贅和內(nèi)側(cè)半月板外突表現(xiàn)。張晨等［25］將高頻超聲檢查結(jié)果與MRI結(jié)果對比分析，結(jié)果提示膝關(guān)節(jié)高頻超聲檢查示關(guān)節(jié)積液、滑膜增厚、關(guān)節(jié)軟骨退變、軟骨下骨破壞及腘窩囊腫方面與MRI效力相當(dāng)，高頻超聲顯示關(guān)節(jié)軟骨早期病變的敏感性為88.2%，特異性為80.0%。

三、聲波振動信號檢查

部分學(xué)者注意到，膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)的相對運動、摩擦?xí)a(chǎn)生振動（聲能量），這些振動會經(jīng)由軟組織傳遞到皮膚表面［26，27］。在皮膚表面與空氣接觸后發(fā)生阻抗失衡狀態(tài)，大部分的聲能表現(xiàn)為皮膚上的振動信號，并被反射回組織中。然而，仍有少量的聲能量傳播到空氣中，產(chǎn)生可聞及的關(guān)節(jié)聲音。因為KOA的膝關(guān)節(jié)骨性結(jié)構(gòu)摩擦更大，因此產(chǎn)生的聲能量更大，保存并傳播到空氣中的聲能也較普通膝關(guān)節(jié)更大。據(jù)此，有學(xué)者提出基于聲波來進行KOA的診斷。

Mollan等［28］使用電容傳聲器測量膝部的聲發(fā)射并捕獲低頻信號（＜100 Hz），而Shark等［29］使用寬帶壓電傳感器記錄超聲波波段的發(fā)射（＞20 kHz），他們觀察健康人群和KOA病人之間的差異，發(fā)現(xiàn)KOA病人的膝關(guān)節(jié)與健康膝關(guān)節(jié)相比，產(chǎn)生了更頻繁、更高峰值和更長持續(xù)時間的聲波反射信號。Lee等［30］還使用聲波加速度計評估KOA病人，成功分類了髕股關(guān)節(jié)的三種不同聲波加速度情況。為了實現(xiàn)聲波對骨關(guān)節(jié)炎的臨床診斷效力，學(xué)者們一直在探討、摸索各種分析聲波的方法，比如線性預(yù)測算法、自回歸模型、統(tǒng)計參數(shù)調(diào)查、傅立葉和時頻分析、小波分解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、動態(tài)加權(quán)分類器融合等方法。

Kernohan等［31］在1986年指出，可以采用加速度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聲學(xué)聽診器，以測量膝關(guān)節(jié)在屈伸過程中髕骨軟骨間的接觸摩擦情況。通過加速器所采集到的聲信號有多種，其中研究最廣泛的就是膝關(guān)節(jié)擺動信號（Vibroarthrography,VAG）。VAG是膝關(guān)節(jié)在做屈伸運動時由于接觸摩擦產(chǎn)生的振動信號，是一種安全無創(chuàng)的評估膝關(guān)節(jié)軟骨損傷情況的方法。健康的膝關(guān)節(jié)骨表面均勻覆蓋著關(guān)節(jié)軟骨，軟骨表面光滑的生理特性決定了最佳的關(guān)節(jié)狀態(tài)。KOA退化的關(guān)節(jié)軟骨在關(guān)節(jié)屈伸活動中造成了更大的摩擦，而這可以使VAG振幅和頻率增加。通過將聲學(xué)傳感器放置在髕骨和內(nèi)側(cè)脛骨平臺（兩個加速計）以及外側(cè)脛骨平臺（一個壓電盤）上，可以測量膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲信號。在對聲信號進行半自動分割后，進行擴展和屈曲相位，進而生成具有標(biāo)準(zhǔn)化特質(zhì)、不受信號增益（例如脂肪組織的衰減等）影響的人體聲信號頻率，可以用來作為KOA的診斷工具［14］。

部分學(xué)者已經(jīng)證實KOA產(chǎn)生的VAG信號與健康關(guān)節(jié)VAG信號不同。B?czkowicz等［32］認(rèn)為膝關(guān)節(jié)運動時可產(chǎn)生VAG信號，并在特殊疾病如髕骨軟化癥、髕骨外側(cè)高壓綜合征及骨關(guān)節(jié)炎時發(fā)生改變，并在其另一項研究中對220例5組不同年齡段的健康人群使用加速度傳感器進行膝關(guān)節(jié)屈伸測試，得到VAG信號并計算差異，結(jié)果表明，健康人群的膝關(guān)節(jié)VAG信號與年齡改變相關(guān)［33］。Rangayyan等［34］采用分形分析方法對VAG信號進行非線性分析，表明異常VAG信號的非線性特征均值較正常VAG信號明顯增大。Wu等［35］研究了VAG信號的熵和包絡(luò)幅度問題，認(rèn)為患有關(guān)節(jié)軟骨疾病的病人比健康人有更高的符號熵和近似熵，但是有更小的模糊熵。

盡管VAG作為OA的診斷方法仍在發(fā)展之中，但已有多數(shù)研究表明VAG作為KOA輔助診斷的高準(zhǔn)確度、敏感性和特異性。NalBand等［36］應(yīng)用基于VAG信號的時間復(fù)雜度參數(shù)的最小二乘支持向量機算法，獲得了94.31%的精確度、100%的靈敏度和86.48%的特異度。Kim等［37］定義了以頻率參數(shù)為輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法，對1 408個VAG信號進行分析，得出了最大精確度為95.4%，精確度為（91.4±1.7）%的結(jié)論。

隨著VAG研究的不斷深入，VAG信號異常的分辨率越來越高，突破了之前VAG僅能區(qū)別正常和異常膝關(guān)節(jié)這一診斷的局限性。目前VAG可以對KOA疾病的不同發(fā)展過程進行精確診斷。Kr?cisz等［38］研究認(rèn)為，基于Logistic回歸的方法，VAG診斷KOA可達到93%以上的敏感性和84%以上的特異性，并認(rèn)為隨著關(guān)節(jié)紊亂的嚴(yán)重程度（從CMPI到OA），VAG信號的高頻（F470、F780、P1、P2）、平均幅度（VMS）和高振幅值（R4）的功率增加，這四項參數(shù)的改變可能與軟骨結(jié)構(gòu)內(nèi)退行性變的進展和關(guān)節(jié)表面潤滑的降低有關(guān)。VAG可以靈敏地評估膝關(guān)節(jié)環(huán)境中的生物力學(xué)和形態(tài)學(xué)變化，而且在根據(jù)軟骨病變程度對多種膝關(guān)節(jié)疾病及其分期的信號分類中也得到了滿意的結(jié)果。因此，VAG可以作為臨床醫(yī)師診斷KOA并且精確確定KOA分級的優(yōu)秀工具。

總之，KOA的早期診斷方法由以往單純的影像學(xué)診斷向聯(lián)合多樣的影像學(xué)診斷、聲波振動信號檢查等多種新的診斷方式發(fā)展，通過技術(shù)的不斷發(fā)展完善，KOA的早期診斷及早期治療方式也會更加精準(zhǔn)，更加個體化，但仍有大量的技術(shù)問題需要解決。