盧世鑫 張格日樂 付慶鵬
膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎[1](knee osteoarthritis,KOA) 是一種以關(guān)節(jié)軟骨退變損傷和繼發(fā)性骨質(zhì)增生為主要特點的慢性退行性疾病,病理類型主要包括膝關(guān)節(jié)軟骨病變、滑膜病變、骨贅、半月板損傷、韌帶損傷和關(guān)節(jié)積液等[2]。臨床癥狀主要為關(guān)節(jié)局部疼痛、僵硬、活動受限,晚期可使患者下肢癱瘓,嚴重影響患者的生活質(zhì)量。目前,中國 40 歲以上人群 KOA的發(fā)病率約為 17%,其中 60 歲女性約占 50%[3],如能在 KOA 發(fā)生早期進行診斷和干預(yù)治療,對患者預(yù)后具有重大意義。臨床治療 KOA 主要以保護和修復(fù)受損關(guān)節(jié)軟骨為主。磁共振生理學(xué)成像 (magnetic resonance imaging,MRI) 方法已經(jīng)成為膝骨關(guān)節(jié)炎早期診斷和定量評估的重要研究方法之一[4],其中自旋晶格弛豫時間 (the spin lattice relaxation in the rotating frame,T1 rho) 成像技術(shù)可以對軟骨的生化改變進行定量分析,對運動受限的水分子質(zhì)子及正常關(guān)節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)中的蛋白多糖大分子間的相互作用比較敏感。T1 rho 值隨著水分子與蛋白聚糖結(jié)合而增加,不僅能提供量化蛋白多糖丟失的方法,還能判斷關(guān)節(jié)軟骨是否進入不可逆的 KOA 后期階段,具有設(shè)備簡單易操作、成像時間短、圖像分辨率高等優(yōu)點[5],廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨退變和膝關(guān)節(jié)半月板等纖維軟骨的結(jié)構(gòu)上,是目前研究的重點關(guān)注對象。因此,本研究通過比較分析影響 KOA 患者T1 rho 值變化的危險因素,并探討關(guān)節(jié)軟骨 T1 rho值與 KOA 患者臨床癥狀、關(guān)節(jié)軟骨缺損和骨髓病變之間的關(guān)系,以期為臨床診療提供理論依據(jù)。
1.納入標(biāo)準(zhǔn):(1) 2019 年 3 月至 2021 年 5 月,因關(guān)節(jié)疼痛、腫脹來院就診的 KOA 患者;(2) 年齡 ≥ 50 歲者;(3) 近 1 個月內(nèi)膝關(guān)節(jié)反復(fù)疼痛者;(4) 站立或負重位 X 線片顯示關(guān)節(jié)間隙變窄、關(guān)節(jié)緣骨贅形成和軟骨下骨囊性變者;(5) 晨僵 ≤30 min 者;(6) 活動時有骨摩擦音者;(7) 關(guān)節(jié)液(至少 2 次) 清亮、黏稠,WBC <2000 個/ ml,符合(1)+(2、3、4、5、6 條中的任意兩條) 可診斷為KOA 者。
2.排除標(biāo)準(zhǔn):(1) 使用過影響軟骨藥物的慢性疾病史者;(2) 膝關(guān)節(jié)先天或后天畸形者;(3) 存在膝關(guān)節(jié)外傷及手術(shù)史者;(4) 急性或慢性傳染性疾病者;(5) 精神疾病者;(6) BMI ≥ 28 者。
本研究實驗組共納入 160 例均符合《骨關(guān)節(jié)炎診治指南》[6]的 KOA 診斷標(biāo)準(zhǔn)。其中男 83 例,女77 例,年齡 52~75 歲,平均 (54.11±6.38) 歲;對照組 (來院體檢的健康成人) 165 例,男 80 例,女85 例,年齡 50~65 歲,平均 (52.38±5.11) 歲。兩組患者在性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù) (body mass index,BMI) 等方面比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義 (P>0.05)。
本研究經(jīng)我院倫理委員會審核批準(zhǔn)通過,所有患者及其家屬對本研究知情同意并簽署知情同意書。
1.一般資料的收集:通過醫(yī)院電子病歷單收集患者一般資料,包括年齡、性別、BMI。
2.MRI 檢查儀器與方法:采用 GE Discovery MR750 3.0 T MRI 設(shè)備及膝關(guān)節(jié)專用線圈 (HD TR knee)進行 KOA 患者膝蓋 MRI 檢查,檢查前 3 h 患者無明顯劇烈運動。以髕骨下方作為掃描中心,掃描參數(shù)設(shè)置為:矢狀位 T1 rho,TR 80 ms,TE 4.0 ms,層厚3.0 mm,層距 1.5 mm,視野 180 mm×180 mm,重建矩陣 512×512,自旋鎖定頻率 (the frequence of SL,F(xiàn)SL) 500 Hz,延遲 1700 ms,掃描時間 10 min。
3.圖像處理方法:由 2 位影像學(xué)診斷醫(yī)師對MRI 圖形進行評估,意見一致為標(biāo)準(zhǔn)。將掃描圖像傳至 GE ADW4.6 工作站 Functool 軟件,經(jīng)處理分析生成 T1 rho 偽彩圖。繼而勾畫 4 個大小為 1 mm2的感興趣區(qū) (region of interest,ROI),ROI 鄰近半月板后角中心的關(guān)節(jié)軟骨處,將髕骨分為內(nèi)、外、中3 部分,股骨分為內(nèi)外 2 部分,脛骨分為內(nèi)外 2 部分,共 7 部分,在研究過程中按照軟骨厚度分區(qū)方法將其分為深、淺兩層。
4.具體操作方法:于原始圖像上找出髕骨、股骨和脛骨的最大顯示面,由臨床經(jīng)驗豐富的放射科醫(yī)師勾畫出膝關(guān)節(jié)軟骨邊緣,計算中軸線及中軸線法線,沿法線區(qū)域方向等間距分為深、淺層,根據(jù)中軸線長度選擇兩條合適法線將軟骨區(qū)域分為內(nèi)、中、外 3 部分,股骨和脛骨各選一條法線將其分為內(nèi)外 2 部分 (圖1)。將分層后的圖像傳入 Image J 軟件,軟件自動計算各位置 T1 rho 值。
圖1 a:膝關(guān)節(jié)軟骨正常成人 T1 rho 圖;b:膝關(guān)節(jié)軟骨正常成人 T1 rho 后處理偽彩圖;c:KOA 患者 T1 rho 圖;d:KOA 患者 T1 rho 后處理偽彩圖 (箭頭為患者病變部位)Fig.1 a: T1 rho of adults with normal knee cartilage;b: Pseudo-color T1 rho post-processing for adults with normal knee cartilage;c: T1 rho chart of patients with knee osteoarthritis;d: Pseudo-color T1 rho post-treatment for patients with knee osteoarthritis
由 2 位具有 5 年以上,在骨關(guān)節(jié)科工作經(jīng)驗的醫(yī)師根據(jù)影像學(xué)資料確定患者病變位置并對軟骨缺損程度和病變程度進行評分。
1.加拿大西安大略和麥克瑪斯特大學(xué) OA 指數(shù)(Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index,WOMAC)[7]:利用 WOMAC 量表進行自我評定,包括 5 項疼痛、2 項僵硬及 17 項關(guān)節(jié)功能,評分均采用視覺模擬評分 (visual analogue scale,VAS)[8](表1)。
表1 WOMAC 量表評分Tab.1 WOMAC scale score
2.國際關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)協(xié)會 (the International Cartilage Repair Society,ICRS) 評分[9]:按照 ICRS分級標(biāo)準(zhǔn)將軟骨病變分為 5 級 (表2)。
表2 軟骨病變的 ICRS 分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 ICRS grading criteria for cartilage lesions
3.全膝關(guān)節(jié)磁共振成像積分 (Whole organ magnetic resonance imaging score,WORMS)[2]:髕骨病變依據(jù) WORMS 標(biāo)準(zhǔn)共分為 3 級,0 級:未發(fā)現(xiàn)骨髓病變;1 級:髕骨病變累計面積 <25%;2 級:髕骨病變累計面積 25%~50%;3 級:髕骨病變累計面積 >50%。
所有入組患者均由同一組醫(yī)師進行全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)治療。入室后采用腰硬聯(lián)合麻醉法對仰臥位患者進行麻醉,在膝正中作 1 個長約 15 cm 的切口,髕骨旁內(nèi)側(cè)入路切開關(guān)節(jié)囊,暴露關(guān)節(jié)腔后,電灼去神經(jīng)化處理并將關(guān)節(jié)周圍增生骨贅、脂肪墊和交叉韌帶進行切除,顯露脛骨面,選擇合適假體用骨水泥進行固體,置入襯墊并止血,放置引流管屈曲位進行加壓包扎。
選取人工膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)截取下來的軟骨組織,利用咬骨鉗將磨損部位裁剪成 1.0 cm×0.5 cm×0.5 cm 的組織塊,經(jīng)生理鹽水沖洗多次,直至表面血液和髓核組織去除干凈,將其放入 4% 甲醛溶液中,常溫下固定 12 h 進行脫鈣處理,石蠟包埋切片,采用阿爾新藍染色觀察蛋白多糖的含量變化 (圖2)。
圖2 紅色箭頭所指為陽性異常部分,多糖含量在不斷增加 (阿爾新藍染色×400) a:細胞培養(yǎng)第 3 天;b:細胞培養(yǎng)第 5 天;c:細胞培養(yǎng)第 7 天;d:細胞培養(yǎng)第 9 天Fig.2 Alcian blue staining (Bar=50 μm) a: Cell culture at day three;b: Cell culture at day five;c: Cell culture at day seven;d: Cell culture at day nine
1.隨訪時間及方式:所有入組患者于出院后6 個月內(nèi),以門診隨訪的方式運用 Shahariarre 評分標(biāo)準(zhǔn)進行評估,至少由 1 名家屬陪同并協(xié)助完成監(jiān)督量表。
2.Shahariarre 評分標(biāo)準(zhǔn)[10]:按照 Shahariarre 評分標(biāo)準(zhǔn)將患者分為優(yōu):疼痛感消失,腫脹消退,關(guān)節(jié)功能正常;良:疼痛和腫脹明顯減輕,無壓痛,關(guān)節(jié)功能基本正常;差:疼痛、腫脹及關(guān)節(jié)功能均無明顯改善。預(yù)后良好為:Shahariarre 評分優(yōu) +良;預(yù)后不良為:Shahariarre 評分差。
采用 SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析。計數(shù)資料以例數(shù)和率 (%) 表示,組間比較采用χ2檢驗;符合正態(tài)分布的計量資料采用±s表示,組間比較采用兩獨立樣本組間t檢驗,組內(nèi)比較采用配對t檢驗;采用多因素 Logistic 回歸方法分析影響 T1 rho值增加的危險因素;SPSS 22.0 軟件構(gòu)建箱式圖分析關(guān)節(jié)軟骨 T1 rho 值與患者軟骨缺損及骨髓病變的關(guān)系;Kaplan-Meier 法繪制生存曲線分析 T1 rho 值與患者預(yù)后的關(guān)系,并采用 Log-Rank 檢驗比較組間差異。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
實驗組患者股骨前內(nèi)側(cè)、股骨前外側(cè)、股骨后內(nèi)側(cè)、股骨后外側(cè)、髕骨內(nèi)側(cè)、髕骨中部、髕骨外側(cè)、脛骨外側(cè)和脛骨內(nèi)側(cè)平均 T1 rho 值均明顯高于對照組,兩組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義 (P<0.05) (表3)。
表3 兩組患者各區(qū)域 T1 rho 值比較Tab.3 Comparison of T1 rho values in different areas between the two groups
實驗組 160 例按照 T1 rho 值的中位數(shù) (45.50 ms)分為 T1 rho 值 >45.50 ms 組 (75 例) 和 T1 rho 值 ≤45.50 ms 組 (85 例),兩組患者性別、年齡、BMI、病變位置、WOMAC 疼痛、僵硬、功能障礙評分比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義 (P>0.05);T1 rho 值 >45.50 ms組蛋白多糖含量明顯低于 T1 rho 值 ≤ 45.50 ms 組,而 ICRS 分級 ≥ 2 級、WORMS 分級 >1 級明顯高于 T1 rho 值 ≤ 45.50 ms 組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義 (P<0.05) (表4)。
表4 兩組患者指標(biāo)的單因素分析 [n (%)]Tab.4 Univariate analysis of patient indicators between the two groups [n (%)]
將蛋白多糖含量、ICRS 分級、WORMS 分級作為自變量,T1 值是否高于中位數(shù) (T1 rho 值 ≤45.50 ms=0,T1 rho 值 >45.50 ms=1) 為因變量納入多因素 Logistic 回歸分析中,結(jié)果表明,蛋白多糖含量低、ICRS 分級 ≥ 2 級、WORMS 分級 >1 級是影響 KOA 患者 T1 rho 值升高的獨立危險因素 (P<0.05) (圖3)。
圖3 影響 T1 rho 值升高危險因素的多因素分析森林圖Fig.3 Forest map of multifactor analysis of risk factors affecting T1 rho value elevation
將 ICRS 級別和 WORMS 級別作為自變量,160 例患者 T1 rho 值作為因變量,繪制成箱式圖,結(jié)果顯示,隨著 ICRS 級別和 WORMS 級別的升高加重,T1 rho 值也在逐漸增加 (P均 <0.001) (圖4)。
圖4 T1 rho 值與軟骨缺損及骨髓病變間的箱式圖圖5 T1 rho 值對患者預(yù)后的預(yù)后評估價值Fig.4 Box diagram of the relationship between T1 rho values and cartilage defects and myelopathyFig.5 Prognostic value of T1 rho on prognosis
建立生存曲線分析 T1 rho 值對患者的預(yù)后評估價值,隨訪 6 個月發(fā)現(xiàn),T1 rho 值 >45.50 ms 的患者預(yù)后不良率為 66.67% (50/ 75),明顯高于 T1 rho 值 ≤45.50 ms 患者 41.18% (35/ 85),差異有統(tǒng)計學(xué)意義(Log-Rankχ2=10.396,P=0.001) (圖5)。
KOA 是一種中老年人多發(fā)的慢性骨關(guān)節(jié)病,已成為除骨質(zhì)疏松外最常見的骨代謝疾病。過度肥胖、機體衰老、外界創(chuàng)傷、勞損過度都可能造成 KOA 的發(fā)生[11]。KOA 發(fā)展到晚期,臨床治療常采用關(guān)節(jié)鏡下自體骨軟骨移植及人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)[12],但手術(shù)費昂貴,患者承受痛苦大,因此 KOA早期發(fā)現(xiàn)和診斷非常重要。KOA 的標(biāo)志是關(guān)節(jié)軟骨退化改變,關(guān)節(jié)軟骨是一種能降低關(guān)節(jié)間摩擦力的結(jié)構(gòu),主要由少量細胞、水、膠原纖維和蛋白質(zhì)多糖組成[13]。關(guān)節(jié)軟骨退變早期主要體現(xiàn)為蛋白多糖含量降低、水含量增加、Ⅱ 型膠原纖維缺失及排列方式紊亂,使關(guān)節(jié)軟骨腫脹變性;晚期關(guān)節(jié)軟骨中的大部分結(jié)構(gòu)消失,致使關(guān)節(jié)活動受限,嚴重時可能喪失行動能力[14]。這些生化指標(biāo)的改變無法通過常規(guī)的 MRI 圖像檢測,是一種軟骨成像技術(shù),主要評價處于射頻脈沖磁場中組織的自旋弛豫值。其在診斷蛋白多糖含量時具有較高的特異性和敏感性[15],提示 T1 rho 成像技術(shù)可以用于早期骨關(guān)節(jié)炎的診斷和監(jiān)測疾病進展過程。T2 mapping 是軟骨橫向弛豫時間 T2 值的空間分布圖,T2 值主要受軟骨水含量和周圍膠原排列的影響,可以作為軟骨退變的無創(chuàng)檢測方法,但由于軟骨組織蛋白多糖的消耗早于水含量和膠原纖維的改變,故 T1 rho 較T2 mapping 能更早的反應(yīng)膝骨關(guān)節(jié)炎的生化改變,且相較于延遲對比增強計數(shù)和鈉 MRI 成像技術(shù),其不需要靜脈注射造影劑,屬于非侵入性操作,具有更廣泛的應(yīng)用價值。
本研究通過對正常人群和 KOA 患者群進行T1 rho 值分析比較,發(fā)現(xiàn)實驗組患者 T1 rho 值明顯高于正常人群,提示 T1 rho 成像技術(shù)可以客觀評價軟骨的病損程度。再對實驗組 160 例進行單因素分析時發(fā)現(xiàn),年齡與 T1 rho 值增加無明顯相關(guān)性,這與陳玲等[16]的研究不符,可能是因為本研究納入的樣本量有限,還需擴大樣本量繼續(xù)研究。Nissinen等[17]研究表明,T1 rho 值受蛋白多糖側(cè)鏈羥基和氨基影響,蛋白含量丟失,T1 rho 值增加,這與本研究的結(jié)果一致,可能的解釋為:蛋白多糖能吸引組織液中的陽離子和自由水進入軟骨基質(zhì),增加軟骨基質(zhì)的彈性和抗壓能力,當(dāng)軟骨中蛋白多糖含量大量丟失,使細胞外基質(zhì)系統(tǒng)紊亂,導(dǎo)致白介素-6、腫瘤壞死因子和白血病抑制因子大量生成,加快了蛋白多糖的降解速率,導(dǎo)致軟骨表面出現(xiàn)裂痕、潰瘍,加速 KOA 嚴重程度,使 T1 rho 值增加。Soellner等[18]研究表明,隨著關(guān)節(jié)軟骨缺損等級的增高,T1 rho 值也在逐漸升高,方舒等[19]研究表明,T1 rho 值增高可能伴隨骨髓病變的發(fā)生,以上 2 個研究結(jié)果均與本研究相符,提示 T1 rho 值增加與軟骨損傷和骨髓病變存在一定的相關(guān)性。本研究的生存曲線顯示,T1 rho 值 >45.50 ms 組預(yù)后不良率明顯高于 T1 rho 值 ≤ 45.50 ms 組,提示 T1 rho 值與 KOA患者預(yù)后存在相關(guān)性。
本研究的不足:(1) 病例數(shù)較少;(2) 回顧性研究,可能導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)偏倚;(3) 本研究采用的 ICRS 評分屬于一種半定量指標(biāo),在評分過程中會存在一定的主觀誤差。
目前 T1 rho 值的測量仍然是以分區(qū)內(nèi)的整體均值作為測量結(jié)果,無法反映更微觀分區(qū)內(nèi)的具體變化,后續(xù)研究將致力于更多數(shù)據(jù)的收集,做到細致分區(qū)并匹配更加先進的生物力學(xué)檢測。
綜上所述,T1 rho 值隨著軟骨缺損程度和骨髓病變程度的升高而加重,T1 rho 值可作為早期診斷與監(jiān)測 KOA 病情發(fā)展的良好指標(biāo)。