超聲射頻信號定量分析發現關節軟骨退行性變的可行性研究

李姍姍，王媛媛，孫洋，何瓊，楊震，羅建文，崔立剛

1.北京大學第三醫院 超聲診斷科，北京 100191；2.清華大學 醫學院 生物醫學工程系，北京 100084

引言

膝關節軟骨退行性變在各種膝關節疾病中（如骨關節炎、類風濕性關節炎等）相當常見，隨著病變發展，可引起膝關節疼痛，造成膝關節功能障礙。早期診斷、早期治療是改善預后的關鍵[1]。但目前的診斷手段均存在一定局限性，常規的X線和CT并不能直觀地顯示軟骨病變；核磁對于軟骨的顯示雖佳，但其價格昂貴、耗時久，并不是臨床膝關節炎患者的常規檢查方式；高頻超聲經濟、便捷，可以清晰地顯示關節軟骨，但對軟骨退行性改變的評估仍然存在主觀、敏感性差等問題。基于超聲射頻信號定量分析的研究表明，原始射頻信號較灰階超聲圖像能夠提供更多的組織信息，早期發現病理改變。本研究將提取膝關節滑車軟骨的超聲原始射頻信號，評估其早期發現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月入院行膝關節鏡檢查的患者58人60例膝關節作為研究對象。其中韌帶損傷30例，髕骨脫位4例，半月板損傷8例，骨性關節炎18例。以關節鏡結果為金標準將病人分為病例組及對照組。

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

對照組：關節鏡結果顯示股骨滑車軟骨正常患者19人20例膝關節，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），9L 高頻線陣探頭，配備原始射頻信號開放端口。所有受試者均平臥于檢查床，膝關節屈曲90°，由同一醫師于髕骨上緣采集股骨滑車軟骨橫切面的常規灰階及射頻信號，采集過程中探頭垂直于股骨長軸。

所有數據均于儀器內置肌骨條件B-Mode模式下采集，圖像深度深度3.5 cm，增益及其他參數保持原始設置不變，聚焦置于軟骨平面。

1.3 數據分析

1.3.1 常規灰階超聲圖像分析

由一位具有10年肌骨超聲經驗的非操作醫師對軟骨的常規灰階圖像進行盲法判讀并分類：軟骨形態正常、前表面光滑清晰且內部回聲均勻記錄為正常；軟骨表面欠清晰，內部回聲增強和（或）軟骨出現缺損記錄為異常。

1.3.2 超聲射頻信號的參數分析

采用Matlab 2016對原始射頻信號進行圖像重建，選取滑車軟骨區域作為感興趣區域并進行10個參數的計算，分析軟骨上邊界和下邊界的聲學特征，并與軟骨內部聲學特征進行比較。具體分析參數如下：上邊界粗糙度（URI_ant)、上邊界反射強度（R_ant）、上邊界反射均勻度（SVR_ant）、上邊界和內部回波對比度（Contrast_ant）、下邊界粗糙度（URI_post）、下邊界反射強度（R_post）、下邊界超聲反射均勻度（SVR_post）、下邊界和內部回波對比度（Contrast_post）、內部反射強度平均值（R_mean）、內部回聲均勻度（std）（圖1）。主要參數公式如下：

圖1 射頻信號重建圖

1.4 統計學分析

數據分析采用SPSS 23.0統計軟件，兩組間均數比較采用獨立樣本t檢驗，同時繪制ROC曲線。計算射頻信號參數及常規高頻灰階超聲檢測軟骨退變的敏感性、特異性及準確率。均以P＜0.05為差異有統計學意義，P＜0.01有顯著性差異。

2 結果

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、準確率、陽性預測值及陰性預測值，見表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檢測軟骨退變的敏感性、特異性及準確性

2.2 基于射頻信號的多參數分析

病例組的URI_ant（8.84±0.65）顯著高于對照組（7.38±1.08）（P＜0.01），病例組的 R_ant（0.11±0.06）顯著低于對照組（0.17±0.07）（P＜0.01），病例組的 SVR_ant（0.07±0.04）顯著低于對照組（0.12±0.06）（P＜0.01），病例組的Contrast_ant（6.13±1.36）顯著低于對照組（9.25±3.26）（P＜0.01），其他參數在兩組間沒有統計學差異（表2）。

運用ROC曲線分析各參數對軟骨退變的診斷價值，結果表明 URI_ant、R_ant、SVR_ant和 URI_post分別以 8.454、0.096、0.070、6.436為截點時，曲線下面積最大，分別為0.904、0.774、0.753、0.846。各參數檢測軟骨退變的敏感性、特異性、準確率、陽性預測值及陰性預測值，見表1。

表2 病例組與對照組的參數比較()

表2 病例組與對照組的參數比較()

注：*P＜0.01。

聲學參數 病例組 對照組 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

膝關節軟骨為透明軟骨，附著于運動關節的骨性關節面，是組成活動關節面的彈性負重組織。作為人體最大的負重關節，膝關節軟骨也是最易發生退行性變的部位。多項研究表明，在軟骨病變早期可通過細胞保護劑、生長因子治療，同時可通過物理治療、減重等手段來逆轉軟骨的病理改變，從而有效阻止疾病進展[2]。關節鏡檢查是診斷、評估軟骨退行性變的金標準，但作為一種有創檢查手段，其重復性受限，一些患者難以耐受，故在阻止或延緩膝關節軟骨退行性變的進一步發展中，仍需要一種無創、可重復的檢查手段。

已有研究[3-4]證明常規高頻超聲可通過對軟骨的厚度、邊緣及內部回聲進行軟骨情況的評估，但目前臨床應用較少，主要問題是缺乏統一的診斷標準，且受成像設備以及成像條件、操作者的個體認知及經驗等影響嚴重。本研究中常規高頻超聲的診斷效果差強人意，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，利于常規超聲辨別的較明顯的病變特征（如軟骨缺損、變薄）尚未出現。

超聲射頻信號是指超聲探頭發射聲學脈沖波在生物組織內傳播、相互作用后組織反射回來的通過超聲探頭接收到的回波信號。相較于常規超聲的灰度信息，該信號沒有經過任何圖像處理，保留著不同組織細微結構的振幅和相位等全部信息[5]。通過對射頻信號進行多參數提取，可對軟骨進行定量分析。已有國外學者利用射頻信號參數對離體軟骨進行定量分析，證實其有效性，但在體軟骨的相關研究鮮有報道[6-8]。本研究初步驗證了其在體應用的可行性。

早期的軟骨退變表現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]。退變進展一定程度則會發生結構性改變，軟骨表面的不規則越來越明顯，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在常規高頻超聲中并無明顯差異，即使有經驗的醫師判讀也難以鑒別。我們采用原始射頻信號分析發現與軟骨前表面相關的參數URI_ant、R_ant、SVR_ant及Contrast_ant在病變組與對照組軟骨之間均有統計學差異，符合軟骨退變的淺表層病理學改變，即其成分的變化和上表面粗糙度的增加。這也與國外學者[11-14]離體軟骨相關聲學參數的研究相一致。

膝關節軟骨退變的病理變化除了表淺退化還存在基底退化[15]，骨關節炎早期鈣化層軟骨細胞會激活表現出生長板細胞特性，繼而表達肥大的軟骨細胞表型，分泌Ⅹ型膠原，引起軟骨基質礦化、潮線前移或復制；同時，來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]。但本研究并未發現病變組與對照組間軟骨后表面參數的差異，可能與樣本量以及超聲機器調節有關，還有待進一步驗證。

本研究亦存在一些不足，首先樣本量有限，且僅對膝關節滑車軟骨進行了分析，并未全面采集內外側髁及髁間軟骨的信號；其次并未對軟骨退變進行分級。未來可以擴大樣本量，更換不同頻率探頭，獲得關節鏡或病理標本進行更深層次的研究。

4 結論

基于超聲射頻信號的參數URI_ant、R_ant、SVR_ant及Contrast_ant的定量分析，對評估股骨滑車軟骨退變具有一定潛力，尤其是URI_ant和Contrast_ant，具有在體應用的可行性，并能夠早于常規超聲發現異常。未來需要進一步擴大樣本量，進一步驗證參數間與退行性變程度的相關性。