膝关节骨关节炎影像学诊断与步态评估进展
2017-02-21 广州军区广州总医院骨科医院 曾小龙 中华关节外科杂志(电子版)2016年12
膝关节骨关节炎(KOA)是一种以膝关节软骨变形和丢失、关节缘和软骨下骨骨质再生为特征的慢性关节炎疾病，是中老年人群中最常见的慢性关节退行性疾病；40岁以上人群中男性患病率达23.5%，女性患病率达32.8%，女性发病率高于男性，而且总发病率逐年增加。KOA可以引起膝关节疼痛，使关节活动受限和功能部分丧失。随着老龄化时代的到来，而且患者对于生活质量的要求越来越高，对该疾病及早发现并治疗显得越发重
膝关节骨关节炎(KOA)是一种以膝关节软骨变形和丢失、关节缘和软骨下骨骨质再生为特征的慢性关节炎疾病，是中老年人群中最常见的慢性关节退行性疾病；40岁以上人群中男性患病率达23.5%，女性患病率达32.8%，女性发病率高于男性，而且总发病率逐年增加。KOA可以引起膝关节疼痛，使关节活动受限和功能部分丧失。随着老龄化时代的到来，而且患者对于生活质量的要求越来越高，对该疾病及早发现并治疗显得越发重要。本文将对X线、CT、MRI、超声传统评估方法以及步态分析技术在临床中的研究与应用进行相关的介绍。
X线、CT
常规X线摄影是KOA临床诊断中最基本和首选的方法，同时也被用于了解病变进展情况和疗效评估。KOA的在X线下可表现为：(1)局部关节间隙狭窄；(2)软骨下硬化；(3)骨质增生形成骨赘；(4)关节面下囊肿；(5)关节内游离体；(6)晚期可出现关节半脱位。
早在1957年，Kellgren和Lawrence就提出骨关节炎(OA)的X线的诊断标准(K/L分级)，并得到普遍认可，如今广泛应用于该病的诊断。该分类标准分为4级，其分级为：Ⅰ级是疑似OA，有轻度的关节边缘骨质增生；Ⅱ级是轻度OA，有明确的骨质增生，但是关节间隙未变窄或者未明显变窄；Ⅲ级是中度OA，有骨质增生，关节间隙中度变窄；Ⅳ级是重度OA，关节间隙明显变窄，并伴有软骨下骨硬化。Schiphof等提出，由于影像学工作者采用K/L分级法描述图像过程中会使用不同的词汇描述，导致形成多个不同版本的“K/L分级”，甚至对同一个患者会有不同的K/L分级等级，未来需要在K/L分级法的描述用词上达成共识，即形成单一有效可行的分级方法。
Ahlbck等按膝关节X线片的表现将KOA依其严重程度分为5级：Ⅰ级为关节间隙变窄(50%关节软骨磨损)；Ⅱ级为关节线消失；Ⅲ级为轻度骨磨损；Ⅳ级为中度骨磨损(磨损0．5～1CM)；Ⅴ级为严重骨磨损及存在关节半脱位。但是，有相关研究表明Ahlbck分期法观察者间信度低，提示Ahlbck分期法不适用于术前评价，其可能原因在于对关节间隙的尺度把握上难以统一。上述这两种方法在目前应用中比较多，尤其是K/L分级法，除此之外，还有几种比较流行的KOA分期方法。如Brandt等根据关节间隙狭窄程度以及关节镜下软骨退化情况把KOA严重程度分为五个等级。国际膝关节评分委员会主观膝部评分表(IKDC评分)根据关节间隙的狭窄程度，把KOA严重程度分为4个等级。Jger等根据关节镜下关节有无退行性变，把KOA严重程度分为5个等级。
以上分级法中，K/L分级法是目前使用最多的KOA分级方法，它的观察者信度相对比较高，但是不同文章的观察者间信度波动范围比较广(0.51～0.89)。相关系数波动范围比较大的可能原因是受到设备条件、年龄，还有操作的影响。Ahlbck分期法强调骨磨损，对于早期的患者的适用性比较小。除了诊断和分期方法，不同拍摄手段也对KOA的诊断和评估有着重要的意义，例如，负重位X线片可以直接反映出膝关节内部在负重状态下的关节间隙狭窄的程度，消除了关节肿胀带来的干扰，在KOA诊断和治疗中有重要的意义。
CT成像具有分辨率高，扫描快速的特点，是骨关节与软组织疾病的一种常用辅助检查方法。KOA在CT影像中可见关节内软骨变化、骨赘、软骨下囊肿和软骨下骨硬化等；同时，CT影像还能够分析骨密度和软骨下骨硬化程度，可以了解KOA病理生理进展，但在量化评价KOA病理生理进展还需要一种良好的评价系统。有研究发现，站立位CT(SCT)在评价骨赘和软骨下囊肿方面比X线更加敏感和精确，而且CT能够对X线由于位置限制而产生的盲区进行显影。另外，CT成像技术可以辅助下肢扭转角度测量，是客观评价KOA患者膝关节活动度的一种有效方法。但是到目前为止，CT成像在KOA诊断的研究与应用报道比较少，可能与其费用较高，辐射量较大有关。
MRI
MRI对软组织的分辨能力强，可以在临床症状出现前显示软组织改变，如软骨丢失、半月板变性、韧带损伤等，从而能对早期KOA进行诊断评估，其在KOA的诊断评价上的独特作用已经被广泛认识和接受。与X线成像相比，MRI能够对软骨丢失、骨髓肿胀以及关节内结构紊乱等病理特征进行显像；另外，MR能够在患者出现临床症状前根据显像提早发现KOA。也有研究发现，KOA在MRI中表现出的软骨损伤程度、骨赘、软骨下硬化等特征与K/L分级及患者的疼痛症状有一定程度的相关性，如：用MRI分析KOA患者胫股内侧间室软骨，随着K/L分级等级的增高MR显像的软骨损伤程度越来越严重。目前MRI已经成为除常规X线以外的重要辅助检查手段，能够更深入的了解患者病情。
目前MRI诊断KOA的关节软骨缺损可依照Recht分级法进行，国际修复委员会(ICRS)分级标准也是基于该分级法制定的。Recht分级法共五级：Ⅰ级－关节软骨完整，但厚度减少，表面光滑；Ⅱ级－软骨分层消失，出现局部低信号，软骨表面仍光滑；Ⅲ级－软骨表面轻度或中度不规则，关节软骨有缺损，但小于正常厚度的一半；Ⅳ级－软骨表面有重度缺损，关节软骨缺损超过正常厚度的一半，但未完全剥脱；Ⅴ级－软骨完全剥脱，严重缺损，软骨下骨裸露，可有软骨下骨质信号改变。
Recht分级法着重强调软骨缺损情况，忽略了KOA其他病变组织，如骨赘、软骨下囊肿、软骨下骨髓水肿等。也有研究关于KOA在内镜Noyes分级法的基础提出了新的MRI分级法———Park分级法，具有不错的观察者间信度(0.914～0.938)和组内信度(0.829～0.840)。该分级法把KOA在MR上分为5个等级：0级－没有发现软骨损伤或者极少量骨赘(＜5mm)；Ⅰ级－NoyesⅠ级软骨损伤伴至少一项(骨赘＞5mm，BME＞10mm，软骨下囊肿＞10mm)；Ⅱ级－NoyesⅡ级至少伴一项(骨赘＞5mm，BME＞10mm，软骨下囊肿＞10mm)；Ⅲ级－NoyesⅢ级软骨损伤至少伴一项(骨赘＞5mm，BME＞10mm，软骨下囊肿＞10mm)；Ⅳ级－NoyesⅢ软骨损伤伴半月板三度裂伤。Park分级法根据KOA的病变组织特点进行分级，能够较为有效准确的诊断KOA，但是Park分级法是最近提出的分级系统，其可行性和有效性需要时间检验。此外，也有其他对KOA的分类方法的研究，但涉及评分项目较多，流程复杂且耗费时间。
超声
超声用于探测肌肉骨骼异常历史已久，经过多年的发展，尤其是近年来高频超声的逐步应用，超声检测已经能够观察软骨表面结构，厚度和软骨下骨的病变、性质和范围，使其在KOA评估具有很高的价值。早在20世纪80年代，已经有学者通过超声探查测量人体关节软骨的厚度并观察KOA早期病变。有研究发现，超声对软骨变化较敏感，结果可信度高，对KOA早期软骨退化的诊断具有重要的诊断价值。除了软骨退行性病变程度之外，超声在评价KOA滑膜炎等软组织病变有着不错的表现。
有研究发现，超声能够量化评估KOA退行性病变，并与K/L分级一定程度上相关联。近来已有学者根据KOA在超声下的特点探究KOA新的分期标准。有研究根据Shahriaree标准对股骨关节面退行性变及其软骨情况分期，总结出膝关节软骨不同分期退行性病变的声像学表现，并进行分期，Ⅰ期：退变通常改变很不明显；Ⅱ期：退变软骨表面毛糙，病变区回声增高，软骨轻度变薄或局部隆起；Ⅲ期：退变软骨局部明显变薄；Ⅳ期：退变软骨层完全缺失，软骨下骨暴露。
但是，超声所能观察的界面较有限，难以全面反映关节内的变化，而所获图像的质量及对观察结果的判断比较依赖于操作人员的操作技术和临床经验，并且目前尚未有成熟的量化评价标准，因此将超声探测作为KOA独立的诊断手法在目前条件下并不现实，但超声探测作为一种简单快速的检查方法，可以作为KOA临床辅助评估。此外，由于该检查的无创性，而且对患者不会产生辐射伤害，该方法尤其适合对KOA患者进行长期的随访跟踪，在评估病情发展以及治疗效果方面有较大的发展前景。
步态分析
步态分析(GA)是研究步行特点的方法，研究者通过采用相关仪器和设备检测来揭示步态异常的原因及影响因素，从生物力学和运动学层面上辅助医师进行疾病诊断、治疗和康复评估。三维运动参数测量系统是现代GA的主流研究趋势，包括运动学分析，动力学分析以及步行过程中各肌肉肌电活动等。KOA除了会有疼痛、关节功能障碍及影像学上的改变之外，还会引起步态异常。通过对KOA患者膝关节运动学及动力学分析，结合影像学情况和患者症状，可以较全面把握KOA病情发展情况以及指导治疗方案的选择，目前步态分析已经成为了KOA临床研究中的一项新热点。
运动学研究 运动学分析主要研究肢体行走过程中相关运动参数随时间的变化规律。通过三维运动捕捉系统可以获得相关运动学参数，包括：步幅、步速、步频、步宽、步长、足偏角、步行周期等变化规律。目前已经有许多学者应用该系统研究了不同严重程度KOA患者的运动学特征。研究发现，KOA患者步态的基本特点是“逃避疼痛步态”，即步速、步长、患肢单支撑相、步频的降低。
Tanaka等研究发现，双侧KOA患者步行时躯干摆动向一侧倾斜，使膝关节内侧关节的应力提高，加重内侧关节磨损。Onley，Mattsson等发现KOA步速进行性减慢。近来有学者研究内侧间室KOA和外侧间室KOA步态特点的异同，发现内侧间室KOA膝内翻角度增加，外侧间室KOA膝外翻角度增加，但是两种类型的KOA患者都会出现髌骨倾斜和紊乱的特点。
三维运动捕捉系统以其构造简单、获取数据方便等优势在KOA基础与临床研究中发挥越来越广泛的作用，同时在许多评价康复治疗或者药物疗效的研究中有着较广泛应用，如指导患者加强股四头肌的锻炼既可以有效缓解疼痛和改善步态参数又可以对患者术后效果进行评估，同时还可以研究KOA进展因素来制定策略延缓KOA进展。偶有关于应用三维运动捕捉系统量化诊断和评估KOA的报道。有学者采用三维运动捕捉系统量化评价KOA进展因素，并发现在内侧间室KOA患者中膝负重轴随着KOA病情的进展而向内侧移动。
然而，目前该类系统在实际操作中仍需要克服不少问题，其中最关键的就是误差问题。有研究发现，红外运动捕捉系统由于受皮肤变形的影响，在旋转角度以及位移量的三维测量上存在一定的误差。有研究者使用多点标记技术或者X线/CT/MRI等辅助配准等方法减少操作过程中系统产生的误差，获得较理想的效果，对三维运动捕捉系统在KOA相关研究中深入应用有较大的参考价值。也有研究发现，相对于让患者在正常步速下测量参数，应用三维运动捕捉系统让患者在快速步态下测量的参数相对可靠，其中的测得最可靠的参数是步长。
动力学研究 动力学(kinetics)分析是对步行时作用力、反作用力强度、方向及时间等因素的研究。步行相关动力学特征包括地面反作用力(GRF)，剪力(shearforce)，力矩(torque)等。其中，力矩是力与关节活动范围的乘积，是动力学与运动学的结合点，受肌肉力量、关节稳定性和运动方向的影响。KOA患者的膝关节的应力和力矩均会出现异常改变。有研究发现，正常的膝关节结构内部应力均匀分布，正常步行时GRF呈双峰型；KOA患者关节内部应力分布不均，高应力点或者高应力区的软骨就可能发生裂纹、剥脱及溃疡等一系列病变，从而导致下肢承重能力减低或者步行速度降低，在该状态下，GRF双峰曲线降低或者消失，前、后剪力表现为反向尖峰图形，左、右剪力形态相似，且幅度较小。支撑中期膝内翻力矩(KAM)是一个评价KOA患者严重程度的理想指标，其不被步行速度所影响。有学者针对如何减小支撑中期膝内翻力矩开展了一系列研究，如KAM增高可以加剧关节骨髓病变，如果降低KAM会延缓KOA病情的进展。
小结和展望
X线仍是目前首选的辅助诊断方法，MR依靠其独特优势有希望成为重要的影像学辅助诊断方法，超声则在临床随访中有着不错效果。同时，也有许多学者应用步态分析技术对KOA开展一系列关于患者膝关节生物力学及运动功能评估的研究。借助三维运动参数测量系统，步态分析技术将有望用于KOA患者临床快速诊断和康复指导，在治疗的选择和疗效评估中发挥重要的作用。通过对比与综合发现，步态分析除了能够诊断和评估KOA外，还能在生物力学和运动学的层面上评价和指导KOA患者的康复，甚至在未来有望结合影像学，根据患者步态特点制定个体化评估和治疗措施。
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