运用渗透性膨胀和超声显微成像弹性技术研究关节软骨的力学特性

王青，郑永平

1.香港理工大学 医疗科技及资讯学系，香港；2. 南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515

运用渗透性膨胀和超声显微成像弹性技术研究关节软骨的力学特性

王青1，2，郑永平1

1.香港理工大学 医疗科技及资讯学系，香港；2. 南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515

关节软骨是覆盖在关节骨表面的重要承重组织，其结构与成分的变化均会造成软骨的退化，从而最终导致骨关节炎等疾病的发生，因此研究关节软骨的力学性质具有重要意义。该研究通过改变关节软骨外溶液的离子浓度引起软骨的渗透性膨胀行为，结合超声显微弹性成像技术，依据超声回波计算得到软骨不同深度的位移变化量，绘制软骨内部组织弹性成像并预测了随深度变化的软骨轴向模量。该研究表明利用超声显微弹性成像技术可以有效观测软骨内部由渗透压力引起的膨胀行为, 并可以描述关节软骨的力学性质，为研究关节软骨早期病变提供一个有效可行的方法。

关节软骨；渗透性膨胀；弹性成像；超声显微弹性成像

1 概论

关节软骨是一种十分特殊的结缔组织，覆盖在活动关节骨组织上，其表面光滑，可减小关节运动时的摩擦力，分散压力负荷。关节软骨的基质主要由水、胶原与蛋白多糖组成[1-3]。胶原呈网架排列，决定软骨的形状和张力剪力特性；蛋白多糖多呈大分子聚合体状态；蛋白多糖和水使得软骨富有弹性。研究发现蛋白多糖携带负电荷，吸引阳性离子来保持其电中性[1-3]。因此，组织间隙内产生膨胀压力，膨胀压力的大小主要由 Donnan 渗透压决定，还受负电荷之间的静电排斥力的影响[1-3]。同时膨胀压力受到胶原纤维网架结构的限制，蛋白多糖的弹性和胶原纤维的张力之间保持着平衡，这个平衡在维持关节软骨的正常生物力学特性方面起到重要作用[3]。在骨关节炎等病变条件下，软骨的结构与组成发生改变，如水分的增加，蛋白多糖的解体，胶原网架结构的破坏等，上述力平衡被打破 , 软骨的生物力学特性亦随之变化。过去的研究显示，对关节软骨膨胀效果的观察与测量可以预测关节软骨退化疾病[4-5]。

引起关节软骨膨胀的常用方法是通过改变软骨外溶液的离子浓度，产生渗透压，从而破坏膨胀压力与胶原纤维张力之间的力平衡。近来有研究者用光学方法描述关节软骨的膨胀行为[5-8]，虽取得较好结果，但光学方法只能观察软骨样品的外横截面变化，却无法观察内部变化。郑永平等人研发的超声显微成像系统可实时观测样本内部变化[9-10]，不仅可以探测软骨蛋白多糖与胰蛋白酶之间的相互作用[11-12]，而且在研究软骨随深度变化的膨胀行为方面，取得了良好进展[13-14]。

目前，超声弹性成像成为临床研究的热点。超声弹性成像的基本原理是对组织施加一个内部（包括自身的）或外部的激励，组织内部将产生位移或应变分布方面的变化，利用超声成像方法，结合数字信号/图像处理技术，估计出组织内部的相应情况，从而间接或直接反映组织内部的弹性模量等力学属性的差异。由于肿块组织与正常软组织有明显的弹性系数（应力/应变）差异，它们对激励产生不同响应，产生不同的位移和形变，因而超声弹性成像技术在探测病变软组织，如肝脏、前列腺、乳房等，取得了良好的效果[15-17]。结合轴向压力与超声显微成像，郑永平等人发展了二维高频超声显微弹性成像系统，成功获得了关节软骨的弹性图像[18]。

本文通过调控软骨外溶液离子浓度，引入渗透压力，刺激软骨发生膨胀，利用高频超声显微弹性成像系统，实时观测软骨内部组织的变化，绘制弹性图像，建立四参数三相模型估计软骨不同深度的轴向模量。

2 方法

2.1 软骨渗透性膨胀实验

关节软骨样品取自新鲜成年牛的膝盖骨，放入 -20℃冰箱待用。实验开始前，取出软骨样品，放在生理盐水（0.15 mol/L 的氯化钠溶液）中解冻 3 h。

图1 渗透压引起的软骨膨胀行为的M模式超声图像

实验时，圆柱形样品的软骨表面向上，软骨下连接的骨组织向下，固定于容器底部的凹槽内。容器中注入2mol/L 的氯化钠溶液（高渗盐水），液面漫过超声换能器。软骨表面与溶液接触，周围用橡皮泥胶黏住以防止溶液从侧面渗入，目的在于模拟软骨在体内的状态，同时认为软骨只在一个方向（轴向）上膨胀，以便计算其单轴轴向弹性模量。观测1h后，达平衡状态。本实验选择该状态（软骨外溶液为 2 mol/L 氯化钠）为参考状态，在参考状态下离子被有效屏蔽，膨胀效果可忽略不计[8,19]。平衡后，30 s 之内迅速用 0.15 mol/L 氯化钠溶液代替 2 mol/L 氯化钠溶液。换液后，外溶液的离子浓度低于软骨内部的离子浓度，这种不平衡产生 Donnan 渗透压[1]，在渗透压力的作用下，软骨内外离子流动，使得软骨膨胀，1h之后软骨接近一个新平衡状态。图1为软骨膨胀的M模式超声图像。

2.2 超声显微弹性成像系统

超声显微弹性成像系统如图2所示，包括、一个50MHz聚焦超声换能器（Panametrics, Waltham, MA, USA，聚焦长度 12.7 mm，超声波束直径为 0.1 mm）、一台宽带超声脉冲发 射 接 收 器（5601A 型 , Panametrics, Waltham, MA, USA）、一块由超声脉冲发射接受器触发的 500 MHz 八位数据采集卡（CompuScope 8500PCI 型 , Gage, Canada）、 一 套 电 机 驱动 的 三 维 支 架 系 统 (Parker Hannifin Corporation, Irvine, CA, USA)、一个实验平台、一台计算机和自行开发的信号采集与处理软件。盛放样品的容器固定在实验平台上，超声换能器固定于三维支架系统的机械臂上。计算机控制机械臂三维运动，可将换能器调置到软骨样品上方合适的位置，在膨胀实验中驱动机械臂完成对样品的扫描。

图2 超声显微弹性成像系统组成框图

图3 超声显微弹性成像系统的信号采集与处理软件界面二维B超图像中的虚线框为感兴趣区域。

软骨表面、组织内部、及软骨与骨的界面产生的超声回波由超声脉冲发射接收器接收放大后，经数据采集板采集再存入计算机。通过信号采集与处理软件，以一维超声信号和二维超声图像实时观测渗透压引起的软骨膨胀行为。计算软骨内部位移分布时，在超声图像内选择感兴趣区域，该区域又被划分为 40×15 个子区域，两帧图像的时间间隔Δt 为 1.6 min，由信号采集与处理软件自动计算每块子区域的位移值并绘制膨胀过程中软骨内部组织位移变化的分布图。信号采集与处理软件界面如图3所示。

2.3 软骨三相模型

1991 年 Lai WM 等人提出软骨三相理论[20]，三相理论认为关节软骨由胶原-蛋白多糖构成的基质固相、组织间液的液相、以及 Na+和 Ca2+等离子作为第三相组成。比较两相理论（软骨仅由固相和液相组成）[21]，三相理论更全面地描述了软骨的力学特性[19-20]。膨胀过程，渗透性负载与力学负载类似 , 可导致软骨组织形变。基于三相理论，三相模型可以描述关节软骨的材料属性，提取软骨的弹性模量[19,22]。

膨胀压是关节软骨总应力的主要部分，与软骨的成分、电荷及水的分布相关。研究显示，蛋白多糖、胶原纤维、电荷密度和水分随软骨深度不均匀地分布[23]。因而，膨胀引起的应变亦随软骨深度的变化而变化，建立软骨三相模型时必须考虑这个不均匀性，才能准确描述膨胀引起的应变。我们建立了四参数三相模型[22]，如图4 所示。

图4 软骨四参数三相模型

在模型中，软骨分为两层 : 第一层为软骨深层，厚度（即分层位置）为h1，底部与骨组织相连，材料属性主要由轴向模量Ha1，Ha2和泊松比νs三个参数确定，并假设从软骨 -骨界面开始到第一层和第二层的分界面之间，轴向模量从Ha1到Ha2线性变化 ; 第二层为软骨浅层， 材料属性由轴向模量Ha2，Ha3和泊松比νs 三个参数确定，同样假设从第一层和第二层的分界面开始到软骨表面之间，轴向模量也是线性变化。由于考虑了中间分界面的轴向模量，从理论上说该模型比单层模型更准确描述软骨。四个参数Ha1，Ha2，Ha3和h1结合软骨的生化参数（固定电荷密度 C0F和水体积分数 φ0W），根据因离子浓度变化而引起的软骨膨胀状况，就可以描述软骨的生物力学特性。

软骨组织不同深度的膨胀位移量根据实时超声回波信号运用互相关跟踪算法计算[13,22]，得到应变场。由于软骨组织成分分布的不均匀性和软骨的膨胀，超声在关节软骨中传播速度的变化必须考虑。我们测定了始末时刻超声在软骨组织中的传播速度，实验测量数据按照始末时刻差值的深度比例进行了线性补偿[22]。把实验计算的应变数据作为模型的输入数据，预测得到关节软骨样品的轴向模量。

3 结果

根据超声回波信号，利用二维互相关跟踪算法[18]，计算出不同时刻的组织内部因膨胀而引起的位移分布图像，如图5 所示。当氯化钠溶液的离子浓度从 2 mol/L 突然减少到 0.15 mol/L 时，渗透压使得组织产生较大变形，但随着时间的延长至约 10 min，可以看到内部的形变减小，趋于平衡。

根据膨胀引起的位移分布，计算得到的软骨样品在不同深度的应变量。根据四参数三相模型，预算得到由深到浅的三个轴向弹性模量参数Ha1，Ha2和Ha3，软骨样品的分层位置h1=0.7±0.2（软骨厚度归一化后的位置）。表1列出软骨样品在不同深度的力学属性参数。

图5 软骨样品的外溶液浓度从2 mol/L 减少到0．15 mol/L后，不同时刻的组织内部因膨胀而引起的位移分布图像

表1 四参数三相模型的预测结果 ：软骨组织不同深度的应变量ε与轴向模量Ha

4 讨论

关节软骨的膨胀行为及力学特性的改变是关节炎初期的重要指征[2,5,24]。本研究通过渗透压力引入软骨的膨胀行为，运用超声显微成像技术，绘制出软骨膨胀时内部组织的动态变化，建立四参数三相模型，研究关节软骨的随深度变化的弹性模量，更准确地描述软骨的力学特征。

与光学等其他方法[4-8]相比，超声技术可以对组织内部的变化进行无损观测，使用实时二维超声弹性成像技术成功地绘制出软骨组织内部变化情况[18]。而利用软骨外溶液的离子浓度的变化引起渗透压力，无需在样品上施加额外压力，因此该方法很适合小样品的检测，而且将小型超声转换器装在内窥镜上，则更有希望成为临床软骨病变检测技术[13,25-26]。

Narmoneva 等人[5,6,8]认为软骨组织的材料属性是随深度变化而变化的 , 建立了三个参数的模型，虽然把浅层软骨组织的轴向模量看作是线性变化的 , 但是却把深层软骨组织的模量看作是不变的。而过去的研究表明，软骨的组织成分包括蛋白多糖、胶原纤维、电荷密度和水分均随深度不均匀地分布[23]。本研究建立了四参数三相模型，假设深层软骨组织的轴向模量亦为线性变化，由于增加了对中间分界面的轴向模量的估计，因而从理论上讲，与单相模型和三参数三相模型相比，该模型能更准确地描述随深度变化的软骨组织的力学特征。这也说明 , 运用超声显微弹性成像技术，基于渗透性膨胀建立关节软骨的四参数三相模型，可以有效地以无损方式测量关节软骨的材料属性。

总之 , 超声显微弹性成像技术对关节软骨膨胀行为、力学特征和材料属性的估计，对软骨组织进行性病变的研究，以及人工关节软骨材料的研制都有重要意义。除此之外 ,该研究对于临床骨关节炎的早期诊断具有潜在的应用价值,对材料的多孔介质力学研究以及其他相关领域的研究也具有借鉴意义。

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Study on Elasticity of Articular Cartilage using Osmosis-Induced Swelling and Ultrasound Elastomicroscopy

WANG Qing1,2, ZHENG Yong-ping11.Department of Health Technology and Informatics，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong, China; 2. School of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guanzhou Guangdong 510515, China

Articular cartilage is important weight-bearing connective tissue covering the articulating bony ends in diarthrodial joints. The structural or component changes of articular cartilage induce degenerations of the tissue and consequently cause osteoarthritis (OA). In this study, we used osmosis loading to induce swelling behavior of articular cartilage and apply ultrasound elastomicroscropy to map the depth-dependent deformations in the tissue. The intrinsic layered material parameters of the articular cartilage were extracted using a triphasic model. Results showed that the ultrasound elastomicroscropy system could investigate the mechanical properties of articular cartilage associated with osmosis-induced swelling behavior of articular cartilage in a non-contact way. This method could be potential to assess the progressive degeneration of cartilage for the early diagnosis of OA.

articular cartilage; osmosis-induced swelling; elastography; ultrasound elastomicroscopy

R445.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.01.004

1674-1633(2011)01-0013-04

2010-11-01

香港研究资助局和香港理工大学(PolyU5199/02E, PolyU 5245/03E, J-BB69)基金项目支持。

郑永平，教授。

通讯作者邮箱：ypzheng@ieee．org