膝关节软骨下骨不全骨折影像学征象、手术时机选择研究进展

刘晓岚,覃滢,肖运平*

(1.右江民族医学院研究生学院,广西 百色 533000;2.广西柳州市人民医院放射科,广西 柳州 545006;3.柳州市分子影像重点实验室,广西 柳州 545006)

膝关节软骨下骨不全骨折(subchondral insufficiency fracture of the knee,SIFK)过去被称为膝关节自发性骨坏死(spontaneous osteonecrosis of the Knee,SONK),最新的文献[1]指出SONK一词错误地描述了该病的病因和发病机制,用术语“膝关节软骨下骨不全骨折”(subchondral insufficiency fracture of the knee,SIFK)会更准确。目前研究[2]普遍支持SONK是SIFK的终末期表现。SIFK常表现为60 岁以上的女性在无明显诱因下出现膝关节疼痛,多局限于单侧膝关节内侧间室,股骨内侧髁是最常见的位置。SIFK的早期发现及治疗至关重要,但人们对这一疾病的认识仍较局限,有关该疾病的病因学、发病机制、影像学评估及手机时机选择等尚有争议,笔者综述如下。

1 病因学及发病机制

目前,SIFK的病因及发病机制尚不清楚,目前最常见的是应力源性理论和血管源性理论[3]。应力源性理论认为[4]SIFK与低骨矿物质密度、半月板后根部撕裂、半月板突出、胫骨近端内翻畸形等因素有关。血管源性理论认为由于膝关节血供被中断,微循环障碍引起广泛骨髓水肿,最终发展成骨组织缺血坏死[5]。有学者[6]认为应力源性理论和血管源性理论两个学说是相互作用的,并非单独存在。Hatanaka等[7]对手术切除的完整SIFK标本进行组织病理学检查,在冠状面上观察到一条线性骨折线且与软骨下骨终板平行,表明早期SIFK并非原发性骨坏死,而是软骨下骨折的结果。在一篇关于骨髓水肿综述的报道中作者也认为SIFK的发病机制可能是机械性损伤[8]。虽然SIFK的发病机制不明,但基于上述病理学、影像学相关证据,笔者认为SIFK的首要发病机制是应力源性理论的可能性更大。

2 影像学研究进展

2.1 X线 过去MRI尚未广泛应用于临床时,人们根据X线对SIFK进行分期,有Koshino分期、Aglietti 分期、改良Ficat和Arlet分期以及Mont分期等[9-11](见图1)。有研究[12]表明在X线片上早期SIFK常为阴性,当受累区域见透亮区及相应髁间隆起扁平化时提示已处于SIFK晚期阶段。Tsukamoto等[13]在X线片上测量SIFK患者的股胫角(femorotibial angle,FTA)、胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle,MPTA)进行早期诊断,发现当MPTA<84 °并有膝关节疼痛症状时常提示SIFK的发生,此时需行MRI检查。但该研究属于回顾性研究,无法明确MPTA和FTA与SIFK的因果关系,需进行前瞻性研究来探讨。

a Ⅰ期 b Ⅱ期 c Ⅲ期 d Ⅳ期图1 X线分期:Koshino分期

2.2 MRI MRI是目前普遍认可用于早期识别SIFK的手段,在观察半月板病变、关节软骨损伤、骨髓水肿等方面效果较好,当患者出现突然加重的膝关节疼痛、经X线检查阴性时应进行MRI检查避免漏诊SIFK[14]。但MRI需6周左右才能在T1WI图像上观察到线样低信号带[15]。因此出现膝关节疼痛首先经X线和MRI进行诊断,若为阴性则2个月后复查[16],这样能使SIFK的早期识别率明显提高。

2.2.1 软骨下骨折线及骨髓病变 如前所述,早期MRI上SIFK表现为软骨下骨板区域线样低信号带,伴周围广泛的骨髓水肿,该线性低信号带被认为是骨折线。Kosaka等[17]对SIFK患者骨髓病变的病理学进行评价,他们认为SIFK中的骨髓病变表现是软骨下骨折的结果。也有研究[18]表明早期出现大面积骨髓水肿时会掩盖骨折线的存在。骨折线有助于早期识别SIFK,但当病变部位未观察到骨折线时并不能排除SIFK,应结合骨髓水肿等征象进行综合判断。

2.2.2 半月板病变 半月板对于维持膝关节功能至关重要,其可增加股骨髁和胫骨平台的接触面积、均匀分散膝关节表面的应力负荷,当半月板损伤时,压力负荷也随之发生改变[19]。如果老年患者有骨质疏松症或软骨及半月板变性病史时,高度警惕SIFK[20]。若伴有半月板撕裂、半月板突出、软骨损伤时,MRI检出率远高于X线片[21]。学者Wu[22]提出内侧半月板后根部撕裂(medial meniscus posterior root tears,MMPRTs)的发生率为69.6%,许志阳等[23]的研究推测MMPRTs导致环向应变能力丧失,胫股界面的接触应力增加,股骨内侧髁软骨和软骨下骨短期退变,承载负荷的功能减退,随后继发SIFK。在MRI上观察到鬼影征、裂隙征、长颈鹿颈征、胫骨后部闪亮角病变时提示MMPRTs的发生[24-25]。MMPRTs的持续时间越长会引起严重的骨髓水肿及高级别SIFK[26]。当半月板完整的胶原纤维被破坏,环向应变能力降低,从而胶原纤维径向向外延展引起半月板突出[27]。内侧半月板突出(medial meniscal extrusion,MME)使半月板承载负荷的能力下降,类似于内侧半月板部分切除或全切除术后,导致胫股内侧关节软骨承载的轴向应力过大,最终引起软骨和软骨下骨发生损伤、退变,导致SIFK的发生[28]。Achtnich等[29]认为正常膝关节出现生理性退变后会引起内侧半月板突出,这主要由膝关节压力负荷所决定。而宋群山等[30]的研究结果也表明骨关节炎(osteoarthritis,OA)患者的半月板突出可能与半月板自身损伤相关,特别是MMPRTs。Kim等[31]引入了一个基于撕裂间隙的新分类,MRI上可观察到撕裂间隙与撕裂类型的增加成正比,而撕裂类型越高,半月板突出的程度越高,并出现严重的软骨磨损和OA。当发生MMPRTs后受力面积减小会使膝关节生物应力增加,从而导致半月板突出。内侧半月板突出会改变内侧间室的应力传导,股骨内侧髁软骨及软骨下骨无法承载应力从而引起SIFK。MMPRTs和半月板突出与SIFK关系密切,但MMPRTs是否在SIFK发生之前就已经存在仍需进一步探讨。

2.2.3 干骺端爆裂征 Vidoni等[32]观察到MRI上受累髁的干骺端软组织水肿是SIFK新的早期间接征象,并称为“干骺端爆裂征”。Sayyid等[33]提出低级别SIFK和高级别SIFK的软组织水肿分布有差异,且54.5% 的高级别SIFK与延伸非邻近病灶周围软组织水肿有关,但也有学者认为[34]软组织水肿对不良临床结果没有显著影响,他们回顾性分析37例SIFK患者,发现软组织水肿的发生率为83.7%,但最终需进行手术处理或再次发生SIFK的影响因素与软组织水肿无关。Allam[35]的研究也提出SIFK分级与病灶周围软组织水肿无关联。值得注意的是,这些研究并未设置对照组与其他膝关节疾病如OA、急性骨软骨骨折、感染和肿瘤进行鉴别,不能说明该部位的软组织水肿是SIFK的特异性表现,因此需要前瞻性的大样本研究并进行长期随访,观察软组织水肿在SIFK中的作用,并进一步判断低高级别SIFK的软组织水肿分布及程度有无差异。当患者出现软骨下低信号骨折线、半月板撕裂和突出、软骨下关节面轮廓改变、邻近软组织水肿时预后不良的百分比较高,但软骨下关节面轮廓塌陷是唯一与不良结果呈正比的影像学特征[34]。

2.3 平面骨闪烁显像及SPECT/CT 平面骨闪烁显像早期被用于诊断SIFK,随后相关研究认为[2]其低敏感性与低特异性,不适应于SIFK的诊断。最近一项关于左股骨内侧髁软骨下骨不全骨折的研究报道[36]X线片上平面骨闪烁显像未见异常改变,而SPECT/CT显示病灶软骨下区域摄取强烈。在复杂结构的评估上,SPECT/CT的敏感性明显较平面骨闪烁显像高,能进行三维的解剖学评估,有利于病灶定位及异常征象的显示。当患者因相关禁忌证无法进行MRI检查时,此检查也是有价值的。

2.4 深度卷积神经网络 有学者利用深度卷积神经网络实现了SIFK和OA的鉴别[37]。该研究通过对冠状位脂肪抑制的PDWI序列对采集的图像进行增强、调整大小、归一化,随后对数据集进行训练,最后使用ROC曲线和曲线下面积来评估人与机器的性能,发现深度卷积神经网络在区分SIFK和OA方面非常准确,实现了与放射科专家同等或更高的性能。但该方法主要基于已有的MRI和临床表现,缺乏病理结果。

3 手术时机参考

3.1 基于病灶大小及形态特征 李浩等[38]认为临床症状较轻、病变范围较小、关节面无塌陷的患者经保守治疗后效果较好。当患者经保守治疗3个月后临床或影像学表现未改善[39]、病程大于3个月、病变缺损面积大于5 cm2时,进展至OA的风险较高,因此可评估患者年龄、膝关节活动度、下肢力线和塌陷程度选择自体骨软骨移植、胫骨高位截骨术、膝关节单髁置换术和全膝关节置换术等方法进行手术治疗[40]。近年来有研究发现在MRI上测量病灶前后径、横径、高度,三者平均总和≥26 mm或病灶前后径≥16.5 mm、横径≥10.5 mm提示不良的预后[31]。Akamatsu等[41]则同时结合下肢力线和MRI病灶深度提出首次就诊时FTA>180 °,MRI 的深度>20 mm,提示在症状发作后1年内需要进行手术治疗。贺强等[42]随访了经保守治疗1年后的Aglietti Ⅰ～Ⅱ期的90例SIFK患者,发现不仅骨坏死深度会影响SIFK的进展,当骨髓水肿面积大于髁部的50%,甚至累及骨干骺端或骨干部时,保守治疗失败率为75%,因此骨坏死深度的增加、骨密度减少、骨髓水肿面积增加进而导致手术的风险更大。一项研究测量了半月板突出的宽度与半月板自身宽度的比值,并将其定义为内侧半月板相对边缘性移位(relative percentage of extrusion,RPE),当RPE>33%提示病变进展,需进行手术治疗[43]。因此,当在影像学上观察到病灶大小和深度、RPE和骨髓水肿面积超过所界定的正常值及出现膝内翻畸形时是手术的指征。

3.2 基于X线和MRI的SIFK分期 大多数研究[6,44]认为Koshino Ⅱ期且骨髓水肿在2级以上、Koshino Ⅲ期及以上、Aglietti Ⅳ期或Ⅴ期、Mont Ⅲ期及以上时手术疗效满意。最近有新的基于MRI的SIFK分级系统(见图2)[33]被用于SIFK危险因素及结局的评估,根据病变严重情况将SIFK分为高级别病变(high-grade,HG)及低级别病变(low-grade,LG),LG是指最初仅在MRI中观察到骨折线的存在及病灶附近见骨髓水肿信号,在该分级系统中归类为1级、2级。若出现内侧半月板后根部撕裂伴半月板突出(>3 mm)、病灶较大、高级别软骨病及关节表面塌陷中的任一表现则提示HG的发生,在该分级系统中归类为3级、4级。在此分级系统的基础上,Allam等[35]经研究发现高级别SIFK与同侧间室高级别软骨损伤有关,软骨损伤仅出现在SIFK所在的间室中。该研究的不足在于难以确定SIFK所在间室的软骨病与SIFK发生的前后关系,且该分级系统仅建立在影像学基础上,缺乏临床数据及病理学结果,暂未广泛使用。因此一旦SIFK分期进展至HG,必须进行手术治疗。

b 2级

c 3级

d 4级图2 MRI分期:基于MRI的SIFK分级系统

3.3 基于人口统计学和影像学特征的SIFK评分系统 Pareek等[45]创建了一个预测关节成形术进展的模型并构建了一个用于临床的评分系统,该模型预测进展至全膝关节置换术或膝关节单髁置换术的因素从小到大为内侧半月板突出、外侧半月板根部撕裂、股骨内侧髁上的SIFK、K-L 4 级、外侧半月板突出。该评分系统SIFK分数分为0～11分,按上述预测关节成形术从小到大排列的五大因素分别赋予分数为1分、2分、2分、2分、4分。低风险为0～2分,中风险为3～4分,高风险为>4分,结果表明低风险、中风险、高风险患者进展至关节成形术的风险依次为8.8%、40.4%、78.9%。并且发生在股骨内侧髁 上的SIFK进展至关节成形术的风险较高。因此,笔者认为评估分数>4分需手术干预。但这一评分系统在SIFK其他病变部位的结果仍需探讨。

3.4 基于数字化X线断层融合成像的定量分析 Nelson等[46]经数字化X线断层融合成像定量分析SIFK进展过程,经研究发现,斜率间隙(a slope lacunarity,Sλ)水平较高的患者发生全膝关节置换术的概率更高,这表明SIFK进展至关节置换的概率较高,与Sλ标准差的较高值和形态测量值(mean intercept length,MIL)有关。 但该研究未对软骨下塌陷及半月板突出情况进行评估。

综上所述,病变坏死体积及上述SIFK分期、分级系统、评分系统对于手术时机选择具有一定指导性,但当在MRI上观察到软骨下骨板区域凹陷或出现广泛液体信号的间隙,这表明已发生软骨下骨板塌陷,已进入SIFK的晚期阶段,结局是不可逆的[47]。若关节软骨暂未受累时,除关节置换手术外也可采用关节保留手术,如膝关节镜检查、核心减压、自体骨软骨移植和骨移植[48]。即使是小病灶的SIFK,一旦发生终末期OA或软骨下关节面塌陷,关节置换术是唯一合适的治疗手段。因此需在关节面塌陷之前早期干预,避免此情况的发生。

4 总结与展望

目前,SIFK的发病机制、危险因素、预后因素等尚未完全明确,准确评估SIFK不同时期的影像学表现可为临床诊治、手术时机选择及预后等提供一定参考。但大多数患者首次就诊时通常不会将MRI作为首先检查,而是采用X线片,一定程度上会导致SIFK的漏诊。其次,将MRI中观察到骨折线作为诊断SIFK的标准会存在一定程度的偏差,可能患者目前处于极早期阶段,暂未出现可见的微观骨折。另外,目前对于SIFK的分期标准各有差异,暂无统一的分期标准。期望未来功能影像学、分子成像技术等能在SIFK的早期诊断、预后评估上发挥更大作用,以及建立统一基于综合影像学的SIFK分期,为临床诊治提供更客观、科学参考。