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剪切波超声弹性成像技术诊断早期骨关节炎的基础研究

莫建强  
【摘要】:第一部分超声检测膝关节软骨退变的效果评价目的:研究传统超声技术半定量评估膝关节软骨退变程度与临床表现的相关性,并与X线片进行比较,评价超声对于骨性关节炎诊断的价值。方法:选择2015年11月至2016年2月在苏州大学附属第一医院骨科门诊因膝关节疼痛不适就诊的患者,排除有明确膝关节手术外伤史的患者,共计63例63膝。行患膝关节超声及正侧位X线片检查,采用Kazam超声评级标准及Kellgren–Lawrence X线片评级标准对患膝的影像学表现进行评级,采用VAS及WOMAC评分量表对患者的临床表现进行评估。通过统计学分析,评价超声评级、X线片评级与临床表现的相关性,并进行相互比较。另外,分析超声半定量评级方法的观察者间一致性。结果:超声评级与VAS评分的相关系数为0.813,与WOMAC评分的相关系数为0.898,X线片评级与VAS评分的相关系数为0.707,与WOMAC评分的相关系数为0.733,超声评级与临床表现的相关性好于X线片评级;超声评级与X线片评级之间的相关系数为0.859,病例分布的情况提示超声对于早期骨性关节炎诊断的敏感性高于X线片;超声评级的观察者间一致性分析Kappa系数为0.777,一致性良好,病例分布的情况提示早期软骨退变的观察者间一致性稍差于晚期软骨退变。结论:超声检查可以清晰的显示股骨滑车及股骨髁关节软骨的形态学变化,超声半定量评估软骨退变的观察者间一致性良好,对于骨性关节炎的诊断效果优于X线片。超声对于早期骨性关节炎的诊断的敏感性以及观察者间一致性仍有不足,超声结合剪切波弹性成像技术有望进一步提高超声的诊断价值。第二部分组织厚度对于剪切波弹性成像技术检测结果影响的实验研究目的:通过体模实验研究组织厚度对于剪切波弹性成像(SWE)测量结果的影响,探讨现有SWE设备对于检测类似软骨薄板样结构的组织的弹性模量的可行性。方法:制备3批琼脂浓度分别为2%、2.5%和3%的明胶-琼脂超声体模,每一批包含6个不同厚度的体模(厚度分别为3、6、8、15、30、50mm)。采用现有的SWE设备Aixplorer对明胶-琼脂体模的弹性模量进行检测,并与HFVS材料力学性能实验的结果进行比较。结果:SWE实验测得的50、30和15mm三个厚度的明胶-琼脂体模的弹性模量值较为接近,当体模厚度小于15mm时,测得的弹性模量值逐渐下降,并且随着厚度的进一步减少,弹性模量值减小的幅度越大,两者之间呈非线性关系。HFVS材料力学性能实验测得的体模弹性模量值与50、30和15mm体模的SWE结果相近,说明SWE在检测较厚的组织时可以得到正确的弹性模量值,而检测较薄的组织时会出现偏差,组织厚度越小,偏差越明显。结论:组织的厚度对SWE的测量结果有明显的影响,现有的SWE设备仅适用于检测厚度较大的组织的弹性模量,需要经过改进,才能应用于骨性关节炎早期软骨退变的检测。第三部分剪切波弹性成像技术检测关节软骨早期退变的仿真研究目的:通过有限元分析(FEA)及理论模型研究剪切波在类似软骨的结构中的传播规律,初步探讨剪切波弹性成像(SWE)技术检测关节软骨早期退变的可行性。方法:使用Abacus软件建立类似软骨薄板样结构的有限元模型和理论模型,然后分别模拟:(1)软骨厚度的变化;(2)软骨-软骨下骨双层复合结构;(3)软骨层内存在0.8*0.8mm局灶性弹性模量改变。分析以上条件对剪切波传播速度的影响。结果:(1)FEA和理论模型显示在薄板样结构中的剪切波波速变慢,组织厚度与剪切波速呈非线性正相关,与第二部分研究中SWE结果相吻合,剪切波在薄板样结构中以Lamb波的形式传播。通过建立新的剪切波速-弹性模量换算公式,可以抵消组织厚度的影响。(2)在软骨-软骨下骨双层复合结构中,下层高弹性模量组织会使剪切波速变快。上层组织的厚度越薄,越容易受到下层组织的干扰。加载的剪切波频率越高,干扰越小;而当剪切波长小于薄板厚度时,下层组织对波速的影响消失。(3)当软骨中存在0.8*0.8mm大小的弹性模量改变的病灶时,可以使剪切波的波速发生局部性改变。结论:(1)软骨的形态结构复杂(厚度薄,底部有软骨下骨),对剪切波传播和弹性模量测量有明显的影响,通过采取一定的方法,可以进行纠正;(2)SWE检测软骨局灶性变化具备可行性和很高的敏感性。


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