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髋臼软骨冲击伤的实验研究

王志岩  
【摘要】: 第一部分髋臼软骨冲击伤实验动物模型的建立与冲击能的量化研究 目的初步探讨髋臼软骨冲击伤动物模型的建立和冲击能的量化研究。方法新西兰大白兔30只,平均年龄6个月,体重2.5±0.5kg,模拟人髋臼软骨冲击伤机制,采用自制冲击装置,用质量为0.400kg的重锤,沿导向杆从高35cm和15cm处分别下滑垂直冲击兔右侧髋臼软骨,建立兔髋臼软骨冲击伤模型,随机分为高能组和低能组,另一组为对照组,每组10只。高能组和低能组的区分以软骨所受冲击能25Mpa为标准,并分别给予冲击能量化观察和统计学分析。在伤后6小时分别取材和收集标本,分别给予大体观察和组织学观察(HE染色和番红“O”染色)。结果高能组和低能组软骨所受总冲力平均值分别为203.910N和105.919N,分别和预实验30只兔在相同条件下得到的总冲击能平均值203.937N和105.849N相比,经统计学分析,均显示无统计学意义(P0.05);平均总压强值分别为28.862Mpa和14.992Mpa,分别和预实验中得到的冲击能平均总压强值28.866Mpa和14.982Mpa相比,经统计学分析,均显示无统计学意义(P0.05)。通过大体和组织学观察,发现高能组软骨裂隙增大,软骨表面粗糙,损失程度重于低能组和对照组;在高能组细胞变扁、变宽,相对于低能组和对照组,细胞死亡增多。高能组和低能组番红“O”染色均轻度减弱,但高能组染色相对交淡;对照组染色正常。结论通过自制冲击器冲击兔右侧髋臼软骨,模拟冲击伤机制,初步建立髋臼软骨冲击伤实验动物模型并量化冲击能,通过统计学分析,大体和组织病理学检查,并与国外动物模型相比,本模型重复性和稳定性好,术式操作简单,创伤小,护理方便,易于推广,为研究活体动物髋臼软骨冲击后的短期和长期变化提供实验基础和依据。 第二部分髋臼软骨冲击致伤后的MRI影像学研究 目的初步探讨MRI对显示和诊断关节软骨冲击伤的最佳序列。方法新西兰大白兔20只,平均年龄6个月,体重2.5±0.5kg,模拟人髋臼软骨冲击伤机制,采用自制冲击装置,用质量为0.400kg的重锤,沿导向杆从高35cm处下滑垂直冲击兔右侧髋臼软骨,给予冲击能量化观察并行统计学分析。在伤前和伤后6小时,对兔髋臼软骨冲击伤模型行MRI不同序列扫描,请三位资深放射科医师利用上述序列对髋臼软骨进行双盲读片,观察并评价各MRI序列对软骨成像情况。并以Collins病理诊断为标准,评价及不同序列对诊断软骨损伤的敏感度和特异度。对各种扫描序列的SNR和CNR结果使用描述统计评价。结果髋臼软骨所受总冲力平均值为203.944N,和预实验30只兔在相同条件下得到的总冲击能平均值203.937N相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05);平均总压强值为28.867Mpa,和预实验中得到的冲击能平均总压强值28.866Mpa相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05)。在MRI各序列中,软骨呈弧状带表现。T1WI和STIR/T/FSE/PSAT序列上软骨为低信号,T1/C/FSE/C+造影序列上软骨为中等或低信号,但造影剂为高信号,软骨与造影剂对比明显;T2WI上软骨为中高信号,T2*/C/RF-FAST/VOL和T2*/T /FE/MTC/MAST上软骨为灰白信号;T2* / C/RF-FAST/VOL和T2*/T/FE/MTC/MAST信噪比最好,显示关节软骨图像最清晰。SNR结果良好的有T2*/C/RF-FAST/VOL和T2*/T/FE/MTC/MAST;一般的有T1 WI、T2WI和T1/C/FSE/C+;较差的是STIR/T/FSE/PSAT。CNR测定结果中软骨对骨皮质的CNR“极佳”的有T2*/C/RF-FAST/VOL和T2*/T/FE/MTC/MAST;“一般”的有T2WI;“差”的有T1WI、STIR/T/FSE/PSAT和T1/C/ FSE /C+。软骨对骨髓CNR“极佳”的T2*/C/RF-FAST/VOL和T2*/T/FE/MTC/MAST;“良好”的有T1WI;其余皆为“一般”。软骨对脂肪CNR“极佳”的有T1WI、T2*/C/RF-FAST/VOL、T2*/T/FE/MTC/MAST和T1/C/ FSE /C+;“良好”的有T2WI;“一般”的有STIR / T/FSE/PSAT。软骨对肌肉CNR“良好”的有T2*/C/RF-FAST/VOL和T2*/T/ FE/ MTC/MAST;其余皆为“差”。以病理Collins诊断为标准,诊断能力中,敏感度T2*/ C/RF-FAST/VOL和T2*/T/FE/ MTC/MAST大致相同T1/C/ FSE /C+T2WIT1WISTIR/T/FSE/PSAT;特异度结果与敏感度大致相同。结论通过对兔髋臼软骨行FSE T1WI、T2WI、T2*/C/RF-FAST/ VOL、T2*/T/FE/ MTC/ MAST、STIR/T/FSE/PSAT和T1/C/FSE/C+等扫描序列的SNR、CNR、敏感度和特异度对比研究发现,FSE T1WI、T2WI可作为诊断髋臼软骨的常规序列。T2*/C/ RF- FAST/VOL和T2*/T/FE/MTC/MAST是诊断髋臼软骨损伤的最佳扫描序列。T1/C/ FSE /C+造影序列对关节软骨表面检查,尤其在诊断软骨表面缺损方面具有特殊性和潜在的临床价值。 第三部分髋臼软骨冲击致伤后的大体、组织病理学和细胞凋亡的研究 目的初步探讨不同能量的髋臼软骨冲击致伤后短期和长期的变化,软骨损伤的病理机制,以及软骨细胞凋亡和软骨退变的关系。方法新西兰大白兔54只,平均年龄6个月,体重2.5±0.5kg,模拟人髋臼软骨冲击伤机制,采用自制冲击装置,用质量为0.400kg的重锤,分别沿导向杆从高35cm和15cm处下滑垂直冲击兔右侧髋臼软骨,建立兔髋臼软骨冲击伤模型,随机分为高能组和低能组,另一组为对照组,每组18只。高能组和低能组分别给予冲击能量化观察,并行统计学分析。在伤后6小时、4周和24周分别取材和收集标本,行大体、HE、番红“O”和甲苯胺蓝染色、透射、扫描电镜以及TUNEL标记法观察。将常规HE和番红“O”染色软骨病理切片采用双盲法阅片,按照Mankin评分法对软骨冲击伤的严重度给予组织评分。并采用双盲法观察软骨细胞凋亡率。结果髋臼软骨所受总冲力平均值分别为203.924N和105.853N,分别和预实验30只兔在相同条件下得到的总冲击能平均值203.937N和105.849N相比,经统计学分析,均显示无统计学意义(P0.05);平均总压强值分别为28.864Mpa和14.983Mpa,分别和预实验中得到的冲击能平均总压强值28.866Mpa和14.982Mpa相比,经统计学分析,均显示无统计学意义(P0.05)。通过大体和组织学观察,发现随时间延长,高能组软骨裂隙增大,软骨表面粗糙,损失程度重于低能组和对照组;在高能组细胞变扁、变宽,相对于低能组和对照组,细胞死亡增多。高能组番红“O”和甲苯胺蓝染色逐渐减弱,低能组染色先轻度减弱,后又恢复正常;对照组染色正常。透射电镜中,高能组与低能组和正常组相比,细胞器逐渐减少,细胞死亡增多,染色质分布不均匀,有大量空泡形成。扫描电镜中,高能组于低能组和正常组相比,软骨表面裂隙更加扩大,大量胶原纤维裸露,排列紊乱,甚至有软骨下骨暴露。高能组的Mankin评分在伤后6小时、4周和24周,呈逐步增高趋势,与对照组在不同时间相比,经统计学分析,均显示有统计学意义(P0.05)。低能组评分与对照组在伤后2天相比,经统计学分析,显示有统计学意义(P0.05)。在伤后4周和24周与对照组相比,经统计学分析,均显示无统计学意义(P0.05)。高能组在伤后6小时软骨浅表层和移行层出现凋亡细胞,至伤后4周和24周,凋亡细胞所占比率越大,伤后6小时、4周和24周的软骨细胞凋亡率与对照组相比,经统计学分析,均显示有统计学意义(P0.05)。低能组在伤后6小时软骨的移行层出现凋亡细胞,细胞调亡率与对照组相比,经统计学分析,显示有统计学意义(P0.05);伤后4周,软骨凋亡细胞明显减少,细胞调亡率与对照组相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05),伤后24周软骨凋亡细胞逐渐恢复正常,细胞调亡率与对照组相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05)。细胞凋亡率在高能组与低能组各时间组相比,经统计学分析,均显示有统计学意义(P0.05)。结论根据实验研究观察,我们认为高能组在软骨损伤中的可能机制是通过对基质的破坏和引起胶原纤维网架断裂从而导致软骨的损伤和退变。而低能组是通过软骨细胞为始动因素,发生不同的改变,从而引起软骨的修复或损伤。软骨冲击能的大小与软骨细胞凋亡程度密切相关,而细胞凋亡程度和软骨损伤程度也密切相关。软骨细胞凋亡可能是软骨细胞早期损伤的反应之一。软骨细胞过度凋亡可能会引起软骨退变。 第四部分髋臼软骨冲击致伤后的MRI影像学和组织病理学的比较研究 目的初步探讨髋臼软骨冲击致伤后MRI信号改变的组织病理学基础,MRI与病理之间的关系,以及MRI早期诊断软骨损伤的可行性。方法新西兰大白兔30只,平均年龄6个月,体重2.5±0.5kg,模拟人髋臼软骨冲击伤的机制,采用自制冲击装置,用质量为0.400kg的重锤,沿导向杆从高30cm处下滑垂直冲击兔右侧髋臼软骨,给予冲击能量化观察并行统计学分析。通过对兔髋臼软骨模型分别在伤后6小时、4周和24周MRI扫描后,立即分别给予收集标本行大体观察和组织病理学检查。请三位资深放射科医师双盲读片,评价MRI对软骨显示情况,并给予诊断结果与病理对照研究分析。MRI分级采用Recht标准,组织病理学分级根据Collins标准。结果髋臼软骨所受总冲力平均值为262.735N,和预实验30只兔在相同条件下得到的总冲击能平均值262.748N相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05);平均总压强值为27.323Mpa,和预实验中得到的冲击能平均总压强值27.324Mpa相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05)。MRI与病理对照结果显示,MRI的0级3例,其中2例病理分级1级;Ⅰ级9例,其中1例病理分级为2级;Ⅱ级8例,与病理分级一致;Ⅲ级8例,与病理分级一致;Ⅵ级2例,与病理分级一致。MRI分级组和病理分级组比较,经统计学分析,显示MRI检查关节软骨病变的结果和病理结果呈高度正相关(P 0.05)。结论MRI检查关节软骨病变的结果和病理结果呈高度正相关,软骨损伤程度越重,MRI分级和病理分级一致性越高,反之越低。在早期软骨损伤中,当病理变化不足以引起信号改变时,MRI诊断软骨损伤的敏感性和准确性与组织病理学相比还有待于进一步提高。当软骨基质、蛋白多糖和含水量的改变足以引起信号改变时,MRI诊断软骨损伤的敏感性和正确性与组织病理学一致。通过MRI检查,诊断早期软骨损伤具有可行性。 第五部分关节腔内注射透明质酸钠对髋臼软骨高能冲击伤的影响 目的初步探讨关节腔内注射SH对髋臼软骨冲击致伤后的影响,为临床应用提供实验依据。方法新西兰大白兔24只,平均年龄6个月,体重2.5±0.5kg,模拟人髋臼软骨冲击伤机制,采用自制冲击装置,用质量为0.400kg的重锤,沿导向杆从高45cm处下滑垂直冲击兔右侧髋臼软骨,建立兔髋臼软骨冲击伤模型,随机分为模型组和对照组,每组12只。模型组给予右侧髋关节腔注射SH,对照组给予生理盐水注射。在伤后4天和4周分别取材和收集标本,行大体、HE、番红“O”和甲苯胺蓝染色、透射、扫描电镜以及TUNEL标记法观察,并行冲击能量化观察和统计学分析。番红“O”染色切片,在图像分析仪内做图像分析,测得目标灰度值。TUNEL末端标记法中,采用双盲法观察软骨细胞凋亡率。目标灰度值和软骨细胞凋亡率均给予统计学分析。结果髋臼软骨所受总冲力平均值为153.331N,和预实验30只兔在相同条件下得到的总冲击能平均值153.327N相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05);平均总压强值为31.254Mpa,和预实验中得到的冲击能平均总压强值31.253Mpa相比,经统计学分析,显示无统计学意义(P0.05)。模型组的冲击能和冲击能压强分别与对照组相比,经统计学分析,均显示无统计学意义(P0.05)。通过大体和组织学观察,发现随时间延长,模型组和对照组均有软骨裂隙,对照组软骨裂隙增大,软骨表面粗糙,损失程度严重;在对照组细胞变扁、变宽,相对于模型组,软骨细胞死亡增多。模型组和对照组番红“O”和甲苯胺蓝染色均逐渐减弱,但在相同时间,对照组染色相对淡。其中,模型组和对照组分别在伤后4天和4周,番红“O”染色均有不同程度减弱,但模型组目标灰度值均较对照组低,两组分别比较,经统计学分析,均显示有统计学意义(P0.05)。透射电镜中,对照组和模型组相比,细胞器逐渐减少,软骨细胞死亡增多,染色质分布不均匀。扫描电镜中,对照组与模型组相比,软骨表面裂隙更加扩大,胶原纤维裸露相对较多,排列紊乱。模型组和对照组在伤后4天软骨出现凋亡细胞,至伤后4周,凋亡细胞所占比率均增大,伤后4天与4周的软骨细胞凋亡率分别与对照组相比,经统计学分析,均显示有统计学意义(P0.05)。结论SH可以减少软骨细胞凋亡。SH在软骨冲击致伤后有修复作用,能够延缓软骨的损伤,但是在高能损伤中,由于软骨损伤程度严重,却无法阻止软骨的退变,从而达到根治目的。损伤能量的大小,对SH治疗髋臼软骨冲击伤的疗效有一定影响。临床上在髋臼软骨受到冲击致伤后,无论是否合并有髋臼骨折,在严格的无菌操作条件下,均应立即给予髋关节注射SH,并持续4周,每周1次髋关节注射,虽然可能无法治愈软骨损伤,但对损伤后的软骨有保护和修复作用,延缓软骨退变继发骨性关节炎的过程。


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