关节镜下光学相干断层扫描诊断早期关节炎

摘要

骨关节炎(OA)是一种逐渐加重的、使人衰弱的疾病。骨性关节炎的发病机制可能是多因素的，但最终导致胶原基质的渐进分解和软骨细胞的丢失。目前在骨科手术中用于评估软骨健康和诊断骨关节炎的临床方法包括，放射学，MRI和关节镜。虽然这些评估方法可以显示软骨破裂和丧失，但它们在诊断软骨损伤和关节表面之前的破坏方面的能力是有限的。由于表面破坏后的病理变化通常被认为是不可逆的，因此提高临床检测软骨下表面病理的能力对软骨保护和软骨修复治疗的发展和试验是重要的。光学相干层析成像(OCT)是一种新型的非破坏性成像技术，能够以接近实时的高分辨率的关节软骨横截面图像媲美低功率组织学。这篇综述讨论了一系列支持OCT用于加强早期软骨损伤和退行性变临床诊断和分期的临床研究。OCT也被发现是一个有用的翻译研究工具，以协助临床评价新型定量MRI技术无创评估关节软骨。

1.介绍

骨关节炎（OA）目前影响着美国2700多万成年人，预计到2030年患病率将增至6700万[1.]骨关节炎的发病机制可能是多因素的，涉及机械、生物、生化和遗传因素[1.–4.]在软骨损伤和退变的早期阶段，主要由II型胶原和糖胺聚糖组成的细胞外基质发生蛋白水解分解[2.–4.]。此外，关节软骨细胞也可能存在实际或功能性损失。剩余的健康软骨细胞试图平衡基质分子的形成和分解。然而，合成代谢和分解代谢过程之间的平衡最终超过软骨细胞的修复能力，导致基质破坏关节缺失，最终导致骨关节炎[3.,4.]．

目前在骨科手术中评估软骨健康的临床方法包括放射照相、MRI和关节镜检查。不幸的是，这些评估方法不能可靠地诊断关节软骨表面完整性丧失前的早期软骨损伤和退变，随后的病理改变可能是不可逆的[4.]．实验证据表明，关节表面破坏前出现的软骨细胞代谢缺陷可能是可逆的[5.]．因此，临床上有用的检测表面下软骨损伤和退变的方法对软骨保护和软骨修复治疗的发展和试验是重要的。光学相干断层成像(OCT)是一种新型的非破坏性成像技术，能够以高分辨率接近实时的关节软骨横截面成像，可与低功率组织学相媲美[6.–11]以下描述了OCT在关节镜下关节软骨成像中的应用，以及OCT作为增强临床诊断和早期软骨损伤和退变分期的新临床工具的潜在用途。

2.当前临床影像模式

关节镜下软骨微创成像被认为是检测早期软骨损伤和退行性变的临床标准。关节镜检查时，软骨使用Outerbridge评分系统从0到4分(0 =硬软骨，1 =软化，2 =裂裂<50%软骨厚度，3 =裂裂>50%软骨厚度，4 =暴露骨)[12]关节镜检查主要是一种结合主观触觉探测的表面成像技术。因此，关节镜检查不符合组织病理学、代谢研究和生物力学测试的实验室评估标准。在实验上，活组织检查和组织学检查可以检测到软骨中的基质降解和结构破坏，在关节镜下观察时，软骨表面无明显异常[7.]．然而，这不是一种实用的方法，常规临床检测早期关节炎，因为组织学需要去除和破坏被检查的组织。历史上，x光片被用来诊断骨关节炎。然而，只有终末期骨相关的变化可以通过放射学检查可靠地检测到，这并不能充分显示软组织或直接成像关节软骨。MRI作为一种非侵入性横断面成像技术，分辨率低，标准MRI无法识别导致软骨“软化”的基质变化[13]因此，关节镜检查仍然是诊断和分期早期关节软骨损伤和退变的现行临床标准。

3.光学相干层析成像

光学相干断层扫描(OCT)是一种新型成像方式，可对组织进行非破坏性、横断面“光学活检”[10,14]．该技术已经得到了很好的描述，目前已被眼科临床应用于角膜和视网膜成像，并在实验中用于冠状动脉和恶性肿瘤成像[6.,15–17]．在一个非常基本的层面上，光学相干层析成像可以被认为类似于超声波，除了OCT使用红外光而不是声波[6.,10]检测并过滤组织反射的光的后向散射，以便OCT系统仅处理相干波，从而产生超高分辨率（4-20） μm） 计算机屏幕上的数字图像（图1.) [5.,6.,10,18–20]。在早期OCT系统中，通过光信号测量飞行时间，可以生成二维图像并检测相邻结构之间的空间关系[10]．这种OCT技术被称为时域OCT，因为图像的产生和分辨率是基于红外光信号所经过的距离随时间的函数。相比之下，谱域OCT基于背向散射光频率的变化检测组织组成的差异，从而实现更有效的数据采集和更快的扫描速度，产生近实时图像[16,21,22]此外，偏振敏感OCT（PS-OCT）是另一种OCT技术，其不同之处在于能够检测后向散射光偏振状态的变化，从而实现组织双折射的量化。

4.关节软骨光学相干断层扫描

关节软骨由于其胶原原纤维的组织结构而表现出自然的双折射，这可以通过光学显微镜检测到[21]．Herrmann等研究表明正常软骨对OCT入射光的偏振状态敏感，利用偏振敏感OCT可以评估软骨的双折射[9]在骨关节炎进展的早期，关节软骨的胶原纤维变得紊乱。Drexler等人研究了OCT检测到的软骨极化敏感性与人类骨软骨外植体极化显微镜检测到的胶原组织变化之间的关系[23]他们确定，通过偏光显微镜检测到的关节炎关节软骨中的胶原组织紊乱可通过PS-OCT检测为正常形式双折射的损失[23]．

Chu等人使用偏振光光纤OCT系统评估了健康和退化的软骨在外观大体正常的人类关节软骨中，在检测被称为软骨OCT双折射的可识别带型的存在或不存在时，显示了高观察者内和观察者间的重现性[5.]．Bear等人的研究表明OCT形式的双折射程度与偏光显微镜相关[24]此外，对具有和不具有OCT型双折射的新鲜人软骨外植体的代谢研究表明，OCT型双折射的丧失可能是早期软骨退变的标志。关节软骨外植体在IGF-1中培养，并测定蛋白多糖合成。没有表面异常和缺乏m双折射对IGF-1的合成代谢作用不敏感，而保持双折射的m双折射则显示IGF-1可促进蛋白质合成(）.软骨细胞对生长因子的不敏感性和胶原组织的微观结构损失均见于软骨变性的早期阶段，因此支持OCT作为一种非破坏性成像方式对软骨病理的早期诊断[5.,7.]．

Han等人试图通过在哺乳动物模型中不切除或切片标本的情况下，对异体软骨细胞植入后的关节修复组织进行即时、高分辨率的显微结构分析，评估OCT的实用性和局限性。兔膝关节滑车沟软骨缺损形成和软骨细胞植入后，随后的修复组织通过关节镜表面成像、OCT和组织学分析[25]．作者发现OCT能够对关节修复组织进行微观结构评估，并检测表面纤颤、组织肥大和软骨整合，类似于低倍镜，而不破坏修复。最重要的是，OCT能够检测到关节镜评估无法检测到的修复组织与天然软骨之间的表面下间隙[25]这些结果表明，OCT能够在不损坏样本的情况下提供关节修复软骨的光学活组织检查，并表明，如果将其纳入关节镜，它可能用于评估关节软骨修复体内。

在这些令人鼓舞的结果之后，Pan等人使用光纤技术，描述了使用手持OCT探头，在关节镜检查中完全浸泡在盐水中，能够提供关节软骨的光学活检(图)2.) [26]然后，作者评估了关节镜OCT探头与人类尸体膝盖组织学相比无损检测微观结构软骨变化的能力[7.]．在关节镜下使用OCT对人尸体膝关节软骨进行分级，然后在切除活检后使用改良Mankin结构评分进行组织学分级。使用加权Kappa统计，研究人员发现了良好的一致性()，但发现大体一致(改良Mankin评分为0-3，表明早期软骨变性的诊断能力有所提高。

MRI是另一种非破坏性成像方式，其序列如下：已被证明对胶原定向和生物力学完整性敏感，并被假定依赖于胶原定向和组织水化[27]．实验发现OCT与MRI相关图及偏光显微镜观察到的渐进性软骨变性[24]在1级临床诊断研究中，Chu等人比较了关节镜OCT和高分辨率3特斯拉MRI在30名因退行性半月板撕裂而接受关节镜检查的人类受试者中，关节镜作为临床标准(图)3.) [8.]．与关节镜检查相比，定量OCT与关节镜检查的分级有很强的相关性(),而核磁共振map没有。这种相关性很重要，因为OCT通过对皮下和表面异常进行高分辨率成像，并提供量化数据，从而改善了传统关节镜检查。MRI是一种低分辨率横截面成像方式，无法准确诊断关节镜检查中发现的细微表面异常。如何诊断迄今为止，人们发现浅表MRI之间存在相关性map和定量OCT可能是因为这两项指标都是基于横断面成像数据。这一发现对于支持MRI的诊断潜力非常重要map和其他定量MRI技术是无创的，因此可以比关节镜或oct更广泛地应用。目前，MRI的临床诊断潜力map和其他MRI技术对软骨异常有争议，部分原因是关节镜作为临床标准的局限性。OCT提供了可量化的高分辨率横截面数据，以改善传统关节镜的一些缺点，并能够支持MRI地图的发现。因此，OCT被证明是一种重要的转化临床研究工具，有助于验证非侵入性但低分辨率的横断面MRI技术，这可能与传统关节镜的相关性较差。

与关节镜检查类似，OCT提供近实时的诊断信息。关节损伤后的急性关节软骨损伤，如前交叉韧带撕裂和关节内骨折，可能会导致创伤后骨关节炎的发展。通常在手术时没有可识别的表面异常关节损伤患者是早期致残性骨关节炎的高危人群，在发生不可逆转的变化之前，可以通过诊断和治疗软骨损伤和退变获益[3.,28]．我们和其他人目前正在研究可能改善撞击损伤后软骨存活的软骨保护剂。在一项评估OCT及其检测撞击损伤后急性软骨变化能力的研究中，Bear等人显示，即使在能量不足以导致关节表面骨折的情况下，组织学、软骨细胞死亡和撞击损伤后OCT分级之间存在显著相关性() [28]在一项ACL损伤受试者的初步研究中，OCT被发现可以检测到显微镜下的损伤，这些损伤可以预测MRIACL重建后6个月和12个月的map变化(未公布数据)。这些数据进一步显示了OCT无损检测关节软骨微观结构下损伤的潜力，常规表面检查无法检测到这些损伤。

5.未来的发展方向

急性软骨损伤的早期诊断和分期的潜在临床意义包括支持将骨关节炎视为不可治疗的退行性疾病的临床范式转变为潜在可改变的慢性疾病过程。为此，实验室研究表明OCT可能提供软骨健康的微观结构信息，可用于改善早期软骨损伤和退行性变的诊断和分期[7.,24,28]转化临床研究支持在关节镜下使用OCT[5.,8.]最近的技术发展包括将OCT探头的尺寸减小到可以通过18号针插入的位置，这可能使OCT评估软骨成为一种办公室程序[29]．最近的研究还表明OCT是一种强大的转化研究工具，用于评估新的MRI技术在无创早期检测软骨损伤和退行性变的临床应用。OCT和关节软骨评估相关新技术的进一步研究将有助于开发临床诊断能力，以实施和评估潜在的新治疗策略，以延迟或预防骨关节炎的发病。

参考文献

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