随着人口老年化趋势的不断发展,骨关节疾病的发生率也逐步提高[1,2].骨关节疾病的晚期都将引起关节疼痛、变形、活动障碍,造成患者生活和精神上的巨大痛苦.例如对于骨关节病中非常重要的股骨头坏死患者来说,若未经有效治疗,约80%会在发病后1-4 年内进展至股骨头塌陷, 在数年内多数患者的股骨头将发展成为严重骨关节炎而需做人工关节置换,但按照目前的医疗水平,中青年人工关节置换后的长期疗效仍难以预测.因此,寻求有效的保存患者自身关节的治疗方法十分重要,而针对这种方法取得优良治疗效果的前提是及时正确进行关节病的早期诊断,这成为临床医学研究急需解决的重要课题之一.目前,临床上常用的股骨头坏死的诊断方法主要有以下几个方面:临床医师的问诊,通过对患者某些功能的评价得出初步诊断意见;进行关节镜检查;拍摄X 线平片;进行CT 检查;以及进行MRI 扫描等.然而这些临床上常用的骨关节病诊断方法所得出的诊断结果与临床医师的业务水准、身体状态以及检测设备的精确程度有较大的关系,主观性较大,误诊率较高,无法百分之百检测出关节早期病理变化,也无法判断预后,而且一些仪器昂贵的检查价格也限制了它们在普查中的应用. 评价比较了CR-CT-ECT-MRI 等4 种影像技术对早期股骨头缺血性坏死的诊断敏感性.回顾性分析了16 例23 髋经手术、病理证实为早期(符合国际骨循环研究会(ARCO)分期标准I 期-Ⅱ期)股骨头缺血性坏死患者的CR-CT-ECT-MRI 的影像学特征及其检查结果.结果是:CR 诊断早期ANFH11 髋,阳性率为47.8 %;CT 诊断早期ANFH 14 髋,阳性率为60.9 %;ECT 诊断早期ANFH 21 髋,阳性率为91.3%;MRI 诊断早期ANFH 22 髋,阳性率为95.7%,均不能达到100%的确诊效果.尤壮志等[4,5]等的研究结果支持了上述结论,他探讨了利用X 线、CT、MRI 诊断成人股骨头缺血性坏死的表现,结果显示:30 例病患共累计47 个病变股骨头,X 线检查漏诊了16 个病变股骨头,CT 检查漏诊了5 个病变股骨头,MR检查诊断了经X 线、CT 检查后漏诊的5 例病变股骨头,并认为MRI 是诊断ONFH 最敏感的方法,具有多参数成像和对骨髓信号的高敏感性的优点[6,7].但是MRI 的设备价格不是一般医疗单位,特别在偏远贫困地区医疗单位能够承受的,这就为股骨头坏死的早期诊断增添了困难. 另外,还有一些疾病的影响效果与ONFH 相似,区分较为困难,同样容易造成误诊.如与ONFH 有类似X 线片改变的疾病有[8]:中、晚期骨关节炎,髋臼发育不良继发骨关节炎,强直性脊柱炎及髋关节炎与类风湿关节炎等;与ONFH 有类似MRI 图像改变的疾病有:特发性暂时性骨质疏松症(idiopathic transient osteoporosis of the hip, ITOH),软骨下骨不全骨折,色素沉着绒毛结节性滑膜炎,股骨头挫伤与滑膜疝洼(synovial herniationpit)等.而胡荣慧[9]的研究证明股骨头缺血性坏死(a vascular necrosis, AVN)和骨髓水肿综合征(the bonemarrow edema syndrome, BMES) 及股骨头软骨下应力性骨折(subchondral insufficiencyfractures, SIF)具有非常相似的影响特点,极易造成误诊.刘杰等[10]也发现单侧下肢纹状骨病误诊股骨头坏死的病例. 因此,寻找快捷有效的骨关节病诊断方法成为医学工作者一个重要的研究方向.作者在研究人工关节过程中,发现在人体病变关节液中,由于关节头与关节臼之间存在着一定的摩擦等作用,在两关节表面之间有磨损发生,产生一些碎屑,对于病患关节来说,由于关节失去正常结构和生理功能,使得这种磨损情况将会更加严重一些[11,12].同发动机等摩擦副产生的磨屑一样,关节表面因冲击、挤压和磨损产生的碎屑的形貌、大小、纹理等也包含有关节损伤的信息,因此对人体关节碎屑的研究可以帮助我们很好的了解人体病变关节的磨损过程和形式,对关节病的预防和诊断起到良好作用,也为人工关节的研究提供一些借鉴和帮助.为了研究上的统一性,我们称关节液里的碎屑为磨屑.本文对关节病患者的关节滑液中的磨屑形态进行了研究,并探讨了关节磨屑形态和关节损伤严重程度之间的关联性.由于关节液磨屑检查仅需抽取少量关节液,快捷方便,且检查费用相对低廉,因而如果能够因此发展出可早期快速检测关节有关病理变化及其愈后的关节液检测技术,则不但在临床诊断分析上有重要意义,而且还具有良好的社会普查意义. 1 正常关节软骨的结构及成分分析 关节软骨的微观结构大致可分为三层[13]:浅表层、中间层和深层.浅表层是软骨最薄的一层,占整个软骨厚度的10%-20%,是人体正常关节软骨的表面结构,从宏观上看正常的关节软骨表面干净光滑,有光泽,微观结构则显示其表面有少量微孔,孔径大小不一致,局部有凹陷特征,这种不规则性有助于存储润滑液,影响关节软骨的摩擦和接触变形特性.对软骨表层进行能谱分析.在能谱分析曲线中出现了较强的S、O 衍射峰,而C、Ca 的衍射峰较弱,这表明软骨表面硫酸软骨素的含量比较多,而作为骨主要成分的羟基磷灰石含量较少. 展示了正常软骨中间层的微观结构,由看出,软骨内层的微观结构上出现许多大孔径的微孔,有存储体液及关节润滑液的作用.为软骨内层的能谱分析曲线,能谱线上出现了较强的P、Ca 衍射峰,并且随着探测点离软骨表面距离的增加,P、Ca 元素含量逐渐升高,探测区域也逐渐接近软骨的钙化区域;另外,随着探测点离软骨表面距离的增加,C、O 和S 衍射峰减弱,表明离软骨表面越远,硫酸软骨素的含量越少. 软骨内层的微观结构及能谱分析曲线.图上出现片状结构,类似于分层结构.图的能谱线上出现了较强的P、Ca 衍射峰,软骨内层的磷、钙元素含量逐渐接近成骨组织,而能谱中O 的衍射峰较弱,S 元素基本检测不到,表明该层硫酸软骨素的含量接近于零,近似于人体组织的钙化区. 2 人体病变关节磨屑的形态研究 2.1 人体病变关节磨屑的提取 选取三名髋关节产生病变的病人进行病变髋关节液抽取.病人的年龄和体重分别为(32岁,67Kg)、(41 岁,71Kg)和(46 岁,62Kg).基于关节内窥镜,对病人关节处进行除尘除菌处理,针头从关节侧面插入,进入关节囊,缓慢抽取包含有磨屑的关节滑液20ml.由于磨屑的数量很少,在磨屑的提取过程中要特别注意不要让外来物质如灰尘等进入,所有试验器材在使用前要用生理盐水及去离子水冲洗干净.正常人体关节中的关节滑液主要成分是透明质酸及其盐,另外还包括一些蛋白质和脂肪等.当关节发生病变后,关节头与关节臼之间的磨损加剧,一部分软骨甚至硬质骨碎屑进入关节滑液.除上述物质外,病变关节滑液内还包含有部分因组织破损进入到关节腔内的血液和因炎症反应产生的脓液.由于软骨和骨质碎屑的密度要大于关节滑液,可以利用离心的方式进行人体病变关节磨屑的提取.提取时也要注意对所用器具的清洗,避免外界灰尘进入到样品中去.对提取后的磨屑进行下列试验:利用全自动激光粒度分析仪测试磨屑的粒径分布;利用扫描电镜进行磨屑的二维形貌观测;利用MiaoXAM2.5X-50X 超高精度三维轮廓仪进行三维轮廓观测和厚度测试. 2.2 人体病变关节磨屑的粒度分布 用去离子水对提取后的人体病变关节磨屑进行分散,经超声波充分振荡后进行粒度测试,测得的粒度分布曲线见.测试结果显示,人体病变关节所产生的磨屑粒度较大,所测粒度分布范围为4.92-183.29μm,大部分磨屑分布在20-140μm 之间,平均粒径为56μm,中位径为43μm.与髋关节试验机上得到的人工关节磨屑相比较,人体病变关节磨屑的粒径大大增加,分析认为,这与人体病变关节的材料和受力方式有关:髋关节试验机所用人工关节试样的材料可以视作匀质体,强度较高,而人体病变关节软骨属于有机组织,强度较低,易于变形;另外由于关节副材料不同,造成了人体病变关节和人工关节摩擦磨损方式的不同,人体病变关节臼与关节头之间的磨损不单纯是磨料、疲劳、粘着等机构磨损方式,摩擦过程中还伴有剥落下来的小颗粒被巨噬细胞吞噬,人体对剥离组织的补偿性再修复,剥离组织被分解吸收等一系列的生化反应,使得提取的人体病变关节滑液中的磨屑颗粒分布尺寸范围及曲线形态均不同于人工关节磨屑分布;还有,施加于人工关节上的力虽然属于交变载荷,但力的过渡和变化比较平稳和有规律性,而人体病变关节不但要承受人正常行走时的交变载荷,而且还要承受人体跳跃、加速、磕碰等非正常状态下的冲击力,这些因素使得人体病变关节磨屑要比人工关节磨屑大,同时也为我们仿真人体关节运动提出了新的挑战. 2.3 人体病变关节磨屑的轮廓特征 将提取后的磨屑滴在光滑平整载片上,进行干燥并置于干燥皿中冷却,表面喷金处理后用扫描电镜观察典型磨屑的轮廓形貌特征.有研究显示[14,15],人体组织的形貌与扫描电镜的放射幅度有关,当采用高电压(超过5kv)、低速率扫描时,可以很清晰地观察到磨屑的轮廓和形貌纹理,因此本文采用20kv 的扫描电压,进行低速扫描.为人体病变关节的群体形貌,由图可知,人体病变关节产生的磨屑轮廓形态各异,在扫描电镜下呈现出条状、块状、片状及杆状等形态各异、粒径尺寸不一的磨屑,其中大部分为片状磨屑,有的磨屑上面有组织纹理存在.根据磨屑边界轮廓及表面纹理等特征,可将试验所得人体病变关节磨屑分为以下几种类型: (一)片状磨屑: 为观测到的人体关节片状磨屑,结果显示绝大多数薄片状磨屑的尺寸在50-120μm之间, 是人体病变关节滑液中所占比例最高的磨屑.大部分的片状磨屑边缘具有不规则结构,未发现边缘卷曲现象,显示了典型的关节炎症状中片状磨屑周围的杆状磨屑也证实了这一特点.据分析,杆状磨屑也是典型的关节炎症常见磨屑.另外,部分磨屑表面显示撕裂形貌,展示了有机组织断裂特征.对的磨屑进行EDS 能谱分析,发现该磨屑中O、S 等元素的含量较高,而Ca、P 等元素含量较低,与正常软骨浅表层的成分相似.据分析,该类磨屑可能是由于关节软骨表面在关节摩擦或挤压过程中脱落后形成的磨屑.这类磨屑的出现表明关节软骨之间的磨损超出了正常范围,已经危害到关节软骨的结构和功能. (二)块状磨屑: 人体关节中的块状磨屑一般属于软组织类磨屑,没有固定的形状, 具备关节软骨表面层以下的组织结构特征.其尺寸分布范围较宽,一般在10-100μm 之间.本文对图中的磨屑进行了EDS 能谱分析.分析结果表明,与片状磨屑相比,块状磨屑中S、O 等元素的含量降低,Ca、P 等元素的含量升高,表明块状磨屑逐渐深入软骨内层,为软骨破碎组织结构,取样病患者的关节软骨已经遭到极大破坏.因此,当出现该类型磨屑时,表明关节病患者的关节软骨已经遭受了严重损伤,亟待治疗和修复. (三)杆状磨屑: 杆状磨屑在关节炎症患者的滑液中比较常见,在中都可以看到这种类型的磨屑.杆状磨屑的尺寸较小,宽度一般为4-10μm,长度小于100μm.与块状磨屑和片状磨屑比较而言,杆状磨屑的边缘比较平滑,形状较为规则,典型的杆状磨屑形貌见. 杆状磨屑是由于关节发生病变,产生炎症反应,组织发生肿胀,关节臼与关节头表面发生刮擦时形成的,属于关节软骨表面组织,因此杆状磨屑是关节病初期的特征磨屑之一.随着关节病的发展,刮擦现象越来越严重,杆状磨屑持续形成并向片状和块状发展,造成关节软骨断裂剥离,更严重的会严重损伤关节软骨下的骨组织,形成类骨磨屑. (四)类骨磨屑: 在本文所分析的关节病患者的关节滑液中,有一个病人的关节滑液中出现了形状不规则的类骨磨屑,其结构类似骨组织的多孔结构.对该类磨屑进行了EDS 能谱分析.EDS 能谱分析显示,该类磨屑中的钙元素与磷元素所占比例巨大,具有典型硬质骨的成分特征.分析认为,类骨磨屑属于软骨下钙质骨在关节摩擦或冲击条件下剥落形成,存在于严重骨损伤患者关节内.本文所发现的类骨磨屑的尺寸一般在100μm 左右,属于较大的磨屑类型,这类磨屑一般情况下很难看到,含量极少,但一旦被发现,就意味着人体病变关节已经损坏到了极其严重的地步,病人的每一步行动都将是异常痛苦,这时就必须进行关节治疗甚至置换,以减轻病患者的病痛. (五)类晶磨屑: 在进行人体关节滑液磨屑分析过程中还可以观测到一些较小的实体颗粒尺寸一般在30μm 以下,这些颗粒表面比较光滑,形状较为规则,怀疑是未除干净的体内无机盐等的结晶. (六)丝带状磨屑: 在对人体磨屑进行分析过程中,还发现有少量的丝带状磨屑存在,像是硬物刮擦软组织表面形成的纤维状颗粒,并伴有扭曲现象.这些丝带状磨屑长度超过100μm,以纤维原细胞的形式存在,是关节组织的一部分.它们的形成原因很复杂,正常人体病变关节内出现的丝带状组织,可能为人体关节副正常磨损的产物,也可能是人体病变关节滑液凝聚形成的带状物.而产生病变的人体病变关节中的带状磨屑有可能是较硬的类骨磨屑在关节软骨表面刮擦形成,也可能是顺着关节组织纹理剥离下来的纤维组织,第三种可能是人体对关节炎性反应产生的应激性产物,比如纤维细胞的集群粘连等等. 研究表明,人体病变关节大多数磨屑为关节软骨碎屑,并且磨屑的轮廓特征与人体病变关节的健康状况有很大的关联.大多数关节炎患者的磨屑的边缘很少出现翘曲现象,具有不规则边缘,而正常人的关节磨屑边缘常出现卷曲现象,另外不同形态的磨屑预示着关节不同损伤程度,这一点可以作为关节病诊断的一个参考.如果能够对磨屑的轮廓进行数字化表征,这样对人体病变关节磨屑形态的研究将成为关节病诊断的一个数字化参考依据,从而打破依靠医生经验对关节病诊断的传统,为医学的现代化做出贡献. 2.4 人体病变关节磨屑三维形貌及厚度 人体病变关节滑液提取后,超声波分散均匀,取少量滴在光滑载片上,干燥后对磨屑进行三维轮廓观测和厚度测试.测试仪器为MiaoXAM2.5X-50X 超高精度三维轮廓仪.由于三维轮廓仪放大倍数限制,再加上人体病变关节磨屑个数比较少,我们通过三维轮廓仪只发现了尺寸较大的片状磨屑和块状磨屑.为利用三维轮廓仪测得的人体病变关节片状磨屑的二维和三维形貌照片.照片显示,人体病变关节片状磨屑具有不规则的边缘,边缘部分未发现卷曲现象,具有典型的关节炎症特征.据测试,人体病变关节片状磨屑的厚度在3-20μm之间,平面尺寸与扫描电镜测试结果一致. 为利用三维轮廓仪测得的人体病变关节块状磨屑的二维和三维形貌照片.如前所述,人体病变关节中的块状磨屑一般属于软组织类颗粒,常见于正常关节,没有固定的形状,这一形貌特点为磨屑的三维轮廓照片证实.据测试,人体病变关节块状磨屑的厚度在10-80μm 之间,平面尺寸与扫描电镜测试结果一致. 2.5 人体病变关节磨屑的手术验证 对诊断的严重关节病患者进行了人工关节置换.手术结果验证了磨屑形态反映的关节病症状.图是切下来的关节头的照片,可以看出该患者髋关节的关节软骨已经严重磨损,表面粗糙;图是关节头的局部放大照片,可看出关节软骨局部呈现剥离状态,这些特征,与磨屑的形态是十分吻合的.因此,通过抽取病患者关节内的关节滑液,对其中的磨屑进行形态分析,可以从一个方面了解患者关节的病变程度. 3 结论 本文对人体关节磨屑形态进行了研究,并探讨了磨屑形态与关节病严重程度的关系,研究结果表明: 1、人体病变关节所产生的磨屑粒度较大,所测粒度分布范围为4.92-183.29μm,大部分磨屑分布在20-140μm 之间,平均粒径为56μm,中位径为43μm. 2、人体病变关节产生的磨屑轮廓形态各异,在扫描电镜下呈现出条状、块状、片状、杆状、类晶及类骨等形态各异、粒径尺寸不一的磨屑,其中大部分为片状磨屑. 3、人体病变关节产生的磨屑的轮廓特征与病变关节的损伤程度有很大的关联,不同形态的磨屑预示着关节不同损伤程度. 4、人体病变关节磨屑的三维轮廓显示,片状磨屑具有不规则的边缘,边缘部分未发现卷曲现象,具有典型的关节炎症特征,厚度分布在3-20μm 之间;块状磨屑的厚度分布在10-80μm 之间. 5、通过手术验证了磨屑形态与关节软骨损伤程度的关系,表明磨屑形态可以真实反应关节软骨的损伤. 综上所述,人体病变关节磨屑形态作为关节病诊断的一个数字化参考依据,对关节病的早期诊断和预防起到良好作用,可以帮助我们很好的了解人体病变关节的磨损过程和形式,也为人工关节的研究提供一些借鉴和帮助.关节液磨屑检查仅需抽取少量关节液,快捷方便,且检查费用相对低廉,因次,如果能够在此研究基础上发展出可早期快速检测关节有关病理变化及其愈后的关节液检测技术,则不但在临床诊断分析上有重要意义,而且还具有良好的社会普查意义.
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