膝关节股骨滑车软骨是由致密结缔组织构成的透明软骨，在膝关节活动中扮演着重要角色。目前对于股骨滑车软骨的评估，传统X线和计算机断层扫描（computed tomography，CT）无法直接显示软骨，敏感度和特异度差；关节镜检查虽然是软骨评估的金标准，但其评估仅限于软骨表层且具有创伤性；磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是进行软骨评估的最佳成像方式，但高成本及低可用性限制了其广泛应用于软骨的评估与筛查。随着人口老龄化的加重和膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）发病率的增加，及时、准确地对股骨滑车软骨进行评估，对为KOA患者提供干预措施并预测软骨损伤退变进展的风险、节约社会医疗成本具有重要意义。近年来，数字化、高性能超声仪器的普及以及相关新技术的不断出现，使其在股骨滑车软骨的评估方面展现出广阔的应用前景，现将其应用研究进展综述如下。
一、膝关节股骨滑车软骨的组织结构及超声扫查方法
（一）股骨滑车软骨的组织结构
膝关节股骨滑车软骨是一种由无血管、神经及低细胞含量的致密结缔组织构成的透明软骨，其基质中含有致密的胶原蛋白和蛋白聚糖，可为膝关节提供低摩擦和高度耐磨的表面［1］。由于软骨的特殊组成结构，导致其自我修复能力和再生潜力有限［2］，且目前对于已损伤股骨滑车软骨的再生修复仍是一项具有挑战性的工作，临床上从对症治疗到结构性软骨再生，软骨再生修复的众多方法都未能达到令人满意的结果。股骨滑车软骨损伤及退变的形态结构变化在早期表现为软骨表面出现细小裂纹以及胶原网状结构的受损，并伴随着糖胺聚糖的丢失，继而软骨表面变得粗糙或出现纤维性震颤，随着损伤及退变进一步加重，软骨出现硬度降低、弹性性能改变和胶原网状结构破坏等更高级别的特征性变化，引起软骨厚度的改变、组成成分以及形态结构的变化，最终造成不同程度的软骨缺损和KOA的发生［3, 4］。
（二）股骨滑车软骨的超声扫查方法
超声仪器选择肌骨超声（musculoskeletal ultrasound，MSUS）条件，探头首选高频线阵探头，频率7.0~15.0 MHz。扫查时患者处于仰卧位，充分暴露下肢，髋关节适当屈曲，膝关节极度屈曲，探头置于股骨远端前方，于髌上横切面进行扫查并保持探头扫查面与股骨滑车关节面垂直，使股骨滑车软骨得到充分成像，以便全面观察和评估股骨滑车软骨［5, 6］。近年来，随着MSUS大量应用于股骨滑车软骨的评估，有学者提出了一些新的超声评估股骨滑车软骨的扫查方法，如Cao等［7］提出在仰卧位膝关节完全伸直时，在髌骨两侧对股骨双侧髁突进行横、纵切面扫查；在俯卧位膝关节完全伸直时，对股骨双侧髁突后部进行横、纵切面扫查；在仰卧位膝关节极度屈曲时在髌上对股骨滑车软骨进行横、纵切面扫查，研究结果也发现该超声扫查方法对股骨滑车软骨缺损具有与MRI相似的诊断效能。
二、基于MSUS的软骨定性评估
1984年超声被用于评估关节透明软骨，正常透明软骨的声像图表现为覆盖于骨质表面的高-低-高回声带，回声带表层及深层高回声线光滑、清晰、锐利，中间低回声带透声好，回声均匀［8］，通过定性观察软骨表面及深层高回声线的连续性、清晰度和锐利程度，软骨内部回声强弱，软骨局部形态变化对软骨表面和内部进行评估。
Saarakkala等［9］进行了一项超声和关节镜对膝关节软骨损伤分级评定的对比研究，40例因膝关节疼痛而接受膝关节镜检查的成年患者被纳入此研究，以膝关节镜检查对软骨的损伤分级为标准，分别对股骨内外侧髁和髁间区域的软骨进行超声检查并评定损伤等级，然后与关节镜检查结果进行比较，结果表明相较于关节镜检查，超声对软骨损伤的敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值和诊断优势比分别在52%~83%、50%~100%、88%~100%、24%~46%和5.0~13.0之间变化，效果取决于检查部位。2种检查方法在髁间区域相关性最高，内侧髁区域次之，但在外侧髁区域无相关性，这可能与超声检查过程中膝关节处于屈曲体位时髌骨外移遮挡部分股骨外侧髁导致股骨外侧髁的可及性差有关。Okano等［10］通过比较超声和常规X线对KOA软骨损伤的评价，发现两者的评价结果具有显著的一致性和有效性，认为超声是一种敏感的成像技术，可以显示轻微的软骨损伤和微小的骨赘，尤其是在KOA的早期阶段。任杰等［11］也根据超声声像图表现提出了膝关节软骨退变的4级分级标准。然而有研究者认为虽然超声对股骨滑车软骨评估的阳性检查结果是软骨损伤的有力指标，但阴性结果并不能排除软骨退化，尚需要进一步检查评估［12］。
三、基于MSUS的软骨定量评估
利用透明软骨损伤及退变过程中软骨结构、成分等改变可引起超声参数变化，对软骨进行定量评估是目前的热点研究方向。高频定量超声为股骨滑车透明软骨损伤的早期评估提供了一种新的技术方法，它能以更高的敏感度和准确性无创地评估透明软骨的状态。Podlipská等［13］以MRI为标准，系统评价了高频定量超声对股骨滑车软骨的诊断效能，发现高频定量超声在评估股骨滑车软骨退变方面与MRI表现相当或更具有优势。
（一）表观积分背向散射系数、积分反射系数、超声粗糙度指数等超声参数
有研究者发现基于超声的IRC与软骨表面的粗糙度具有中度相关性，被认为是表面胶原网络完整性的良好指标［18］。Kiyan等［19］利用IRC检测软骨表面轮廓和胶原组织特征的退化，结果表明IRC与胶原蛋白取向具有显著相关性，而胶原蛋白含量与之相关性不强，是软骨退变过程中表面粗糙度和胶原取向变化的敏感指标，能够有效评估软骨改变。Virén等［20］在关节镜下利用高频（40 MHz）关节内超声设备对已发生机械降解及其临近的正常牛膝关节软骨进行成像，并根据超声信号计算出相应的ICR，结果发现机械降解的软骨和正常软骨的ICR差异具有统计学意义，同时ICR与软骨的机械强度具有较强的相关性，可以检测出肉眼无法检测出的轻微软骨损伤。
在工程中粗糙度指数用来评估材料表面的光滑程度，近年来它已被用于描述软骨表面的粗糙程度，以定量评估软骨退化［21］。Niu等［22］在一项骨关节炎关节软骨的URI与病理评估的研究中发现，随着软骨退化程度的提高，软骨表面变得越来越粗糙，URI也随之增高，该研究结果显示，根据国际骨关节炎研究所（Osteoarthritis Institute，OARSI）分级标准，软骨退变程度为1级与2级时软骨表面开始变得粗糙，URI同时增高，但在1级和2级之间差异无统计学意义，到3级时URI才有显著变化，说明软骨退变是一个从量变到质变的过程。这些结果提示，在软骨退变早期及时发现退变状态，并进行积极干预，可以延缓或避免软骨退变继续发展。
（二）超声声速、超声振幅衰减系数等超声参数
超声声速（ultrasound spreed，USS）和超声振幅衰减系数（ultrasound amplitude attenuation coefficient，UAA）是超声波传播的基本特征，软骨中USS和UAA受到软骨成分、组成结构、机械应变、胶原纤维取向和软骨各向异性的影响，因此通过对软骨中USS和UAA的测定，能够对软骨进行间接的定量评估［23］。
Ohashi等［24］在体外研究了软骨退变对USS的影响，该研究对32个骨关节炎患者的股骨髁软骨进行了测量，同时利用OARSI分级标准和改良的曼金评分对软骨状态评估，结果发现USS与OARSI评分呈显著负相关，随着曼金评分的增高USS呈下降趋势，由此可见，USS可以对软骨进行有效的定量评估。Sun等［25］提出了一项新的无损超声技术，该技术可以测量软骨中的声速和声阻抗，然后根据软骨中的反射系数和声速计算出聚集模量，结果显示，软骨退变过程中，聚集模量的变化趋势与软骨杨氏模量的变化趋势一致，两者之间具有显著相关性，聚集模量使得软骨的定量、无损评估成为可能。然而有研究者认为软骨中超声声速不仅与软骨退变有关，还与软骨成分及软骨厚度有关，即使在健康个体之间，软骨厚度和成分含量也不可能一样，因此利用USS评估软骨还应考虑个体差异性［26］。
UAA用于描述超声波在组织中传播时的能量损失。Niu等［27］使用胰蛋白酶对关节软骨进行逐步消化来研究软骨中UAA的变化，研究者制备了20个正常猪的股骨髁软骨样品，然后使用0.25%的胰蛋白酶溶液对样品软骨进行消化，结果发现UAA随着软骨中蛋白多糖的降解而降低，与USS呈正相关。UAA可以作为一种间接评估软骨退变的定量超声参数，能够为软骨早期损伤的评估提供一定的参考。
（三）软骨厚度测量
软骨厚度的测量被认为是诊断和评估软骨退变的重要工具，而超声以低成本、可广泛应用等特点，正迅速成为软骨厚度测量的重要辅助检查手段［28］。Faisal等［29］提出了一种基于局部统计水平集的膝关节股骨软骨分割方法，该方法与其他软骨分割法相比，可以有效提高软骨厚度测量的准确性，同时通过多次重复测量软骨厚度，平均组内相关系数（intraclass correlation coefficient，ICC）值表明厚度测量值具有良好的再现性，Bland-Altman图也显示出基于此方法所得的软骨厚度值与人工测量值之间具有良好的一致性。Steppacher等［30］使用对比增强显微计算机断层扫描对超声测量软骨厚度的准确性、可重复性和可靠性进行了一项验证研究，结果显示软骨厚度的超声测量与对比增强显微计算机断层扫描具有很强的相关性，相关性系数高达0.973，同时可重复性和可靠性与后者几乎一致，ICC超过了0.99。
（四）超声辅助技术
软骨退变时，其组成成分的改变以及胶原纤维结构的破坏和重塑可以显著影响软骨的生物力学状态［31］，超声水压痕法在测量软骨机械性能方面已得到广泛应用。Wang等［32］使用超声水压痕法对兔骨关节炎模型的软骨退变进行检测，发现随着软骨退变的进行，超声水压痕硬度系数和机械压痕杨氏模量呈总体下降趋势，组织病理学分级也显示出与退变程度相似的趋势。超声水压痕法是一种测量关节软骨力学性能的有效方法，它能够通过测量股骨滑车软骨的形态学、声学和机械特性来评估软骨的早期退化。然而股骨不同位置透明软骨的厚度并不均匀，在软骨较薄的位置测量压痕时软骨变形的精度较低，水压的大小也会影响软骨厚度，因此在未来的研究中，有必要使用更小的压头或以更高的空间分辨率增加超声频率，以提高测量精度、敏感度和可靠性。
超声弹性成像是通过对目标软骨组织施加准静态压缩，使用软骨组织的应变、剪切波速度来确定软骨的内部位移场，进而计算出软骨刚度，从而对软骨的机械特性做出定量评估。Cay等［33］通过研究发现，25例在MRI扫描中有股骨远端软骨病理改变患者的超声弹性成像应变显著高于25例在MRI扫描中无股骨远端软骨病理改变的患者，认为超声弹性成像技术是区分正常软骨和病变软骨的一种有效、可靠的方法。Yokus等［34］利用该技术对KOA患者和无症状健康志愿者的股骨滑车软骨的剪切波速度进行测量，结果显示KOA患者的股骨内侧髁软骨和髁间嵴软骨的剪切波速度明显大于健康志愿者，两者之间差异具有统计学意义，认为超声弹性成像对软骨病理状态的评估是可靠的。Chung等［35］对组织工程软骨进行了超声弹性成像评估，认为该技术对组织工程软骨评估具有可行性。McCredie等［36］则利用超声弹性成像技术研究了关节软骨的层状力学特性及其在载荷作用下的结构特性，结果表明该技术能够评估软骨在载荷作用下与深度相关的弹性特性，并且可以区分软骨内纤维结构不同所造成的差异，能够用于评估和监测各种人工关节软骨的设计。超声弹性成像的准确性取决于组织中声速的恒定性，然而有研究者［37］已经提出组织应力形变后会引起声速的改变，进而影响组织机械性能的测定，具有一定的局限性。
近年来随着超声仪器性能的提高以及小型化高频探头的出现，众多学者在超声结合其他技术设备用于评估股骨滑车透明软骨方面进行了大量的探索性研究，提出了各种可以评估透明软骨成分特征和形态学特征的新型超声辅助技术设备，并对其评估效能进行了验证，都取得了可喜的结果，然而这些超声辅助技术设备在正式应用于临床评估股骨透明软骨之前还需进行更大样本量和更加深入的研究。
四、总结及展望
近年来超声在软骨评估方面得到了广泛应用，相较于X线、CT、MRI等检查方式，超声因具有简单、快速、低廉、无创等特性，在膝关节股骨滑车软骨退变的早期评估和筛查中扮演着重要角色，同时也为组织工程中获得修复的软骨提供了一种有效的检测与评估手段。基于超声的各种参数不仅可以对股骨滑车软骨的表面形态做出有效评估，同时与软骨组成结构中胶原网状结构破坏和糖胺聚糖等成分改变具有较强的相关性，此外各种超声辅助技术设备在评估透明软骨的生物力学状态和机械性能等方面也展现出广阔的应用前景。但由于超声的声学物理特性，无法对膝关节深部软骨进行全面评估，成像存在斑点噪声和强度不均匀，且依赖于操作者的技术，因此改善成像清晰度、提高对膝关节深部软骨的探测能力以及对软骨结构和成分的定量评估将是超声未来的重点研究方向，相信随着超声技术和设备的快速更新发展，数字化、高性能的超声仪器以及超声辅助技术设备将成为股骨滑车透明软骨评估的又一重要利器。