关节软骨是表面光滑，具有粘弹性的生物承重组织。关节软骨在关节活动中起重要作用，它的结构非常精细和科学，以适应不同的功能需要。关节软骨退化、骨性关节炎（Osteoarthritic，OA）是一种常见的肌肉骨骼系统疾病，发病率高，修复困难，严重影响患者的生活质量，同时给社会带来负担。关节软骨主要由细胞外基质与分散在其中的高度特异性的软骨细胞组成，主要成分是占软骨组织净重60～80％的含多种离子的水、5～10％的蛋白多糖、10～20％的Ⅱ型胶原蛋白、少量的糖蛋白及其它蛋白。蛋白多糖和Ⅱ型胶原蛋白在保持关节软骨结构方面起重要作用。关节软骨组织衰退是关节疼痛和功能丧失的首要原因，且关节软骨一旦损伤就不易愈合。加之，因关节面不光滑，会进一步加快关节退变，出现骨性关节炎疾病。超声是一种重要的定位诊断方法，可以无损地探测生物组织内部的结构，且超声成像具有实时、价格低廉、易于使用等优点，采用高频换能器的超声成像具有高分辨率，可以提供更多关于软组织的形态、声学和力学信息，近年来高频超声已被用于研究软骨的成熟度、软骨形态、软骨组织修复以及组织的定量评估，并与压痕、压缩等实验技术相结合，用于测量软骨组织的弹性。由于早期骨性关节炎中最重要的一个变化就是软骨的退化，定量超声成像技术成为骨性关节炎软骨评估的有效手段。因此，深入了解认识骨性关节炎中关节软骨组织成分与结构的退变，对及早发现和治疗骨关节炎有着积极的意义。　　 目的：本研究拟在关节软骨退化后，利用定量超声成像技术，定量测量软骨表面的粗糙度、胶原蛋白网络的完整性、软骨厚度、组织的反射系数及衰减系数等，从而判定软骨的退化程度;探讨其超声参数与蛋白多糖和胶原蛋白含量的相关性;探讨应用瞬态超声测量技术监测因外部环境变化而引起的关节软骨的脱水及水合膨胀行为，研究蛋白多糖对软骨水合的作用;利用该超声成像技术，定量判定人体关节软骨的退化程度，探讨定量超声成像技术在评估骨性关节炎软骨退化中的应用价值。　　 方法：⑴膝关节是所有关节中构造最复杂，损伤机会较多的关节，并且最容易发生软骨退行性变，髋关节次之。因此，研究选择膝关节髌骨软骨及股骨头软骨为实验样本。本研究设计三组实验，分别为:软骨成分与声学参数的相关性研究、软骨水合特性研究和人体软骨的超声定量评价研究。⑵主要药品及试剂有:0.25％的胰蛋白酶-EDTA消化液（GIBCO，美国加州Invitrogen公司）、30U/mL胶原蛋白酶溶液（GIBCO，美国加州Invitrogen公司）、pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液、蒸馏水、10％的中性福尔马林。实验所用超声设备包括:全功能科研型高分辨率B型超声成像系统(SonixRP，Canada)和A型超声测量系统。⑶软骨成分与声学参数的相关性研究的实验方法:以离体动物实验研究软骨成分与声学参数的相关性。选取21个表面光滑无损伤的猪髌骨关节软骨为样本，将21个猪髌骨软骨样本随机分为三组，其中7个样本属于正常组，7个样本属于胰蛋白酶消化组，其余7个属于胶原蛋白酶消化组。正常组的7个样本作为参考样本不经处理，胰蛋白酶消化组的7个样本浸泡在0.25％的胰蛋白酶消化液中4小时，胶原蛋白酶消化组的7个样本浸泡在30U/ml的胶原蛋白酶消化液中24小时。利用中心频率为10MHz的B型超声系统扫描三组样本，计算软骨表面的粗糙度、软骨表面的反射系数、软骨-骨界面的反射系数和软骨的厚度。⑷软骨水合特性研究的实验方法:以离体动物实验研究软骨成水合特性。选取12个表面光滑无损伤的猪髌骨关节软骨为样本，将12个猪髌骨软骨样本分为两组，其中6个样本属于正常组，6个样本属于胰蛋白酶消化组。正常组的6个样本作为参考样本不经处理，胰蛋白酶消化组的6个样本浸泡在0.25％的胰蛋白酶消化液中8小时。利用中心频率为25MHz的A型超声系统扫描两组样本，计算软骨的水合应变和软骨的厚度。⑸人体软骨的超声定量评价研究的实验方法:以离体人体股骨头软骨为实验对象，一个为正常股骨头，软骨表面光滑、无破损;另一个股骨头的软骨表面缺损严重，将其视作退化组样本。利用中心频率为10MHz的B型超声系统扫描两组样本，计算软骨表面的粗糙度系数和软骨的厚度。　　 结果：软骨成分与声学参数的相关性研究结果均表明，定量超声成像技术能有效发现早期关节炎软骨退化，并可为其提供较客观的定量超声诊断，为骨性关节炎的早期诊断提供参考。其统计分析发现消化组的软骨表面粗糙度系数(胶原蛋白酶消化组54.40±10.92μm，胰蛋白酶消化组43.68±10.33μm)均显著大于正常组(9.56±2.44μm)(p＜0.05)，但两消化组之间无显著性差异(p＞0.05)。与正常组相比，消化组的软骨表面的反射系数与软骨-骨界面的反射系数均显著减小(p＜0.05)，且两消化组之间存在显著性差异(p＜0.05)。消化组的软骨厚度与正常组之间无显著差异(p＞0.05)，但与胰蛋白酶消化组相较，胶原蛋白酶消化组的软骨厚度却显著减小(p＜0.05)。软骨水合特性研究的结果表明，正常组的实时应变曲线在大约20分钟的时刻达到平衡，而胰蛋白酶消化组在大约5分钟的时刻迅速达到平衡。其统计分析发现正常组的应变为（3.46±0.49％），而胰蛋白酶消化组的应变为(1.84±0.21％)，明显低于正常组(p＜0.05）。消化组的软骨厚度与正常组之间无显著差异(p＞0.05)。人体软骨的超声定量评价研究结果发现退化组软骨表面的粗糙度系数(157.27μm)大于正常组(43.51μm)。退化组的软骨厚度值(0.65mm)小于正常组(1.34mm)。　　 结论：软骨成分与声学参数的相关性研究表明利用超声参数（软骨表面反射系数、软骨表面粗糙度系数、软骨-骨界面反射系数）可以有效地定量评估软骨蛋白多糖和胶原蛋白成分的变化，本研究结果为骨性关节炎的早期诊断提供参考信息。软骨水合特性研究表明正常的关节软骨具有膨胀特性，特别是表层区域的膨胀和软骨的退变有密切关系，软骨组织的蛋白多糖对软骨水合和脱水后恢复原状具有重要作用，退化的软骨组织中由于蛋白多糖成分的缺失导致软骨组织的结构、水合作用及脱水后恢复能力的降低。人体软骨的超声定量评价研究表明利用超声参数（软骨表面粗糙度系数）可以有效地定量评估软骨的退化程度。本研究结果为骨性关节炎的早期诊断提供参考信息。三组实验共同表明了超声可以全面且清晰地分辨股骨、膝关节软骨、软骨表面-骨界面，反映关节软骨的退变情况。