Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Остеоартроз (ОА) представляет чрезвычайно актуальную проблему современности, затрагивающую миллионы людей во всем мире, приводя к боли, инвалидности и высокой смертности от сопутствующих заболеваний [1, 11]. Нужно отметить, что этиология и патогенез ОА остаются достаточно плохо изученными. Диагностический набор инструментов представляется так же весьма скромным. Он включает клинический анализ боли и функциональной дисфункции, рентгенологическое обследование пораженных суставов [7].

Стандартная рентгенография является общепринятым стандартом диагностики ОА и обладает таким преимуществами как высокая доступность, простота и низкая стоимость [9]. С другой стороны, многочисленные исследования показали, что данный метод диагностики обладает рядом ограничений, в том числе зависимостью от квалификации рентгенолога, положения пациента, низкой чувствительностью и специфичностью [10]. Описательные данные рентгенографии не отражают клинические проявления ОА [3]. Данные обстоятельства подчёркивают необходимость разработки новых методов оценивания рентгенограмм для повышения качества диагностики остеоартроза.

Другой актуальной проблемой диагностики ОА является отсутствие достоверных визуализационных маркеров ремоделирования субходральной кости (СКХ), которая принимает активное участие в патогенезе заболевания. Многочисленными исследованиями показано, что при ОА происходит изменение биохимического и иммунологического пейзажа СКХ [12], что приводит в конечном итоге к ремоделированию суставного хряща, протекции воспаления, микрокристаллическому стрессу и прогрессирующей деградации всех суставных структур [4]. Колоссальное участие субхрящевого отдела губчатой кости в развитии и прогрессировании ОА диктует необходимость разработки методов оценки СХК, что позволит расширить арсенал диагностических методов ОА.

Ранее нами было продемонстрировано, что фрактальный размер, инвариантность, некоторые текстурные характеристики суставной щели и субхондральной кости связаны с «классическими» рентгенологическими признаками ОА [2, 3, 5]. Учитывая тот факт, что сустав представляет собой инвариантный объект с признаками самоподобия, а рентгеновские изображения лежат в текстурном диапазоне оттенков серого, вполне обосновано предположить целесообразность использования данных свойств для автоматической математической оценки рентгеновских изображений суставов.

Целью настоящего исследования являлась оценка взаимосвязи фрактальной размерности и показателей текстуры субхондральной кости с клиническими проявлениями ОА.

Материалы и методы исследования

В исследование включено 92 пациента (78 женщин и 14 мужчин) в возрасте 47-90 (66,1 ± 10,5) лет с ОА коленных суставов (КС) I-IV рентгенологических стадий по Kellgren. Все пациенты имели боль в коленных суставах, интенсивность которой была не менее 20 мм по цифровой шкале боли от 0 мм до 100 мм. Клиническая характеристика групп пациентов в табл. 1. Всеми пациентами было подписано информированное согласие на участие в исследовании, протокол исследования был одобрен междисциплинарным комитетом по этике ГБОУ ВПО ТГМУ Минздрава России.

Критерии исключения: травмы коленных суставов в период до 24 месяцев до включения в исследование, переломы мыщелков бедренных и проксимального отдела большеберцовых костей, отсутствие согласия на участие в настоящем исследовании.

Каждый пациент был осмотрен врачом-ревматологом, проведено клиническое и рентгенологическое исследование. Клиническая оценка включала оценку симптомов гонартроза с использованием валидированной русскоязычной версии анкеты WOMAC (The Western Ontario and McMaster Universities Arthritis Index). Рассчитывали суммарный балл, ригидность, уровень боли и функционального дефицита. Все пациенты по уроню боли и функциональному дефициту были разделены на три группы 1 – низкий уровень, 2 – умеренный, 3 средний. В табл. 2 приведены соответствия уровней альгофункциональных характеристик больных ОА.

Таблица 1

Клиническая характеристика групп пациентов

Таблица 2

Соответствия уровней боли и функционального дефицита группам пациентов

Выполнялась стандартная рентгенография КС по общепринятой методике в прямой проекции на цифровом рентгенологическом аппарате «КРТ ОКО Электрон». Цифровые рентгенограммы обрабатывали по описанной ранее методике [3].

Фрактальный размер (Db) получали методом коробок (box-метод). Для оценки инвариантности (S) текстуры суставной щели использовали показатель графика наклона прямой отношения натуральных логарифмов фрактальной лакунарности к масштабам измерения. Изучение текстурных признаков изображения суставной щели проводили с использованием аналитического протокола GLCM (Grey Level Co-occurrence Matrix – матрица совпадений градаций серого). Поучали показатели второго углового момента (ASM), обратного момента разностей (IDM), энтропии (E).

Статистическая обработка результатов проводилась с использованием пакета программ Stаtistica 6.0 (StatSoft, США), включая общепринятые методы параметрического и непараметрического анализа. Для параметров, распределение которых отличалось от нормального, при сравнении двух групп использовали Z-критерий Манна–Уитни, для сравнения более двух групп использовали H-критерий Краскела-Уоллиса и/или медианный тест. Результаты представлены в виде среднего и стандартного отклонения (M ± SD). Корреляционный анализ проводился по методу Спирмена. Различия считались статистически значимыми при p < 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Стандартные описательные характеристики рентгенограмм, такие как наличие остеофитов и их размер, сужение суставной щели, стадия гонартроза не показали статистически значимых связей с уровнем боли и функционального дефицита у больных гонартрозом (p > 0,05).

Изучение фрактальной размерности бинарных изображений субхондральной кости, показали значимую обратную корреляционную связь между Db и давностью боли в коленных суставах (r = – 0,44, p < 0,05). Корреляционный анализ так же показал, что фрактальный размер СКХ статистически значимо не связан с уровнем боли и функционального дефицита (p > 0,05) и не имеет закономерных изменений у лиц с разными уровнями боли (p > 0,05). Вместе с тем, данный показатель был статистически значимо выше у лиц с высоким уровнем боли, вне зависимости от способа оценки, и функциональным дефицитом по WOMAC (p < 0,05, табл. 4), имел тренд увеличения по мере нарастания ригидности (p < 0,05).

Инвариантность СХК продемонстрировала значимые обратные связи с уровнем боли по ВАШ в движении (r = – 0,50, p < 0,05), длительностью боли (r = – 0,56, p < 0,05), а также показателями анкеты WOMAC: суммарным баллом (r = – 0,40, p < 0,05), ригидностью (r = – 0,28, p < 0,05), функциональным дефицитом (r = – 0,39, p < 0,05), болью (r = – 0,43, p < 0,05). Показатель был статистически значимо выше у лиц с высоким уровнем боли по версии ВАШ, высоким суммарным баллом и ригидностью WOMAC (p < 0,05, табл. 4).

Изучение математической морфологии по данным GLCM текстурных характеристик СХК показало, что ASM, IDM и E имеют статистически значимые связи с такими клиническими характеристиками, как длительность боли в коленном суставе (r = -0,37, p < 0,05; r = – 0,36, p < 0,05; r = 0,36, p < 0,05, соответственно), с уровнем боли при движении по версии визуально-аналоговой (цифровой) шкалы боли (r = – 0,44, p < 0,05; r = – 0,44, p < 0,05; r = 0,45, p < 0,05, соответственно), показателями анкеты WOMAC: суммарным баллом (r = – 0,43, p < 0,05; r = -0,39, p < 0,05; r = 0,42, p < 0,05, соответственно), ригидностью (r = – 0,38, p < 0,05; r = -0,36, p < 0,05; r = 0,37, p < 0,05, соответственно), функциональным дефицитом (r = – 0,43, p < 0,05; r = – 0,40, p < 0,05; r = 0,42, p < 0,05, соответственно), болью (r = – 0,41, p < 0,05; r = – 0,36, p < 0,05; r = 0,39, p < 0,05, соответственно).

Текстурные характеристики, как показано в табл. 3, показали достоверные различия у пациентов с различным уровнем боли и ригидности по анкете WOMAC. При этом у пациентов с низкими уровнями ASM, IDM отмечался значимо низкий уровень боли и ригидности (p < 0,05). Напротив, высокий уровень энтропии бинарных изображений СКХ был характерен для пациентов с низкими клиническими характеристиками (p < 0,05).

Таблица 3

Математическая морфология субхондральной кости, изученная в рамках групп пациентов с различными альгофункциональными характеристиками

Примечание. Различия статистически значимы при p < 0,05. Пояснения в тексте.

Мы показали, что стандартная рентгенологическая семиотика гонартроза не имеет связи с клинической картиной, описываемой болью и функциональным дефицитом, что согласуется с результатами других исследователей [8].

Как показали наши исследования, текстурные характеристики GLCM способны отражать не только главные рентгенологические события гонартроза, но и альгофункциональные составляющие клинической картины. Так, второй угловой момент отражает уровень боли по обеим шкалам, имея тенденцию к увеличению по мере нарастания симптомов гонартроза. Обратный момент различий, напротив, не менялся по мере прогрессирования боли. Энтропия текстуры суставной щели была выше при гонартрозе с низким уровнем болевых ощущений по версии WOMAC. Эти данные дают основание предположить, что текстурные характеристики обладают диагностической специфичностью по отношению к разным альгофункциональным характеристикам гонартроза.

Оценка взаимосвязей между фрактальным размером бинарных изображений субхондральной кости у больных гонартрозом с уровнем боли и функционального дефицита не показала значимых взаимосвязей. Вместе с тем разделение групп пациентов по уровню боли позволило установить факт высокой фрактальной размерности при высоком уровне ригидности, функционального дефицита и болевого синдрома. Данное обстоятельство подтверждается современной парадигмой роли субхондральной кости в патофизиологии остеоартроза [2, 3].

Важные диагностические качества при оценке боли в настоящем исследовании продемонстрировал показатель инвариантности, который был ассоциирован с ключевыми клиническими характеристиками гонартроза – болью, функциональным дефицитом и ригидностью.

Наилучшие статистические показатели продемонстрировали текстурные характеристики субхондральной кости, которые были также ассоциированы с уровнем боли и функционального дефицита. У пациентов с низкими уровнями GLCM характеристик отмечался значимо низкий уровень боли и ригидности. Высокий же уровень энтропии был характерен для пациентов с более низкими альгофункциональными показателями.

Таким образом, изученные математические аспекты рентгенологической морфологии субхондральной кости при ОА КС показали значимые связи с различными клиническими характеристиками гонартроза, что позволяет отнести их к маркерам заболевания, которые, в отличие от классических рентгенологических признаков, отражают стадийность и клинические проявления остеоартроза.

Нет сомнений, что дальнейшее изучения данной проблемы позволит расширить арсенал диагностического инструментария оценки остеоартроза. Однако в перспективе предстоит оценить связь установленных параметров математического анализа с гистологическими эквивалентами заболевания.

Работа выполнена при поддержке внутривузовского гранта ГБОУ ВПО ТГМУ Минздрава России.