骨性膝关节炎病人脑功能MRI改变与手术前后疼痛的相关性研究

王欣 王坤 鲍正远 张鑫 蒋青 张冰，

骨性关节炎以关节软骨退行性变和继发性骨质增生为特征，以骨性膝关节炎（knee osteoarthritis,KOA）最为常见[1]，症状包括关节疼痛、肿胀、僵硬、运动受限和功能丧失。截至2016年，KOA已导致世界上1 630万（3.0%）人的残疾[2]。人工膝关节置换术（total knee arthroplasties,TKA）是近年临床常用的治疗KOA的手术方法，可以有效缓解病人的关节疼痛并改善膝关节功能，常应用于因KOA影响生活质量而保守治疗无效的病人[3]。然而，有6%~10%的病人在TKA术后发生持续至少3个月的中至重度疼痛，随着进行TKA手术病人的逐年增加，慢性术后疼痛的问题也逐渐受到关注[4-5]。慢性疼痛本身会改变大脑环路，导致疼痛的中枢敏化与传导易化，而内源性疼痛抑制系统有效性的降低使得对疼痛的控制更加困难，这与术后慢性疼痛密不可分[6-7]。

静息态功能MRI（rest-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）是一种无创、客观的成像技术，可检测脑自发的神经元活动，通过功能连接及有效连接的分析，探讨大脑中存在的自发功能神经网络。本研究旨在运用fMRI技术及格兰杰因果关系分析（Granger causality analysis,GCA），探索KOA病人脑功能的改变与手术前后疼痛的相关性，为鉴别术后慢性疼痛高风险病人提供更多理论基础，以便为其制定更好的围手术期预防策略。

1 资料与方法

1.1 临床资料 前瞻性招募2016年12月—2017年5月在南京鼓楼医院骨科住院的KOA病人共20例，平均病程（8.3±5.5）年。病例纳入标准：①KOA症状符合《骨关节炎诊治指南》（2007版）诊断标准；②数字化成像扫描显示中重度骨质磨损（Ahlback分级Ⅳ~Ⅴ级）；③拟行单侧TKA手术。招募年龄、性别及教育程度相匹配的正常志愿者共15名作为对照（normal control，NC）。病人及 NC 排除标准：①有精神疾病史、严重高血压糖尿病等基础性疾病、头外伤或意识丧失史、合并心肝肾等器官严重功能损害、近期饮酒或服药史；②有慢性躯体疼痛病史；③左利手及MRI检查禁忌；④认知障碍者及焦虑、抑郁者。剔除MRI扫描过程中头动较大的被试后（平动大于1.5 mm或转动大于1.5°），最终纳入18例KOA病人和14名NC。本研究获得南京市鼓楼医院伦理委员会批准，并获得所有被试的知情同意。

1.2 临床数据采集及神经心理量表评分 收集所有被试的详细临床信息和身体测量特征，包括病史、饮酒吸烟习惯、体质量指数（BMI）及休息状态血压等。采用简易智力状态检查量表（MMSE）和蒙特利尔认知评估（MoCA,北京版）检测所有被试的认知功能；以抑郁症筛查量表（PHQ-9）和焦虑症筛查量表（GAD-7）排除抑郁及焦虑的被试。KOA组被试在MRI扫描当天（即TKA术前基线期）及术后3个月，以美国特种外科医院膝关节评分（HSS）量表对膝关节功能情况进行评分，以视觉模拟评分（VAS）对疼痛情况进行评估。

1.3 数据采集 采用飞利浦Ingenia 3.0 T MRI设备及32通道头线圈。所有被试均先行常规MRI序列检查[T2WI、液体衰减反转恢复（FLAIR）、扩散加权成像（DWI）]以除外脑部疾病。采用高分辨率T1W 3D快速回波（3D-FFE）序列进行结构像3D T1WI扫描，用于空间结构配准[（TR/TE=9.7 ms/4.6 ms；视野（FOV）=256 mm×256 mm×192 mm，体素1 mm×1 mm×1 mm，扫描时间402 s]。采用血氧水平依赖(BOLD)梯度回波（GRE）序列进行rs-fMRI序列扫描（TR/TE=2 000 ms/30 ms；FOV=192 mm×192 mm×140 mm，体素 3 mm×3 mm×4 mm，扫描时间 374 s）。

1.4 fMRI数据预处理及分析 采用DPABI_V2.3_170105[8]软件对fMRI图像进行预处理，并获得全脑低频振幅（low frequency fluctuations,ALFF）[9]统计图，进行Z变换后获得zALFF值可代表BOLD信号变化强度。选择2组被试zALFF统计图上存在显著差异的脑区，以峰值点为中心，提取半径为5 mm的兴趣区（ROI）内的时间序列进行有效连接分析。采用REST1.8软件的REST-GCA程序进行基于残差的GCA分析[10]，定义ROI内平均时间序列为种子时间序列x（n），全脑每个体素的BOLD响应时间序列为 y（n）。全脑逐体素计算 x（n）对 y（n）和 y（n）对x（n）的线性影响，再将结果标准化为Z分布，获得每个ROI的Z变换格兰杰因果关系值（ztransformed Granger causality,zGC），表示 ROI到全脑及全脑到ROI的有效连接，全脑模板选用Human Brainnetome Atlas模板[11]，包含41 423个体素。

1.5 统计学分析 应用SPSS 21.0软件进行统计学分析。计数资料以例数表示，计量资料以均数±标准差（±s）表示。2组间计数资料比较采用卡方检验，计量资料比较采用独立样本t检验；病人手术前后评分比较采用配对t检验。采用DPABI软件对2组的zALFF值及ROI与全脑体素水平的有效连接进行单样本t检验及双样本t检验，体素水平P<0.001，团块水平P<0.05，双尾高斯随机场（GRF）多重比较校正。提取KOA组有效连接异常脑区的峰值点周围半径5 mm范围内的平均zGC值，与术后3个月VAS评分做Pearson相关分析，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料比较 2组被试年龄、性别、受教育程度、吸烟及饮酒习惯、血压、总体认知评分、抑郁及焦虑评分等差异均无统计学意义（均P>0.05），KOA组BMI高于NC组（P<0.05），详见表1。

2.2 KOA组评分情况 KOA组病人TSA术后3个月较术前HSS评分提高（术前39.6±3.2，术后3个月 84.9±5.9，t=-28.143，P<0.001），VAS 评分降低（术前 5.5±1.7，术后 3 个月 2.7±1.0，t=-5.667，P<0.001）；治疗后膝关节疼痛得到明显改善,中度疼痛3例（VAS评分4~6分），轻度疼痛15例（VAS评分1~3分）。2.3 局部属性分析 单样本t检验显示，2组被试的内侧前额叶、扣带回等脑区的zALFF值显著高于全脑平均水平，与默认网络组成的脑区相一致；2组被试的双样本t检验显示，KOA组右侧丘脑zALFF值显著减低[体素大小 54，MNI坐标（12，－12，9），t＝－6.311，体素水平 P<0.001，团块水平 P<0.05，GRF校正]，详见图 1。

2.4 有效连接分析 与NC组相比，KOA组右侧丘脑对右侧中央前回、中央后回、顶上小叶、楔前叶影响显著增强，而右侧丘脑受右侧顶上小叶、楔前叶影响显著减低（体素水平P<0.001，团块水平P<0.05，GRF 校正），详见表 2、图 2。

表1 2组病人资料和临床评分比较

图1 zALFF值t检验结果图（图中色阶代表差异有统计学意义的脑区的t值）。A图，对照组zALFF值高于全脑平均水平的区域；B图，KOA组zALFF值高于全脑平均水平的区域；C图，2组zALFF值差异有统计学意义的脑区（P<0.05，GRF校正）。

2.5 相关性分析 KOA病人的术后VAS评分（2.7±1.0）与右侧丘脑和右侧中央后回间的有效连接 zGC 值（0.5±1.2）呈正相关（r=0.624,P=0.006）；术前VAS评分（5.5±1.7）与右侧楔前叶和右侧丘脑间的有效连接zGC值（-0.7±0.5）呈负相关（r=-0.527,P=0.024）。右侧丘脑与其余脑区间的异常有效连接和术前、术后VAS评分无相关性。

3 讨论

本研究采用ALFF及GCA分析方法，对KOA病人TKA术前fMRI数据进行了分析，研究了KOA病人长期慢性膝关节疼痛对静息态脑功能的影响，重点关注了疼痛传导通路内有效连接的改变，并通过随访术后疼痛评分，探索脑内有效连接的改变对术后疼痛感知的影响。本研究证实TKA手术明显改善KOA病人关节功能，且明显减轻疼痛感受，但术后3个月疼痛评估结果仍为轻到中度不等。KOA导致的长期慢性疼痛会造成右侧丘脑局部属性zALFF值的改变，也导致丘脑与包括右侧中央前回、中央后回、楔前叶、顶上小叶在内的多个脑区间的双向有效连接发生改变。相关性分析发现，部分脑区对右侧丘脑的影响与TKA术前疼痛水平有关，而双侧丘脑对这些脑区的影响与术后病人的疼痛感知有关。

长期慢性疼痛会导致脑功能的改变，以往对于KOA病人慢性疼痛的研究多使用任务态fMRI，发现KOA病人受到疼痛刺激时背外侧前额叶激活增加[12]，而rs-fMRI研究更多关注脑区间功能连接的改变，用独立成分分析发现KOA病人默认网络、显著性网络、中央执行网络等网络内部及网络之间的功能连接出现异常[13]。然而功能连接模型仅提供一种瞬时的、无方向的统计学相关性，忽视了疼痛信息传导通路内有向的信息流动。GCA分析方法基于原因先于效应的时间概念，运用多变量自回归模型，将种子点内体素的时间函数与脑内所有其他体素进行比较，为每个体素计算格兰杰因果关系[13]，它提供了一种无需先验指定解剖网络就可以检测全脑有效连接的方法，可以揭示脑区之间潜在的动力学过程。近期的研究[13]结合了功能连接及有效连接的分析方法，根据先验假设选取右侧前脑岛为主要关注对象，发现KOA病人中右侧前脑岛对默认网络的负面影响增加，证实了持续性疼痛可引起广泛的网络破坏。

表2 2组间右侧丘脑ROI与全脑有效连接变化的脑区峰值、MNI坐标及体素

图2 2组被试zGC值t检验结果图及因果连接方向示意图（图中色阶代表差异有统计学意义的脑区的t值）。中图，选择2组被试右侧丘脑（zALFF统计图存在显著差异的脑区）峰值点周围半径5 mm ROI；左图，KOA组相较对照组全脑对ROI的有效连接减弱的脑区；右图，KOA组相较对照组ROI对全脑的有效连接增强的脑区。

本研究发现丘脑zALFF存在组间差异，丘脑是脑内疼痛传导通路的重要枢纽，脊神经节细胞接收的四肢的痛觉信息，经过脊髓丘脑束上行，到达背侧丘脑腹后外侧核，再经丘脑上辐射投射到中央后回、中央旁小叶后部。在以往的研究[14-16]中，丘脑的激活改变在骨性手关节炎、骨性髋关节炎及KOA病人中均有发现。在本研究中也发现了丘脑局部属性zALFF值的改变，丘脑作为中枢疼痛处理的中心，在慢性疼痛期间适应性脑网络的构建中起到重要作用[17]，丘脑局部属性的改变预示着疼痛适应性网络的改变。

文献[18]报道诱发性疼痛在KOA病人和正常参与者中具有相似的机制，但是自发性疼痛与疼痛敏化密切相关。疼痛敏化是慢性疼痛病人常见的表现，疼痛程度越高，对疼痛的敏感性也越高[19]，并会导致较差的治疗预后，在KOA病人中疼痛敏化现象更为明显。既往的任务态实验[20]发现体感皮质的激活增强与痛觉敏化有关，而在本研究中则发现丘脑与中央后回及中央前回有效连接发生改变，初级体感皮质正位于中央后回，且接收大部分的丘脑皮质投射[21]，在静息状态下发现的丘脑与中央后回间信息流通的改变可能是KOA病人中枢敏化导致自发疼痛的神经基础。运动皮质主要位于中央前回额叶区域，参与控制运动的执行，针对运动皮质的研究[22]发现，其激活位置及激活程度的差异与运动表现有关。而运动训练等治疗技术可以改变运动皮质兴奋性能力，并减轻疼痛和改善生理功能[23]。本研究中楔前叶对丘脑的影响改变及与术前疼痛评分的相关，楔前叶在以往的研究中被认为与丘脑有高水平的结构与功能连接[24]，并且该连接的损伤与意识的改变有关[25]。楔前叶是默认网络的重要节点，其背侧区域与右侧运动感觉区域、右侧脑岛等连接密切[26]。楔前叶与丘脑的有效连接改变仅在右侧发现，可能由于研究中入组的病人左侧KOA症状均较右侧更严重，导致了脑内功能改变的偏侧性。运动皮质有效连接的改变情况能否作为术后运动及疼痛表现的预测因素，有待进一步的研究。注意力对于疼痛的感知具有一定的调节功能，且这一下行调节系统起自顶上小叶[6]。本研究也发现了顶上小叶与丘脑间有效连接的减弱，可能与KOA病人注意力对疼痛感知的调节能力减弱有关。综上所述，本研究发现KOA病人运动感觉皮质及楔前叶与右侧丘脑的有效连接存在异常，且与TKA手术前后疼痛感知相关，这说明术前对于慢性疼痛的控制十分必要。

本研究首次运用格兰杰因果分析研究KOA病人脑功能影像改变与TKA手术前后疼痛评分的关系，为探索病人术后疼痛预测指标以及制定更好的围手术期预防策略提供了一定的理论基础和实验依据，但尚存在样本量较小、缺乏影像学随访等局限性。今后可进行大样本量及纵向随访的研究来探索术前识别术后慢性疼痛高风险病人的方法。