体素内不相干运动弥散加权成像定量评价轻中度症状性膝骨关节炎患者髌下脂肪垫

谭 辉，王 斌，康武林，樊秋菊，袁普卫*，李小群，王少彧

(1.陕西中医药大学附属医院医学影像科，3.骨病科，陕西 咸阳 712000；2.陕西中医药大学医学技术学院，陕西 咸阳 712000；4.西门子医疗系统有限公司磁共振科研部，上海 201318)

膝骨关节炎(knee osteoarthritis， KOA)是老年人最常见的慢性疾病之一，可造成明显疼痛，严重降低患者生活质量[1]。髌下脂肪垫(infrapatellar fat pad， IPFP)是位于膝关节囊内、滑膜外的脂肪组织，其内感觉神经元丰富，是KOA患者感觉膝关节疼痛的主要原因之一[2]。KOA的重要影像学特征为质子密度加权成像(proton density weighted image， PdWI)中IPFP内出现高信号区[3]。目前相关研究多集中于观察IPFP的形态学改变，或半定量描述其影像学特征[4-5]，针对IPFP信号的定量研究较少。体素内不相干运动弥散加权成像(intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging， IVIM-DWI)无需外源性对比剂即可获得多种定量参数，包括真弥散系数(D)、假性弥散系数(D*)及灌注分数(f)，已广泛用于全身各系统疾病[6]。本研究观察IVIM-DWI定量评价轻中度症状性KOA患者IPFP的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2019年10月—2020年10月74例于陕西中医药大学附属医院就诊的轻中度症状性KOA患者，男20例，女54例；年龄45～71岁，平均(58.3±7.5)岁；平均身高(1.64±0.07)m，平均体质量(65.55±10.75)kg，平均体质量指数(body mass index， BMI)为(24.27±2.99)kg/m2；根据凯尔格伦-劳伦斯(Kellgren-Lawrence， K-L)放射学诊断分级标准，15例为Ⅰ级(轻度)、39例为Ⅱ级(轻度)、20例为Ⅲ级(中度)；西安大略和麦克马斯特大学(Western Ontario and McMaster University， WOMAC)骨关节炎指数[7]评分总分为(83.23±30.41)分，疼痛评分为(16.89±6.56)分。纳入标准：①年龄≥40岁，BMI<30 kg/m2；②符合骨关节炎诊疗指南(2018年版)[8]诊断KOA标准；③IPFP内见PdWI高信号改变；④WOMAC疼痛评分中对至少一个问题的视觉模拟评分≥4分，且过去12个月内在至少1个月中的大部分时间感膝关节不适。排除标准：①近6个月内有膝关节急性创伤史、药物治疗史或关节内注射史；②膝关节手术史；③合并结核性、痛风性、化脓性及类风湿性等炎症性关节炎；④恶性肿瘤病史；⑤罹患其他影响骨、关节的代谢性疾病，如甲状腺功能亢进或肾衰竭等；⑥存在MR检查禁忌证。同期招募30名年龄和性别匹配的健康志愿者作为对照组，男13例，女17例；年龄40～67岁，平均(55.5±6.7)岁；平均身高(1.68±0.07)m，平均体质量(63.01±7.26)kg，平均BMI(22.30±2.05)kg/m2。本研究获得医院伦理委员会批准(编号：SZFYIEC-PJ-2019[3+])。检查前受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0T MR扫描仪，膝关节专用8通道线圈，嘱患者仰卧，足先进，采集膝关节矢状位快速自旋回波(turbo spin echo， TSE)PdWI，TR 2340 ms，TE 40 ms，FOV 180 mm×180 mm，层厚4.0 mm，层间距0；以自旋回波-平面回波成像(spin echo-echo planar imaging， SE-EPI)采集IVIM-DWI，TR 3700 ms，TE 50 ms，b值=0、20、50、100、150、200、400及800 s/mm2，在3个方向上采集信号，NEX 6，FOV 180 mm×180 mm，层厚4.0 mm，层间距0，层数20，扫描时间6 min 23 s。

1.3 图像分析 将图像传输至Siemens Syngo.via工作站。由具有3年和8年骨骼肌肉系统诊断经验的放射科医师各1名以双盲法阅片，观察PdWI中IPFP是否存在高信号，意见分歧时经讨论达成一致。将IVIM图像导入Body diffusion toolbox后处理软件，避开IPFP中囊变、游离体及血管，分别在与KOA组IPFP内PdWI高信号区对应的IVIM参数图上勾画椭圆形ROI，存在多个高信号区时仅于最大区域进行勾画，同时选择同层面最大正常信号区域勾画邻近正常信号区ROI；于对照组IPFP中尽可能勾画最大椭圆形ROI；经自动计算得到ROI内IVIM各参数值，即D、D*和f。每名医师均测量3次，取平均值作为结果。

1.4 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。行χ2检验比较组间性别差异。以±s表示符合正态分布的计量资料，组间行独立样本t检验；比较KOA组PdWI高信号区、正常信号区及对照组间IVIM各参数，行单因素方差分析，两两比较采用LSD-t检验。采用Pearson相关性分析评价KOA组PdWI高信号区IVIM各参数值与疼痛评分之间的相关性，|r|≥0.8为高度相关，0.5≤|r|<0.8为中度相关，0.3≤|r|<0.5为弱相关，|r|<0.3为无明显相关性。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基本资料 KOA组与对照组性别(χ2=2.62，P=0.11)、年龄(t=1.76，P=0.08)及体质量(t=1.19，P=0.25)差异均无统计学意义。KOA组患者身高显著低于对照组(t=-2.82，P<0.01)，BMI显著高于对照组(t=3.84，P<0.01)。

2.2 IVIM-DWI KOA组55例(55/74，74.32%)IPFP出现PdWI高信号区。KOA组IPFP内PdWI高信号区的D、D*均明显高于其正常信号区及对照组(P均<0.05)；KOA组PdWI正常信号区的D明显高于对照组(P<0.05)；KOA组PdWI高信号区、正常信号区及对照组f差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表1及图1、2。

图1 患者女，66岁，KOA(K-L Ⅱ级，WOMAC疼痛评分29分) A.膝关节矢状位PdWI示IPFP内高信号改变(箭)； B.于IVIM图勾画IPFP内高信号区(上方红圈)和正常信号区(下方红圈)ROI； C.IVIM伪彩图示IPFP内PdWI高信号区呈高灌注(箭)

图2 志愿者女，52岁 A.膝关节矢状位PdWI示IPFP(箭)信号未见异常； B.于IVIM图中IPFP内勾画ROI(红圈)； C.IVIM伪彩图IPFP内灌注未见异常

表1 KOA组与对照组膝关节IVIM-DWI参数比较

2.3 相关性分析 KOA组IPFP高信号区D与疼痛评分呈中度正相关[r=0.770(0.595,0.889)，P<0.001]；D*与疼痛评分呈弱正相关[r=0.387(0.117,0.562)，P=0.047]；f与疼痛评分无明显相关[r=-0.228(-0.471,0.037)，P=0.051]。

3 讨论

KOA患者常存在持续性膝关节疼痛，约70%患者IPFP存在PdWI高信号改变[9]，且该区域存在慢性炎症[10]。既往多基于膝骨关节炎MRI评分系统对IPFP内是否存在高信号及其范围进行半定量评价[11]。本研究采用IVIM-DWI定量评估症状性KOA患者IPFP高信号改变。

IVIM采用双指数模型，利用多b值DWI拟合得到多个定量参数，可在不使用对比剂的情况下同时获得反映组织内水分子弥散和灌注的信息。IPFP是膝关节内最大的脂肪组织，又称“Hoffa脂肪垫”，主要功能为稳定膝关节，生理情况下通过润滑、缓冲震荡以保护膝关节。本研究KOA组IPFP内PdWI高信号区的D显著高于邻近正常信号区和对照组。D代表体素内真实的水分子弥散运动，KOA患者IPFP内高信号区D升高的原因可能在于受到长期生物力学影响，慢性机械摩擦或撞击引起血管扩张而导致膝关节水肿。WANG等[12]认为可根据IPFP高信号强度改变预测KOA发生。本研究KOA组IPFP内PdWI正常信号区的D高于对照组。IPFP具有内分泌功能，细胞表型与皮下脂肪不同。FAVERO等[13]发现KOA患者IPFP中与炎症浸润相关的单核细胞趋化蛋白-1和白细胞介素-6显著升高；据此推测KOA患者正常信号区PdWI虽无明显改变，但可能已存在炎症细胞浸润，导致IPFP功能改变，而D可作为判断IPFP早期炎症改变的影像学参数。

D*代表体素内微循环灌注相关弥散运动。IPFP与其他部位脂肪组织不同，内含丰富血管网，可分泌血管内皮生长因子引起小叶间隔膜增厚和血管化，导致微循环灌注发生改变。本研究发现KOA组IPFP内PdWI高信号区的D*较邻近正常信号区和正常对照组均显著升高。MENEGHINI等[14]报道，切除IPFP后，KOA患者关节疼痛感提高2倍以上，故对KOA患者行全膝关节置换术时，应谨慎切除IPFP，或至少保留其“密集血管区”。本研究KOA组PdWI高信号区、正常信号区及对照组f均无显著差异，可能原因在于IPFP内脂肪比例高，脂质成分导致f被低估。

IPFP受胫后神经分支支配，对疼痛较为敏感。ONUMA等[15]认为IPFP的纤维化改变可形成新的血管和感觉神经纤维末梢，与长期疼痛相关。PAN等[16]对1 100名社区人群进行队列研究，发现女性IPFP矢状位最大面积与膝关节WOMAC疼痛评分呈负相关；但该研究仅描述了IPFP的形态学改变。本研究结果显示，KOA患者IPFP高信号区的D与疼痛评分呈中度正相关，D*则与疼痛评分呈弱正相关，提示IVIM定量参数可在一定程度上反映该区域组织水肿和血管化，而这些变化可能是导致KOA患者膝关节疼痛的原因之一。

综上所述，IVIM-DWI可无创、定量评估IPFP内水分子弥散和微循环灌注改变，D或可作为评价症状性KOA严重病变程度的潜在生物学标记物。但本研究为单中心回顾性研究，样本数有限，且仅纳入轻中度KOA患者，有待进一步观察。