超声联合红外热成像对膝骨性关节炎的评估

石奇琳　王琳　初晓　李铁山　史小娟

[摘要]目的了解超聲联合红外热成像评估膝关节骨性关节炎疼痛及功能障碍的价值。方法膝关节骨性关节炎病人42例，采用彩色超声诊断仪检测病人软骨磨损程度，按照超声检查结果将研究对象分为轻度组（23例）和中重度组（19例）。使用视觉模拟评分（VAS）、WOMAC骨关节炎指数对受试者的疼痛和功能障碍进行评估。于就诊当天及4周后使用SP`-9000医用红外热成像仪进行红外热成像检查。结果超声检测显示的膝关节软骨磨损程度与膝关节骨性关节炎的疼痛呈强相关（r=0.817，P<0.01），与WOMAC骨关节炎指数呈强相关（r=0.827，P<0.01）。膝关节髌骨温度与超声检测的软骨磨损程度呈中度相关（r=0.442，P<0.01），上内侧温度、下内侧温度与软骨磨损程度均呈弱相关（r=0.350、0.386，P<0.01）;上内侧温度与疼痛及WOMAC骨关节炎指数呈中度相关（r=0.490、0.438，P<0.01）;膝关节髌骨温度与疼痛、WOMAC骨关节炎指数呈中度相关（r=0.431、0.397，P<0.01）;膝关节下内侧温度与疼痛、WOMAC骨关节炎指数呈弱相关（r=0.373、0.311，P<0.05）。受试当天及4周后两次膝关节红外热成像检查提示红外热成像评估膝关节的可信度和可重复性均良好（ICC范围为0.73～0.84）。结论红外热成像和超声检查在膝关节骨性关节炎评估过程中联合应用，可以一定程度上评定膝关节骨性关节炎的疼痛和功能障碍。

[关键词]骨关节炎，膝;膝关节;温度记录法;超声检查

[ABSTRACT]ObjectiveTo investigate the value of musculoskeletal ultrasound combined with infrared thermal imaging in evaluating pain and dysfunction in patients with knee osteoarthritis. MethodsA total of 42 patients with knee osteoarthritis were enrolled in this study. Color Doppler echocardiography was used to evaluate the degree of cartilage wear， and according to the ultrasound findings， the patients were divided into mild group with 23 patients and moderate`-to`-severe group with 19 patients. Vi`-sual Analogue Scale （VAS） and Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index （WOMAC） were used to eva`-luate pain and dysfunction in these patients. The SP`-9000 medical infrared thermal imager was used for infrared thermal imaging on the day of the test and at 4 weeks after the test. ResultsUltrasound showed that the degree of knee cartilage wear was strongly correlated with the pain of knee osteoarthritis （r=0.817，P<0.01） and WOMAC （r=0.827，P<0.01）. There was a moderate correlation between patellar temperature and degree of cartilage wear on ultrasound （r=0.442，P<0.01）， and the upper medial temperature and the lower medial temperature were weakly correlated with the degree of cartilage wear on ultrasound （r=0.350 and 0.386，P<0.01）. The upper medial temperature was moderately correlated with pain （r=0.490，P<0.01） and WOMAC （r=0.438，P<0.01）. Patellar temperature was moderately correlated with pain and WOMAC （r=0.431 and 0.397，P<0.01）， and the lower medial temperature was weakly correlated with pain and WOMAC （r=0.373 and 0.311，P<0.05）. Infrared thermal imaging on the day of the test and at 4 weeks after the test confirmed the reliability and repeatability of infrared thermal imaging in evaluating the knee joint （ICC=0.73-0.84）. ConclusionInfrared thermal imaging combined with ultrasound can be used to assess the pain and dysfunction of knee osteoarthritis.

[KEY WORDS]osteoarthritis， knee; knee joint; thermography; ultrasonography

膝关节骨性关节炎（KOA）是老年人的常见疾病，随着人口老龄化的加剧，到2020年KOA有可能成为残疾的第四大主要原因，是导致老年人膝关节功能丧失、致残的一个重要因素，它引起的疼痛和功能障碍严重影响人们的生活[1`-4]。目前KOA临床常用影像学检查包括X线、CT、MRI等。X线能够检测KOA的骨骼特征及关节间隙宽度，但对评估KOA关节组织损伤缺乏灵敏性和特异性，不能直接观察关节结构[5];CT可以用于判断是否有骨折和骨赘，但CT辐射大，不宜多次检查[6];MR可用于判定KOA合并半月板损伤及关节腔积液，但其价格昂贵，不能成为常规的检查方式。近年来，随着肌骨超声检查技术的进步，应用超声观察解剖结构病变和KOA疼痛之间关系的研究逐年增多。有研究使用超声检查发现膝关节解剖结构改变与疼痛之间存在关联[3，7`-9];但MALAS等[5]研究未观察到有症状组病人西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC 骨关节炎指数）与软骨退化严重程度之间有正相关关系。KOA结构病变与疼痛之间的关系尚无定论。红外热成像能够对病变进行生理和功能检查[10`-12]。目前，膝关节红外热成像大多应用于炎症性关节炎所致的膝关节病变研究，用于评估KOA的研究较少[13`-14]。本研究联合肌骨超声和红外热成像方法，评估KOA病人的疼痛、功能障碍严重程度，探讨联合检查对KOA临床评估的价值。

1资料和方法

1.1研究对象

2017年11月—2018年6月，选取经青岛大学附属医院康复科确诊的女性KOA病人42例，年龄（62.52±6.64）岁;BMI（23.71±1.90）kg/m2。诊断符合中华风湿病学协会对于KOA的诊断标准[15]。排除标准：①男性;②有膝关节手术病史者;③合并心血管、肝、肾、造血系统严重原发疾病及精神病病人;④其他疾病影响到膝关节者，如膝关节肿瘤、类风湿性关节炎、痛风等;⑤妊娠或哺乳期妇女;⑥下肢动脉严重狭窄者。

1.2膝关节超声检查及分组

采用GE LOGIQ E型彩色超声诊断仪（6～12 MHz线性探头）对受试者进行膝关节软骨检查。受试者取仰卧位，膝关节完全屈曲，探头横向扫查髁间隙软骨及内侧髁、外侧髁软骨。软骨磨损程度采用相关文献标准[16]进行判定：0级（正常），软骨部位具有均匀的低回声区;1级（轻度），软骨界面毛糙和（或）软骨局部回声增加; 2a级（中度），除上述变化外，还观察到软骨局部变薄（小于50%）;2b级（中度），软骨局部变薄50%～100%;3级，退行性变化（重度），软骨局部变薄达到100%。根据超声检测到的软骨磨损程度及分级，将研究对象分为轻度组和中重度组， 其中2a级、2b级及3级为中重度组，0级及1级为轻度组。本研究中双侧KOA病人共37例，将软骨磨损程度较重侧作为观察侧;双膝关节分级一致者选择左侧为观察侧。

1.3功能评价指标及方法

1.3.1视觉模拟评分法（VAS）评分采用严广斌[17]方法，分为10个等级，数字越大，表示疼痛的强度越大。

1.3.2WOMAC骨關节炎指数评分采用BELLYMA[18]提出的骨关节炎评分系统，评估过去1周受试者膝关节疼痛、僵硬和功能情况，并记录总分。

1.4红外热成像检查

1.4.1设备及环境要求红外热成像检查采用医用红外热成像仪（Spectrum 9000`-MB Series， Uni`-ted Integrated Service Co. Ltd， Taipei Hsien），温度分辨率为0.05 K，测温范围10～40 ℃，最小解析温差0.01 ℃。检查在标准化环境中进行，其环境温度与湿度分别为（25±1）℃、（50±10）%。实时监测环境温度，以确保温度计算的精确性，环境温度不合标准的数据舍弃。

1.4.2检查方法分别于就诊当天及4周后行两次红外热成像检查。检查前72 h受试者膝关节无外用药物或贴敷物，检查前病人在测试房间静息裸露双腿20 min，确保人体热生理状态达到相对稳定平衡。受试者取站立位，调整相机与被试膝关节高度平行，焦距设置为72 cm。对病人的膝关节正面行两次红外成像采集，每幅图像间隔为5 s。在受试侧膝关节髌骨中央放置1元硬币作为解剖学标记，连续拍摄5次，第1次图像舍弃，其余4次取平均温度。采集完成后对所采集的图像进行存储、编辑、温度测量及图像分析。以超声检查侧作为受试侧。

1.4.3图像分析使用红外热成像仪器自有程序进行图像分析。使用标记图像作为指导，提取整体膝关节和感兴趣的5个区域（上内侧、上外侧、髌骨、下内侧和下外侧区域）的平均温度。使用红外热成像获得两个图像，一个未标定髌骨位置（图1A）;另一个使用1元硬币标定髌骨位置，该标记物阻挡了温度辐射，并且在红外热成像图像表现为黑色圆圈（图1B）。

1.5统计分析

使用 SPSS 23.0 软件进行统计学分析。应用Spearman秩相关对超声检测到的软骨磨损程度与5个区域的温度、VAS评分、WOMAC骨关节炎指数进行相关性分析，对5个区域的温度与VAS评分、WOMAC骨关节炎指数进行相关性分析。应用独立t检验进行组间年龄、BMI和膝关节温度的比较。应用组内相关系数（ICC）评价两次红外热成像测量温度的可信度以及可重复性。

2结果

2.1超声检测软骨磨损程度及其与疼痛和骨关节炎指数之间关系

超声检测显示，软骨磨损程度轻度组23例，其中0级11例，1级12例;中重度组19例，其中2a级7例，2b级8例，3级4例。两组年龄和BMI比较差异无显著意义（P>0.05）。见表1。VAS评分为5.36±1.99，WOMAC骨关炎指数为78.98±29.27。将超声检测的软骨磨损程度0级、1级、2a级、2b级、3级分别赋值为0、1、2、3、4，进行Spearman秩相关分析，结果显示超声检测的软骨磨损程度与膝关节骨性关节炎的疼痛呈强相关（r=0.817，P<0.01），与WOMAC骨关节炎指数也呈强相关（r=0.827，P<0.01）。

2.2红外热成像膝关节温度

轻度组和中重度组比较，上内侧、髌骨、下内侧及整体膝关节温度差异有统计学意义（t=2.17～3.38，P<0.05），而两组下外侧和上外侧温度比较差异无显著性（P>0.05）。见表2。

2.3红外热成像与超声检测显示的软骨磨损程度的相关性

两次红外热成像检查各个区域可靠性和可重复性均良好（ICC范围为0.73～0.84）。膝关节髌骨温度与超声下软骨磨损程度分级呈中度相关（r=0.442，P<0.01），上内侧温度、下内侧温度与超声检测显示的软骨磨损程度分级呈弱相关（r=0.350、0.386，P<0.05）。见表3。

2.4红外热成像与疼痛之间的相关性

膝关节上内侧区域平均温度与疼痛呈中度相关（r=0.490，P<0.01），上内侧温度与WOMAC骨关节炎指数呈中度相关（r=0.438，P<0.01），髌骨温度与疼痛呈中度相关（r=0.431，P<0.01），膝关节髌骨温度与WOMAC骨关节炎指数呈弱相关（r=0.397，P<0.01），下内侧温度与疼痛呈弱相关（r=0.373，P<0.05），下内侧温度与WOMAC骨关节炎指数呈弱相关（r=0.311，P<0.05）。见表3。

3讨论

目前，评估膝关节的影像学方法大致可分为结构影像评估和功能影像评估。结构影像评估是指对疾病涉及的结构进行评估，检查方法包括X线、CT、MRI和超声等。功能影像评估可以提供疾病的生理变化和功能信息，如红外热成像、核素骨扫描等。本研究将功能影像评估和结构影像评估相结合，探讨其能否反映KOA病人的疼痛及功能障碍。

超声是一种安全、无辐射和简易低价的检查方式。SAARAKKALA等[16]分别使用关节镜及超声对KOA病人的软骨磨损程度进行评估，结果发现超声检测软骨的改变与关节镜下软骨的退行性改变相关，并提出了一种可靠的软骨磨损程度的划分方法，此方法得到了学术界的认可[3]。本研究应用超声对软骨磨损程度进行评估，以判断KOA的严重程度。结果显示，超声检测的软骨磨损程度与疼痛及WOMAC骨关节炎指数呈强相关。国外研究亦显示，超声检测的软骨磨损程度与WOMAC骨关节炎指数及疼痛相关[19]。说明超声检测软骨磨损程度可以间接反映病人的疼痛程度。其他研究显示，软骨磨损导致骨剥脱和骨伤害感受器的暴露是导致疼痛的机制之一[20`-22]。骨赘刺激神经可能也是导致KOA疼痛的机制[5]，但是本研究并未进行超声骨赘检测方面的研究，所以尚不能判断骨赘与疼痛之间的关系。

本文病人就诊当天及4周后的ICC分析结果显示，红外热成像评估KOA具有可重复性。本研究结果显示，中重度KOA病人膝关节平均温度较轻度KOA病人高，提示KOA可能存在炎性反应过程。本研究结果还显示，髌骨温度与KOA的严重程度相关，与相关研究结果一致[13]。不同的是，X线只能用于评估中重度KOA[8]，因为只有软骨结构损害很严重时X线才能显示结构上的变化;而使用超声检查则能够早期发现软骨的改变[9]，本文研究红外热成像与超声所检测到的KOA严重程度相关，说明红外热成像不仅可以评估中重度KOA，也可以評估轻度KOA。本研究并未观察到膝关节外侧区域温度与超声检测的软骨磨损程度相关，但膝关节上内侧温度却与超声检测的软骨磨损程度呈弱相关，下内侧温度与软骨磨损程度也呈弱相关，说明膝关节内侧区域对于判断KOA严重程度具有相对的优势。

红外热成像对于疼痛的判断存在一定的争论。ARFAOUI等[14]观察10例KOA病人和12例健康者皮肤温度与疼痛的关系，结果发现膝关节皮肤温度随疼痛程度的增加而升高，并可以用于评估疼痛程度。本文结果显示，髌骨温度与疼痛之间存在中等相关，与WOMAC骨关节炎指数存在弱相关。髌骨温度与疼痛之间的关系可能是由于髌骨软化引起滑膜血流量的改变，造成温度变化[23`-24]。另外，本文结果显示，膝关节内侧温度与疼痛及WOMAC骨关节炎指数均呈中度相关，提示膝关节内侧的红外热成像温度的变化可用来判断疼痛及功能障碍。膝关节内侧温度变化与疼痛存在关联性，可能与半月板挤压及骨赘形成有关，KOA形成的新生血管和感觉神经从半月板基部向尖端生长，软骨沉积形成的骨赘刺激这些感觉末梢神经，造成膝关节内侧的疼痛[24`-26]。神经受到刺激后，局部血液循环的调控机制受到影响，因此导致温度的变化。由于个体解剖结构略有差异，为了更加精准定位髌骨位置，本文使用1元硬币以确定髌骨中心，这提高了温度评估过程定位的准确性。本文研究红外热成像图像的采集和分析均是在膝关节站立静态时进行的，而许多疾病可能存在动态的变化，因此，以后的研究应进一步在动态情况下评估KOA病人的热学变化。

既往有研究显示，在糖尿病足病人感染的临床症状发生前红外热成像能够发现病人局部温度的升高[27];在带状疱疹病人出现疼痛症状但未出现疱疹时，红外热成像能够早期发现局部皮肤温度的改变[28]。因此，红外热成像作为一种功能成像，可以早期发现疾病的变化。本文研究结果表明，膝关节内侧及髌骨温度变化与疼痛及功能障碍有关，提示红外热成像检查能够在结构发生改变之前，显示膝关节的生理改变，因此可以被用来进行治疗前评估。

综上所述，KOA病人膝关节上内侧温度与疼痛及功能障碍之间存在相关性，上内侧温度可作为临床评估KOA疼痛的指标。由于本研究样本量较小，红外热成像能否代表炎症和疼痛客观指标还需要进一步研究。超声和红外热成像联合检查能够发挥优势互补的作用，可在一定程度上作为KOA疼痛及功能障碍的评定手段，能够一定程度上替代其他检查方式。

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