股四头肌脂肪垫和股前脂肪垫形态和信号特征与膝关节骨性关节炎的相关性研究

李勉文，张晓东，张鑫涛，钟丽洁，陈焱君

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis，KOA)是一种常见的、缓慢进展的退行性疾病，是老年人慢性残疾的常见原因之一，全球约有2.5亿人患有膝关节骨性关节炎(占总人口的3.6%)[1,2]。骨性关节炎涉及整个关节器官包括关节软骨、软骨下骨、半月板、韧带、关节周围肌肉、关节囊和滑膜，膝关节骨性关节炎的发病机制尚不完全清楚，年龄增长、女性、肥胖是膝关节易患骨性关节炎的系统性因素，可能的原因还包括营养不良；另外，局部机械因素如错位、肌肉无力或关节结构完整性的改变(如半月板损伤)也会促进疾病进展[3-6]。近年来研究发现膝关节骨性关节炎患者的脂肪垫具有内分泌功能，可分泌细胞因子、白细胞介素、生长因子和脂肪因子，通过上调基质金属蛋白酶(MMPs)的产生，刺激促炎细胞因子的表达和抑制软骨基质蛋白的产生而影响膝关节骨性关节炎的产生[7]。

膝关节前间隙有3个不同的脂肪垫，分别是髌下脂肪垫(infrapatellar fat pad，IPFP)，股四头肌脂肪垫(quadriceps fat pad,QFP)及股骨前脂肪垫(prefemorl fat pad,PFP)，这些位于关节囊内、滑膜外的脂肪垫被认为是一种保护垫，可以适应关节运动过程中不规则关节间隙的体积和形状的变化。既往已有大量关于髌下脂肪垫的研究，已证实髌下脂肪垫与膝关节骨性关节炎的发生、发展有重要关系[8,9]。但国内外对股四头肌脂肪垫、股骨前脂肪垫相关研究则很少，而且国外仅有的几项关于QFP、PFP与膝关节骨性关节炎的研究，其结果并不一致[10-12]，它们与膝关节骨性关节炎的关系仍有待进一步考证。本研究旨在通过分析QFP及PFP的形态和信号特征与膝关节放射学骨性关节炎(radiographic osteoarthritis，ROA)的KLG分级及MR结构变化的关系，探讨QFP及PFP在膝关节骨性关节炎发生发展中的价值。

材料与方法

1.研究对象

研究方案经医院伦理评审委员会批准，前瞻性招募志愿者，行磁共振检查前均签署知情同意书。纳入标准：年龄40岁以上，自2020年3-9月行膝关节X线及MR检查(两项检查间隔1d内)，无症状健康志愿者或慢性膝关节疼痛者(符合临床骨性关节炎诊断标准[13]患者)。排除标准：有膝关节外伤史、强直性脊柱炎、类风湿性关节炎等炎症性关节病，肿瘤或骨关节感染，代谢性骨病，先天性骨关节病，积累性劳损(应力性骨折)等，影像资料不全或图像质量不佳者。最终共纳入40例研究对象60个膝关节，其中无症状健康志愿者16例，临床诊断膝关节骨性关节炎志愿者24例。

2.成像方法

X线摄片：拍摄志愿者站立位双膝前后位X线片，据Kellgren-Lawrence 分级标准评估每个膝关节KLG分级[14]。据膝关节放射学骨性关节炎(radiographic osteoarthritis，ROA)的定义[15]将研究对象分为非ROA组(KLG 0级和1级)和 ROA组(KLG 2级、3级、4级)。

MR成像：膝关节MR成像用3.0T MR扫描仪(Philips Achieva,the Netherlands)，16通道膝关节专用线圈，扫描序列参数：①矢状面PDW-SPAIR：TR 3693 ms，TE 30 ms，FA 90°，FOV 180 mm×180 mm，矩阵360×270，层厚3.5 mm，层间距0.35 mm，层数24层，采集次数1，扫描时间155 s；②冠状面PDW-SPAIR：TR 4565 ms，TE 30 ms，FA 90°，FOV 180 mm×160 mm，矩阵360×249，层厚3.5 mm，层间距0.35 mm，层数24层，采集次数2，扫描时间146 s;③矢状面T2WI TSE：TR 3204 ms，TE 100 ms，FOV 180 mm×180 mm，矩阵328×251,层厚3.5 mm，层间距0.35 mm，采集次数2，采集时间82 s；④冠状面T1WI TSE：TR 649 ms，TE 20 ms，FA 90°，FOV 180 mm×160 mm，层厚3.5 mm，层间距1 mm，层数24层，采集次数 1，扫描时间92 s。

3.图像分析与观察指标

膝关节KLG分级：由两名从事肌骨影像诊断5年经验以上的主治医师(观察者1，14年工作经验，观察者2，10年工作经验)进行独立图像观察，仍有分歧时讨论协商出一致意见。在膝关节X线片据凯尔格伦-劳伦斯Kellgren-Lawrence分级标准(KLG分级)对膝关节进行分级。0级：无改变(正常)；1级：轻微骨赘；2级：较明显骨赘，但未累及关节间隙；3级：明显骨赘，关节间隙中度狭窄；4级：关节间隙重度狭窄，软骨下骨硬化[13,14]。

MR定性评估：评估指标包括股四头肌脂肪垫(QFP)高信号、占位效应、PFP髌股间脂肪高信号[11]。①股四头肌脂肪垫高信号定义为在矢状面PDW-SPAIR序列上相比压脂序列皮下脂肪低信号，股四头肌脂肪垫呈高信号改变(图1a)。②股四头肌脂肪垫占位效应定义为至少2个连续切面上可观察到股四头肌脂肪垫向后凸起(图1b)。③PFP髌股间脂肪高信号定义为矢状面PDW-SPAIR序列上相比压脂序列皮下脂肪低信号，位于髌骨和股骨远端之间的脂肪呈高信号改变(图1c)。

图1 a)QFP高信号(箭); b)占位效应(箭); c)PFP髌股间脂肪高信号(箭)。

MR半定量评估：包括膝关节5个分区上软骨缺损分级，软骨下骨髓病变分级，Hoffa滑膜炎分级，渗出性滑膜炎分级[8]。

膝关节软骨缺损分级：矢状面PDW-SPAIR序列上对胫骨内侧、胫骨外侧、股骨内侧、股骨外侧和髌骨5个亚分区的软骨缺损分级。0级，正常软骨；1级，局部起泡和低信号改变，表面和底部完整；2级，表面或底部不规则，厚度减薄，厚度丢失<50%；3级，深度溃疡，厚度丢失>50%；4级，全层软骨丢失，软骨下骨外露。

软骨下骨髓病变分级：软骨下骨髓病变(bone marrow lesions，BMLs)被定义为矢状面PDW-SPAIR序列上皮质下骨附近信号增高的离散区域，并使用改良版WORMS评分对胫骨内侧、胫骨外侧、股骨内侧、股骨外侧、髌骨5个亚分区进行评分。0级，无BMLs；1级，BMLs面积<25%；2级，BMLs面积在25%至50%之间；3级，BMLs面积>50%。

Hoffa滑膜炎分级：定义为IPFP内信号增强的离散区域。0级，无信号强度改变；1级，<10%的区域高信号改变；2级，10～20%的区域；3级，>20%的区域。渗出性滑膜炎：关节积液的产生与渗出性滑膜炎有直接的关系，渗出性滑膜炎定义为在T2WI上关节内液体高信号的宽度，评分从1到3级。生理性(髌骨上隐窝膨胀<5 mm)、少量关节液(膨胀5 mm～1 cm)和大量关节液(>1 cm膨胀)[8]。

MR定量测量：将扫描数据传至医院PACS工作站(南方PACS workstation)，选取矢状面PDW-SPAIR序列上QFP最大层面，分别测量股四头肌脂肪垫的前后径、头尾径、斜径和面积，测量股前脂肪垫的最大厚度[10]。用直线工具测量长度，以毫米为单位记录，精确至小数点后2位数。用自由笔测量感兴趣区面积，以平方毫米为单位记录，精确至小数点后2位数。①QFP前后径：定义为股四头肌衬垫最后端与远端股四头肌腱背侧轮廓沿与患者轴面平行的直线之间的距离(图2a)；②QFP头尾径：定位为股四头肌脂肪垫的最上点和最下点沿垂直于患者轴面的直线的距离(图2a)；③QFP最大斜径：定义为沿平行于髌骨上缘倾斜方向的股四头肌脂肪垫下缘最后点和最前点之间的距离(图2a)；④QFP最大面积：定义为沿脂肪垫边缘用自由笔所圈出的面积(图2b)；⑤PFP最大厚度：定位为股前脂肪垫前缘最高点到股骨前缘皮质的垂直距离(图2c)。

图2 a)QFP 前后径(anteroposterior，AP,黄色)、头尾径(craniocaudal，CC,绿色)、斜径(oblique，OBL，红色); b)QFP最大面积; c)PFP最大厚度。

数据一致性评价：分析定量测量指标(QFP前后径，QFP头尾径，QFP斜径，QFP面积，PFP最大厚度)组间测量一致性；并分析定性评估指标(QFP高信号，QFP肿块效应，PFP髌股间高信号)的观察者组间(观察者1和观察者2)和观察者组内(观察者1不同时间，时间间隔2周以上)的一致性。

4.统计学方法

结 果

1.一般情况

共纳入60个膝关节，据KLG分级分为非ROA组(KLG 0级和1级)，ROA组(KLG 2级、3级、4级)，其中非ROA组30个，ROA组30个，研究对象的年龄，性别，身高，体重，BMI，左右侧别等基本信息见表1。

表1 研究对象基本资料

QFP、PFP测量指标在观察者组间(观察者1和观察者2)和观察者组内(观察者1不同时间)的重复性良好。

组间ICC值分别为：QFP前后径 0.820(95%CI：0.553～0.928)，QFP头尾径0.909(95%CI：0.772～0.964)，QFP斜径0.946(95%CI：0.868～0.978)，QFP面积0.949(95%CI：0.770～0.984)，PFP最大厚度0.845(95%CI：0.588～0.940)；QFP高信号的kappa值0.659，QFP肿块效应的kappa值0.733，PFP髌股间高信号的kappa值0.828。

组内ICC值分别为：QFP前后径 0.898(95%CI：0.721～0.961)，QFP头尾径0.907(95%CI：0.781～0.962)，QFP斜径0.797(95%CI：0.558～0.914)，QFP面积0.959(95%CI：0.901～0.984)，PFP最大厚度0.973(95%CI：0.934～0.989)；QFP高信号的kappa值0.659，QFP肿块效应的kappa值0.692，PFP髌股间高信号的kappa值1.000。

2.ROA组和非ROA组的QFP、PFP各参数差异性比较(表2)

表2 QFP、PFP各参数ROA组和非ROA组组间差异性比较

QFP的头尾径﹑QFP高信号﹑QFP占位效应﹑PFP髌股间高信号和PFP最大厚度在ROA组和非ROA组间具有显著统计学差异(P<0.05)，QFP的前后径﹑斜径﹑QFP最大面积在ROA组和非ROA组中无统计学差异(P>0.05)。

3.QFP、PFP各参数与放射学骨性关节炎(ROA)KLG分级的相关性(表3)

QFP高信号、PFP髌股间高信号与KLG分级呈轻度正相关(r分别为0.260，0.397，P<0.05)，PFP最大厚度与KLG分级呈中度负相关(r=-0.423，P<0.05)。QFP的前后径、头尾径、斜径、最大面积、占位效应与KLG分级无显著性相关(P>0.05)。

4.QFP、PFP各参数与Hoffa 滑膜炎的相关性(表3)

QFP高信号与Hoffa滑膜炎呈轻度正相关(r=0.328，P<0.05)，QFP占位效应及PFP最大厚度与Hoffa滑膜炎则存在轻度和中度负相关(r分别为-0.285，-0.436，P<0.05)。QFP的头尾径、前后径、斜径、最大面积、PFP髌股间高信号与Hoffa滑膜炎无显著相关性(P>0.05)。

5.QFP、PFP各参数与渗出性滑膜炎的相关性(表3)

表3 各参数与KLG分级、Hoffa滑膜炎和渗出性滑膜炎的相关性

PFP最大厚度与渗出性滑膜炎(关节腔积液)呈中度负相关(r=-0.557，P<0.05)。QFP的头尾径、前后径、斜径、最大面积、QFP高信号、QFP占位效应及PFP髌股间高信号与渗出性滑膜炎(关节腔积液)无显著性相关(P>0.05)。

6.QFP、PFP各参数与不同部位软骨缺损的相关性(表4)

表4 QFP、PAP各参数与不同部位软骨缺损的相关性

PFP髌股间脂肪高信号与不同亚区软骨缺损呈不同程度的正相关(r为0.286～0.406，P<0.05)，QFP占位效应及PFP最大厚度则与不同亚区软骨缺损呈不同程度的负相关(r为-0.291～0.500，P<0.05)。QFP前后径与胫骨内、外侧软骨缺损，PFP最大厚度与胫骨内侧软骨缺损呈轻度负相关(r为-0.273～0.305，P<0.05)，PFP髌股间高信号与胫骨内外侧软骨缺损呈轻度和中度正相关(r分别为0.281，0.408，P<0.05)。

7.QFP、PFP各参数与不同部位软骨下骨髓病变的相关性(表5)

表5 QFP、PAP各参数与不同部位软骨下骨髓病变的相关性

QFP前后径与胫骨内侧及胫骨外侧软骨下骨髓病变呈轻度负相关(r分别为-0.273，-0.277，P<0.05)，PFP髌股间高信号与胫骨内侧及胫骨外侧软骨下骨髓病变呈中度和轻度正相关(r分别为0.408，0.281，P<0.05)。PFP最大厚度与胫骨内侧软骨下骨髓病变呈轻度负相关(r=-0.305，P<0.05)。

讨 论

膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)的发病机制相当复杂，生物力学和生化因素都被认为参与其中[16]，目前普遍认为软骨、骨、肌肉和滑膜等组织在OA的发病机制中起着关键作用。髌下脂肪垫(IPFP)、股前脂肪垫(PFP)和股四头肌脂肪垫(QFP)被认为是一种保护垫，可以适应关节运动过程中不规则关节间隙的体积和形状的变化[8,13]，另一方面，膝关节脂肪垫如IPFP可分泌细胞因子如IL-1b、TNF-α、IL-6和IL-8以及脂肪因子如瘦素和抵抗素，可能在KOA中起有害作用[17-20]。

这项研究我们比较了膝关节ROA和非ROA人群中QFP和PFP形态和信号特征的变化。我们发现QFP前后径、头尾径、斜径和面积等长度及面积定量指标，在ROA与非ROA人群中无显著性差异(P>0.05)。同时对上述指标与放射学骨性关节炎KLG分级、Hoffa滑膜炎、渗出性滑膜炎、膝关节不同部位软骨缺损及软骨下骨髓病变做了相关性分析，结果除了QFP前后径与胫骨内侧软骨缺损，胫骨内侧及外侧软骨下骨髓病变呈轻度负相关(r值分别为-0.259、-0.273、-0.277、P<0.05)之外，其余均无显著相关性，推测可能原因首先QFP是膝关节前间隙中体积最小的一个，比IPFP小约20倍，可能微观上的变化不会引起任何宏观上的改变[21]。其次，由于QFP所处的解剖位置，其承受的机械载荷可能最小，因而其宏观改变可能不明显，这个假设尚有待进一步证实。

此外，本研究发现与QFP上述长度及面积定量指标相比，PFP的最大厚度在ROA与非ROA人群中不仅具有显著性差异(P<0.05)，而且与放射学骨性关节炎KLG分级、Hoffa滑膜炎、渗出性滑膜炎均呈中度以上的负相关(r为-0.423～-0.557，P<0.05)，具有较好的一致性；与膝关节大多数部位的软骨缺损、软骨下骨髓病变也呈现轻度或中度的负相关(r为-0.305～-0.500，P<0.05)，这提示在长度与面积这些2D定量指标方面，PFP可能比QFP相关指标更具有临床意义。在以往的研究中Li等[11, 22]通过测量PFP的最大面积发现股骨前高信号改变和PFP最大轴向面积与初始ROA加重相关。本研究则是测量的PFP最大厚度与测量PFP面积相比具有更加简便、快速、重复好的特点，PFP最大厚度可能是ROA一个比较好的影像生物标志物。

另一方面，QFP高信号、QFP占位效应及PFP髌股间高信号在ROA组和非ROA组中存在统计学差异，提示在ROA人群中其QFP，PFP更容易出现炎症水肿和肿大，这可能与反复微创伤或过度使用导致脂肪垫炎症有关[23,24]。Clockaerts等[25]通过对IPFP的研究认为髌下脂肪垫能够调节膝关节OA炎症反应，我们推测类似于IPFP，QFP和PFP也可能有同样的炎症反应机制。

Wang等[7]研究中发现QFP的占位效应和/或信号强度改变与ROA(KLG分级)和BMLS密切相关；本组横断面研究发现QFP最大前后径、最大头尾径、最大斜径和最大面积、QFP高信号、占位效应与膝关节KLG分级、Hoffa滑膜炎、渗出性滑膜炎、软骨缺损、软骨下骨髓病变仅存在较弱的相关性或没有相关性，与Wang等[7]的纵向研究中结果不一致，提示QFP的纵向变化相对于横向比较可能更能反映膝关节骨性关节炎发生发展。

Schwaiger等[12]在一项纵向研究中发现在48个月的时间里QFP高信号改变，而不是占位效应，与髌股关节退变显著相关。而Tsavalas等[10]则研究发现QFP肿块效应与髌股关节骨性关节炎之间无明显关联。本研究QFP多个参数与KLG分级总体相关性较弱，也可能与KLG评价方法本身的特性有关，因其评估的是胫股关节的形态学改变，并不能直接反映髌股关节间骨性关节炎的严重程度。而且，膝关节放射学骨性关节炎ROA(KLG分级)作为骨关节炎的定性评估标准，并不能反映早期OA的形态和组织学改变，这提示在后期的研究需要选取更加敏感的评价方法[26]。

本研究的局限性：一、QFP高信号、占位效应及PFP髌股间高信号发生率不高，Roth等[9]的研究发现MRI上股四头肌脂肪垫肥大的患病率为12%。Tsavalas等[10]的研究发现股四头肌脂肪垫肿块效应患病率为13.8%。因此，本研究的入组病例数较少，一定程度上可能影响统计结果的信度，而且尚未对早期ROA进行进一步精细分组研究。二、本研究为横断面研究，缺乏纵向随访数据，无法观察疾病的进展情况。三、统计分析中我们没有对年龄进行校正，尽管我们已经对不同组别做了最大限度的匹配，但这仍然可能会影响结果。

总之，股四头肌脂肪垫和股前脂肪垫的形态和信号特征与膝关节放射学骨性关节炎ROA(KLG分级)和MR滑膜炎改变、关节软骨缺损及软骨下骨髓病变均存在一定的相关性，可能是膝关节骨性关节炎发展的潜在影响因素，尚需要更多的深入研究。