膝骨关节炎患者髌下脂肪垫高信号面积与内翻畸形的相关性分析

宋雨珂,郭海威,洪志楠,林天烨,何晓铭,何敏聪,陈庆真,魏秋实

(广州中医药大学第三附属医院关节中心,广东省中医骨伤研究院,广东 广州 510378)

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种以关节软骨退变、软骨下骨病变及滑膜炎症为特征的慢性退行性关节疾病。随着临床研究的深入,力学因素以及代谢相关因素与OA发病显著相关[1-2]。有研究显示,膝关节周围脂肪组织主要通过生物力学、损伤修复等效应参与膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)的发生与发展[3]。

髌下脂肪垫(infrapatellar fat pad,IPFP)是膝关节前方主要的局部脂肪组织,其位于髌腱下方,在股骨髁和胫骨平台之间,靠近关节软骨表面和滑膜层[4]。IPFP的主要功能包括分配机械负荷、填充关节的额外空间、限制膝关节过度活动、稳定髌骨和促进滑液分布等[5-6]。同时,IPFP还具有代谢相关功能包括释放和分泌炎症介质,诱导并加剧关节软骨退变,以及分泌保护性生化因子、改善关节液分布润滑和保护膝关节[7-9]。目前,IPFP对KOA的影响作用仍然存在一定争议[10]。既往研究发现,IPFP最大面积和体积的增加对膝关节有保护作用,可以延缓OA的进展[11-12]。同时,还有学者认为IPFP可能是导致KOA患者膝前疼痛的重要因素[13],此外IPFP体积的增加会进一步增加OA的风险[14-15]。以上的诸多研究多从IPFP的体积和面积出发而很少考虑其信号强度的改变在KOA进程中的影响。

膝关节退变往往伴随内外翻畸形的改变,尤其以内翻畸形多见,同时膝关节内翻畸形改变也是导致膝关节快速退变的重要因素,膝关节内翻畸形改变可能是由先天性解剖异常因素所导致,也可能是由软骨、韧带损伤、骨质疏松等所造成的关节间隙变窄继发导致。有研究显示下肢力线改变尤其是内翻改变的趋势主要源自膝关节内[16]。

因此,本研究通过应用影像数字化分析技术对膝骨关节炎患者IPFP高信号进行分析,以期明确髌下脂肪垫信号强度改变对于KOA内翻畸形改变的影响,探讨膝骨关节炎内翻畸形改变与IPFP高信号之间的关联性,为临床上开展延缓膝骨关节炎进展的对应治疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 纳排标准 纳入标准:(1)符合美国风湿病学会的KOA影像学和临床表现诊断标准[17];(2)年龄≥40岁。排除标准:(1)影像学资料不全的患者;(2)有膝关节外伤史或患有严重的脊柱侧凸、骨盆倾斜或髋关节发育不良等关节外畸形而影响膝关节下肢负重力线者;(3)既往曾行脊柱、下肢或影响膝关节下肢负重力线手术者。

1.2 资料收集 回顾性分析2020年5月至2022年5月于广州中医药大学第三附属医院就诊被诊断为膝骨关节炎患者的影像学及临床资料。利用住院电子病历系统,记录患者一般情况如年龄、性别、病程等。利用临床诊断工作站V5.5影像(中国)系统,收集所有患者的膝关节X线、MRI、双下肢全长片影像(AXIOM ARISTOS VX数字放射成像系统,德国)记录并测量相关影像学数据如膝关节Kellgren-Lawrence(K-L)分级、IPFP面积以及高信号数据、下肢力线参数。相关影像学数据由2名课题组成员独立应用影像系统长度测量工具以及Image-J软件评估测量完成。

K-L分级标准[18],Ⅰ级:关节间隙可疑狭窄,可能形成骨赘;Ⅱ级:关节间隙狭窄并有明确的骨赘形成;Ⅲ级:关节间隙明显狭窄,中度骨赘形成,部分硬化,可能存在骨末端畸形;Ⅳ级:骨赘形成,关节间隙严重狭窄,有明显硬化,骨端明显畸形。

IPFP数据包括MRI矢状位T2加权像上髌下脂肪高信号最显著层面IPFP面积和IPFP高信号面积(见图1～2);下肢力线参数是评估膝关节内翻畸形的重要参数包括:髋膝踝角(hip-knee-ankle angle,HKA),即股骨机械轴与胫骨机械轴相交形成的内侧角;股骨远端内侧角(medial distal femoral angle,MDFA),即股骨机械轴与股骨双髁连线的内侧夹角;胫骨近端内侧角(medial proximal tibial angle,MPFA),即胫骨平台关节线与胫骨机械轴的内侧夹角;关节线夹角(joint line convergence angle,JLCA),即股骨远端关节线与胫骨平台关节线的夹角(见图3)。

图1 髌下脂肪垫区域面积 图2 髌下脂肪垫高信号区域面积

图3 膝关节骨骼参数测量示意图

共纳入符合标准患者320例(379膝),其中男73例(81膝),女247例(298膝);年龄40～86岁,平均(65.04±8.56)岁;病程(5.37±5.46)年。根据K-L分级将患者分为轻度退变组(K-L Ⅱ级),中度退变组(K-L Ⅲ级)和重度退变组(K-L Ⅳ级),其中轻度退变组74膝,中度退变组199膝,重度退变组104膝,三组患者在年龄、性别以及病程方面无明显统计学差异(P>0.05,见表1)。

表1 三组一般资料比较

2 结 果

2.1 不同退变程度IPFP面积以及高信号面积比较 三组IPFP面积组间比较差异无统计学意义(P>0.05),三组高信号面积组间比较差异有统计学意义(P<0.05,见表2)。

表2 三组不同退变程度IPFP面积及高信号面积比较

2.2 IPFP面积以及高信号面积与一般情况的相关性分析 IPFP面积与年龄、病程存在负相关,差异无统计学意义(P>0.05),与性别存在显著正相关,差异有统计学意义(P<0.05);高信号面积与年龄呈正相关,与病程呈负相关,差异无统计学意义(P>0.05),与性别存在显著正相关,差异有统计学意义(P<0.05,见表3)。

表3 IPFP面积以及高信号面积与患者一般情况相关性分析

2.3 IPFP面积以及高信号面积与下肢力线参数的相关性分析 IPFP面积与HKA、MDFA、MPTA呈负相关,与JLCA呈正相关,差异无统计学意义(P>0.05);IPFP高信号面积与MDFA呈负相关,与MPTA呈负相关,差异无统计学意义(P>0.05);IPFP高信号面积与HKA呈显著负相关,与JLCA呈显著正相关,差异有统计学意义(P<0.05),表明随着IPFP高信号面积的增加,HKA会随之减小,JLCA则会随之增大,即下肢力线角度可随着IPFP高信号面积的增加表现为逐渐内翻的变化趋势(见表4)。

表4 IPFP面积以及高信号面积与下肢力线参数的相关性分析

3 讨 论

髌下脂肪垫也称为Hoffa的脂肪垫,是膝关节内最大的脂肪组织,是膝关节内炎症因子和脂肪因子的重要来源,由Hoffa于1904年首次描述[19]。关于IPFP形态学方面有研究显示IPFP形态学体积以及面积与年龄、身体质量指数(body mass index,BMI)等并无任何相关性[20]。此外还有研究表明,KOA患者和无KOA患者的IPFP形态大小差异并无统计学意义[21],这与本研究所得出的不同退变等级KOA患者的IPFP面积差异无统计学意义的结果类似。一项关于IPFP形态与KOA相关性的横断面研究显示[22],IPFP体积与面积与胫骨软骨体积呈正相关,与骨赘呈负相关,软骨损伤、骨赘形成往往会加速KOA进展,而IPFP信号强度变化可以预测KOA的发展和预后。IPFP在KOA患者中具有炎症浸润、血管化和小叶间隔厚度的增加等病理表现。同时,与皮下脂肪组织相比,IPFP表现出纤维化和血管化增加、更多淋巴细胞浸润小叶间隔和更小的脂肪小叶[15,23]。KOA进展过程中会逐渐形成关节周围骨赘,而这些骨赘也会进一步刺激IPFP内小血管的扩张,从而引起脂肪间质水肿、炎性细胞浸润,显微镜下可见IPFP表面滑膜细胞增生,MRI影像则表现为高信号。现有研究[24-25]证实KOA患者IPFP高信号的改变与软骨缺损存在显著相关性,随着OA的不断进展,IPFP高信号的强度评分也会随之增高,这与本研究的结果一致。全膝关节置换术是治疗晚期KOA的有效方式,Wang等[14]发现IPFP高信号改变可预测KOA患者5年内需要进行全膝关节置换的风险,表明IPFP高信号强度改变不仅在疾病的进展中起作用,在评估KOA患者终末期的疾病严重程度中也起一定作用。

随着KOA的进展,下肢往往会出现力学方面的失平衡,主要表现为膝关节的内外翻畸形。下肢力线是评估下肢力学平衡的重要参数,HKA是股骨机械轴与胫骨机械轴相交形成的内侧角,JLCA是股骨远端关节线与胫骨平台关节线的夹角,两者是判断膝关节内外翻畸形的重要角度。HKA越小则膝关节内翻畸形越严重,JLCA则正好相反,JLCA越大则内翻畸形越严重。下肢力线的改变会导致膝关节负荷应力的改变,从而加速KOA进展,下肢力线的改变受诸多因素影响,如外伤、年龄、BMI、骨质疏松等[26]。本研究结果显示:IPFP高信号面积与HKA呈负相关,与JLCA呈正相关,表明随着IPFP高信号面积的增加,HKA会随之减小,JLCA则会随之增大,即膝关节可能表现为逐渐的内翻畸形,说明IPFP高信号也可能是影响下肢力线改变的一个重要因素。既往研究证实IPFP是膝关节内炎症的重要来源,MRI影像中的高信号是IPFP炎性浸润的主要表现,结合本研究结果,笔者认为,导致IPFP高信号的炎症因素是影响膝关节内翻畸形改变的主要因素。IPFP高信号会逐步引起关节软骨、滑膜等关节内组织的炎症反应,持续的关节内炎症反应会进一步导致关节内机械应力产生变化并最终导致下肢力线的改变[27]。

综上所述,本研究通过对IPFP面积进行定量化评估分析发现,IPFP高信号面积与膝关节退变程度以及内翻畸形角度具有一定相关性,其可能是膝骨关节炎进展的一个潜在因素。本研究为回顾性研究仍然存在一定局限性,如未纳入正常组进行对比分析,没有对患者数据进行动态的随访分析,未来仍需进一步随机对照研究以提供更高的证据等级支持。