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膝关节周围脂肪垫MRI表现与膝关节炎联系的研究进展.pdf
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1、影像技术2 0 2 4 年第 2 期影像技术与数据科学研究综述影像技术与数据科学研究综述膝关节骨关节炎(k n e e o s t e o a r t h r i t i s,K O A)是最常见的骨关节慢性疾病之一1,也是导致老年人慢性残疾的主要原因之一。全球人口老龄化的速度正在加快,膝关节炎的患病率和严重程度逐渐增加。据统计,患有膝关节骨关节炎的人数在全球总人口中的比例达到了 3.6%2-3,这无疑为个体和整膝关节周围脂肪垫 MR I 表现与膝关节炎联系的研究进展王涛1,张凤翔(通讯作者)2,杨金花2(1.内蒙古医科大学,内蒙古0 1 0 1 1 0;2.鄂尔多斯市中心医院影像科,内蒙古0
2、 1 7 0 0 0)摘要:膝关节骨性关节炎(k n e e o s t e o a r t h r i t i s,K O A)是一种常见的膝关节退行性疾病。早期诊断膝关节骨关节炎对于采取及时干预和治疗具有重要意义。近年来,越来越多的研究表明,膝关节周围脂肪垫在膝关节骨关节炎的早期诊断中发挥着重要的角色。磁共振成像(MR I)因其无创、精确的优点,已成为一种常规的膝关节检查手段。该技术拥有出色的软组织分辨力,对于膝关节骨性关节炎患者在早期的骨质及周围软组织结构的细微改变,其展示出特有的优势,并且具有更高的敏感性和特异性,可以直接观察和量化膝关节周围脂肪垫的变化,为膝关节骨关节炎早期诊断开拓思
3、路。关键词:膝关节周围脂肪垫;膝关节骨性关节炎;磁共振成像;早期诊断中图分类号:R 4 4 5.2文献标识码:AD O I:1 0 累 3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-0 2 7 0.2 0 2 4.0 2.1 5A d v a n c e s i nt h e A s s o c i a t i o nb e t w e e nMR I Ma n i f e s t a t i o n s o f P e r i p r o s t h e t i c F a t P a d s a n dKn e eOs t e o a r t h r i t i sWA N GT a
4、 o1,Z H A N GF e n g-x i a n g(C o r r e s p o n d i n g a u t h o r)2,Y A N GJ i n-h u a2(1.I n n e r Mo n g o l i a Me d i c a l U n i v e r s i t y,I n n e r Mo n g o l i a 0 1 0 1 1 0,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f I m a g i n g,O r d o sC e n t r a l H o s p i t a l,I n n e r Mo n g o l i
5、a 0 1 7 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:K n e eo s t e o a r t h r i t i s(K O A)i sac o m m o n,s l o w l yp r o g r e s s i v ed e g e n e r a t i v ed i s e a s eo f t h ek n e e j o i n t.E a r l y d i a g n o s i s o f k n e e o s t e o a r t h r i t i s i s i m p o r t a n t f o r t a k i n g
6、t i m e l y i n t e r v e n t i o na n dt r e a t m e n t.I nr e c e n t y e a r s,m o r e a n dm o r e s t u d i e s h a v e s h o w nt h a t t h e p e r i p r o s t h e t i c f a t p a dp l a y s a ni m p o r t a n t r o l ei nt h ee a r l yd i a g n o s i so f k n e eo s t e o a r t h r i t i s.M
7、a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g(MR I)h a sb e c o m ear o u t i n em e a n so f e x a m i n i n gt h ek n e ed u et oi t sn o n-i n v a s i v ea n da c c u r a t eb e n e f i t s.Wi t he x c e l l e n t s o f t t i s s u er e s o l u t i o n,t h i s t e c h n i q u eh a s d e m o n s t r
8、 a t e di t s u n i q u ea d v a n t a g e s i nt h ee a r l ys t a g e s o f o s t e o a r t h r i t i s o ft h e k n e e f o r s u b t l e c h a n g e s i nt h e b o n e a n ds u r r o u n d i n g s o f t t i s s u e s t r u c t u r e,a n dh a s a h i g h e r s e n s i t i v i t ya n ds p e c i f
9、i c i t yf o r d i r e c t l yo b s e r v i n ga n dq u a n t i f y i n gt h ec h a n g e si nt h ep e r i p r o s t h e t i cf a t p a d so f t h ek n e e,w h i c ho p e n s u pn e ww a y s o f t h i n k i n g i nt h e e a r l y d i a g n o s i s o f o s t e o a r t h r i t i s o f t h e k n e e.Ke
10、 y w o r d s:P e r i p r o s t h e t i c f a t p a d;K n e e o s t e o a r t h r i t i s;Ma g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g;E a r l y d i a g n o s i s收稿日期:2 0 2 3-1 1-1 37 5影像技术2 0 2 4 年第 2 期影像技术与数据科学研究综述影像技术与数据科学研究综述个社会带来了巨大的经济和心理压力。因此,早期诊断和干预对于膝关节骨关节炎的治疗至关重要。关于膝关节骨性关节炎的具体发病原因,目前还没有完全明
11、了,但学者普遍认为机械因素和代谢因素在其中都扮演了关键角色。此外,年龄、女性性别和身体质量指数(B MI)也被公认是导致膝关节炎的危险因素。近年来,越来越多学者发现膝关节脂肪垫与骨关节炎之间存在某种联系,Wa n g等(2 0 1 4)4 的研究发现,膝关节骨性关节炎患者的脂肪垫能够分泌细胞因子、脂肪因子、生长因子和白细胞介素,具有内分泌功能。它们通过增加基质金属蛋白酶(m a t r i xm e t a l l o p r o t e i n a s e s,MMP s)及促炎性细胞因子,抑制软骨基质蛋白生成,对膝关节炎的发生产生一定的影响。在膝关节内有 4块脂肪垫,即髌下脂肪垫(i n
12、f r a p a t e l l a r f a t p a d,I P F P)、股四头肌脂肪垫(q u a d r i c e p s f a t p a d,Q F P)、股前脂肪垫(p r e f e m o r a l f a t p a d,P F P)和 交 叉 韧 带 周 围 脂 肪 垫(p e r i c r u c i a t e f a t p a d,P C F P)。MR I 对显示脂肪和其他软组织成分有独特的优势,并可通过不同功能序列对其进行量化检测,通过膝关节周围脂肪垫的MR I 异常表现评估其病变的过程,为早期膝关节骨关节炎的诊断提供重要线索。目前,国内外学者
13、对以上四种不同类型脂肪垫及其影像学改变开展了大量课题研究,取得了一定成果。本文将分别对四块不同膝关节脂肪垫的影像研究现状展开论述。1 髌下脂肪垫1.1 髌下脂肪垫解剖和病理生理学1 9 0 4年,A l b e r t H o f f a 首次对 I P F P进行了详细的描述。它呈三角形,是髌骨下侧、髌腱尾部、股骨髁和胫骨平台前侧之间的囊内滑膜外脂肪组织结构5。MR I 横断面显示,I P F P在髌腱与髌支持带之间;其位置相对恒定,随着关节活动度增加而移动。在矢状位图像上,I P F P位于髌骨下方,在股骨髁和髁间切口的前方。其形态与周围软组织有密切关系。在 MR I 扫描中,正常的 I
14、P F P在 T 1及 T 2加权像上均呈高信号,中间可见一条粗大血管穿行。临床工作中,在矢状位和轴位观察显示效果更佳。I P F P作为脂肪垫,其核心功能是吸收关节在运动时产生的振动,同时限制膝关节过度活动,并分泌一些润滑物质来降低摩擦,确保膝关节得到适当的保护。在过去的几年里,人们对 I P F P的作用机制进行了深入而广泛的研究,有了更深的认识。从组织学的角度分析,多数学者认为 I P F P可能与内脏脂肪同源,因为其具有内分泌性的特性。一方面,它可以释放多种不同类型的促炎性介质(各种脂肪因子例如瘦素和脂联素、肿瘤坏死因子、白介素-6、白介素-8等)和促血管生成因子,K O A的发生发展
15、可能与这些物质有着一定的关联6;另一方面,I P F P具有抑制 MMP-1、MMP-3和 I I 型胶原基因活性的能力,在很大程度上帮助减缓软骨的分解和代谢过程,这对于 K O A的发生发展又具有积极的保护效果7。然而因 I P F P所处环境与关节腔相似,F e l i m b a n等(2 0 1 4)8 受到启发并展开研究,认为I P F P与膝关节软骨同源,而不是皮下脂肪,两者在细胞表型上有显著差异。此外,I P F P内的一种神经纤维能够分泌 P物质,这可能是导致 K O A患者膝前疼痛的一个重要因素。综上,I P F P的作用机制较为复杂,可能在膝关节骨关节炎的疾病进程中扮演着两
16、重角色。而正是因为这些机制的发现,使得 I P F P可能成为治疗膝关节骨性关节炎的潜在靶点。1.2 髌下脂肪垫的信号异常评估在 KOA中应用近年来,膝关节脂肪垫尤其是髌下脂肪垫,在膝关节骨性关节炎的疾病中所起的作用受到日益广泛的关注和重视,越来越多的学者研究膝关节脂肪垫在 MR I 上的异常影像学表现,探讨其和膝关节骨性关节炎之间存在的联系。有关髌下脂肪垫 MR I 研究较多,主要技术方法包括对比增强磁共振成像(c o n t r a s t-e n h a n c e dm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g?i n g,C E-MR I)和非对比增
17、强磁共振成像(n o n-c o n?t r a s t-e n h a n c e d m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g,N C E-MR I)。有相关临床研究表明,I P F P的异常信号改变在活检中已被确认为轻度慢性滑膜炎,通常被称7 6影像技术2 0 2 4 年第 2 期影像技术与数据科学研究综述影像技术与数据科学研究综述为 H o f f a 滑膜炎,并有报道指出其与膝关节结构损伤和症状恶化有关9-1 1。多项研究证实,利用 C E-MR I 直接评定的 H o f f a 滑膜炎(即滑膜增厚和强化程度),相较于利用 N C
18、E-MR I(即通过 I P F P的信号强度等影像特征)评价与 K O A之间的关联,要更具说服力。而且滑膜炎在影像诊断中的金标准,也是通过 C E-MR I 检查,观察滑膜增厚及强化程度来直接评估1 2。可是在大范围的临床科学研究中,C E-MR I 会对患者产生一定的副作用,以及更长的扫描时间,再加上伦理以及费用问题,并不是一种理想的方法。因此,利用不同的非增强序列开展研究成为当务之急。目前,在所有代替方法中,利用非C E-MR I 的 T 2 WI 或质子加权饱和脂肪抑制序列已经获得了广泛的认可,认为 I P F P的高信号可以替代 C E-MR I 诊断 H o f f a 滑膜炎。
19、在非 C E-MR I 技术上,对于信号增高的常规方法有以下两种:半定量测量和定量测量。半定量测量法依赖研究者的观察与评价,主观性高、费时费力,可重复性及稳定性也 较 差。对 此,L u等(2 0 1 6)1 3 提 出 了 一 种 基 于MA T L A B软件开发的新算法来半自动分割 I P F P,并获得高信号强度区域。每个受试者 I P F P的信号强度程度通过自动计算生成,大大提升了效率以及可信度,但因其半定量测量方法,仍缺少一定的说服力。随着研究的进展,近年来越来越多学者利用不同 的 MR I 序 列 进 行 I P F P的 定 量 测 量,C h e n等(2 0 2 2)1
20、4 利用 D I X O N序列来测量脂肪分数(F F)和T 2*弛豫时间,以评估老年人膝骨关节炎进展中I P F P的作用。该研究发现晚期 K O A组的 I P F P的F F和 T 2*平均值低于无 K O A组和轻度 K O A组,三组之间存在显著差异(均 P 0.0 0 1)。在横断面研究中,I P F P中 F F和 T 2*的定量结果与膝关节骨性关节炎的严重程度相关,包括膝关节症状加重、软骨缺损、b l s 和滑膜炎。基于 m D I X O N计算的 F F和T 2*与 K O A严重程度呈负相关,该研究结果表明,I P F P含量的改变可能在老年人膝关节骨关节炎的变化中起重要
21、作用,m D I X O N的定量 MR技术可以定量并且有意义的测量。F F能更灵敏地反映脂肪组织中水分和纯脂肪含量的变化,从而指示内部脂肪病变的演变。在关节退行性变过程中,I P F P发生水肿、炎症反应和纤维化1 5,这些病理过程可导致水分含量增加,脂肪含量减少,表现为脂肪组织中脂肪含量减少。同时,I P F P纤维化的病理过程也改变了水和脂肪的含量和组成。种种结果都表明,这些成像生物标志物可以作为评估 K O A进展的可靠工具。此外,L i 等(2 0 2 2)1 6 基于 MR I 的三维纹理分析,以量化 I P F P内的解剖和空间信号变化,从而实现准确且不依赖于阅读器的 I P F
22、 P异常量化。I P F P基于体素的纹理特征可能是 K O A临床试验中潜在的成像标记,特别是那些针对关节内炎症的干预。到目前为止,定量评估已被认为是检测 I P F P异常的更敏感的方法。然而,以前的定量方法倾向于单独研究不同的 I P F P参数,导致解释不佳,出现结果的差异。2 股四头肌脂肪垫和股骨前脂肪垫2.1 股四头肌脂肪垫和股骨前脂肪垫解剖和病理生理学股四头肌脂肪垫是膝关节前方 3个脂肪垫中最小的一个,呈三角形,女性平均厚度约 7.2 m m,男性平均厚度约 8.2 m m。它填补了股四头肌肌腱止点后部、髌骨后上侧和髌后关节软骨上部之间的间隙;其后部有滑膜表面,改善了伸肌机制与髌
23、股关节的接合。向后,髌上关节陷凹将股四头肌脂肪垫与股前脂肪垫隔开1 7-1 8。股四头肌腱与股四头肌脂肪垫延续,是肌腱内端纤维间脂肪组织最多的肌腱,这种脂肪被认为可以促进应力消散或起到机械感官的作用。S h a b s h i n等描述了一例股四头肌脂肪垫水肿患者的组织学表现,发现血管炎的炎症反应类似于 H o f f a 病所描述的组织学变化,这可能是脂肪垫发炎的机制。股前脂肪垫(p r e f e m o r l f a t p a d,P F P)位于股骨前面,与股四头肌脂肪垫之间被髌上囊隔开。目前关于股前脂肪垫研究的文献数量有限,由于研究不足,这种结构的病理变化可能被低估。7 7影像技
24、术2 0 2 4 年第 2 期影像技术与数据科学研究综述影像技术与数据科学研究综述2.2 股四头肌脂肪垫和股骨前脂肪垫的信号异常评估在 KOA中应用时至今日,髌下脂肪垫与膝关节骨性关节炎的发生发展的联系已被多数研究者证实。然而,对于股四头肌脂肪垫和股骨前脂肪垫与膝关节骨性关节炎的研究,在国内外都鲜见,且仅有的几项研究得出的结论也存在差异1 9-2 0,对它们与膝关节骨性关节炎是否存在关联仍抱有怀疑态度。R o t h等(2 0 0 4)2 1 在早期的一项横断面研究中发现,Q F P扩大与 MR I T 2加权序列上的信号改变之间可能存在相关性,在当时被解释为水肿。Wa n g 等(2 0 1
25、 4)4 研究发现,Q F P的占位效应和/或信号强度改变与 K L G分 级 和 B MI S密 切 相 关;T s a v a l a s和 K a r a n t a n a s(2 0 1 3)2 0 认为,Q F P肿胀的影像学表现与 H o f f a病相似,它可能是由于反复微创伤或过度使用性损伤引起的,并伴随着脂肪垫内出血和炎症;而与髌股关节力线异常、髌股关节骨关节炎或膝关节内侧间室脂肪厚度无显著相关性。S c h w a i g e r(2 0 1 8)2 2 通过改良的全器官磁共振成像评分(WO R MS)分析Q F P的 MR I 表现与髌骨骨关节炎进展的关系,来评估 4
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