0 引言

       膝骨关节炎（knee osteoarthritis, KOA）主要以软骨破坏、滑膜炎症和骨质增生等表现为特征，是老年人最常见的退行性关节疾病之一^{[1, 2]}，研究显示1990年至2019年间，KOA的患病人数增加约48%，最终致残率高达53%^{[3, 4]}。由于其病因尚未明确，致病因素多种多样，发展到终末期往往需要手术治疗，当前仍无有效方法治愈或逆转KOA的病理过程^[5]，KOA已成为我国重点关注的健康问题^[6]。以往对KOA的定量研究常局限于关节软骨改变和骨质变化，对髌下脂肪垫（infrapatellar fat pad, IPFP）的定量研究尚且缺少。IPFP是髌骨下方的脂肪组织，它可以缓冲和减少运动过程中膝关节的压力，同时还有助于维持膝关节的稳定性^[7]。IPFP的大小和形状因人而异，但通常是一个半月形的结构，位于髌骨和胫骨之间。膝关节X线平片是诊断KOA最常用的检查方法，但无法反映周围软组织的成分改变。随着KOA的进展，IPFP的形态和组织成分可能会发生改变，导致膝关节疼痛和不适。定量非对称回波的最小二乘估算法迭代水脂分离（iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least squares estimation quantification, IDEAL-IQ）与T2 mapping序列是近年较新兴的MRI技术^[8]。IDEAL-IQ技术一次扫描生成多幅图像，能够实现水脂分离的定量测量，从而受到广泛关注。IDEAL-IQ序列在测量肝脏、骨髓及皮下脂肪等方面得到广泛应用^{[9, 10, 11]}。T2 mapping序列可通过测量组织T2弛豫时间的变化来反映组织的病理生理改变，该技术常应用于监测软骨的成分变化。目前国内外尚无应用IDEAl-IQ及T2 mapping序列对不同程度KOA人群IPFP组织成分变化的文献报道。两种技术均具有无创、客观、可重复的优点。本研究采用IDEAL-IQ及T2 mapping技术，通过测量不同程度KOA患者IPFP脂肪分数（fat fraction, FF)和T2值，探讨两者与KOA严重程度的相关性，为评估KOA提供可靠、客观的评价指标。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       2022年10月至2023年12月于青岛市市立医院同日行膝关节X线和MRI检查的受检者共计99人参与了这项前瞻性研究。纳入标准：（1）无膝关节外伤、手术史；（2）身体质量指数（body mass index, BMI）<28 kg/m²。排除标准：（1）图像有明显的运动伪影影响了参数测量；（2）患膝并发肿瘤性病变者；（3）影像资料不全者；（4）其他不适合磁共振检查者（幽闭恐惧症、心脏起搏器等）；（5）风湿免疫相关疾病。本研究严格遵守《赫尔辛基宣言》，经青岛市市立医院伦理委员会批准，全体受试者均签署了知情同意书，批准文号：KTLL202306015。

1.2 检查方法

1.2.1 X线平片检查

       采用法国Stephix Xtreme X线摄影机，参数：68 KPv，12 mAs，曝光时间100 ms。所有被检者均行站立位膝关节X线正位片检查，将X线平片图像上传至PACS，进行观察和评估。

1.2.2 MRI检查

       采用美国GE公司3.0 T Discovery 750磁共振扫描仪，美国GE四通道膝关节专用线圈。受试者均采取仰卧位，扫描中心位于髌骨下缘。扫描序列及参数：IDEAL-IQ序列，TR 7.2 ms，TE Minimum，层厚4 mm，层间距0 mm，视野25 cm×25 cm，矩阵160×160，翻转角4°，扫描时间66 s；T2 mapping序列，TR 1200 ms，TE 13.5 ms，层厚4 mm，层间距1 mm，视野25 cm×25 cm，矩阵320×160，扫描时间214 s。

1.3 图像评估

       由两名15年以上工作经验的放射影像学专业副主任医师采取双盲法对X线平片进行分析，意见若不一致，则进行讨论并协商达成一致意见。依据膝关节骨关节炎Kellgren-Lawrence分级（Kellgren-Lawrence grading, KLG），将受检者分为三组：无KOA（KLG 0~1级）组、轻度KOA（KLG 2级）组、重度KOA（KLG 3~4级）组^{[12, 13]}。征象标准如下：0级，无KOA影像征象；1级，关节间隙未见异常，轻微骨赘；2级，疑似关节间隙狭窄，较明显骨赘；3级，关节间隙中度狭窄，明显骨赘；4级，关节间隙重度狭窄、软骨下骨硬化及骨性畸形^[14]。

       应用GE ADW4.6工作站软件对矢状位IDEAL-IQ序列脂肪比图像及T2 mapping图像进行后处理，生成相应伪彩图。分别在IDEAL-IQ序列脂肪比图像及T2 mapping图像中选取IPFP中心连续三个层面勾画感兴趣区（region of interest, ROI），软件自行算出IPFP的FF值和T2值，并取三次测量的平均值，注意避开邻近组织结构，以免对数值造成干扰（图1, 2, 3）。

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图1  男，41岁，无KOA组IPFP感兴趣区勾画示意图。1A：矢状位IDEAL-IQ图，白色区域为勾画的感兴趣区。1B：矢状位IDEAL-IQ伪彩图，白色区域为勾画的感兴趣区。1C：矢状位T2 mapping图，紫色区域为勾画的感兴趣区。1D：矢状位T2 mapping图，紫色区域为勾画的感兴趣区。FF值为77.41%，T2值为80.910 ms。
图2  女，62岁，轻度KOA组IPFP感兴趣区勾画示意图。2A：矢状位IDEAL-IQ图，白色区域为勾画的感兴趣区。2B：矢状位IDEAL-IQ伪彩图，白色区域为勾画的感兴趣区。2C：矢状位T2 mapping图，紫色区域为勾画的感兴趣区。2D：矢状位T2 mapping图，紫色区域为勾画的感兴趣区。FF值为68.37%，T2值为82.875 ms。
图3  女，85岁，重度KOA组IPFP感兴趣区勾画示意图。3A：矢状位IDEAL-IQ图，白色区域为勾画的感兴趣区。3B：矢状位IDEAL-IQ伪彩图，白色区域为勾画的感兴趣区。3C：矢状位T2 mapping图，紫色区域为勾画的感兴趣区。3D：矢状位T2 mapping图，紫色区域为勾画的感兴趣区。FF值为62.07%，T2值为90.710 ms。KOA：膝骨关节炎；IPFP：髌下脂肪垫；IDEAL-IQ：非对称回波的最小二乘估算法迭代水脂分离。
Fig. 1  Male, 41 years old, No KOA group, schematic diagram outlining the region of interest in the IPFP. 1A: Sagittal IDEAL-IQ image with delineated region of interest shows in white. 1B: Sagittal IDEAL-IQ pseudocolor image with delineated region of interest shows in white. 1C: Sagittal T2 mapping image with delineated region of interest shows in purple. 1D: Sagittal T2 mapping image with delineated region of interest shows in purple. FF value is 77.41%, T2 value is 80.910 ms.
Fig. 2  Female, 62 years old, mild KOA group, schematic diagram outlining the region of interest in the IPFP. 2A: Sagittal IDEAL-IQ image with delineated region of interest shows in white. 2B: Sagittal IDEAL-IQ pseudocolor image with delineated region of interest shows in white. 2C: Sagittal T2 mapping image with delineated region of interest shows in purple. 2D: Sagittal T2 mapping image with delineated region of interest shows in purple. FF value is 68.37%, T2 value is 82.875 ms.
Fig. 3  Female, 85 years old, severe KOA group, schematic diagram outlining the region of interest in the IPFP. 3A: Sagittal IDEAL-IQ image with delineated region of interest shows in white. 3B: Sagittal IDEAL-IQ pseudocolor image with delineated region of interest shows in white. 3C: Sagittal T2 mapping image with delineated region of interest shows in purple. 3D: Sagittal T2 mapping image with delineated region of interest shows in purple. FF value is 62.07%, T2 value is 90.710 ms. KOA: knee osteoarthritis; IPFP: infrapatellar fat pad; IDEAL-IQ: iteraterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation quantitation.

1.4 统计学方法

       应用SPSS（版本29.0，美国）软件进行数据统计、分析。通过组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评估研究者间的一致性水平，ICC>0.75为一致性较好，0.40≤ICC≤0.75为一致性一般，ICC<0.40为一致性较差。若数据一致性较好，取两位观察者测量数据平均值。利用Kolmogorov-Smirnov检验计量资料是否符合正态分布，年龄、BMI、FF值等数据符合正态分布以（x¯±s）表示，T2值变量不符合正态分布，数据以M（Q1，Q3）表示。利用单因素AVONA检验或K-W H检验三组间IPFP定量参数是否有差异，事后两两比较采用Bonferroni校正法调整显著性值。采用Pearson或Spearman相关性分析评估MRI定量参数与膝关节KLG的相关性。相关性|r|系数分为四级，|r|<0.2为极弱相关，0.2≤|r|<0.4为弱相关，0.4≤|r|<0.6为中度相关，0.6≤|r|<0.8为强相关，|r|≥0.8为极强相关。应用受试者工作特征（receiver operating characteristic, ROC）曲线对单独及联合参数的诊断效能进行分析，曲线下面积（area under the curve, AUC）的比较采用DeLong检验。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       共纳入99例受检者，年龄41~85（61±10）岁，其中男34例，女65例，入组受检者的基本临床资料详见表1。不同程度KOA三组的年龄、IPFP FF值和T2值差异均有统计学意义（P<0.001），三组间性别、BMI差异无统计学意义（P=0.578、0.993）。

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表1  临床资料及各定量参数检测结果与比较
Tab. 1  The clinical data and the comparison of various quantitative parameters detection results

2.2 各定量参数组间一致性

       两名放射科医师测量IPFP的FF值和T2值的ICC值分别为0.97（95% CI：0.96~0.98）和0.908（95% CI：0.86~0.94），一致性均较好。

2.3 IPFP FF值和T2值与KOA严重程度的相关性

       KOA严重程度与IPFP的FF值呈显著负相关（r=-0.779，P<0.001），而与T2值呈显著正相关（r=0.688，P<0.001）（图4, 5）。

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图4  IPFP定量参数与KOA严重程度的相关性散点图。IPFP：髌下脂肪垫；KOA：膝骨关节炎。
Fig. 4  The scatter plot of the correlation between IPFP quantitative parameters and the severity of KOA. IPFP: infrapatellar fat pad; KOA: knee osteoarthritis.

2.4 FF值和T2值对有无KOA的诊断性能

       在对KOA的诊断性能中，单一参数IPFP的FF值鉴别有无KOA的AUC最大（0.937），且二者联合诊断KOA的AUC更高（0.944）。DeLong检验显示（表2），FF值与T2值的AUC差异有统计学意义（Z=2.524，P=0.012）。

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表2  IPFP定量参数KOA的诊断性能
Tab. 2  The diagnostic performance of IPFP quantitative parameters for KOA

3 讨论

       本研究应用磁共振IDEAL-IQ和T2 mapping技术对基于X线平片图像判断不同程度KOA（无KOA、轻度KOA和重度KOA）志愿者的膝关节进行扫描，在两种序列扫描得出图像上直接勾画ROI得出IPFP的FF及T2值，探讨了IPFP两种定量参数评估KOA严重程度的价值。研究结果表明，随着KOA严重程度的进展，IPFP的FF值逐渐减低，T2弛豫时间逐渐延长。联合参数FF与T2值对鉴别有无KOA具备较高的诊断效能，IPFP定量参数与KOA的严重程度相关，可为KOA的评估提供新的评估角度。

3.1 IPFP参与KOA病情发展分析

       KOA被认为是多种因素造成的，迄今为止尚未完全明确^[15]，许多学者一致性认为KOA累及整个膝关节，是一种炎症性疾病^{[16, 17, 18]}。近年来，随着对KOA的深入研究，IPFP在KOA的作用被临床医生和科研人员重新认识。IPFP又称Hoffa's脂肪垫，是膝关节体积最大的脂肪组织结构，含有丰富的脂肪细胞、免疫细胞、血管及神经纤维^[19]。既往研究发现，MRI图像中IPFP信号强度的变化可以预测KOA的发生^[20]。IPFP是滑膜外的重要组成部分，靠近股骨髁和胫骨平台，有助于减少邻近结构之间的摩擦力，因此IPFP可能对KOA的发生发展及软骨损伤起保护作用^[21]。此外，IPFP是一种具有生物活性脂肪组织，通过免疫细胞和炎症因子的浸润直接参与KOA发病和进展^[22]。BELLUZZI等^[23]研究发现，IPFP是与KOA患者关节炎症和疼痛相关的促炎因子及生长因子的潜在来源。KOA患者的IPFP被免疫细胞浸润，而巨噬细胞是KOA患者组织浸润的主要免疫细胞，HENGTRAKOOL等^[24]的研究显示，IPFP中巨噬细胞浸润能够促进KOA的病理过程，并在其过程中扮演关键角色。

3.2 IDEAL-IQ和T2 mapping序列成像优势分析

       对KOA严重程度的评估，最简单、经济的影像学方法是X线平片，其可以直观地显示关节间隙、骨质增生硬化及骨赘^[25]，是评估KOA的首选影像学检查。基于X线的Kellgren-Lawrence分级是评估KOA形态变化最常用的方法^[26]，在KOA的发展过程中，膝关节周围软组织成分的改变往往早于骨质变化，但X线不能清晰显示膝关节软组织结构。相比之下，MRI是一种更先进的影像学检查方法，其优势在于无电离辐射的情况下得出高分辨率图像，是能够清晰显示膝关节软组织结构的成熟的影像学方法^[27]。

       既往对于KOA的研究多集中于IPFP形态信号变化、关节软骨和半月板的损伤，且受主观影响较大^{[28, 29, 30, 31, 32]}，对于IPFP本身组织成分改变的定量研究甚少。本研究应用的IDEAL-IQ和T2 mapping技术是近年来较为新兴的MRI定量技术，前者是基于三维梯度多回波化学位移的水脂分离技术，一次扫描即可生成脂肪比像、水像、R2^*弛豫图像等多幅高分辨率图像，时间短，可以准确量化脂肪分数值^{[33, 34]}。而T2 mapping技术作为一种非侵入成像技术，对水肿、炎症等组织成分的改变具有较高的敏感性，与传统的T2WI序列相比，T2 mapping技术可以直接量化T2信号，在评估组织结构功能及检测肿瘤等方面具备一定优势^[35]。

3.3 MRI定量参数评估KOA严重程度分析

       既往研究发现，不同严重程度的KOA人群，其疼痛程度和IPFP的FF值均有差异^{[36, 37]}。我们的研究结果表明，不同严重程度KOA人群IPFP的FF值及T2值均有显著差异（P<0.001），且随着KOA严重程度的进展，IPFP的FF值逐渐减低，呈现负相关（r=-0.779），而T2值逐渐递增，呈现正相关（r=0.688）。在KOA的进展过程中，IPFP出现变性、水肿、炎症反应及纤维化等病理过程，导致组织脂肪含量降低，含水量增加，FF值对组织中水分和脂肪变化敏感度较高，而组织内水质子自由程度的增大也使得T2弛豫时间延长，该研究结果与IPFP的病理过程较为一致。我们着重关注了IPFP在KOA发病和进展中的多重作用机制，研究结果呈现了IPFP在KOA病理生理过程中的必然性，揭示了其在疾病发展中的重要角色。这一发现对于深化IPFP对KOA发病机制的理解具有一定意义，为未来临床诊断和治疗提供了新的思路。本研究与以往文献不同之处在于，我们着重关注了无KOA、轻度及重度KOA人群IPFP定量参数与KOA严重程度之间的关系，为了解IPFP在KOA进展中的作用机制提供了见解。此外，我们的研究结果清晰地展示了IPFP的FF和T2值与KOA严重程度的相关性，进一步揭示了IPFP在 KOA过程中发生的病理生理改变以及的潜在作用。单一定量参数对KOA的诊断效能中发现FF值对有无KOA有良好的诊断效能（AUC=0.937），略高于T2值对KOA的诊断效能（AUC=0.837），FF值与T2值联合对KOA的诊断效能AUC为0.944，进一步提高了对KOA的诊断效能。由此可见，IDEAL-IQ和T2 mapping技术在膝关节IPFP的定量评估中具有良好的价值。同时，我们的研究在IPFP中心连续三个层面勾勒整体ROI，尽可能避免了操作误差。

3.4 IPFP多种MRI技术对比分析

       目前有多种MRI技术应用于IPFP的评估。YANG等^[38]研究表明，IPFP滑膜炎与KOA患者的临床症状息息相关，增强MRI扫描检查依据滑膜强化和增厚的程度作为其诊断的金标准。但增强MRI检查有一定的局限性，如头晕、呕吐等副作用，肾功能不佳者禁忌使用等。基于T2WI及质子密度加权脂肪抑制（proton density-weighted fat-suppressed, FS-PDWI）序列图像观察IPFP信号强度改变来评价滑膜炎程度较为敏感，已有研究证实，IPFP信号强度的改变与KOA患者积液及滑膜炎呈正相关^[39]，但特异性低，且受主观因素影响。随着影像技术发展，超声弹性成像技术也被应用到评估IPFP弹性特性中，SATAKE等^[40]应用弹性成像技术发现，IPFP的弹性与KOA患者膝关节前侧疼痛之间存在显著相关，然而，超声弹性成像的分辨率较低，可能无法提供组织细节信息，对操作者依赖性较强且可能受到温度、水分含量等因素的影响，使结果分析更加复杂。相比之下，IDEAL-IQ和T2 mapping技术不需注射对比剂、成像速度快、结果可靠且可以生成高质量图像，在IPFP的研究中具备较强的优势。

3.5 本研究的局限性

       本研究存在一些局限性：（1）为单中心研究，样本数量较少，没有对年龄进行分层研究，未来研究中会继续扩大样本量进行探究；（2）该研究是一项横断面研究，这意味着它是在特定的时间点收集数据，并没有对个体进行长期跟踪，仍需纵向研究来证明IPFP FF值及T2值的变化是发生在症状及结构衰退之前或之后；（3）我们的研究局限于对IPFP的影像学分析，缺乏对其生物学机制的深入探究。未来可以包括结合生物学和影像学方法，全面解析IPFP在KOA中的作用机制。

4 结论

       综上所述，应用IDEAL-IQ和T2 mapping技术测定IPFP定量参数的变化与KOA严重程度相关，可以在一定程度上反映IPFP的病理生理改变，有望作为临床对KOA新的评估手段。