0 引言

       膝关节骨关节炎（knee osteoarthritis, KOA）是老年人群体中一种常见的慢性退行性关节病，全球范围内影响了数亿人^[1]。该疾病最显著的症状是膝关节疼痛，发生在36.8%~60.7%的患者中，严重影响了患者的身体功能和生活质量^{[2, 3]}。髌下脂肪垫（infrapatellar fat pad, IPFP），又称Hoffa脂肪垫^{[4, 5]}，其炎症和纤维化是KOA慢性疼痛的重要原因，这种独特的病理表现可能导致组织弹性的变化^{[6, 7]}。然而，传统的MRI主要关注形态变化，对IPFP机械性能的评估能力有限^[8]。磁共振弹性成像（magnetic resonance elastography, MRE）是一种通过测量组织弹性来评估其机械性能的非侵入性技术^{[9, 10]}，并已被用于识别与纤维化相关的机械性能变化^[11]。但由于该技术需要特殊的外部设备以及专门的后处理软件，其广泛应用受到了限制^{[9, 12]}。

       2017年，LE BIHAN等^[13]首次提出了基于磁共振扩散加权成像（diffusion-weighted imaging, DWI）的虚拟MRE（virtual MRE, vMRE）概念，这种技术无需外部机械波，而是通过将位移表观扩散系数（shift apparent diffusion coefficient, sADC）转换为纤维化肝组织的剪切模量，使vMRE能够通过非高斯扩散反映更多的组织微观结构。之前的研究^{[14, 15]}通过使用200~1500 s/mm²的b值组合及相应的校正因子来计算组织弹性，然而，体素内不相干运动DWI（intravoxel incoherent motion DWI, IVIM-DWI）图像的衰减程度受到组织弹性和采集参数选择的影响，特别是b值的选择^[16]。然而，基于IVIM的vMRE尚未在IPFP中进行过测试，在开展后续临床研究之前，评估该技术在IPFP中的可重复性以选择最佳b值组合具有重要的临床意义。

       因此，本研究旨在利用基于IVIM-DWI的vMRE技术，评估IPFP弹性值的稳定性。具体而言，我们将评估观察者内和观察者间的一致性，以及短期测试-再测试重复性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，获得陕西中医药大学附属医院伦理委员会的批准，批准文号：SZFYIEC-YJ-2024-47，所有参与者在研究开始前均签署了书面知情同意书。前瞻性招募2024年3月至2024年6月于陕西中医药大学附属医院行膝关节MRI检查的50例KOA患者。纳入标准：（1）根据欧洲风湿病联盟^[17]的KOA标准进行临床诊断；（2）年龄超过40岁。排除标准：（1）近三个月内有膝关节创伤史、恶性肿瘤史，以及近六个月内接受过药物或关节内注射治疗；（2）膝关节手术史；（3）持续服用可能导致关节炎的药物；（4）MRI禁忌证，如体内金属植入物、幽闭恐惧症或心脏起搏器植入；（5）图像质量差，影响图像分析。

1.2 仪器与方法

       MRI检查使用Siemens Magnetom VIDA 3.0 T MR扫描仪，18通道膝关节线圈，患者以脚先进仰卧位进行扫描。扫描序列及参数：T1加权梯度回波序列，重复时间（repetition time, TR）450 ms，回波时间（echo time, TE）11 ms，层厚4.0 mm，视野（field of view, FOV）160 mm×160 mm，翻转角（flip angle, FA）120°，分辨率0.5 mm×0.5 mm；T2加权单激发快速自旋回波（HASTE）序列，TR 2650 ms，TE 41 ms，层厚4.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，FA 150°，分辨率0.5 mm×0.5 mm；使用脂肪抑制多次激发平面回波成像（readout-segmented echo planar imaging, rs-EPI）获得的IVIM-DWI序列，TR 3000 ms，TE 96 ms，层厚4.0 mm，FOV 160 mm×160 mm，分辨率0.8 mm×0.8 mm，包含10个b值，分别为0、20、50、100、150、200、400、800、1200和1500 s/mm²。总扫描时间约9 min。在第一次扫描完成后，受试者被要求在扫描室外休息约30~60 min，然后使用相同的IVIM-DWI参数进行第二次扫描。

1.3 vMRE后处理及图像分析

       将IVIM-DWI图像传输到vMRE后处理软件（MATLAB R2016a; MathWorks, Natick, Massachusetts, USA）进行分析。软件通过曲线拟合生成虚拟剪切硬度图（vMRE图）。首先，选择两组b值组合分别为200~800 s/mm²和200~1500 s/mm²，计算sADC。S200、S800和S1500分别对应b值为200、800、1500 s/mm²的图像信号。sADC计算公式如下^[13]：sADC1=ln（S200/S800）/（800-200），sADC2=ln（S200/S1500）/（1500-200）。然后，使用LE BIHAN等^[13]推导的公式μdiff=α×sADC+β生成两组基于IVIM-DWI的IPFP剪切模量（μdiff）图像。其中，α和β为先前研究得出的校准系数，分别为-9.8和14.0。

       所有图像由两名分别具有11年（副主任医师）和8年（主治医师）骨肌系统诊断经验的影像医师采用双盲法进行评估。两位医师在图像分析前接受了统一培训。后处理软件获得的硬度图被导入ITK-SNAP开源软件包（版本3.8.0，http://www.itksnap.org/）用于分割和标记。在硬度图上，沿着IPFP边界逐层手动勾勒出感兴趣区（region of interest, ROI），确保覆盖整个IPFP，同时避开囊变、积液及游离体等干扰区域，如图1。软件最终自动计算出虚拟弹性硬度值的平均值（μdiff）和标准差（standard deviation, SD），每个受试者测量三次，并记录其平均值。每位受试者完成评估大约需要5 min。为了减少回忆偏差，两位观察者在间隔3周后进行第二次测量，该结果用于评估观察者内和观察者之间的一致性。最后，观察者1在完成第二次测量2周后，对第二次扫描的虚拟弹性成像结果进行分析，结果用于评估短期测试-再测试的可重复性。

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图1  女，54岁，左膝关节矢状位T2压脂图像（1A）及使用b值为200~800 s/mm²（1B）和200～1500 s/mm²（1C）拟合得到虚拟磁共振弹性成像的硬度伪彩图。感兴趣区（ROI）尽量涵盖整个髌下脂肪垫（IPFP）区域。
Fig. 1  Female, 54-year-old, sagittal T2 fat suppression image of the left knee, pseudo-color of the virtual magnetic resonance elastography (vMRE) stiffness map obtained by fitting b values of 200 to 800 s/mm² (1B) and 200 to 1500 s/mm² (1C). Region of interest (ROI) covers the area of the infrapatellar fat pad (IPFP).

1.4 统计学分析

       使用SPSS 26.0（IBM Corp., Armonk, NY, USA）和GraphPad Prism 8.0 Windows版（GraphPad Software Inc, San Diego, CA, USA）进行统计学分析。首先，使用Shapiro-Wilk检验评估连续变量的正态性，符合正态分布时数据以平均值和标准差的形式呈现。μdiff_1500与μdiff_800测量值的差异分析采用两个样本t检验。通过使用双向随机模型效应计算组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC），评估观察者之间和观察者内部的一致性。ICC分类标准：优秀（ICC≥0.90）、良好（0.75≤ICC<0.90）、中等（0.50≤ICC<0.75）和较差（ICC<0.50）。通过计算变异系数（coefficient of variation, CoV）评估短期测试-再测试的可重复性，分类标准：优秀（CoV≤10%）、良好（10%˂CoV≤20%）、可接受（20%˂CoV≤30%）和较差（CoV>30%）。最后，对一致性和测试-重测再现性进行了Bland-Altman分析，包括散点图和95%一致性限值（limits of agreement, LoA）。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       根据纳排标准，最终纳入50例受试者，其中男27名，女23名，年龄范围40~70岁，中位年龄57岁，身体质量指数（body mass index, BMI）为（24.9±3.6）kg/m²，右膝25例，左膝25例。Kellgren-Lawrence（K-L）分级：0/1级17人，2级17人，3级16人。所有受试者的基本特征见表1。μdiff_800测得的IPFP硬度平均值高于μdiff_1500（P<0.05）。此外，随着K-L等级的增加，μdiff_800和μdiff_1500的IPFP硬度值均降低（P<0.05）。μdiff_1500和μdiff_800测量的平均值和SD值均服从正态性分布（P<0.05），见表2。两名观察者两次测量所得到的IPFP硬度结果见表3。

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表1  受试者的基本特征
Tab. 1  Demographic characteristics of the subjects

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表2  μdiff_1500和μdiff_800测量的平均值和标准差值的正态性检验
Tab. 2  Normality test of mean and SD values measured by μdiff_1500 and μdiff_800

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表3  观察者1和观察者2测量的髌下脂肪垫硬度值分析
Tab. 3  Quantitative analysis of the stiffness values of IPFP between observer 1 and observer 2

2.2 观察者内和观察者间一致性

       μdiff_1500的平均值和SD值显示了极好的观察者内一致性，ICC≥0.90，CoV<10%（P˂0.001）。μdiff_800的平均值和SD的ICC分别为0.926和0.841，而CoV>10%（P<0.001）。对于μdiff_1500和μdiff_800的平均值，同一观察者测量之间的平均偏差（Bias）及SD分别为0.03（0.21）和0.01（0.22），95% LoA为-0.80~0.85和-0.45~0.43。此外，μdiff_1500和μdiff_800的Bias（SD）分别为0.04（0.52）和0.10（0.44），95% LoA分别为-0.75~0.82和-0.77~0.97。

       观察到IPFP中μdiff_1500的平均值和SD值以及μdiff_800的平均值具有极好的观察者间一致性（所有ICCs≥0.90，CoV<10%，P≤0.001）。然而，μdiff_800的SD值的ICC<0.90（P<0.001），CoV=13.4%。对于μdiff_1500和μdiff_800的平均值，两名观察者测量之间的Bias（SD）分别为-0.01（0.18）和0.01（0.13），95% LoA分别为-0.39~0.42和-0.30~0.29。此外，μdiff_1500和μdiff_800的Bias（SD）分别为-0.02（0.28）和0.04（0.54），95% LoA分别为-0.42~0.38和-0.42~0.50。

       观察者内及观察者间一致性结果见表3，Bland-Altman分析如图2。

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图2  μdiff_1500和μdiff_800的观察者内（2A和2B）及观察者间（2C和2D）一致性Bland-Altman图。x轴表示观察者内两次（或两名观察者间）测量的平均值，y轴表示观察者内两次（或两名观察者间）测量之间的差异。蓝线为平均绝对差异（偏差），棕色虚线为95%一致性界限（LoA）。SD：标准差。
Fig. 2  Bland-Altman plots illustrating intra-observer (2A and 2B) and inter-observer (2C and 2D) agreement for μdiff_1500 and μdiff_800. The x-axes represent the mean values of both measurements taken within an observer (or between two observers), and the y-axes represent the differences of both measurements taken within an observer (or between two observers). Blue line is mean absolute differences (bias), dashed brown lines is 95% limits of agreement (LoA). SD: standard deviation.

2.3 测试-重测再现性

       50名受试者IPFP的平均硬度值和SD值在测试和重新测试之间的结果见表4。平均值和SD值差异无统计学意义（均为P˃0.05）。μdiff_1500的平均值和SD值重复测试再现性极好，ICC分别为0.932和0.903，CoV为7.5%和12.3%。μdiff_800的平均值和SD值的ICC分别为0.886和0.803，CoV分别为13.7%和19.8%，显示出良好的可重复性。μdiff_1500和μdiff_800的平均值在两次扫描之间的Bias（SD）分别为-0.01（0.37）和0.05（0.79）。μdiff_1500和μdiff_800的95% LoA分别为-0.88~0.87和-0.63~0.73。μdiff_1500和μdiff_800的Bias（SD）分别为0.04（0.31）和-0.01（0.65）。μdiff_1500的95% LoA为-0.85~0.93，而μdiff_800的95% LoA为-0.99~0.97。Bland-Altman图见图3。

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图3  μdiff_1500（3A）和μdiff_800（3B）重测重复性Bland-Altman图。x轴和y轴分别表示两次检查的平均值和差异。蓝线为平均绝对差异（偏差），棕色虚线为95%一致性界限（LoA）。SD：标准差。
Fig. 3  Bland-Altman plots presenting test-retest repeatability of μdiff_1500 (3A) and μdiff_800 (3B). The x-axes and y-axes reflect the mean values and differences between the two examinations, respectively. Blue line is mean absolute differences (bias), dashed brown lines is 95% limits of agreement (LoA). SD: standard deviation.

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表4  观察者内和观察者间测量μdiff_1500和μdiff_800的一致性分析
Tab. 4  Consistency analysis of measuring μdiff_1500 and μdiff_800 between intra- and inter-observers

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表5  髌下脂肪垫的硬度值重复性测量
Tab. 5  Test-retest reproducibility of μdiff of the IPFP

3 讨论

       在这项研究中，我们使用了一种新的无创方法，即基于IVIM-DWI的vMRE，评估了膝关节IPFP弹性值的稳定性，包括观察者内和观察者间一致性，以及短期测试-重测的重复性。我们的结果显示，μdiff_1500测量的平均值和SD值的一致性和重复性表现优异，并且其测试-重测可重复性（ICC=0.932，CoV=7.5%）优于μdiff_800（ICC=0.886，CoV=13.7%）。这是该技术首次在IPFP中应用，为进一步评估IPFP纤维化致KOA患者慢性疼痛提供了新方法，有望成为监测疾病进展和治疗反应的有价值工具。

3.1 vMRE技术评估IPFP硬度的临床意义

       在临床实践中，用于非侵入性评估组织硬度的常用技术方法包括超声弹性成像（ultrasonic elastography, USE）^{[18, 19, 20]}和MRE^{[21, 22]}。然而，USE和MRE都存在检查成本高、机械设备复杂、检查者依赖性和组织位置等因素相关的局限性^{[9, 12]}。最近，有研究提出^[16]，组织剪切硬度可以直接从扩散MRI中获得，而不需要任何机械振动装置。在本研究中，我们使用LE BIHAN等^[13]推导的方程，μdiff作为基于IVIM-DWI的vMRE技术测量得出的参数，其本质是通过对sADC的转换，来反映IPFP的虚拟剪切模量，进而体现组织的弹性特性。μdiff变化与IPFP硬度的改变相关联，μdiff值越高，表明组织硬度越大，弹性越差；反之，μdiff值越低，组织硬度越小，弹性越好。这一特性使得μdiff能够为临床提供IPFP组织微观结构变化的信息，有助于医生从力学角度理解组织的生理或病理状态。此外，IPFP的炎症和纤维化会导致组织弹性改变，而μdiff能够量化这种弹性变化。随着KOA病情进展，IPFP的纤维化程度可能增加，μdiff值可能相应升高，这为临床医生提供了一个可监测疾病进展的量化指标。我们基于两组b值（分别为200~800 s/mm²和200~1500 s/mm²）获得的数据，生成了两组虚拟硬度图^[23]，结果表明，用μdiff_1500获得的平均硬度值为（10.01±1.90）kPa，低于用μdiff_800获得的平均硬度值（11.07±1.39）kPa。IVIM图像中的衰减程度产生了一种与硬度相关的新型对比度，这种对比度依赖于组织弹性和采集参数的选择，主要是b值。SUN等^[24]的一项研究中，利用多b值DWI序列的脂肪抑制rs-EPI来评估良性和恶性乳腺病变之间的硬度，揭示了类似的趋势。此外，随着K-L等级的增加，μdiff_800和μdiff_1500测得的IPFP硬度值均降低（P<0.05）。这表明μdiff与KOA的进展存在一定关联，但目前还缺乏相关研究。在临床实践中，若结合患者的症状、体征及其他影像学特征，μdiff值可能有助于提高KOA诊断的准确性，尤其是在早期阶段，当关节结构形态变化不明显时，μdiff对IPFP弹性变化的敏感性可能使其更早地提示疾病的存在。综上，有必要评估vMRE在IPFP中的最佳b值组合选择和弹性值参数可重复性研究，为该技术在IPFP中进一步应用奠定基础。

3.2 不同b值组合的vMRE测量IPFP硬度的一致性

       IPFP在μdiff_1500和μdiff_800的硬度测量中均显示高ICC，表明vMRE技术在IPFP中具有良好的观察者内和观察者间一致性。该结果提示硬度值可以有效地表示IPFP的弹性，并且受测量误差的影响较小。因此，这表明IVIM-DWI中不同b值组合得出的弹性值在IPFP中可能表现出相似性。最新的几项研究探讨了虚拟弹性成像对脑膜瘤^[25]、垂体腺瘤^[26]和乳腺病变^[24]的一致性和可行性，其结果与本研究一致。值得注意的是，我们的研究显示，μdiff_800的一致性低于μdiff_1500。对于μdiff_1500，硬度值的平均值和SD值的ICC大于0.90，CoV小于10%。相比之下，μdiff_800 SD值的ICC，无论是在观察者内还是观察者间，均低于0.90，CoV超过10%。众所周知，vMRE通过使用b值为200和1500 s/mm²的DWI计算sADC。基于理论和实验考虑，确定了相应的校准系数α和β。然而，目前尚未实现200和800 s/mm²的b值的校准系数，这可能是本研究中观察到μdiff_800一致性略有降低的原因。

3.3 IPFP硬度值短期重测再现性分析

       最后，本研究还评估了IPFP硬度值的短期重测再现性。结果表明，μdiff_1500的再现性（ICC=0.932，CoV=7.5%）优于μdiff_800（ICC=0.886，CoV=13.7%），与之前在其他脏器上进行的研究结果一致^{[27, 28]}。尽管详细的误差值可能在一定程度上有所不同，RASMUSSEN等^[23]对32名健康志愿者的脑组织硬度，发现DWIstiff_1000的再现性优于DWIstiff_1500，这种差异可能源于他们使用单指数DWI模型分别扫描两组b值组合，这与我们的研究不一致。在本研究中，我们采用了双指数DWI模型，该模型包含10个b值的扫描。有研究表明IPFP异常高信号与膝关节疼痛相关^{[29, 30]}。我们之前的研究已经证明，IVIM在识别IPFP内高信号方面具有临床价值^[31]。因此，我们选择了200 s/mm²的低b值，以及800和1500 s/mm²的高b值进行虚拟弹性成像拟合。这些特定的b值选择旨在优化高斯和非高斯扩散的敏感度^{[13, 16]}。IPFP内异常的高信号强度是KOA的常见指标，可能与炎症和纤维化改变有关^{[32, 33]}。然而，在这项研究中，我们没有测量IPFP内异常高信号区域的弹性值。众所周知，IPFP内高信号区域的范围通常很小，虚拟弹性值的可变性会受到观察者经验的显著影响，从而导致测量误差。因此，我们选择逐层勾勒ROI，以尽量包含整个IPFP，从而减少选择偏倚对结果的影响。

3.4 本研究的不足及未来方向

       首先，这是一项前瞻性的单中心研究，需要在更大的多中心队列中进一步验证。其次，目前对b值和校准因子的选择尚未达成共识，大多数研究是基于LE BIHAN等关于肝纤维化的工作。此外，本研究强调可重复性而非诊断准确性，未来的研究应明确μdiff潜在的临床诊断阈值，建立μdiff值诊断KOA患者IPFP早期纤维化及症状进展的临床预测模型，从而为临床医生提供更精确的诊断依据，帮助他们更好地评估患者病情，制订个性化的治疗策略。

4 结论

       总之，vMRE是评估IPFP弹性的可靠技术，b值组合为200~1500 s/mm²所拟合的虚拟弹性值具有更好的观察者内和观察者间一致性，并且测试-重测可重复性更好。vMRE有可能成为评估KOA中IPFP纤维化、监测疾病进展和治疗反应的有价值工具。