0 引言

       髌骨不稳是指因先天性如发育等或后天性如外伤等因素所导致的髌骨周围结构平衡遭到破坏，髌骨偏离正常位置而发生倾斜、半脱位或脱位，进而引起一系列相关症状^[1]。根据文献统计数据，髌骨不稳发病率为29/10万^{[2, 3]}，好发于年轻女性，被认为是最常见的膝前痛原因之一^{[4, 5]}。髌骨稳定性的维持依赖静态与动态稳定结构的复杂相互作用：髌骨、胫骨和股骨间的骨性结构及髌内外侧支持带等构成静态稳定结构，而以股四头肌为核心的肌肉组织则为动态稳定结构^{[6, 7]}。其中，膝关节周围肌肉的病理生理改变与髌骨不稳的发生发展密切相关^{[8, 9]}，如股四头肌肌力失衡可直接导致屈伸膝时髌骨位置异常，股内侧肌张力降低会引发髌骨外侧倾斜移位及关节接触压力改变，腘绳肌功能破坏也与髌骨倾斜、髌股关节应力增加等问题相关^{[10, 11]}。基于膝关节周围肌肉在髌骨不稳发病机制中的关键作用，准确评估其微观病理生理状态，对于深入理解疾病病因、判断病情严重程度具有重要临床价值，也是指导临床诊疗的核心前提。

       目前，髌骨不稳的临床诊断主要依赖患者病史、体格检查与影像学检查的结合^{[12, 13]}。传统MRI虽已成为诊断该疾病的重要工具^[14]，但仅能检测形态学变化，对肌肉早期微观结构改变缺乏敏感性^[15]。在定量研究领域，T1 mapping、T2 mapping及脂肪定量技术（如IDEAL）等虽已广泛应用^{[16, 17]}，例如T1 mapping、T2 mapping用于心肌炎检测^[18]，脂肪定量技术用于肝脏及骨肌系统脂肪含量评估^{[19, 20]}，但这些技术存在采样耗时长、配合扫描难度大、易产生运动伪影等缺陷，限制了其在临床中的普及应用。集成磁共振成像（synthetic magnetic resonance imaging, SyMRI），别称有合成磁共振成像，磁共振集成技术（magnetic resonance image complication, MAGiC），作为一种新型快速定量MRI技术^{[21, 22]}，通过多动态多回波（multi-dynamic multi-echo, MDME）序列可在短时间内获取多种定量图谱及常规加权图像，扫描时间显著短于常规序列与定量序列的总和，且能以无创方式提供组织客观定量参数及微观成分信息^{[23, 24]}。已有研究证实，SyMRI定量测定T1值、T2值具有良好可行性与准确性，且与传统定量MRI测量结果差异无统计学意义^{[25, 26]}，但其在髌骨不稳患者膝关节周围肌肉评估中的应用尚未见充分报道。本研究拟通过SyMRI技术对髌骨不稳患者膝关节周围肌肉定量评估，旨在探讨髌骨不稳患者周围肌肉微结构改变，为临床治疗提供可靠客观依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经河北医科大学第三医院伦理委员会批准，批准文号：W2025-045-1，所有受试者均签署知情同意书。在2024年12月至2025年5月期间，招募髌骨不稳患者及健康志愿者，并收集受试者相关信息。

       髌骨不稳患者组的纳入标准：（1）具有一项或多项客观的体格检查证明存在髌骨不稳；（2）常规MRI显示存在髌骨关节对合不良；（3）未曾接受过任何与加强股四头肌力量相关的特殊训练。健康志愿者组的纳入标准：（1）年龄、性别、身体质量指数（body mass index, BMI）与髌骨不稳组相仿；（2）膝关节功能良好，体格检查未见异常；（3）无髌骨不稳症状。两组共同的排除标准：（1）图像扫描质量欠佳；（2）存在MRI检查禁忌证；（3）存在膝关节手术史；（4）存在急性高能量损伤史。

1.2 MRI扫描方法

       MRI检查使用德国Siemens MAGNETOM Vida 3.0 T超导MRI扫描仪，使用18通道体线圈。受试者取仰卧位，足先进，膝关节自然伸直，并用沙袋进行固定，采用体线圈进行双膝扫描^[27]。扫描序列为MDME序列，即多动态多回波序列，参数：重复时间（repetition time, TR）7250 ms，回波时间（echo time, TE）23、101 ms，翻转角150°，带宽150 kHz/Px，视野400 mm×400 mm，分辨率1.6 mm×1.6 mm×4.0 mm，层厚4.0 mm，层间隔0 mm，扫描时间8 min 49 s。使用MDME后处理应用程序生成双侧膝关节横轴位常规对比加权图像T1WI、T2WI、质子密度加权成像（proton density weighted imaging, PDWI）、短时反转恢复（short time inversion recovery, STIR）等序列以及T1、T2、PD 3种定量图谱。

1.3 图像分析

       由2名从事骨骼肌肉放射影像诊断3年以上的放射科医师，采用盲法分别对肌肉进行T1、T2及PD值测量，并对测得的数据进行一致性检验。使用ITK-SNAP软件（Version 4.2.0，http://www.itksnap.org/）在集成序列生成的T1WI冠状位重建图上，选取胫骨平台上方22%股骨长度的T1WI横轴位层面（图1），在此层面手动勾画股内侧肌、缝匠肌、股薄肌、半膜肌、半腱肌、股二头肌、股外侧肌、股中间肌的感兴趣区（region of interest, ROI），匹配T1Map、T2Map、PDMap得到相应区域肌肉的T1、T2及PD值。为了减少数据的测量误差，在勾画的过程中避开过拟合像素点，同时尽量避开大血管及肌间脂肪，以减少测量误差。

点击查看大图

图1  肌肉分割示意图，层面选择。VM：股内侧肌；VL：股外侧肌；VI：股中间肌；Sartorius：缝匠肌；Gracilis：股薄肌；ST：半腱肌；SM：半膜肌；BF：股二头肌。
Fig. 1  Schematic diagram of muscle segmentation, slice selection. VM: vastus medialis; VL: vastus lateralis; VI: vastus intermedius; ST: semitendinosus; SM: semimembranosus; BF: biceps femoris.

1.4 统计学分析

       采用SPSS 27.0软件进行统计分析。使用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评价不同观察者测量T1、T2、PD值的一致性及可靠性，ICC>0.75为一致性良好，0.4≤ICC≤0.75为一致性中等，ICC<0.40为一致性差。计量资料通过Kolmogorov-Smirnov正态性检验后，符合正态分布的计量资料采用独立样本t检验，不符合正态分布的计量资料采用Mann-Whitney U检验，比较髌骨不稳患者与健康志愿者各肌肉间T1、T2、PD值的差异性。采用Wilcoxon非参数检验比较髌骨不稳患者组肌肉间T1、T2、PD值的差异，并进行Bonferroni校正（校正后α'=0.05/28≈0.001 8）。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       45名髌骨不稳患者中，男15名、女30名，年龄11~37（19±6）岁，BMI为14.69~41.52（25.04±6.26） kg/m²；30名健康志愿者中，男9名、女21名；年龄13~29（24±4）岁，BMI为17.58~29.91（21.53±3.13） kg/m²。两组在年龄、性别、BMI差异均无统计意义（P>0.05）（表1）。髌骨不稳组88侧膝关节中，形态学异常髌骨高位19个、股骨滑车发育不良74个、胫骨结节外移83个。

点击查看表格

表1  受试者一般资料
Tab. 1  Characteristics of participants

2.2 观察者间一致性检验结果

       2名观察者测量数据一致性良好，T1值、T2值和PD值的ICC为分别为0.928 [95%置信区间（confidence interval, CI）：0.892~0.952]、0.954（95% CI：0.931~0.970）和0.929（95% CI：0.893~0.953）。

2.3 髌骨不稳患者组与健康对照组间肌肉定量

       髌骨不稳患者组膝关节周围肌肉组织的T2值均较健康对照组升高，其中股内侧肌、半膜肌、股外侧肌、股中间肌的T2值差异有统计学意义（P<0.05），而缝匠肌、股薄肌、半腱肌、股二头肌的T2值差异无统计学意义（P>0.05）。除股中间肌外，余各肌肉T1值降低，其中股薄肌、股二头肌、股外侧肌的T1值差异有统计学意义（P<0.05），其余部位的肌肉T1值差异无统计学意义（P>0.05）。所有肌肉组织的PD值均减低，差异无统计学意义（P>0.05）。详见表2。

点击查看表格

表2  髌骨不稳患者组与健康对照组周围肌肉差异性
Tab. 2  Differences in surrounding muscles between patients with patellar instability and healthy controls

2.4 髌骨不稳患者肌肉间SyMRI的T1、T2、PD值结果分析

       股内侧肌T2值低于其他肌肉。T2值除半膜肌、半腱肌与股内侧肌差异无统计学意义外，余肌肉与股内侧肌之间差异均有统计学意义（P<0.05）。股二头肌T1值低于其他肌肉，其中与股内侧肌、股薄肌、半腱肌、股中间肌差异有统计学意义（P<0.05）。股外侧肌PD值高于其他肌肉，其中与股薄肌、半膜肌、半腱肌差异有统计学意义（P<0.05）。详见图2。

点击查看大图

图2  髌骨不稳患者组肌肉间T1、T2、PD值的差异性热图。图中不同颜色的方块展示了两个变量之间的差异性，其中红色（*）代表有显著差异，蓝色代表无显著差异。
Fig. 2  Heatmap of T1, T2, PD value differences among muscles in patients with patellar instability. Different colored blocks indicate the differences between two variables: red (*) represents a significant difference, blue represents no significant difference.

3 讨论

       本研究通过SyMRI技术首次对髌骨不稳患者膝关节周围肌肉进行定量评估。通过对比研究髌骨不稳患者组与健康对照组之间各肌肉的定量值差异，我们发现髌骨不稳患者组膝关节周围肌肉组织的T2值均较健康对照组升高，且髌骨不稳患者中股内侧肌T2值最低，股外侧肌PD值最高。在本研究对髌骨不稳患者组肌肉间T1、T2、PD值差异性研究中我们证实了SyMRI可为临床提供肌肉客观、定量影像学指标，其中T2值更为敏感、可靠。

3.1 SyMRI技术用于膝关节周围肌肉定量的初步研究

       本研究发现髌骨不稳患者膝关节周围肌肉T2值升高，且股内侧肌、半膜肌等T2值变化有统计学意义，这与现有文献关于T2值影响因素的结论一致。既往研究证实骨骼肌T2值与肌肉内脂肪含量呈正相关^[28]，即脂肪浸润越严重，T2值越高，本研究中T2值升高趋势符合这一规律，提示髌骨不稳患者肌肉脂肪浸润可能是T2值升高的重要原因。同时，文献指出骨骼肌T2值与肌纤维构成比例相关^{[29, 30]}，Ⅰ型肌纤维T2值高于Ⅱ型肌纤维，且股内侧肌以Ⅰ型肌纤维为主，腘绳肌和股外侧肌以Ⅱ型肌纤维为主^{[31, 32, 33]}，这也为不同肌肉T2值差异提供了病理生理基础。此外，张冉旭等^[34]提出肌肉T2值升高与细胞外间隙改变、炎性细胞浸润等微观变化相关，VARGHESE等^[35]认为运动后蛋白质浓度和pH值变化导致的水分渗透改变会延长横向弛豫时间，本研究中T2值升高可能是这些因素共同作用的结果。

       本研究显示部分肌肉T1值存在差异，这与文献中T1值与组织病理状态的关联结论一致。有研究指出T1值与Ⅰ型纤维百分比相关，且T1值升高与弥漫性纤维化相关^{[35, 36]}。本研究中股中间肌T1值升高，可能提示该肌肉存在Ⅰ型肌纤维比例改变或纤维化倾向；而其他肌肉T1值减低，可能与肌肉内水分含量、肌纤维类型构成变化等因素有关，符合T1值受组织成分影响的基本规律。

       现有文献认为脂肪浸润和细胞外自由水增多会导致PD值升高^[37]，但本研究发现髌骨不稳患者所有肌肉PD值均降低，且差异无统计学意义，这与常规认知存在差异。可能原因包括：一是样本量限制，本研究未进行大样本验证，PD值变化可能受样本随机性影响；二是疾病病理生理改变的复杂性，肌纤维严重萎缩导致肌浆（主要质子来源）减少的幅度超过脂肪浸润和自由水增加的幅度，最终导致整体质子密度下降，这一机制需进一步通过大样本研究或动物实验验证。此外，吴文浩等^[38]也发现T2值与PD值可能呈相反趋势，提示PD值受多种因素综合影响，不能单纯依据脂肪浸润或水分变化判断。既往研究表明，腘绳肌中股二头肌起主要作用，股二头肌、半膜肌、半腱肌同属腘绳肌且功能相近^[39]，本研究发现三者定量值变化存在一致性，与生物力学表现一致。

3.2 SyMRI技术对于髌骨不稳患者膝关节周围肌肉间的定量研究

       本研究通过定量分析髌骨不稳患者膝关节周围肌肉的MRI参数，发现股内侧肌T2值低于其他肌肉，且与除半腱肌外其余肌肉的T2值差异均有统计学意义；股二头肌T1值低于其他肌肉，其中与股内侧肌、缝匠肌、股薄肌、半腱肌、股中间肌的差异具有统计学意义；股外侧肌PD值高于其他肌肉，且与股薄肌、半膜肌、半腱肌存在显著差异。这些定量参数的改变可能源于髌骨不稳患者膝关节周围肌肉力学关系失衡，具体表现为内外侧肌力不平衡及股四头肌与腘绳肌功能失衡，进而导致肌肉代谢及微环境改变，最终体现为T1、T2及PD值的差异。

       本研究结果与现有文献报道存在诸多一致性^{[18, 40]}。在股内侧肌改变方面，本研究发现股内侧肌定量值（T2值）显著低于周围除半腱肌外其余肌肉。SHU等^[41]指出髌骨不稳患者存在股内侧肌萎缩及横截面积减小，而本研究中股内侧肌T2值的改变可能与该肌肉横截面积减小密切相关——肌肉萎缩可能伴随肌纤维密度及水分分布变化，进而影响T2值，这一推测将在后续研究中进一步验证其相关性。此外，KIM等^[42]提出股内侧肌发育不全是髌骨不稳的危险因素之一，其核心机制在于股内侧肌功能不足会导致髌股关节运动学紊乱，这与本研究观察到的股内侧肌定量参数异常形成呼应，提示股内侧肌结构与功能的改变是髌骨不稳患者肌肉系统异常的关键环节，其病理生理本质可能是长期力学失衡引发的肌肉适应性萎缩或代谢重构。

       本研究填补了对髌骨不稳患者膝关节周围肌肉定量研究的空白，证实了股内侧肌、股外侧肌、股二头肌对于髌骨不稳患者具有重要作用，但本研究尚未明确肌肉定量值改变与肌力的直接关联，后续将采用专业肌力测试仪器，系统分析MRI定量参数与肌力指标的相关性，以进一步揭示肌肉结构改变对功能的影响。值得注意的是，SyMRI技术在本研究中的应用展现出独特优势，其能够早期识别膝关节周围肌肉的定量改变，为进一步临床保守治疗的康复锻炼肌肉选择提供了理论依据与实践方向。

3.3 本研究的局限性

       本研究存在以下局限性：第一，本研究的样本量相对偏小，为单中心研究，可能存在选择偏倚，导致结果外推性受限，需要增大样本量及多中心研究验证其可重复性；另外，年龄分布存在一定差异，随着年龄增加，T1值、T2值和PD值可能存在一定偏移，可能是造成阳性结果不显著原因之一。第二，缺乏病理切片验证，SyMRI参数与肌肉微观变化（如肌纤维萎缩程度、脂肪浸润比例）的直接关联需进一步证实。第三，未对髌骨不稳患者进行分层研究及配对设计，股二头肌未分别测量长头和短头，可能掩盖亚组差异，病因及严重程度分层是我们下一步研究的目标。

4 结论

       综上所述，髌骨不稳患者膝关节周围肌肉与健康志愿者间存在差异，SyMRI技术能够有效反映这一变化，特别是髌骨患者自身肌肉变化。为未来进一步肌肉运动损伤的定量影像学研究提供了基础。