0 前言

       骨性关节炎是中老年人最常见的关节退行性疾病，其中膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis, KOA）在临床中最常见，以关节软骨变性、破坏及骨质增生为特征。膝关节周围肌肉维持关节功能及步态稳定^[1]。膝关节周围肌肉功能及质量降低与KOA进展存在显著相关性，而肌力及功能的恢复及康复训练可以有效减轻KOA症状，延缓进展^[2]。既往关于KOA的研究多关注于关节软骨病变，缺乏对周围肌肉的评估。影像学评价具有无创、可靠、客观的特点，影像学有望为KOA膝关节周围肌肉评估提供客观评价指标。

       全器官磁共振评分^[3]（Whole-Organ Magnetic Resonance Imaging Score, WORMS）基于膝关节MRI图像半定量、多特征、全器官评估KOA结构完整性及病变程度。WORMS将膝关节4个部位（胫股内侧关节、胫股外侧关节、髌骨关节、髁间嵴）分为15个关节区域，评估其5个特征（软骨信号和形态、关节面下骨髓异常、关节下囊肿、关节下骨磨损、边缘骨赘），同时评估内外侧半月板、前后交叉韧带及内外侧副韧带、滑膜炎、游离体以及关节周围囊肿或滑囊。WORMS得分越高，反映膝关节结构损伤的严重程度越高。

       T2 mapping是反映信号衰减常数的MRI方法。骨骼肌生理或病理状态下，大分子环境的改变可影响相邻分子的水结合状态，从而影响骨骼肌的T2值。骨骼肌病理过程（包括炎症、水肿、脂肪浸润、萎缩）均可以导致T2值的改变，同时T2值还可反映肌肉的代谢与激活状态，因此骨骼肌的T2值可作为反映骨骼肌内部结构改变的敏感指标^{[4, 5, 6]}。既往研究中，应用T2 mapping技术评估骨骼肌的研究关注于肌肉运动损伤、肌营养不良、炎性肌病、腰椎疾病的椎旁肌肉评估^{[7, 8, 9, 10]}，缺乏对于KOA患者膝关节周围肌肉的T2 mapping研究。本研究拟采用T2 mapping分析KOA患者膝关节周围肌肉T2值的改变，以及膝关节周围肌肉T2值的变化与KOA严重程度的相关性，探讨T2值改变可能的潜在原因及病理基础。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究为横断面前瞻性研究，研究时间为2022年2月至2022年5月，研究对象为就诊于河北医科大学第三医院的KOA患者。纳入标准：（1）年龄≥35岁；（2）反复膝关节疼痛，关节僵硬，持续时间少于30 min，活动后可缓解，晚期出现关节畸形；（3）典型的KOA的影像学特征；（4）依从性高，对本研究知情并自愿签署知情同意书。排除标准：（1）膝关节及周围肌肉外伤史；（2）膝关节急慢性感染性病变；（3）神经肌肉病患者；（4）膝关节类风湿性关节炎等非感染性炎性病变；（5）髋关节、脊柱、下肢关节发育异常；（6）MRI检查禁忌证，图像质量不佳。以社会招募的方式招募健康志愿者作为对照组。纳入标准：年龄、性别与KOA患者组相匹配，无膝关节相关疾病及临床症状。排除标准：（1）膝关节创伤或外科手术史；（2）存在累及肌肉系统的疾病；（3）图像质量差，无法满足要求；（4）存在MRI检查禁忌证。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，并经河北医科大学第三医院伦理委员会审批（批准文号：科2021-102-1），所有受试者均知情并签署了知情同意书。

1.2 检查方法

       所有影像资料采用3.0 T磁共振（Verio 3.0 T，德国西门子公司）膝关节8通道线圈采集。扫描序列及参数：矢状位快速自旋回波（fast spin echo, FSE）T1WI序列（重复时间600.0 ms，回波时间17.0 ms，视野180 mm×180 mm，翻转角150°，层厚4.0 mm）、矢状位脂肪抑制（fat suppression, FS）质子密度加权成像（proton density weighted imaging, PDWI）序列（重复时间3500.0 ms，回波时间24.0 ms，视野180 mm×180 mm，翻转角150°，层厚4.0 mm）、冠状位FS PDWI序列（重复时间3000.0 ms，回波时间41.0 ms，视野180 mm×100 mm，翻转角150°，层厚4.0 mm）、横轴位FS T2WI序列（重复时间5000.0 ms，回波时间34.0 ms，视野180 mm×100 mm，翻转角150°，层厚4.0 mm）、矢状位T2 mapping序列（重复时间3410.0 ms，回波时间13.8、27.6、41.4、55.2、69.0 ms，视野160 mm×160 mm，翻转角180°，层厚2.7 mm）。为避免肌肉运动对肌肉T2值的影响，所有受试者MRI检查前7 d内无剧烈运动史。扫描时呈仰卧位，以髌骨下缘为中心，膝关节自然状态下放入膝关节线圈内，加以沙袋固定，减少扫描过程中的运动伪影。

1.3 膝关节WORMS

       由1名工作5年的主治医师和1名工作15年的副主任医师共同进行影像评估，出现分歧时商量达成一致意见，将各个部位评分相加，得到WORMS总评分。膝关节各间室的软骨评分及骨髓水肿评分相加得到关节软骨和骨髓水肿WORMS。

1.4 图像后处理及分析

       本研究选择在矢状面上进行肌肉参数的测量。选取膝关节周围肌肉中的缝匠肌、股内侧肌、半膜肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、股二头肌进行测量。测量采用MRI后处理软件包（Syngo MR Verio 3.0，德国西门子公司）完成，在T2 mapping解剖图像上手动勾画感兴趣区，复制感兴趣区位置及大小到T2 mapping伪彩图，测量并记录各肌肉的T2值。选取各肌肉显示最大层面，采用圆形ROI，面积约0.5 cm²，将ROI放置于相应层面肌肉轮廓内的中心位置，尽量避开明显的肌肉内血管、脂肪区域。肌肉最大层面的前后各一层面进行同方法测量，同一块肌肉共测量三次。根据3次测量值的平均值作为相应肌肉区域的T2值进行分析。T2值的测量分别由两名具有2年及以上肌肉骨骼影像诊断经验的医师使用双盲法进行测量。利用Fusion后处理软件将T2 mapping解剖图与伪彩图进行融合。感兴趣区选取距离肌肉边界至少2～3 mm。

1.5 统计学方法

       采用SPSS 26.0软件对数据进行分析。数据经单样本K-S正态性检验，符合正态分布的计量资料以（x¯±s）表示，采用独立样本t检验；非正态分布的计量资料采用M（QR）表示，两组间参数比较采用Mann-Whitney U检验。膝关节WORMS与各肌肉T2值的相关性分析，正态分布的连续性变量采用Pearson相关分析；非正态分布的连续性变量，采用Spearman相关分析。应用组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）评价不同观察者测量T2值的一致性及可靠性。ICC判定标准为：ICC＜0.4，一致性差；0.4≤ICC＜0.75，一致性较好；ICC≥0.75，一致性好。双侧检验，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 一般资料

       最终纳入KOA患者38名（KOA组），其中男15名，女23名，年龄35～70（58.45±7.88）岁；健康志愿者16名（对照组），其中男5名，女11名，年龄48～68（57.13±5.29）岁。两组的性别、年龄差异无统计学意义（P＞0.05）；KOA组和对照组共54个膝关节。对膝关节周围肌肉进行T2值测量，包括缝匠肌、股内侧肌、半膜肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、股二头肌。38例KOA患者均进行膝关节WORMS评估膝关节结构损伤的严重程度，其中WORMS总评分（63.32±36.20）；关节软骨评分（19.96±10.62）；关节面下骨髓水肿评分（8.68±4.24）。正态性检验结果显示KOA组半膜肌、股二头肌T2值为非正态分布，其余计量资料均符合正态分布。对照组中缝匠肌和股内侧肌T2值为非正态分布，其余均符合正态分布。

2.2 KOA组与对照组肌肉T2值比较

       KOA组与对照组肌肉T2值比较分析显示：KOA组缝匠肌、半膜肌、股内侧肌、股二头肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头的T2值均高于对照组（图1），差异均具有统计学意义（P＜0.05；表1）。

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图1  健康对照组与膝骨性关节炎（KOA）组膝关节周围肌肉T2值对比箱式图，KOA组膝关节周围肌肉T2值均高于健康对照组，差异均具有统计学意义。图2　膝骨性关节炎（KOA）患者缝匠肌（2A）、股内侧肌（2B）、腓肠肌内侧头（2C）T2值与膝关节全器官磁共振评分（WORMS）散点图显示呈明显正相关。
Fig. 1  The box chart shows that the T2 values of the muscles around the knee in the knee osteoarthritis (KOA) group are higher than those in the healthy control group, and the differences are statistically significant.
Fig. 2  Scatter plot shows that the T2 values of medial femoris, sartor and gastnemius in knee osteoarthritis (KOA) patients are significantly positively correlated with Whole-Organ Magnetic Resonance Imaging Score (WORMS).

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表1  两组间膝关节周围各肌肉T2值比较
Tab. 1  Comparison of the T2 values of the muscles around the knee between the two groups

2.3 KOA组肌肉T2值与WORMS的相关性

       KOA患者缝匠肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头T2值与WORMS总评分呈正相关（r=0.678、0.674、0.466，P＜0.05；图2）。缝匠肌、股内侧肌、半膜肌、腓肠肌内侧头T2值与关节软骨评分呈正相关（r=0.590、0.672、0.347、0.424，P＜0.05）。缝匠肌、股内侧肌与关节面下骨质骨髓水肿评分呈正相关（r=0.527、0.538，P＜0.05；表2）。

       肌肉T2 mapping伪彩图与解剖图的融合图像中，色阶信号由蓝到绿到红代表T2值逐渐升高。KOA患者WORMS升高，股内侧肌、缝匠肌、腓肠肌内侧头的T2值呈升高趋势（图1）。WORMS较低的KOA患者，肌肉内色阶以蓝色为主；WORMS高的KOA患者，肌肉T2伪彩图多呈现绿色或红色色阶为主，意味着肌肉T2值升高（图3）。

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图3  膝骨性关节炎（KOA）患者膝关节周围肌肉T2 mapping伪彩图。全器官磁共振评分（WORMS）较低的KOA患者肌肉以蓝色色阶为主，其中可见部分绿色色阶；WORMS较高KOA患者肌肉以绿色色阶为主，其中可见部分红色色阶。3A～3C：膝关节WORMS 40分，股内侧肌、缝匠肌、腓肠肌内侧头T2值分别为37.2、32.7、36.9 ms；3D～3F：膝关节WORMS 75～124分，股内侧肌、缝匠肌、腓肠肌内侧头T2值为49.3、51.7、51.7 ms。
Fig. 3  Pseudo-color map of T2 relaxation time parameters of muscles around the knee joint in knee osteoarthritis (KOA) patients. The muscles of KOA patients with low Whole-Organ Magnetic Resonance Imaging Score (WORMS) are mainly blue, and some green scales can be seen. The muscles of KOA patients with higher WORMS are mainly green, and some red scales can be seen. 3A-3C: WORMS of knee joint is 40, T2 values of vastus medialis, sartorius and gastrocnemius medial head are 37.2, 32.7 and 36.9 ms, respectively; 3D-3F: WORMS of knee joint is 75 to 124, T2 values of vastus medialis, sartorius and gastrocnemius medial head are 49.3, 51.7, 51.7 ms.

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表2  KOA组膝关节WORMS与各肌肉T2值相关性分析
Tab. 2  Correlation analysis between WORMS of knee joint and T2 values of each muscle in KOA group

2.4 膝关节周围肌肉T2值的可重复性分析

       KOA组与对照组的肌肉T2值测量的阅片者间一致性好[ICC=0.930（95% CI：0.860～0.966），P＜0.001]。

3 讨论

       膝关节周围肌肉对于维护膝关节稳定性具有重要的作用。KOA患者常出现膝关节周围肌肉肌力降低、共协调性差、肌肉萎缩以及脂肪浸润等改变，从而降低了肌肉对于关节结构的保护，加速了KOA的进展^[1]。既往研究中，应用T2 mapping技术评估骨骼肌的研究关注于肌肉运动损伤、肌营养不良、炎性肌病、腰椎疾病的椎旁肌肉评估^{[7, 8, 9, 10]}，而T2 mapping技术对于KOA患者的评估主要集中于关节软骨、半月板、韧带病变^{[11, 12, 13, 14, 15]}，缺乏关于KOA患者膝关节周围肌肉改变的研究。本研究应用T2 mapping技术评价膝关节周围肌肉改变，同时分析KOA患者膝关节WORMS与各个肌肉T2值改变的相关性，探讨KOA患者膝关节肌肉T2值改变的潜在机制。

3.1 KOA患者膝关节周围肌肉T2值变化的原因分析

       骨骼肌纤维包括Ⅰ型肌纤维和Ⅱ型肌纤维。依据组织染色模式、收缩时间和抗疲劳方面的差异，Ⅰ型肌纤维又称为慢收缩肌纤维，Ⅱ型肌纤维又称为快收缩肌纤维。Ⅰ型肌纤维的T2值较Ⅱ型肌纤维T2值高，骨骼肌整体的T2值与骨骼肌中肌纤维构成比例存在相关性^[16]。FINK等^[17]通过穿刺KOA患者股内肌并对KOA患者骨骼肌的改变进行组织学分析，结果显示KOA患者肌纤维呈选择性Ⅱ型肌纤维萎缩，同时可见肌肉内脂肪浸润。本研究显示KOA组膝关节周围各肌肉T2值较对照组均明显延长，同时缝匠肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头T2值与膝关节WORMS呈正相关，肌纤维萎缩和脂肪浸润为影响T2值的重要因素。因此我们推测肌纤维萎缩和脂肪浸润可能是导致KOA患者膝关节周围肌肉T2值延长的原因；同时随着KOA严重程度的增加，肌纤维萎缩和脂肪浸润可能进一步加剧。

3.2 肌纤维萎缩对于KOA患者肌肉T2值的影响

       KOA患者股内侧肌呈选择性Ⅱ型肌纤维萎缩^[17]，其导致肌细胞外间隙增宽，肌细胞外间隙积液增多，其T2值较肌纤维细胞延长约4倍，导致骨骼肌整体T2值延长^[18]。然而不同骨骼肌的肌纤维类型组成比例不同，因此Ⅱ型肌纤维萎缩对肌肉T2值影响大小不同。富含Ⅱ型肌纤维的骨骼肌，随着Ⅱ型肌纤维萎缩，T2值延长比较明显；而富含Ⅰ型肌纤维的骨骼肌，由于Ⅱ型肌纤维所占比例低，其萎缩可能不会导致骨骼肌T2值的显著改变，同时这也意味着该肌肉的萎缩可能不明显^[19]。既往研究证实^{[20, 21]}，股四头肌（股内侧肌）萎缩与KOA进展呈显著相关性。目前并无文献报道膝关节周围肌肉T2值与KOA严重程度的相关性研究。KOA以累及内侧间室型最常见，患者常存在不同程度的膝内翻。本研究中缝匠肌、半膜肌、腓肠肌内侧头、股内侧肌T2值延长，均为膝关节内侧肌群，可能与膝内翻导致下肢生物力学改变有关。股内侧肌、缝匠肌为稳定髌骨关节的重要结构。膝关节发生膝内翻时，股内侧肌与缝匠肌向内侧牵拉髌骨，起到稳定髌骨关节的作用^{[22, 23]}。膝内翻加重伴随着膝关节疼痛加剧，导致股内侧肌、缝匠肌进一步萎缩。股内侧肌、缝匠肌萎缩导致髌骨关节不稳，从而导致髌骨关节炎的发生、进展。我们推测相对于膝关节周围肌肉体积改变，T2值可能更早期、敏感地检测KOA膝关节周围肌肉内部结构的改变。

3.3 脂肪浸润对于KOA患者膝关节周围肌肉T2值的影响

       另外，骨骼肌T2值还受到脂质信号影响。脂质结构中的亚甲基氢质子的T2弛豫时间约为150 ms，水分子的氢质子T2弛豫时间约为25～30 ms，骨骼肌内脂质沉积具有延长T2弛豫时间的作用，导致骨骼肌的整体T2弛豫时间延长^{[6, 24]}。在杜氏肌营养不良以及肩袖损伤的肌肉评估中，骨骼肌T2值与肌肉内脂肪含量均显示正相关^{[6, 25, 26]},证实了T2值可作为一种可靠骨骼肌脂肪定量技术。既往研究^{[21, 27, 28]}显示KOA患者股四头肌及股内侧肌脂肪含量与膝关节WORMS、关节软骨病变及骨髓水肿呈显著相关。健康人通过减重降低股内侧肌脂肪含量后，胫骨及髌骨内侧关节软骨丢失减少^[29]。同时，KOA患者骨性关节炎进展与腓肠肌和小腿肌肉内脂肪浸润增加存在相关性，且小腿肌肉中腓肠肌脂肪浸润明显^[30]。本研究显示KOA组膝关节周围各肌肉T2值较对照组均明显延长，股内侧肌、缝匠肌、半膜肌及腓肠肌内侧头T2值随着WOMRS评分升高而延长，并且与关节软骨及骨髓水肿评分呈正相关。因此我们推测肌肉内脂肪含量增加是导致KOA患者膝关节周围肌肉T2值延长的原因之一。

       然而，HATAKENAKA等^[18]研究中发现兔腓肠肌内的脂肪含量与骨骼肌T2值无相关性。SAKURAI等^[31]研究发现Ⅰ型肌纤维为主的胫骨前肌T2值与肌肉脂质含量呈正相关；而Ⅱ型肌纤维为主的比目鱼肌T2值与肌肉内脂肪含量无显著相关性。有研究^[32]指出肌肉中脂肪积累主要通过两种途径：一种途径是肌纤维细胞内的脂质积累，称为肌内脂肪；另一个途径是骨骼肌纤维间脂肪细胞的积累，存在于肌纤维及肌束之间，称为肌间脂肪。不同肌纤维细胞的肌内脂肪积累是不均匀的。Ⅰ型肌纤维是氧化磷酸化慢收缩纤维，肌细胞内含有较多的脂质和线粒体。相比之下，Ⅱ型肌纤维是糖酵解快速收缩纤维，肌内脂质含量低，有氧能力低。随着肌肉功能的衰退，Ⅰ型肌纤维比Ⅱ型肌纤维积聚更多的肌内脂质^[33]。骨骼肌T2值与骨骼肌脂肪含量的关系可能与肌纤维构成比例有一定关系。

       骨骼肌脂肪浸润、萎缩、水肿、炎症均可影响其T2值，且其影响可能互相影响、掩盖。FS T2 mapping序列可将脂质对T2值的影响去除掉，但是，FS技术并不总是能抑制骨骼肌中存在的全部脂肪信号，并不能完全排除脂质信号对T2值的影响^[24]。本研究中，股内侧肌、缝匠肌、半膜肌及腓肠肌内侧头的T2值与KOA的WORMS呈正相关，且扫描序列未进行FS。因此我们推测KOA患者膝关节周围肌肉T2值延长可能是肌纤维萎缩与脂质沉积共同影响的结果。腓肠肌外侧头、股二头肌T2值与KOA患者膝关节WORMS无相关性，其可能原因包括：（1）随着KOA的进展，肌纤维萎缩、脂质沉积不明显；（2）肌纤维构成比例不同，可能影响T2值对肌纤维萎缩和脂质沉积的检测；（3）本研究样本量较小，进一步大样本研究可能发现更多证据及相关性。

3.4 局限性

       本研究存在以下不足：（1）由于图像采集问题，未对膝关节其他肌肉，如股直肌、股中间肌和股外侧肌进行测量；（2）由于扫描范围的限制，本研究仅采集各肌肉近止点位置的T2值，各肌肉不同区域的T2值的差异尚需进一步研究；（3）本研究样本量较小，进一步大样本队列研究可能会得到更多肌肉改变与KOA进展的证据；（4）KOA患者膝关节周围肌肉脂肪含量与T2值及WORMS的关系尚需肌肉脂肪定量技术联合T2 mapping技术进一步证实，我们将在后续研究中探究。

4 结论

       综上所述，磁共振T2 mapping技术可以敏感、定量评估KOA患者膝关节周围肌肉改变，随着KOA严重程度的增加，部分肌肉T2值升高。骨骼肌T2值可作为反映KOA患者骨骼肌内部结构、成分改变的敏感指标。