王欣 王坤 鮑正遠(yuǎn) 張?chǎng)?蔣青 張冰，

骨性關(guān)節(jié)炎以關(guān)節(jié)軟骨退行性變和繼發(fā)性骨質(zhì)增生為特征，以骨性膝關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis,KOA）最為常見[1]，癥狀包括關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、僵硬、運(yùn)動(dòng)受限和功能喪失。截至2016年，KOA已導(dǎo)致世界上1 630萬（3.0%）人的殘疾[2]。人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasties,TKA）是近年臨床常用的治療KOA的手術(shù)方法，可以有效緩解病人的關(guān)節(jié)疼痛并改善膝關(guān)節(jié)功能，常應(yīng)用于因KOA影響生活質(zhì)量而保守治療無效的病人[3]。然而，有6%~10%的病人在TKA術(shù)后發(fā)生持續(xù)至少3個(gè)月的中至重度疼痛，隨著進(jìn)行TKA手術(shù)病人的逐年增加，慢性術(shù)后疼痛的問題也逐漸受到關(guān)注[4-5]。慢性疼痛本身會(huì)改變大腦環(huán)路，導(dǎo)致疼痛的中樞敏化與傳導(dǎo)易化，而內(nèi)源性疼痛抑制系統(tǒng)有效性的降低使得對(duì)疼痛的控制更加困難，這與術(shù)后慢性疼痛密不可分[6-7]。

靜息態(tài)功能MRI（rest-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）是一種無創(chuàng)、客觀的成像技術(shù)，可檢測(cè)腦自發(fā)的神經(jīng)元活動(dòng)，通過功能連接及有效連接的分析，探討大腦中存在的自發(fā)功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本研究旨在運(yùn)用fMRI技術(shù)及格蘭杰因果關(guān)系分析（Granger causality analysis,GCA），探索KOA病人腦功能的改變與手術(shù)前后疼痛的相關(guān)性，為鑒別術(shù)后慢性疼痛高風(fēng)險(xiǎn)病人提供更多理論基礎(chǔ)，以便為其制定更好的圍手術(shù)期預(yù)防策略。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 前瞻性招募2016年12月—2017年5月在南京鼓樓醫(yī)院骨科住院的KOA病人共20例，平均病程（8.3±5.5）年。病例納入標(biāo)準(zhǔn)：①KOA癥狀符合《骨關(guān)節(jié)炎診治指南》（2007版）診斷標(biāo)準(zhǔn)；②數(shù)字化成像掃描顯示中重度骨質(zhì)磨損（Ahlback分級(jí)Ⅳ~Ⅴ級(jí)）；③擬行單側(cè)TKA手術(shù)。招募年齡、性別及教育程度相匹配的正常志愿者共15名作為對(duì)照（normal control，NC）。病人及 NC 排除標(biāo)準(zhǔn)：①有精神疾病史、嚴(yán)重高血壓糖尿病等基礎(chǔ)性疾病、頭外傷或意識(shí)喪失史、合并心肝腎等器官嚴(yán)重功能損害、近期飲酒或服藥史；②有慢性軀體疼痛病史；③左利手及MRI檢查禁忌；④認(rèn)知障礙者及焦慮、抑郁者。剔除MRI掃描過程中頭動(dòng)較大的被試后（平動(dòng)大于1.5 mm或轉(zhuǎn)動(dòng)大于1.5°），最終納入18例KOA病人和14名NC。本研究獲得南京市鼓樓醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并獲得所有被試的知情同意。

1.2 臨床數(shù)據(jù)采集及神經(jīng)心理量表評(píng)分 收集所有被試的詳細(xì)臨床信息和身體測(cè)量特征，包括病史、飲酒吸煙習(xí)慣、體質(zhì)量指數(shù)（BMI）及休息狀態(tài)血壓等。采用簡(jiǎn)易智力狀態(tài)檢查量表（MMSE）和蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估（MoCA,北京版）檢測(cè)所有被試的認(rèn)知功能；以抑郁癥篩查量表（PHQ-9）和焦慮癥篩查量表（GAD-7）排除抑郁及焦慮的被試。KOA組被試在MRI掃描當(dāng)天（即TKA術(shù)前基線期）及術(shù)后3個(gè)月，以美國特種外科醫(yī)院膝關(guān)節(jié)評(píng)分（HSS）量表對(duì)膝關(guān)節(jié)功能情況進(jìn)行評(píng)分，以視覺模擬評(píng)分（VAS）對(duì)疼痛情況進(jìn)行評(píng)估。

1.3 數(shù)據(jù)采集 采用飛利浦Ingenia 3.0 T MRI設(shè)備及32通道頭線圈。所有被試均先行常規(guī)MRI序列檢查[T2WI、液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)（FLAIR）、擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）]以除外腦部疾病。采用高分辨率T1W 3D快速回波（3D-FFE）序列進(jìn)行結(jié)構(gòu)像3D T1WI掃描，用于空間結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)[（TR/TE=9.7 ms/4.6 ms；視野（FOV）=256 mm×256 mm×192 mm，體素1 mm×1 mm×1 mm，掃描時(shí)間402 s]。采用血氧水平依賴(BOLD)梯度回波（GRE）序列進(jìn)行rs-fMRI序列掃描（TR/TE=2 000 ms/30 ms；FOV=192 mm×192 mm×140 mm，體素 3 mm×3 mm×4 mm，掃描時(shí)間 374 s）。

1.4 fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析 采用DPABI_V2.3_170105[8]軟件對(duì)fMRI圖像進(jìn)行預(yù)處理，并獲得全腦低頻振幅（low frequency fluctuations,ALFF）[9]統(tǒng)計(jì)圖，進(jìn)行Z變換后獲得zALFF值可代表BOLD信號(hào)變化強(qiáng)度。選擇2組被試zALFF統(tǒng)計(jì)圖上存在顯著差異的腦區(qū)，以峰值點(diǎn)為中心，提取半徑為5 mm的興趣區(qū)（ROI）內(nèi)的時(shí)間序列進(jìn)行有效連接分析。采用REST1.8軟件的REST-GCA程序進(jìn)行基于殘差的GCA分析[10]，定義ROI內(nèi)平均時(shí)間序列為種子時(shí)間序列x（n），全腦每個(gè)體素的BOLD響應(yīng)時(shí)間序列為 y（n）。全腦逐體素計(jì)算 x（n）對(duì) y（n）和 y（n）對(duì)x（n）的線性影響，再將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化為Z分布，獲得每個(gè)ROI的Z變換格蘭杰因果關(guān)系值（ztransformed Granger causality,zGC），表示 ROI到全腦及全腦到ROI的有效連接，全腦模板選用Human Brainnetome Atlas模板[11]，包含41 423個(gè)體素。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 應(yīng)用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)數(shù)資料以例數(shù)表示，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。2組間計(jì)數(shù)資料比較采用卡方檢驗(yàn)，計(jì)量資料比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；病人手術(shù)前后評(píng)分比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)。采用DPABI軟件對(duì)2組的zALFF值及ROI與全腦體素水平的有效連接進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)及雙樣本t檢驗(yàn)，體素水平P<0.001，團(tuán)塊水平P<0.05，雙尾高斯隨機(jī)場(chǎng)（GRF）多重比較校正。提取KOA組有效連接異常腦區(qū)的峰值點(diǎn)周圍半徑5 mm范圍內(nèi)的平均zGC值，與術(shù)后3個(gè)月VAS評(píng)分做Pearson相關(guān)分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料比較 2組被試年齡、性別、受教育程度、吸煙及飲酒習(xí)慣、血壓、總體認(rèn)知評(píng)分、抑郁及焦慮評(píng)分等差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P>0.05），KOA組BMI高于NC組（P<0.05），詳見表1。

2.2 KOA組評(píng)分情況 KOA組病人TSA術(shù)后3個(gè)月較術(shù)前HSS評(píng)分提高（術(shù)前39.6±3.2，術(shù)后3個(gè)月 84.9±5.9，t=-28.143，P<0.001），VAS 評(píng)分降低（術(shù)前 5.5±1.7，術(shù)后 3 個(gè)月 2.7±1.0，t=-5.667，P<0.001）；治療后膝關(guān)節(jié)疼痛得到明顯改善,中度疼痛3例（VAS評(píng)分4~6分），輕度疼痛15例（VAS評(píng)分1~3分）。2.3 局部屬性分析 單樣本t檢驗(yàn)顯示，2組被試的內(nèi)側(cè)前額葉、扣帶回等腦區(qū)的zALFF值顯著高于全腦平均水平，與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)組成的腦區(qū)相一致；2組被試的雙樣本t檢驗(yàn)顯示，KOA組右側(cè)丘腦zALFF值顯著減低[體素大小 54，MNI坐標(biāo)（12，－12，9），t＝－6.311，體素水平 P<0.001，團(tuán)塊水平 P<0.05，GRF校正]，詳見圖 1。

2.4 有效連接分析 與NC組相比，KOA組右側(cè)丘腦對(duì)右側(cè)中央前回、中央后回、頂上小葉、楔前葉影響顯著增強(qiáng)，而右側(cè)丘腦受右側(cè)頂上小葉、楔前葉影響顯著減低（體素水平P<0.001，團(tuán)塊水平P<0.05，GRF 校正），詳見表 2、圖 2。

表1 2組病人資料和臨床評(píng)分比較

圖1 zALFF值t檢驗(yàn)結(jié)果圖（圖中色階代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)的t值）。A圖，對(duì)照組zALFF值高于全腦平均水平的區(qū)域；B圖，KOA組zALFF值高于全腦平均水平的區(qū)域；C圖，2組zALFF值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)（P<0.05，GRF校正）。

2.5 相關(guān)性分析 KOA病人的術(shù)后VAS評(píng)分（2.7±1.0）與右側(cè)丘腦和右側(cè)中央后回間的有效連接 zGC 值（0.5±1.2）呈正相關(guān)（r=0.624,P=0.006）；術(shù)前VAS評(píng)分（5.5±1.7）與右側(cè)楔前葉和右側(cè)丘腦間的有效連接zGC值（-0.7±0.5）呈負(fù)相關(guān)（r=-0.527,P=0.024）。右側(cè)丘腦與其余腦區(qū)間的異常有效連接和術(shù)前、術(shù)后VAS評(píng)分無相關(guān)性。

3 討論

本研究采用ALFF及GCA分析方法，對(duì)KOA病人TKA術(shù)前fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了KOA病人長(zhǎng)期慢性膝關(guān)節(jié)疼痛對(duì)靜息態(tài)腦功能的影響，重點(diǎn)關(guān)注了疼痛傳導(dǎo)通路內(nèi)有效連接的改變，并通過隨訪術(shù)后疼痛評(píng)分，探索腦內(nèi)有效連接的改變對(duì)術(shù)后疼痛感知的影響。本研究證實(shí)TKA手術(shù)明顯改善KOA病人關(guān)節(jié)功能，且明顯減輕疼痛感受，但術(shù)后3個(gè)月疼痛評(píng)估結(jié)果仍為輕到中度不等。KOA導(dǎo)致的長(zhǎng)期慢性疼痛會(huì)造成右側(cè)丘腦局部屬性zALFF值的改變，也導(dǎo)致丘腦與包括右側(cè)中央前回、中央后回、楔前葉、頂上小葉在內(nèi)的多個(gè)腦區(qū)間的雙向有效連接發(fā)生改變。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，部分腦區(qū)對(duì)右側(cè)丘腦的影響與TKA術(shù)前疼痛水平有關(guān)，而雙側(cè)丘腦對(duì)這些腦區(qū)的影響與術(shù)后病人的疼痛感知有關(guān)。

長(zhǎng)期慢性疼痛會(huì)導(dǎo)致腦功能的改變，以往對(duì)于KOA病人慢性疼痛的研究多使用任務(wù)態(tài)fMRI，發(fā)現(xiàn)KOA病人受到疼痛刺激時(shí)背外側(cè)前額葉激活增加[12]，而rs-fMRI研究更多關(guān)注腦區(qū)間功能連接的改變，用獨(dú)立成分分析發(fā)現(xiàn)KOA病人默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、顯著性網(wǎng)絡(luò)、中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部及網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接出現(xiàn)異常[13]。然而功能連接模型僅提供一種瞬時(shí)的、無方向的統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性，忽視了疼痛信息傳導(dǎo)通路內(nèi)有向的信息流動(dòng)。GCA分析方法基于原因先于效應(yīng)的時(shí)間概念，運(yùn)用多變量自回歸模型，將種子點(diǎn)內(nèi)體素的時(shí)間函數(shù)與腦內(nèi)所有其他體素進(jìn)行比較，為每個(gè)體素計(jì)算格蘭杰因果關(guān)系[13]，它提供了一種無需先驗(yàn)指定解剖網(wǎng)絡(luò)就可以檢測(cè)全腦有效連接的方法，可以揭示腦區(qū)之間潛在的動(dòng)力學(xué)過程。近期的研究[13]結(jié)合了功能連接及有效連接的分析方法，根據(jù)先驗(yàn)假設(shè)選取右側(cè)前腦島為主要關(guān)注對(duì)象，發(fā)現(xiàn)KOA病人中右側(cè)前腦島對(duì)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)面影響增加，證實(shí)了持續(xù)性疼痛可引起廣泛的網(wǎng)絡(luò)破壞。

表2 2組間右側(cè)丘腦ROI與全腦有效連接變化的腦區(qū)峰值、MNI坐標(biāo)及體素

圖2 2組被試zGC值t檢驗(yàn)結(jié)果圖及因果連接方向示意圖（圖中色階代表差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)的t值）。中圖，選擇2組被試右側(cè)丘腦（zALFF統(tǒng)計(jì)圖存在顯著差異的腦區(qū)）峰值點(diǎn)周圍半徑5 mm ROI；左圖，KOA組相較對(duì)照組全腦對(duì)ROI的有效連接減弱的腦區(qū)；右圖，KOA組相較對(duì)照組ROI對(duì)全腦的有效連接增強(qiáng)的腦區(qū)。

本研究發(fā)現(xiàn)丘腦zALFF存在組間差異，丘腦是腦內(nèi)疼痛傳導(dǎo)通路的重要樞紐，脊神經(jīng)節(jié)細(xì)胞接收的四肢的痛覺信息，經(jīng)過脊髓丘腦束上行，到達(dá)背側(cè)丘腦腹后外側(cè)核，再經(jīng)丘腦上輻射投射到中央后回、中央旁小葉后部。在以往的研究[14-16]中，丘腦的激活改變?cè)诠切允株P(guān)節(jié)炎、骨性髖關(guān)節(jié)炎及KOA病人中均有發(fā)現(xiàn)。在本研究中也發(fā)現(xiàn)了丘腦局部屬性zALFF值的改變，丘腦作為中樞疼痛處理的中心，在慢性疼痛期間適應(yīng)性腦網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中起到重要作用[17]，丘腦局部屬性的改變預(yù)示著疼痛適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的改變。

文獻(xiàn)[18]報(bào)道誘發(fā)性疼痛在KOA病人和正常參與者中具有相似的機(jī)制，但是自發(fā)性疼痛與疼痛敏化密切相關(guān)。疼痛敏化是慢性疼痛病人常見的表現(xiàn)，疼痛程度越高，對(duì)疼痛的敏感性也越高[19]，并會(huì)導(dǎo)致較差的治療預(yù)后，在KOA病人中疼痛敏化現(xiàn)象更為明顯。既往的任務(wù)態(tài)實(shí)驗(yàn)[20]發(fā)現(xiàn)體感皮質(zhì)的激活增強(qiáng)與痛覺敏化有關(guān)，而在本研究中則發(fā)現(xiàn)丘腦與中央后回及中央前回有效連接發(fā)生改變，初級(jí)體感皮質(zhì)正位于中央后回，且接收大部分的丘腦皮質(zhì)投射[21]，在靜息狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)的丘腦與中央后回間信息流通的改變可能是KOA病人中樞敏化導(dǎo)致自發(fā)疼痛的神經(jīng)基礎(chǔ)。運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)主要位于中央前回額葉區(qū)域，參與控制運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行，針對(duì)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的研究[22]發(fā)現(xiàn)，其激活位置及激活程度的差異與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)有關(guān)。而運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等治療技術(shù)可以改變運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)興奮性能力，并減輕疼痛和改善生理功能[23]。本研究中楔前葉對(duì)丘腦的影響改變及與術(shù)前疼痛評(píng)分的相關(guān)，楔前葉在以往的研究中被認(rèn)為與丘腦有高水平的結(jié)構(gòu)與功能連接[24]，并且該連接的損傷與意識(shí)的改變有關(guān)[25]。楔前葉是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，其背側(cè)區(qū)域與右側(cè)運(yùn)動(dòng)感覺區(qū)域、右側(cè)腦島等連接密切[26]。楔前葉與丘腦的有效連接改變僅在右側(cè)發(fā)現(xiàn)，可能由于研究中入組的病人左側(cè)KOA癥狀均較右側(cè)更嚴(yán)重，導(dǎo)致了腦內(nèi)功能改變的偏側(cè)性。運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)有效連接的改變情況能否作為術(shù)后運(yùn)動(dòng)及疼痛表現(xiàn)的預(yù)測(cè)因素，有待進(jìn)一步的研究。注意力對(duì)于疼痛的感知具有一定的調(diào)節(jié)功能，且這一下行調(diào)節(jié)系統(tǒng)起自頂上小葉[6]。本研究也發(fā)現(xiàn)了頂上小葉與丘腦間有效連接的減弱，可能與KOA病人注意力對(duì)疼痛感知的調(diào)節(jié)能力減弱有關(guān)。綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)KOA病人運(yùn)動(dòng)感覺皮質(zhì)及楔前葉與右側(cè)丘腦的有效連接存在異常，且與TKA手術(shù)前后疼痛感知相關(guān)，這說明術(shù)前對(duì)于慢性疼痛的控制十分必要。

本研究首次運(yùn)用格蘭杰因果分析研究KOA病人腦功能影像改變與TKA手術(shù)前后疼痛評(píng)分的關(guān)系，為探索病人術(shù)后疼痛預(yù)測(cè)指標(biāo)以及制定更好的圍手術(shù)期預(yù)防策略提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，但尚存在樣本量較小、缺乏影像學(xué)隨訪等局限性。今后可進(jìn)行大樣本量及縱向隨訪的研究來探索術(shù)前識(shí)別術(shù)后慢性疼痛高風(fēng)險(xiǎn)病人的方法。