全膝关节置换前股四头肌超声定量分析对置换后慢性疼痛的预测价值

doi:10.12307/2023.900

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (9): 1388-1393.doi: 10.12307/2023.900

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全膝关节置换前股四头肌超声定量分析对置换后慢性疼痛的预测价值

李孝强1，陈唯1，李明樾1，单天驰1，申文2

徐州医科大学附属医院，1麻醉科，2疼痛科，江苏省徐州市 221000

收稿日期:2022-12-10 接受日期:2023-01-29 出版日期:2024-03-28 发布日期:2023-07-25
通讯作者: 申文，主任医师，教授，徐州医科大学附属医院疼痛科，江苏省徐州市 221000
作者简介:李孝强，男，1997年生，江苏省徐州市人，汉族，徐州医科大学麻醉学在读硕士，医师，主要从事急慢性疼痛的基础与临床研究。
基金资助:
江苏省高校自然科学研究重大项目(16KJA320002)，项目负责人：申文；徐州市重点研发计划(社会发展)-医药卫生面上项目(KC22235)，项目负责人：申文

Value of preoperative quantitative ultrasound analysis of quadriceps femoris in predicting chronic post-surgical pain after total knee arthroplasty

Li Xiaoqiang1, Chen Wei1, Li Mingyue1, Shan Tianchi1, Shen Wen2

1Department of Anesthesiology, 2Department of Pain, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China

Received:2022-12-10 Accepted:2023-01-29 Online:2024-03-28 Published:2023-07-25
Contact: Shen Wen, Chief physician, Professor, Department of Pain, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China
About author:Li Xiaoqiang, Master candidate, Physician, Department of Anesthesiology, Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China
Supported by:
Major Natural Science Research Project in Jiangsu Universities, No. 16KJA320002 (to SW); Xuzhou Key Research and Development Plan (Social Development) - General Medical and Health Project, No. KC22235 (to SW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

超声定量分析：是指在肌肉超声图像上获取结构性指标，如肌肉厚度、回声强度、羽状角、肌纤维长度等，通过指标可以反映肌肉形态变化，还可间接反映肌肉功能状态。
术后慢性疼痛：国际疼痛协会将术后慢性疼痛定义为术后持续时间超过3个月的疼痛状态，同时需要排除感染、恶性肿瘤等原因引起的疼痛。

背景：全膝关节置换是治疗终末期膝骨关节炎的有效手段之一，但术后仍有一部分患者经历着慢性疼痛的折磨，寻找术后慢性疼痛发生的影响因素意义重大。人口学因素、社会心理因素和围术期疼痛是以往研究的重点，然而与膝骨关节炎发生发展密切相关的肌肉因素，却鲜有研究报道。

目的：评估置换前股四头肌超声定量分析预测全膝关节置换后慢性疼痛的价值。
方法：选择2022年1-8月于徐州医科大学附属医院择期全麻下行首次单侧全膝关节置换的膝骨关节炎患者250例，所有患者麻醉方法和手术方式相同。于置换前收集患者一般资料，并使用超声测量患者术侧股四头肌的厚度和回声强度，以此量化肌肉萎缩程度。采用多因素Logistic回归分析置换后慢性疼痛发生的独立影响因素，并用受试者工作特征曲线评估预测价值。
结果与结论：①250例受试者进入结果分析，其中91例发生术后慢性疼痛，发生率为36.4%；②慢性疼痛组及非慢性疼痛组患者的置换前运动时疼痛评分、骨关节炎指数评分、焦虑抑郁量表评分、股四头肌厚度、回声强度及置换后急性疼痛评分相比，差异有显著性意义

(P < 0.05)；③多因素回归分析显示，置换前股四头肌厚度是置换后慢性疼痛发生的独立保护因素，置换前运动时膝关节疼痛评分是置换后慢性疼痛发生的独立危险因素；④受试者工作特征曲线分析示，置换前股四头肌厚度的曲线下面积为0.625(95%CI：0.555-0.695)，临界值为2.78 cm，敏感性为0.802，特异性为0.415；⑤结果显示，膝骨关节炎患者全膝关节置换前股四头肌厚度是置换后慢性疼痛发生的独立保护因素，但其预测效能低，在临床应用中仍有待进一步验证或改良。

https://orcid.org/0000-0001-5888-8776 (李孝强)；https://orcid.org/0000-0001-6540-7424 (申文)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 股四头肌, 超声, 定量分析技术, 全膝关节置换, 术后慢性疼痛

Abstract: BACKGROUND: Total knee arthroplasty is one of the effective methods to treat end-stage knee osteoarthritis. However, some patients still experience chronic post-surgical pain. It is significant to find out the influencing factors of chronic post-surgical pain. Demographic factors, social psychological factors and perioperative pain were the focus of previous studies, but muscle factors closely related to the occurrence and development of knee osteoarthritis were rarely reported.
OBJECTIVE: To evaluate the value of preoperative quantitative ultrasound analysis of quadriceps femoris in predicting chronic post-surgical pain after total knee arthroplasty.
METHODS: A total of 250 patients with knee osteoarthritis who underwent the first unilateral total knee arthroplasty under elective general anesthesia from January to August 2022 in the Affiliated Hospital of Xuzhou Medical University were selected. All patients were treated with the same anesthesia and operative methods. Before the surgery, clinical data were recorded, and the thickness and echo intensity of quadriceps femoris on the operated side were measured by ultrasound imaging, which could quantify the degree of quadriceps femoris atrophy. Multivariate logistic regression was used to analyze the independent factors affecting the occurrence of chronic post-surgical pain, and receiver operating characteristic curves were used to evaluate its predictive value.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) 250 subjects were involved in the result analysis, and 91 of them had chronic post-surgical pain, with an incidence of 36.4%. (2) There were significant differences between the chronic pain and non-chronic pain groups in preoperative pain score during movement, preoperative Western Ontario and McMaster University Osteoarthritis Index, preoperative anxiety and depression scale score, preoperative muscle thickness and echo intensity of quadriceps femoris, and postoperative acute pain score (P < 0.05). (3) Multivariate logistic regression analysis showed that preoperative thickness of quadriceps femoris was an independent protective factor for chronic post-surgical pain and preoperative pain score during movement was an independent risk factor for chronic post-surgical pain. (4) Receiver operating characteristic curves showed that the area under the curve of the preoperative thickness of quadriceps femoris was 0.625 (95%CI: 0.555-0.695), and the critical value was 2.78 cm, sensitivity was 0.802, specificity was 0.415. (5) It is concluded that the preoperative thickness of quadriceps femoris is an independent protective factor for chronic post-surgical pain, but its predictive efficacy is low, and its clinical application needs to be further verified or modified.

Key words: quadriceps femoris, ultrasound, quantitative analysis technique, total knee arthroplasty, chronic post-surgical pain

中图分类号:

李孝强, 陈唯, 李明樾, 单天驰, 申文. 全膝关节置换前股四头肌超声定量分析对置换后慢性疼痛的预测价值[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(9): 1388-1393.

Li Xiaoqiang, Chen Wei, Li Mingyue, Shan Tianchi, Shen Wen. Value of preoperative quantitative ultrasound analysis of quadriceps femoris in predicting chronic post-surgical pain after total knee arthroplasty[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(9): 1388-1393.

图/表（结果） 5

2.1 参与者数量分析 2例受试者术后发生切口感染，10例受试者失访，最终纳入250例受试者进入结果分析。其中91例发生术后慢性疼痛，发生率为36.4%。
2.2 试验分组流程图见图2。

2.3 受试者基本情况两组患者的年龄、性别、体质量指数、美国麻醉医师协会分级、膝骨关节炎病程、膝骨关节炎单双侧、手术部位、术侧膝关节Kellgren-Lawrence分级、术前静息时NRS评分、术前神经病理性疼痛量表评分、术前皮下脂肪厚度、手术时间、止血带时间、吸入七氟烷时间、丙泊酚用量、瑞芬太尼用量、镇痛泵使用率相比差异无显著性意义；而两组患者的术前运动时NRS评分、术前WOMAC骨关节炎指数评分、术前焦虑抑郁量表评分、术前股四头肌厚度和回声强度、术后急性疼痛评分相比差异有显著性意义(P < 0.05)，见表1。

2.4 两组患者术前股四头肌萎缩程度比较两组患者间性别、年龄、体质量指数、皮下脂肪厚度无显著性差异，因此股四头肌厚度和回声强度具有可比性。与非慢性疼痛组相比，慢性疼痛组术前股直肌和股中间肌的厚度明显降低、回声强度明显升高(P < 0.05)，见表2。

2.5 Logistic回归分析将单因素分析中P < 0.1的指标(性别、术前运动时NRS评分、术前WOMAC骨关节炎指数评分、术前焦虑抑郁量表评分、术前股四头肌厚度和回声强度、术前皮下脂肪厚度、术后急性疼痛评分)和可能对术后慢性疼痛发生有潜在影响的指标(体质量指数)纳入到多因素Logistic回归分析，结果示术前股四头肌厚度(OR=0.481，95%CI：0.257-0.902)是术后慢性疼痛发生的独立保护因素，术前运动时NRS评分(OR=1.440，95%CI：1.105-1.877)是术后慢性疼痛发生的独立危险因素，见表3。

2.6 预测术后慢性疼痛绘制受试者工作特征曲线，并计算曲线下面积：术前股四头肌厚度的曲线下面积为0.625(95%CI：0.555-0.695)；术前运动时NRS评分的曲线下面积为0.710(95%CI：0.646-0.774)。Youden指数最大时，术前股四头肌厚度的临界值为2.78 cm，敏感性为0.802，特异性为0.415。见图3。

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引言

材料方法

1.1 设计前瞻性队列研究，组间比较采用独立样本t检验、非参数检验(Mann-Whitney U)、χ2检验或Fisher确切概率法。
1.2 时间及地点试验于2022年1-11月在徐州医科大学附属医院完成。
1.3 对象 2022年1-8月初步筛选出在徐州医科大学附属医院拟行择期全麻下首次单侧TKA的膝骨关节炎患者313例，根据纳排标准排除48例患者，有3例患者拒绝行股四头肌超声检查，共262例患者签署知情同意书参与试验。此次研究通过医院伦理委员会批准(XYFY2022-KL088-01)，并在中国临床试验注册中心注册(ChiCTR2200057088)。
纳入标准：①符合膝骨关节炎诊断标准；②年龄50-75岁；③体质量指数18.5-30 kg/m2；④美国麻醉医师协会分级 Ⅰ-Ⅲ级；⑤择期全麻下行首次单侧TKA。
排除标准：①既往膝关节创伤史、手术史；②有风湿免疫系统疾病；③有神经肌肉疾病或精神疾病；④术前合并严重心、脑、肺、肝、肾疾病；⑤其他慢性疼痛病史；⑥无法理解或配合完成相关量表；⑦拒绝签署知情同意书；⑧同时参与其他临床试验。
剔除标准：①麻醉方式更改为椎管内麻醉；②术中出现严重意外情况；③术后出现并发症；④患者要求退出试验；⑤无法完成随访；⑥随访期间接受其他手术。
1.4 方法
1.4.1 麻醉与手术患者入手术室后开放静脉通路，监测心电图、心率、脉搏血氧饱和度、有创动脉血压、脑电双频谱指数。麻醉诱导后行超声引导下股神经阻滞，局麻药配方：1%罗哌卡因10 mL(宜昌人福药业有限公司)，用生理盐水稀释到20 mL。吸入1%七氟烷(江苏恒瑞医药股份有限公司)、静脉泵注丙泊酚(扬子江药业集团有限公司)和瑞芬太尼(宜昌人福药业有限公司)进行麻醉维持。术中维持呼吸循环稳定、脑电双频谱指数为40-60。所有患者采用膝前正中切口内侧髌旁入路行TKA，均未进行髌骨置换。术中常规使用自动气压止血带，压力设为50 kPa，切皮前1 min上止血带，手术包扎结束后松止血带。患者自愿选择是否使用静脉镇痛泵，术毕连接镇痛泵。
1.4.2 观察指标收集患者的一般资料，包括年龄、性别、体质量指数、美国麻醉医师协会分级、膝骨关节炎病程、膝骨关节炎单双侧、手术部位、术侧膝关节Kellgren-Lawrence分级。术前评估患者术侧膝关节静息和运动时的疼痛程度、躯体功能受限程度、焦虑抑郁程度、神经病理性疼痛情况、手术侧股四头肌厚度和回声强度以及皮下脂肪厚度。
采用疼痛数字评分法(numeric rating scale，NRS)评估患者疼痛程度，NRS量表是用0-10这11个数字代表不同的疼痛程度，0分为无痛，1-3分为轻度疼痛，4-6分为中度疼痛，7-9分为重度疼痛，10分为剧烈疼痛。
采用西安大略和麦克马斯特大学(Western Ontario and McMaster University，WOMAC)骨关节炎指数评估患者躯体功能受限程度[10]，该量表由疼痛、僵直、关节功能3个部分共24个问题组成，每题0-4分，总分0-96分，评分越高，功能受限越严重。
采用医院焦虑抑郁量表评估患者焦虑抑郁程度，该量表由焦虑、抑郁两部分组成，每部分7个问题，每题0-3分，评分越高，患者焦虑抑郁情绪越严重。
采用ID-PAIN量表评估患者神经病理性疼痛情况，该量表包含6个问题，其中5个关于感觉描述(每项正向计1分)，1个关于疼痛部位(反向计1分)，总分-1-5分，4-5分高度考虑患神经病理性疼痛。
采用超声测量股直肌和股中间的厚度和回声强度以量化患者股四头肌萎缩程度，肌肉厚度降低代表肌纤维数量减少，肌肉回声强度升高代表肌肉脂肪浸润度增加[11]。
术中收集手术时间、止血带时间、吸入七氟烷时间、丙泊酚用药量、瑞芬太尼用药量、有无使用镇痛泵。术后第1天，使用NRS评估患者过去24 h内疼痛的平均程度，作为术后急性疼痛评分[12]。术后3个月时记录患者术侧膝关节静息和运动时的NRS评分。
1.4.3 结局指标术后慢性疼痛阳性定义为术后3个月时术侧膝关节静息或(和)运动时NRS评分> 3分，术后慢性疼痛阴性定义为术后3个月时术侧膝关节静息和运动时NRS评分≤3分[13]。

1.4.4 超声成像与测量采用Venue50超声诊断仪(GE Healthcare)，探头选择12L-SC高频线阵探头，选择“MSK”模式，并调整以下参数[14-15]：频率10 MHz，增益70 dB，深度6 cm，单焦点固定在图像顶端，其他参数保持不变。所有患者安静平躺15 min，超声探头表面充分均匀涂上耦合剂，垂直轻放在皮肤表面。于术侧股骨大转子与股骨外侧髁连线的中点水平采集股直肌和股中间肌的超声图像[9]。使用Image J软件(版本1.53c，美国国立卫生研究院)处理超声图像，测量前把所有图像灰阶设为8bit[16]。肌肉厚度是指肌肉两层筋膜间或肌筋膜-股骨间的距离，皮下脂肪厚度是指真皮与脂肪交界面至肌肉筋膜间的距离。使用Image J矩形选框工具尽可能选取最大感兴趣区[15]，肌肉横截面内最大感兴趣区的平均灰度值即肌肉回声强度，见图1。此次研究测量肌肉厚度、回声强度和皮下脂肪厚度所采用的方法具有较好的重复性和一致性[17]。参考以往研究设计[8，18]，此次研究将股直肌和股中间肌厚度总和记为股四头肌厚度，股直肌和股中间肌回声强度的平均值记为股四头肌回声强度。考虑到皮下脂肪厚度会对回声强度产生影响[19]，因此将股直肌表面的皮下脂肪厚度纳入统计分析。

1.4.5 样本量计算根据变量平均事件发生数进行样本量计算，此次研究多因素Logistic回归最终纳入9个指标，变量平均事件发生数取10，则需要90例患者发生术后慢性疼痛，此次研究中术后慢性疼痛阳性患者91例，因而此次研究样本量符合要求。
1.5 主要观察指标比较两组患者一般资料、术前量表评分以及股四头肌超声指标后得出膝骨关节炎患者全膝关节置换后慢性疼痛的独立影响因素，绘制受试者工作特征曲线评估独立影响因素的预测效能。
1.6 统计学分析采用SPSS 26.0进行数据分析。计量资料首先使用Shapiro-Wilk法检验其正态性，正态分布的计量资料采用x±s表示，两组间比较采用独立样本t检验，不符合正态分布的计量资料采用中位数M(P25, P75)表示，两组间采用非参数检验(Mann-Whitney U)。计数资料以例(%)表示，两组间比较采用χ2检验或Fisher确切概率法。将单因素分析中P < 0.1的指标和可能对术后慢性疼痛有潜在影响的临床指标纳入多因素Logistic回归分析。通过受试者工作特征曲线进行敏感性、特异性分析，并计算临界值。P < 0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经通过徐州医科大学统计学专家审核。

讨论

股四头肌是参与膝关节运动的重要肌群之一，除负责伸膝活动外还可缓解运动对膝关节的冲击力[20]。膝骨关节炎患者常因疼痛而减少活动量，同时关节内炎症、结构损伤等病变可引起关节源性肌肉抑制[21]，这都会导致股四头肌萎缩，进而引起膝关节运动负荷增加，加快关节软骨的磨损，影响功能活动的同时使膝骨关节炎进一步恶化[22]，以致于患者最终需要接受TKA手术治疗，由此可见股四头肌萎缩与膝骨关节炎病情进展密切相关。近年来研究表明膝骨关节炎患者术前躯体功能与TKA术后术后慢性疼痛密切相关[6，23]，另有研究证实膝骨关节炎患者股四头肌萎缩是躯体功能减退的原因之一[8，24]，因而此次研究推测术前股四头肌萎缩程度与术后慢性疼痛存在相关性。
临床上股四头肌萎缩程度的评估方法一直存在争议，采用影像学指标进行定量分析是近些年的研究热点[25-26]，常用的影像学技术有超声、MRI和CT，其中超声与MRI、CT相比具有无辐射、经济实惠、操作简便、准确性好、一致性高等优点[19]。膝骨关节炎患者股四头肌萎缩体现在肌量减少和肌质下降两方面[27]：肌量减少是指肌纤维数量减少，在超声上表现为肌肉厚度降低；肌质下降是指肌肉脂肪浸润度增加，在超声上表现为肌肉回声强度升高。
此次研究单因素分析结果显示，慢性疼痛组患者术前股四头肌的肌量和肌质均劣于非慢性疼痛组患者，慢性疼痛组患者术前股四头肌萎缩更严重；多因素回归分析结果显示，术前股四头肌厚度是术后慢性疼痛发生的独立保护因素，而术前股四头肌回声强度与术后慢性疼痛之间无相关性。此次研究认为术前股四头肌萎缩程度影响术后慢性疼痛发生的潜在机制是：TKA手术仅能针对磨损的关节面进行置换，并不会直接逆转股四头肌萎缩，术前存在的股四头肌萎缩严重影响了患者术后下肢活动能力恢复和下肢稳定性，可能会引起髌股关节应力异常，刺激髌骨周围感受器，增加伤害性疼痛传入，导致术后膝关节疼痛[28-29]；对于术前股四头肌萎缩越严重的患者，其术后下肢功能恢复越缓慢，髌股关节生物力学机制越有可能发生变化，引起术后膝关节疼痛缓解不佳，导致术后慢性疼痛发生。KITSUDA等[30]研究发现，TKA术后股直肌厚度与关节活动度、最大等长伸膝肌力、30 s座椅站立测试、3 m起立行走测试密切相关，而股直肌回声强度与以上测试结果无显著相关性，这提示股四头肌厚度比回声强度对术后下肢功能康复的影响更大，这也在一定程度上解释了术前股四头肌回声强度与术后慢性疼痛之间无相关性的原因，具体原因仍需要进一步研究。
受试者工作特征曲线分析示术前股四头肌厚度预测术后慢性疼痛发生的特异性低，原因可能是有其他因素影响其变化，如营养状况、卧床时间等[31-33]。既往有研究发现收治入ICU的患者股四头肌厚度呈逐渐下降趋势，在最初7 d内股直肌和股中间肌厚度下降约14.5%，高于胫骨前肌 9.1%的下降幅度，提示短期内卧床合并营养不足时下肢肌肉会出现明显萎缩，且以大腿前方的股四头肌为著[34]。终末期膝骨关节炎患者常伴有焦虑、抑郁、疼痛灾难化等心理特征变化，部分患者因疼痛恐惧或跌倒恐惧从而避免行走，卧床时间相对增多，还有部分患者术前伴有明显紧张焦虑，导致食欲缺乏，营养摄入减少，这均会加重术前股四头肌厚度下降[35]。除此以外，患者出院后康复训练存在差异性，这可能也是造成术前股四头肌厚度预测特异性低的原因。此次研究结果表明术前股四头肌厚度可在一定程度上预测术后慢性疼痛发生，但单独预测效能差，需要与其他独立影响因素联合预测。
此次研究发现术前运动时膝关节疼痛程度是术后慢性疼痛的危险因素，这与既往研究结果一致[6，36]。这一研究再次强调了术前评估患者运动时疼痛程度的必要性，因为相比于静息时疼痛程度，术前运动时膝关节疼痛程度与术后慢性疼痛的相关性可能更强[7]。此次研究单因素分析结果显示，慢性疼痛组患者术前骨关节炎指数评分、焦虑抑郁量表评分以及术后急性疼痛评分均较非慢性疼痛组明显升高，表明术前存在更严重的功能受限和焦虑抑郁情绪，术后存在更严重的急性疼痛。但在多因素回归分析中这些指标均被排除，这可能是因为骨关节炎指数评分受疼痛、功能状况和情绪等因素影响，并不能准确评价躯体功能情况[37]；以及仅凭术后单日急性疼痛程度可能不足以预测术后慢性疼痛发生[38]；此次研究结果显示术前焦虑抑郁情绪不是术后慢性疼痛的危险因素，虽然既往有研究得出相似结果[39-40]，但其对术后慢性疼痛的影响已被证实，临床上应重视术前存在焦虑抑郁的患者，并及时进行心理干预，以减少术后慢性疼痛发生[41-42]。
此次研究仍有一些不足之处：第一，对年龄、体质量指数进行限制，研究结果不能推广到高龄或肥胖膝骨关节炎患者，且股四头肌厚度的临界值不具有普适性；第二，此次研究未测量股外侧肌和股内侧肌，后续研究应对股四头肌进行全面评估；第三，此次研究仅随访了患者术后3个月时静息和运动时的NRS评分，并未对疼痛性质和功能状况进行评估，不能准确反映术后疼痛类型及躯体功能活动的变化。
综上所述，膝骨关节炎患者TKA术前股四头肌萎缩程度与术后慢性疼痛发生相关，置换前股四头肌厚度越大，术后慢性疼痛发生风险越低。TKA术前股四头肌厚度可用于预测术后慢性疼痛发生，但预测效能较低，在临床应用中仍有待进一步验证或改良。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

全膝关节置换前股四头肌超声定量分析对置换后慢性疼痛的预测价值

Value of preoperative quantitative ultrasound analysis of quadriceps femoris in predicting chronic post-surgical pain after total knee arthroplasty

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