青少年BMI与运动参与对髌骨和股骨三维形态发育的影响研究

《Journal of Orthopaedic Research》：Patellar and Femoral Bone Morphology Is Associated With Overweight and Sports Participation in Young Adolescents

本研究通过三维统计形状建模（SSM）分析1912名13岁青少年的膝关节MRI数据，首次在健康人群中揭示体重指数（BMI）与髌骨（9个形态模式）、股骨（9个形态模式）形态变异显著相关，运动参与则分别影响1个髌骨模式和3个股骨模式。结果强调青春期力学负荷对骨骼形态塑造的关键作用，为青少年肌肉骨骼健康及损伤预防提供重要影像学证据。

　　

引言

骨骼具有响应力学负荷的适应能力。青春期前骨骼对负荷更敏感，此阶段过度负荷可能导致骨骼形态改变。青春期特有的肌肉骨骼疾病如奥斯古德-施拉特病（OSD）、辛丁-拉森-约翰逊综合征（SLJS）和髌股疼痛（PFP）的发生与骨骼发育关系密切。与传统二维参数相比，三维统计形状建模（SSM）能更全面捕捉关节复杂形态特征。目前针对健康青少年髌股关节（PFJ）三维形态的研究尚属空白，而青少年时期高强度运动及肥胖可能通过力学负荷影响骨骼形态发育。

研究方法

研究人群来自Generation R出生队列研究，纳入1912名13岁接受膝关节3.0T MRI检查的青少年。采用多图集配准与随机森林分类器相结合的自动分割算法获取髌骨和股骨三维模型，经视觉校验后最终纳入3638个髌骨样本和3355个股骨样本。通过主成分分析（PCA）分别建立髌骨和股骨的统计形状模型，保留解释>1%形态变异的形状模式（髌骨11个/股骨14个）。采用广义估计方程（GEE）分析BMI标准化评分（BMI-SDS）、运动参与（9岁/13岁时间点）等负荷指标与形状模式的关联，并进行Bonferroni多重检验校正。

研究结果

髌骨形态模式1（44.4%变异）和股骨模式1（48.1%变异）均主要反映尺寸变化，且与身高相关。BMI-SDS与9个髌骨模式（1-7、10、11）和9个股骨模式（1-3、6-10、14）显著相关（p<0.0045/0.0036）。具体表现为：髌骨背侧凸起厚度（模式6）、滑车沟深度（股骨模式10）等关键形态特征随BMI增加而改变。13岁运动参与仅与髌骨模式1（β=-0.308）及股骨模式1（β=-0.279）、模式6（β=-0.177）相关，提示运动主要影响骨骼尺寸大小及股骨髁屈曲角度。持续运动参与（9岁和13岁）与股骨模式12（外侧髁与骨干过渡区凹度）关联显著（β=0.141），表明长期负荷可能塑造特定骨形态特征。

讨论

本研究首次在健康青少年群体中建立髌股关节三维形态图谱。BMI对骨骼形态的影响远大于运动参与，可能因体重负荷在日常活动中持续存在，而运动问卷数据粒度较粗。与髋关节凸轮畸形研究相呼应，股骨模式12的发现提示青春期长期力学负荷可能逐步塑造骨骼形态。与既往骨关节炎（OA）患者研究对比，本研究发现髌骨背侧凸起增厚（模式6）与滑车沟变浅（股骨模式10）等形态组合可能增加关节应力，这些特征在成人研究中已被证实与髌股关节退变相关。

结论

青春期BMI和运动参与通过力学负荷机制显著影响髌骨和股骨三维形态发育，其中BMI的主导作用尤为突出。这些形态变异可能成为未来膝关节疾病发展的生物力学标志，为青少年肌肉骨骼健康干预提供新靶点。