基于CT三维骨形态与皮质骨图谱分析揭示膝骨关节炎的骨重塑模式及其临床意义

本研究针对膝骨关节炎（OA）患者，通过CT影像数据结合统计形状建模（SSM）与皮质骨图谱（CBM）技术，探索了股骨远端与胫骨近端的三维骨形态变化及其与放射学疾病严重程度（KLG分级）的关联。研究发现，特定骨形态模式（SM2）与KLG显著相关，且该模式与关节边缘皮质增厚及软骨下骨小梁衰减降低密切相关。这一多模态分析方法为理解OA结构性进展提供了新视角，对开发早期诊断生物标志物和靶向治疗策略具有重要意义。

　　

膝骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是一种常见的关节退行性疾病，不仅涉及软骨的磨损，还包括整个关节结构的改变，尤其是骨的重塑过程。尽管传统影像学方法如X线片能够通过Kellgren-Lawrence分级（KLG）评估OA的严重程度，但这些方法往往无法捕捉到早期的、细微的骨结构变化。近年来，随着影像学技术的进步，研究者开始探索三维骨形态分析在OA研究中的应用。然而，大多数研究依赖于磁共振成像（MRI），而计算机断层扫描（CT）在骨组织成像方面的优势尚未被充分挖掘。CT能够更清晰地显示骨结构，避免MRI可能出现的伪影，并提供标准化的Hounsfield单位（HU）测量，这对于量化骨密度和形态变化至关重要。

在此背景下，Camilla T. Nielsen及其团队开展了一项研究，旨在利用CT数据结合统计形状建模（Statistical Shape Modelling, SSM）和皮质骨图谱（Cortical Bone Mapping, CBM）技术，深入探索膝OA患者的骨形态变异及其与疾病严重程度的关系，同时分析这些形态变化与皮质厚度（Cortical Thickness, CTh）和软骨下骨小梁衰减（Endocortical Trabecular Attenuation, ECTA）的关联。该研究发表于《Orthopaedics》杂志，为理解OA的骨重塑机制提供了新的见解。

研究人员利用来自“Liraglutide 3 mg for Knee Osteoarthritis”（LOSEIT）试验的基线CT数据，纳入了133名轻度至中度膝OA（KLG 1-3）且超重（BMI ≥ 27 kg/m²）的患者。通过半自动分割技术从CT影像中提取股骨远端和胫骨近端的结构，并生成三角网格模型。随后，应用CBM算法测量每个顶点的皮质厚度和软骨下骨小梁衰减（ECTA）。SSM用于构建平均骨形态模型，并通过广义估计方程（Generalized Estimating Equations, GEE）分析骨形态模式与KLG的关联。统计参数映射（Statistical Parametric Mapping, SPM）则用于探究CTh和ECTA对骨形态的依赖性。

结果

Shape mode 2 (SM2) was significantly associated with KLG

通过GEE分析，研究发现只有形状模式2（SM2）与KLG显著相关（OR 1.43 per SD, 95%CI: 1.28-1.59, p<0.05）。随着KLG等级的增加，SM2表现为股骨髁间距离变窄、关节面面积增加以及边缘关节突出（类似于骨赘形成的“pie crust”外观）。胫骨方面，SM2显示胫骨平台边缘尖峰状增宽和关节面面积增加。这一形态变化与之前MRI研究中提出的B-score高度相似，强化了SM2作为OA相关形态特征的有效性。

ECTA was significantly dependent on SM2 across nearly all the femoral articular surface

SPM分析显示，ECTA对SM2有显著依赖性。在股骨关节面几乎全部区域，ECTA随SM2增加（向OA形态转变）而显著降低（每SD降低40 HU, p<0.05）。在胫骨后外侧平台区域，ECTA也显著降低（每SD降低20 HU, p<0.05）。这表明，在OA进展中，软骨下骨小梁的矿物质密度可能降低，反映了骨重塑过程中的去矿物质化现象。

For CTh, there were smaller areas of significant dependence on SM2 at the marginal articular region

皮质厚度（CTh）对SM2的依赖性较小，仅在某些边缘关节区域显著。在股骨外侧髁边缘区域，CTh随SM2增加而显著增厚（每SD增加0.2 mm, p<0.05）；在胫骨内侧平台边缘，CTh也显著增厚（每SD增加0.1 mm, p<0.05）。这些区域与骨赘形成的典型位置一致，提示CTh的增加可能与 osteophytosis（骨赘形成）相关。

讨论与结论

本研究首次利用CT数据结合SSM和CBM技术，揭示了膝OA患者骨形态变化与放射学疾病严重程度的关联。SM2作为一种OA相关形态模式，不仅与KLG分级显著相关，还与软骨下骨小梁衰减降低及边缘皮质增厚密切相关。这些发现提示，OA过程中的骨重塑并非随机发生，而是遵循特定的形态学 pattern（模式），这可能与生物力学改变、疼痛导致的卸载行为以及系统性骨密度变化等因素有关。

此外，研究结果挑战了传统认为的“ subchondral sclerosis（软骨下骨硬化）”概念。尽管皮质厚度在边缘区域增加（可能与骨赘形成相关），但软骨下骨小梁的衰减降低表明OA可能伴随局部 osteopenic（骨减少）状态，而非单纯的骨硬化。这一发现强调了多模态影像分析在OA研究中的重要性，有助于更全面地理解疾病机制。

本研究的局限性包括样本来源单一（超重且早至中度OA患者）、横断面设计无法推断因果关系，以及使用HU而非真实骨矿物质密度（Bone Mineral Density, BMD）作为骨密度指标。然而，通过标准化CT协议和验证的CBM方法，研究结果仍具有高度可靠性。

总之，该研究为OA的结构性进展提供了新的影像学生物标志物，结合三维骨形态和骨参数分布分析，有望改善OA的早期诊断、预后评估及治疗策略开发。未来研究应在独立队列中验证这些发现，并进一步探索骨形态与生物力学、临床症状之间的关联。