多模态光声关节镜用于关节软骨定量形态力学评估

《Journal of Orthopaedic Translation》：Multimodal photoacoustic arthroscopy for quantitative morphomechanical assessment of articular cartilage

　　

背景：骨关节炎（osteoarthritis, OA）涉及进行性软骨退化，而传统白光关节镜主要提供表面形态学信息，缺乏定量功能对比。多模态光声关节镜（multimodal photoacoustic arthroscopy, MMPA）可能通过更早识别白光下不易观察到的基质、胶原和生物力学改变，来加强术中软骨评估。

方法：研究人员开发了一种临床前多模态光声关节镜（MMPA）样机，集成了光声成像（photoacoustic imaging, PA）、偏振分辨光声成像（polarization-resolved photoacoustic imaging, PPA）和光声弹性成像（photoacoustic elasticity imaging, PAE），以实现无标记、原位、显微分辨率水平的软骨成分、胶原相关结构各向异性和生物力学响应评估。验证在涵盖多种退化等级的300个人体软骨区域上进行。研究人员主要利用Mankin评分为2–9的软骨区域开发了基于特征的机器学习分类器，并使用包含120个软骨区域的独立外部验证队列评估模型泛化能力。在大型动物模型中进行了纵向在体监测。MRI和白色光关节镜作为对比成像模态，组织病理学分级作为参考标准。

结果：MMPA提供了传统白光关节镜下较不明显的微观形态力学变化的额外可视化。多模态机器学习模型在内部达到AUC 0.93（95% CI: 0.91–0.95），外部达到0.89（95% CI: 0.87–0.90）。MMPA检出81%的病灶，而MRI为78%，白光关节镜为72%，总体差异显著（Cochran's Q=21.00, p=2.75×10^?5），两两比较显著（MMPA vs MRI, p=0.0313；MMPA vs 白光关节镜, p=0.000831）。MMPA衍生的评分最密切地追踪了组织病理学严重程度。

结论：本研究建立了一个临床前多模态光声关节镜框架，用于关节软骨退化的定量术中形态力学评估。MMPA有潜力作为传统白光关节镜的定量升级，帮助外科医生从Mankin评分2起更早识别退化性软骨改变、病灶评估和术中决策。

本文的转化潜力：本研究展示了一个临床前多模态光声关节镜平台，可提供软骨成分、结构各向异性和生物力学特性的定量术中评估。MMPA并非要取代MRI，而是旨在通过关节镜过程中提供实时功能评估来补充术前MRI。

骨关节炎（osteoarthritis, OA）是一种常见的年龄相关退行性滑膜关节疾病，全球约5.95亿人患病，预计2050年膝关节OA负担将增加74.9%。软骨退化与细胞外基质成分、胶原微结构和力学性质的改变密切相关，II型胶原形成的各向异性网络对软骨功能至关重要。然而，传统白光关节镜主要提供表面形态信息，存在主观性强、观察者间一致性低（0.42–0.66）和缺乏定量指标等局限；磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）虽能评估软骨基质，但常规对比反映的是质子弛豫的间接变化，对早期胶原网络紊乱和伴随水合基质改变的特异性有限。因此，术中需要能够提供软骨成分、结构和生物力学定量信息的工具。

为此，研究人员开发了一种临床前多模态光声关节镜（multimodal photoacoustic arthroscopy, MMPA）平台，整合光声成像（photoacoustic imaging, PA）、偏振分辨光声成像（polarization-resolved photoacoustic imaging, PPA）和光声弹性成像（photoacoustic elasticity imaging, PAE），以实现无标记、原位、显微分辨率的软骨退化评估。研究在300个人体软骨区域（来自关节置换标本）上建立并内部验证了基于特征的机器学习模型，并在120个独立外部区域（来自第二中心）中验证其泛化性；同时在8只14月龄小尾寒羊的OA模型中进行了纵向在体监测。以MRI和白光关节镜为对比模态，组织病理学Mankin分级为参考标准。结果显示，多模态机器学习模型内部ROC曲线下面积（area under the curve, AUC）为0.93（95% CI: 0.91–0.95），外部为0.89（95% CI: 0.87–0.90）；MMPA对200个病理阳性区域的检出率为81.0%，显著高于MRI的78.0%和白光关节镜的72.0%（总体差异p=2.75×10^?5）；MMPA预测的Mankin评分与组织学严重度的Spearman相关系数（ρ=0.9387）强于MRI（0.8760）和白光关节镜（0.8901）。这表明MMPA可作为白光关节镜的定量升级，辅助从Mankin评分2起识别早期退化。

关键技术方法方面，研究人员设计了MMPA样机，采用532 nm脉冲半导体激光（脉宽10 ns）激发，以空心伺服电机驱动半波片实现偏振调制，用二向色镜实现白光与光声同轴，微机电系统（microelectromechanical system, MEMS）振镜扫描，探头外径10 mm；系统横向分辨率4.8 μm，激光功率波动<1%。图像处理方面，从PA、PPA、PAE图像提取279个影像组学特征，经中位数填补、去零方差、z-score标准化、Pearson相关过滤（阈值0.90）和基于随机森林（random forest, RF）的递归特征消除，保留20个特征；比较RF、支持向量机（support vector machine, SVM）、逻辑回归（logistic regression, LR）和决策树（decision tree, DT），通过嵌套五折交叉验证优化超参数，最终选定RF。验证采用人体软骨标本、新鲜猪膝关节标本和羊OA模型；统计采用Spearman相关、Cochran's Q检验、McNemar检验等。

研究结果分述如下：

3.1 多模态光声关节镜的成像系统、成像方法及系统性能表征：通过分辨率靶、激光功率稳定性和偏振调制实验，测得侧向分辨率4.8 μm，30 min内激光功率波动<1%，偏振光声与光学图像配准准确，证实了系统成像稳定性。

3.2 胰蛋白酶消化的离体猪软骨功能成像与表征实验：离体猪软骨经胰蛋白酶消化后，PA幅度变化有限，而PPA和PAE显示胶原相关各向异性和弹性模量显著下降；扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）显示胶原网络破坏，纳米压痕测得其弹性模量从约10–12 MPa降至1–2 MPa，说明PPA/PAE提供PA幅度所不具备的功能对比。生理盐水耦合下成像与纯水、超声耦合胶等无显著差异，支持盐水环境可行性。

3.3 临床标本的多模态光声成像与组织病理学结果：人软骨标本成像显示PA、PPA、PAE信号强度随退化等级改变，与Mankin分级均呈显著中等负相关（PA ρ=?0.49324，PPA ρ=?0.49103，PAE ρ=?0.45878，均p<0.0001），但单模态信号波动大，提示需多模态融合。

3.4 基于随机森林模型的多模态光声特征的稳健内部与外部表现：内部验证中RF的macro-AUC为0.93，优于SVM（0.84）、LR（0.74）、DT（0.71），且recall、precision、accuracy、F1均最高；外部验证中RF仍最优，macro-AUC为0.89，模型排名和绝对性能稳定，表明可迁移至独立队列。

3.5 多模态光声特征的互补贡献：外部队列中PA在整个Mankin 2–9范围保持较稳定区分能力；PPA在Mankin 2–5早期退化中价值更大；PAE在7–9重度退化中区分更强；完整PA+PPA+PAE模型最均衡且各项指标最高。保留的20个特征中9个来自PA、8个来自PAE、3个来自PPA，证实三模态提供非冗余互补信息。

3.6 多模态光声关节镜对OA模型软骨退化的在体成像：新鲜猪膝关节在CO₂充气和含血盐水灌注下，光声信号分布和强度无显著差异，验证了临床相关性；随后在羊OA模型中采用CO₂充气，用机械臂操控MMPA定位成像，与正常相比，OA诱导后光声信号随时间逐渐下降，成功实现了动态可视化和定量评估。

3.7 多模态光声关节镜与其他影像学分级比较：使用各模态原生输出（白光关节镜Outerbridge分级、MRI的Whole-Organ Magnetic Resonance Imaging Score（WORMS）分级、MMPA预测Mankin评分）与病理分级相关，MMPA的ρ=0.9387（R²=0.883），高于白光关节镜（ρ=0.8901，R²=0.791）和MRI（ρ=0.8760，R²=0.754）。病变检出率MMPA为81.0%、MRI为78.0%、白光为72.0%，总体差异显著，两两比较MMPA显著优于另两者。

讨论部分指出，OA严重度定义存在异质性，模型主要涵盖Mankin 2–9，排除了0–1及>9区域，外部队列虽来自第二中心但同属一个地理区域，仍需更大规模多中心验证。技术局限包括532 nm波长并非所有软骨基质组分的最佳吸收波长，限制了光谱特异性；当前样机外径10 mm，大于临床标准关节镜，需小型化；尽管动物实验采用CO₂充气，补充实验表明在含血盐水灌注下MMPA成像稳定，支持临床应用潜力。研究结论可翻译为：本研究建立了一种临床前多模态光声关节镜系统，整合了成分、结构各向异性和生物力学对比，用于关节软骨退化的定量术中评估。MMPA有望作为传统白光关节镜的定量增强工具和术前MRI的术中补充，支持早期软骨退化识别、病灶评估和手术决策。