《Journal of Orthopaedic Research》：Bone Shape Feature Differences in Single and Recurrent Patellar Dislocations via Statistical Shape Modeling
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本研究旨在开发基于MRI的3D统计形状模型（SSM）用于髌骨脱位患者，并研究区分单次与复发性脱位人群以及对照组与脱位人群的骨形态特征。使用来自16名单次脱位患者、17名复发性脱位患者和20名对照受试者的MRI构建股骨和髌骨的统计形状模型。提取骨形态特征并检验其
本研究旨在开发基于MRI的3D统计形状模型（SSM）用于髌骨脱位患者，并研究区分单次与复发性脱位人群以及对照组与脱位人群的骨形态特征。使用来自16名单次脱位患者、17名复发性脱位患者和20名对照受试者的MRI构建股骨和髌骨的统计形状模型。提取骨形态特征并检验其统计学显著性（p<0.05），以区分单次脱位组与复发性脱位组，以及对照组与脱位组。对于两种骨骼，均识别出区分三组的具有统计学显著性的形态特征。较浅的滑车沟和较小的髌骨嵴将脱位组与对照组区分开。股骨外侧髁延长以及髌骨脊外侧移位和钩状外侧关节面将复发性脱位组与单次脱位组区分开。本研究通过股骨和髌骨3D统计形状建模的发现揭示了对照组、单次脱位组和复发性髌骨脱位组之间明显的解剖学差异。这一深入理解有助于识别具有初次或复发性髌骨脱位高风险个体，使临床医生能够更有效地定制治疗和管理策略，以预防进一步脱位并减轻潜在的髌股关节损伤。
**研究背景与问题**
髌骨脱位是一种常见于年轻活跃人群的创伤性损伤，其发病率在10-17岁年龄组中约为一般人群的4倍，且超过60%的脱位发生在运动或锻炼过程中。女性发病率较男性高约33%。初次脱位后复发率高达15%-44%，而有脱位史者发生再次不稳定的风险增加7倍。复发性脱位进一步使髌股关节炎（OA）风险增加4.5倍，且软骨损伤的严重程度随时间推移而加重。目前，保守治疗（如物理治疗和支具）常用于单次脱位患者，而手术干预（如内侧髌股韧带重建、外侧支持带延长、胫骨结节截骨术）适用于保守治疗失败的复发性脱位患者。尽管已识别出浅滑车沟、高位髌骨和胫骨结节外侧化等解剖风险因素，但首次损伤后预示额外脱位风险的具体骨形态特征尚不明确。因此，需要更精确地理解影响髌骨稳定性的解剖特征，以优化早期干预，避免不必要的过度手术，同时减少复发和OA进展。该论文发表在《Journal of Orthopaedic Research》。
**研究内容与结论**
研究人员使用基于MRI的3D统计形状模型（SSM），对16名单次脱位患者、17名复发性脱位患者和20名对照受试者的股骨和髌骨进行形状分析。通过比较各组间的形状模式系数，识别出区分对照组与脱位组、以及单次与复发性脱位组的显著骨形态特征。结果显示：较浅的滑车沟和较小的髌骨嵴是脱位组的共同特征；而股骨外侧髁延长、髌骨脊外侧移位及钩状外侧关节面则特异性地区分复发性脱位组。这些发现有助于识别高风险个体，为临床分层和个体化治疗提供依据。
**关键方法**
本研究采用前瞻性观察性队列设计（证据等级III），于2019年1月至2022年6月从克利夫兰诊所招募受试者。MRI采集使用3T扫描仪（Prisma, Siemens Healthineers）和1Tx/15Rx膝关节线圈，采用3D矢状非脂肪饱和SPACE序列（体素0.5mm各向同性）。骨骼分割采用内部开发的深度学习工具，并经过人工校正。表面网格通过曲率流拉普拉斯平滑处理，移除重复顶点、三角形和退化面。配准过程：对所有对照组网格进行候选参考选择，以最小平均配准误差确定参考网格；使用FOCRUS算法在Laplace-Beltrami特征基下建立表面对应，然后进行谱空间相干点漂移对齐；接着通过Procrustes注册（各向同性缩放）和刚性迭代最近点（ICP）配准（点对点最小化）将对应点注册到参考点云。分别构建股骨和髌骨的统计形状模型，将三组点云合并后计算平均形状，并通过主成分分析（PCA）识别正交变异性模式。保留至少解释95%方差的前20个模式，组间比较使用秩回归（调整年龄、性别、BMI），显著性水平设为p<0.05（未校正多重比较）。
**研究结果**
**配准与平均形状**：每个股骨使用27,204个表面点，每个髌骨使用6,182个表面点，所有骨骼成功配准至参考表面。平均形状显示：与对照组相比，脱位组股骨髁宽度较小、内侧和外侧髁垂直拉伸、滑车沟较浅；髌骨脱位组内侧关节面更凸，复发性脱位组外侧关节面更凹（钩状）。
**PCA模式分析**：股骨和髌骨各产生超过50个模式，前20个模式覆盖至少95%变异。对每个模式系数进行组间比较，发现股骨模式4、5、18、19和髌骨模式1、3、8、16、17的系数存在显著差异（p<0.05）。
**股骨模式4**：该模式显著区分对照组与脱位组（单次和复发性）。脱位组模式4系数显著大于对照组（p<0.01）。+3SD方向显示股骨前外侧髁更突出、滑车沟更浅。
**股骨模式19**：该模式显著区分单次与复发性脱位组。复发性脱位组模式19系数显著大于单次脱位组（p<0.05）。+3SD方向显示股骨外侧髁头部在前后方向上延长。
**髌骨模式1**：该模式显著区分对照组与脱位组。对照组系数显著大于脱位组（p<0.05）。-3SD方向显示髌骨外侧关节面更凹、髌骨嵴更薄，与脱位组较低系数一致。
**髌骨模式3**：该模式显著区分复发性脱位组与对照组和单次脱位组。复发性脱位组系数显著小于其他组（p<0.05）。-3SD方向对应髌骨不对称形态，包括髌骨脊移位和关节面曲率改变，提示复发性脱位组髌骨形状更不对称而非单纯大小差异。
**讨论与结论**
**讨论总结**：本研究展示了基于MRI的3D SSM在区分髌骨脱位患者与对照组、以及单次与复发性脱位患者中的价值。股骨滑车沟深度和髌骨嵴形态与脱位风险的关系与已知文献一致（如滑车发育不良与不稳定的关联）。新发现的复发性脱位特征（股骨外侧髁延长、髌骨外侧关节面钩状改变）与髌股关节OA进展相关。研究结果与Nagawa等人的分析一致，但本研究同时评估了股骨和髌骨形状，并单独比较了单次和复发性脱位组，提供了补充信息。局限性包括：样本量较小；单次脱位患者可能在研究期后发生复发而重新分类；未考虑股骨与髌骨之间的相互作用；未进行多重比较校正，显著模式需在更大队列中验证。
**结论翻译**：通过股骨和髌骨的3D SSM建模，研究人员识别了三个群体（对照组、单次脱位组和复发性脱位组）之间可见的解剖学差异。一些骨形态特征在脱位组和对照组之间表现出显著差异。此外，当前的SSM还独特地识别了区分单次和复发性脱位患者膝关节的解剖特征。对这些骨形态特征理解的改进有助于更好地识别有髌骨脱位风险的患者，以及那些在保守治疗后最可能经历复发的患者。这应有助于临床医生对患者进行分层，优化其治疗和临床管理计划，从而最大限度地减少功能损害和髌股软骨损伤。
