负重CT在膝关节骨关节炎中的应用：骨密度、关节间隙宽度及软骨下骨板厚度的三维量化与可重复性研究

《JBMR Plus》：Repeatability of objective bone and joint measures in the knee using weight bearing CT: 3D quantification of bone mineral density, joint space width, and subchondral bone plate thickness

膝关节骨关节炎(OA)的精准评估亟需客观、可重复的影像学指标。本研究利用负重CT(WBCT)技术，对健康成人进行同一天内重复扫描，系统评估了骨密度(BMD)、关节间隙宽度(JSW)及软骨下骨板厚度(SBP.Th)等关键参数的可重复性。结果显示，BMD与JSW的测量具有高度可重复性，SBP.Th虽变异系数较高，但其最小显著变化(LSC)值低于体素尺寸，表明WBCT具备监测膝关节骨与关节细微变化的巨大潜力，为OA的疾病分层与进展监测提供了有力工具。

　　

膝关节骨关节炎(OA)是全球范围内最常见的关节疾病，其中膝关节受累约占所有OA病例的85%。其典型特征包括骨赘形成、软骨下骨硬化、关节间隙狭窄以及软骨下骨囊肿。近年来，骨骼已被视为OA管理的潜在治疗靶点，其中软骨下骨板增厚和软骨下骨小梁骨密度(BMD)改变等骨性改变，在OA的发生和进展中扮演着重要角色。

尽管负重X光片仍是评估膝关节OA结构特征的首选影像学方法，但其存在解剖结构重叠、X射线束角度误差等问题，导致其可重复性差，且对随时间变化的敏感性不足。负重CT(WBCT)作为一种新兴的三维成像技术，能够克服传统X光片的投影限制，更详细、准确地呈现功能性关节行为。特别是在评估关节间隙宽度(JSW)方面，WBCT已被证明比传统X光片更敏感，能更早地发现疾病相关变化。

然而，WBCT在临床应用中仍面临挑战。首先，缺乏标准化的图像采集和分析方法。例如，膝关节屈曲角度的微小差异可能导致JSW测量的不一致，其变化幅度甚至可能超过OA膝关节一年内的关节间隙变窄量。其次，WBCT采用锥形束CT技术，其图像灰度值容易受到射束硬化效应和X射线散射伪影的影响，可能导致BMD测量不准确，从而影响长期追踪变化的能力。此外，尽管已有研究利用软骨下骨板厚度(SBP.Th)来量化骨硬化改变，但体位和灰度值变异对测量精度的影响尚不明确。

因此，本研究旨在利用锥形束WBCT评估BMD、胫股关节JSW和SBP.Th测量的可重复性。研究人员量化了在标准化方案下，图像采集和患者站姿的微小变异，以及分析输入和方法学系统性变异的影响，为利用WBCT监测骨与关节变化建立指南奠定基础。

本研究招募了37名健康参与者，在同一天内进行两次膝关节WBCT扫描，并进行重新定位。研究人员利用骨密度校准体模对图像进行校准，并采用增强分割图像分割流程获取骨掩模。通过主成分分析将胫骨近端软骨下骨小梁区域分为四个象限进行BMD分析。利用关节空间映射技术，通过灰度值强度线轮廓的半高全宽距离来估算JSW。采用皮质骨映射技术，通过拟合高斯模糊模型来估算SBP.Th，该技术能够克服图像分辨率限制，获得亚体素精度的厚度估计。此外，研究还进行了敏感性分析，探讨了膝关节屈曲角度变化对JSW的影响，以及皮质骨密度(Ct.BMD)估计对SBP.Th测量可重复性的影响。

主要技术方法

本研究招募了37名健康成人，在同一天内进行两次膝关节负重CT(WBCT)扫描，以评估测量方法的短期精度。图像分析采用增强分割流程获取骨掩模，并利用校准体模将灰度值转换为等效骨密度(BMD)。关节间隙宽度(JSW)通过灰度值强度线轮廓的半高全宽距离进行估算，而软骨下骨板厚度(SBP.Th)则采用皮质骨映射技术，通过拟合高斯模糊模型来获得亚体素精度的厚度估计。研究还进行了敏感性分析，探讨了膝关节屈曲角度和皮质骨密度(Ct.BMD)估计对测量结果的影响。

结果

BMD测量的可重复性

胫骨近端软骨下骨小梁BMD在四个象限的平均值范围为228.9至324.6 mgHA/cm³。BMD测量的可重复性很高，均方根变异系数(CV_RMS%)在1.87%至2.85%之间，最小显著变化(LSC)在13.53至17.39 mgHA/cm³之间。

胫股关节JSW测量的可重复性

内侧和外侧间室JSW的平均值分别为5.07 mm和6.08 mm。JSW测量的可重复性极高，CV_RMS%均小于1%，LSC均小于0.2 mm。研究还发现，膝关节屈曲角度的增加与JSW的减小呈负相关趋势，尽管该效应未达到统计学显著性。

SBP.Th测量的可重复性

股骨和胫骨SBP.Th的平均值分别为0.34 mm和0.76 mm。SBP.Th测量的CV_RMS%较高，在9.75%至11.29%之间，但其LSC值均低于体素尺寸(0.3 mm)，表明该方法具备检测亚体素级厚度变化的精度。敏感性分析显示，SBP.Th与Ct.BMD估计值呈负相关，且使用共同的骨表面网格进行Ct.BMD估计，或固定Ct.BMD值，均可提高SBP.Th测量的可重复性。

结论与讨论

本研究利用WBCT量化了膝关节软骨下骨小梁BMD、JSW和SBP.Th估计值的可重复性。结果显示，BMD和JSW的测量具有高度可重复性，而SBP.Th的测量具有中等可重复性。对于除SBP.Th外的所有参数，CV_RMS%均小于3%。BMD的LSC小于18 mgHA/cm³，而JSW和SBP.Th的LSC均小于重建WBCT图像的体素间距(0.3 mm)。

尽管WBCT存在灰度值不稳定的问题，但本研究获得的BMD可重复性与其他CT研究相当，且LSC值低于与OA相关疼痛变化相关的最小BMD变化，表明WBCT具备检测具有临床意义的骨小梁BMD变化的能力。JSW测量的高可重复性证明了该方法在锥形束WBCT数据中的稳健性和可重复性。SBP.Th的LSC值达到了亚体素精度，且与既往研究中观察到的SBP.Th差异非常接近，表明该方法具备足够的精度来检测SBP.Th的差异。

研究还发现，SBP.Th的可重复性受到成像视野内骨量以及皮质骨映射技术中模型参数的影响。因此，在未来的研究中，应尽可能控制这些变异来源，以确保对纵向研究中骨厚度变化的准确解读。尽管本研究仅纳入了健康参与者，但确定健康人群中的可重复性，为监测具有OA风险个体的早期结构变化奠定了基础。

总之，本研究证明了利用WBCT对多个骨与关节参数进行可重复的客观三维量化是可行的。结合既往研究，这些结果表明WBCT有潜力通过更敏感的疾病分层和进展监测，揭示膝关节OA的自然史和疾病轨迹。