双对比剂结合光子计数 CT 评估关节软骨健康：开启早期骨关节炎诊断新征程

《Annals of Biomedical Engineering》：Dual-Contrast Agent with Nanoparticle and Molecular Components in Photon-Counting Computed Tomography: Assessing Articular Cartilage Health

为解决早期骨关节炎（OA）检测难题，研究人员开展了 “双对比剂结合光子计数 CT 评估关节软骨健康” 的研究。他们用阳离子氧化钽纳米颗粒（Ta2O5-cNPs）和非离子型碘克沙醇进行实验，结果表明该技术可评估软骨结构和功能，对早期 OA 检测有重要意义。

　　在医学影像领域，骨关节炎（OA）如同一个隐匿的 “健康杀手”，悄无声息地影响着全球约 2.4 - 3 亿人的生活质量，成为导致残疾的重要原因之一。目前，虽然有多种影像学检查手段用于 OA 的诊断和监测，但早期 OA 的检测仍是一大挑战。早期 OA 时，关节软骨中的蛋白聚糖减少、胶原基质结构破坏，水分含量增加，这些细微变化难以被现有方法精准捕捉。为了攻克这一难题，来自多个研究机构的研究人员携手开展了一项极具意义的研究。该研究成果发表在《Annals of Biomedical Engineering》杂志上。
研究人员来自芬兰、荷兰、美国等多个国家的研究机构。他们针对早期 OA 检测难题，采用了光子计数探测器（PCD）结合双对比剂的技术，对关节软骨进行深入研究。研究中使用的双对比剂由实验室自制的能与蛋白聚糖结合的阳离子氧化钽纳米颗粒（Ta₂O₅-cNPs）和市售的非离子型碘克沙醇（Visipaque?）组成。实验样本来自马的膝关节软骨，通过对样本进行一系列处理和成像，研究人员获取了丰富的数据。
研究的主要技术方法包括：样本处理，从马的膝关节采集软骨样本并进行分割保存；对比剂准备，配置含有特定浓度 Ta₂O₅-cNPs 和碘克沙醇的双对比剂溶液；成像技术，利用 PCD-CT 和双能微 CT（EID microCT）对样本进行不同时间点的成像；数据处理，计算对比剂浓度、扩散参数，进行力学测试和微观光谱分析，最后通过统计分析得出结果。
研究结果如下：

1. 双对比剂方法的敏感性
   • 同时估计对比剂浓度：PCD-CT 校准系数显示，低能量和总能量 bins 组合在验证溶液中误差最小，碘克沙醇浓度平均低估 10.4%，Ta₂O₅-cNP 浓度平均高估 9.0%。
   • 对比剂特定分布的深度分析：碘克沙醇在软骨内的分布从表面向骨逐渐减少，Ta₂O₅-cNP 早期向深层区域下降，后期在深层区域增加。健康和早期 OA 软骨在 12 小时和 96 小时，不同深度的对比剂分布有显著差异。
   • 对比剂与关节软骨成分的相关性：碘克沙醇与蛋白聚糖含量呈负相关，与胶原角度呈弱 - 中度负相关；Ta₂O₅-cNP 与蛋白聚糖含量呈弱 - 中度正相关，与 Mankin 评分呈负相关。联合分区与蛋白聚糖含量和胶原角度的相关性更强。
   • 对比剂与关节软骨功能的相关性：碘克沙醇与软骨功能参数（如平衡模量 E_Eq、动态模量 E_Dyn等）相关性强，联合分区改善了与功能参数的相关性。
   • 区分健康和早期 OA 样本：碘克沙醇扩散快，24 小时达到平衡；Ta₂O₅-cNP 未达到平衡。健康和早期 OA 样本中，碘克沙醇、Ta₂O₅-cNP 和联合分区的 P_Max值有显著差异，12 小时后 Ta₂O₅-cNP 和联合分区可区分两组样本。
   
   
2. 对比剂之间的扩散动力学：碘克沙醇影响 Ta₂O₅-cNP 扩散，使其 τ 增加，最大分区降低；Ta₂O₅-cNP 对碘克沙醇扩散影响不明显。
   研究结论和讨论部分指出，该研究利用 PCD-CT 结合双对比剂方法，有效评估了软骨结构和功能。碘克沙醇反映软骨孔隙度和胶原网络，Ta₂O₅-cNP 揭示固体成分（主要是蛋白聚糖）。该方法可检测早期 OA，且适用于临床 CT 扫描仪，即使在较低空间分辨率下也能保持稳健性。与之前的双分子对比剂组合相比，碘 - 钽组合在浓度估计准确性、材料分解稳健性等方面更具优势。不过，该研究也存在扫描时间长、Ta₂O₅-cNP 未达扩散平衡、扩散慢限制临床应用和统计分析有局限等问题。未来可通过改进纳米颗粒等方式解决这些问题。总体而言，该研究为关节软骨成像提供了新的定量工具，有望在更多需要增强对比和高精度成像的场景中得到应用，为早期 OA 的诊断和治疗带来新的希望。