定量3D成像参数改善髋关节骨性关节炎预后的预测

作者：宋洋 北京积水潭医院

髋关节骨性关节炎是一个巨大的健康负担，据估计，目前还没有批准用于预防骨关节炎或逆转进展的治疗方法。缺乏可能促进治疗性临床试验成功的有效生物标记物之前被认为是一个严重的局限性，并且仍然是一个持续的挑战。直到最近，美国食品和药品管理局（FDA）仅批准了临床试验成像终点的2D放射线关节间隙评估，尽管这些指南似乎会放宽，以纳入横断面成像，以促进治疗发展。这是一个改变关节成像评估方法的机会，尤其是如何识别失败的相关结构变化。
历史上，OARSI-OMERACT（国际骨关节炎研究学会-风湿病学结果测量）将髋关节和膝关节的相关放射学进展定义为关节间隙宽度的逐渐丧失（JSW）。临床和流行病学研究将疾病定义为放射学Kellgren和Lawrence（KL）分级，但KL系统已被证明存在不同的解释。然而，有人对有症状的髋关节骨性关节炎与放射学检查结果之间的联系提出了疑问，担心如果仅依靠放射学诊断，可能会错过髋关节骨关节炎的临床病例。
在临床环境中，传统的美国风湿病学会（ACR）髋关节骨性关节炎分类标准允许纳入放射学关节间隙狭窄。在发布时，这些都在同行审查。在英国，国家健康与护理卓越研究所（NICE）2014年的指南不建议在骨关节炎的诊断中使用影像学。然而，放射影像学在分层和评估研究和临床试验疾病进展方面的作用仍然没有受到质疑。
射线照片的评估，在大多数情况下，MRI依赖于人类观察员解释的2D图像，以给出半定量分数或疾病等级：例如，KL系统等级从0到4（相当于没有可能的轻度-中度-重度）。除了形态软骨厚度测量外，其他定量MRI技术，如成分T2、T1rho、，超短回波和dGEMRIC（软骨的延迟钆增强MRI）时间测量已经开发出来，但其在预测中的作用尚未明确界定。半定量MRI评分系统也已经开发出来用于评估髋关节（HOAMS）和膝关节（MOAKS）疾病。没有一种MRI技术能够有效预测临床相关疾病状态或结果。
鉴于目前为止在寻找解决方案方面缺乏成功，我们的想法是从MRI后退一步，向当前的2D射线JSW测量标准迈进，然后寻求对此的直接改进。
与放射成像一样，CT是一种基于x射线的临床成像技术，但与放射成像不同，它有能力创建大而准确的3D成像数据量。CT已经是一种基本的临床技术，在骨关节炎研究中也发挥着重要作用，并已在流行病学队列研究（多中心骨关节炎试验）中使用双能量站立膝CT，以及低剂量全身CT（APPROACH研究）。CT主要用于研究诊断潜力，但尚未用于疾病监测或预测。我们的目标是开发一种图像分析技术，该技术使用临床CT成像来揭示JSW在3D中的分布，相信它可以优于当前黄金标准2D成像方法，而接受这种做法可能会以增加辐射剂量为代价。
关节空间基本上是层流的，在某些情况下，比我们想用来测量它的CT数据的分辨率要薄。成像系统模糊，也称为点扩散函数（PSF），设置了无法精确测量特征的限制。在CT中，这通常近似为高斯分布的简单函数。现代CT系统可以优化以提高图像分辨率，但只有以增加噪声为代价才能获得实质性的收益，除非辐射剂量也增加，这是不可取的。相对较窄的关节，如髋关节或踝关节（与膝关节相比），或任何关节出现更严重的退行性关节疾病时，JSW距离可能低于此阈值。
为了从CT成像中精确测量JSW，我们使用约束反褶积方法消除这种模糊，其中约束关节空间周围骨骼密度的先验知识在限制测量噪声的同时仍提高精度。我们称这种方法为联合空间映射（JSM）。在不同方向的多个位置重复此过程，以产生3D定量JSW测量。最近，它被验证为准确可靠，是射线照相2D最小JSW测量20可靠性的两倍。
在3D中绘制JSW地图的能力也为重新审视一种罕见的现象提供了机会。我们临床实践的经验表明，如图1所示，一个髋关节往往先于另一髋关节退化。据我们所知，之前只有两项研究专门评论了X线JSW不对称性。第一项研究是由Reis等人于1999年进行的，研究了171名无髋关节疼痛或X线疾病证据的患者的优势JSW的差异，得出结论，JSW的侧面差异大于0.7 上关节间隙mm强烈提示病理性关节狭窄。2004年，Lequesne等人检查了射线照相最小JSW的相同优越位置，并得出结论，不对称现象很少见，发现差异大于其一致性极限（1.45 221名受试者中只有13名（5.9%）。使用对侧髋关节可以通过这种内部比较提供一种单时间点评估骨关节炎风险的方法。