CT在骨关节炎中的临床价值与最新进展

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计算机断层扫描（CT）对显示骨关节炎（OA）相关的矿化组织（如钙化软骨、软骨下骨板和小梁骨）有帮助。骨骼评估成为诊断、评估进展和测量OA结果的关键点。CT可以进行三维评估，而不存在平片固有的叠加缺陷。三维评估也弥补了平片的另一个问题：关节定位的可变性影响了对其进行的半定量评估的再现性，而且可能导致假阳性或假阴性的结果。因此，本文综述了传统CT在代表性关节中的临床作用以及CT在OA临床中的应用进展。

CT在膝关节骨性关节炎中的应用

CT常用来评估OA中与骨骼相关的结构变化，包括骨赘、软骨下囊肿和软骨下骨硬化。骨骼之间关节空间的变化也可以认为是结构变化。CT对这些结构变化的检测性能超过其他影像工具（如平片和MRI），因此，如果需要对OA进行结构变化分析，建议使用CT进行。但是，结构变化与疼痛之间的关系尚不清楚（多达一半的结构变化与OA一致的患者可能没有症状）。尽管如此，许多使用CT评估OA的研究表明，膝关节的各种病理生理学和结构变化之间存在关联。

研究发现，骨密度（BMD）可能与软骨变性有关。一般认为，软骨下骨硬化是现有骨小梁上新骨沉积、骨小梁压缩和微骨折导致的骨痂形成的结果。一项研究比较了OA患者和年龄匹配的对照尸体之间软骨下胫骨内侧髁的骨小梁，发现OA患者的骨体积分数较高。同时，OA患者的骨小梁比对照组更少、间隔更宽，但更厚。OA中这些特征性软骨下骨改变甚至可以在常规CT上观察到（图1）。测量软骨下区域的骨密度已被广泛用于量化软骨下骨的变化。这种分析最常用的方法是双能X射线吸收仪（DXA），但在DXA上精确测量软骨下骨BMD的能力受限于三维弯曲结构空间分辨力不足。此外，骨赘的存在可能会影响DXA对BMD的正确测量。相比之下，CT有足够的空间分辨力，可以进行3D评估，并有助于软骨下区域的BMD评估。Omoumi等人使用CT比较膝关节内侧和外侧区的软骨下骨密度发现，OA比非OA膝关节内侧区的骨密度明显较高。

图1左膝无OA（a），轻度OA（b）的CT。OA患者软骨下区域的精细小梁模式发生改变。小梁骨比健康骨更厚，空间更宽。

他们还发现，股骨颈内侧OA的软骨下内侧和外侧BMD比率明显高于健康膝关节。因此，CT是一种很有前途的测量软骨下骨密度的工具，它可能有助于我们了解软骨下骨在膝关节骨性关节炎中的作用。

CT还可以评估软骨下囊肿。小软骨下囊肿在平片上很难检测到，因为小软骨下囊肿产生的局部骨质减少通常不足以改变平片上的局部衰减（图2）。但CT可以检测软骨下囊肿，与MRI相当。一项CT研究表明，软骨下囊肿的数量和体积与OA患者胫骨内侧和外侧的骨密度有关，尽管在晚期OA中，没有发现软骨下囊肿数量或体积与疼痛之间的关联。这可能表明其他与骨骼相关的发现更有可能与疼痛的来源有关。

图2 72岁女性，轻度膝关节骨性关节炎。与X线片（a）相比， CT（b）可以描绘胫骨内侧髁（箭头）的微小软骨下囊肿，这一点已通过脂肪饱和质子密度加权MR成像（c）证实。

据报道，在MRI确诊的OA患者中，骨赘是最常见的OA相关异常，CT也可以很好地描述骨赘。根据其外观和位置，骨赘可分为边缘型、中央型、骨膜型和包膜型，但在平片上，它们很容易被相邻的骨结构重叠。一项关于膝关节骨性关节炎的研究表明，CT可以检测到比X线片更多的骨赘，股骨后髁是膝关节骨性骨折中骨赘的突出或唯一部位。该部位的小骨赘通常在平片上被遗漏，而CT可以很容易地检测到（图3）。

图3 85岁女性，轻度膝关节骨性关节炎。平片显示胫股内侧关节间隙轻度狭窄，胫骨髁内侧有骨赘（箭头）。b CT显示股骨后髁处的小骨赘，这些骨赘在平片上缺失（箭头）。

最后，关节间隙宽度（JSW）也可以在CT上进行评估，但现在，像承重CT（WBCT）这样的站立式CT被认为比传统CT更有用。因此，我们将在后面的部分中讨论这个主题。

CT在显示膝关节晶体沉积中的应用

软骨钙化症是指关节软骨或其他软组织中存在钙化。软骨钙沉着症是老年患者的常见疾病，发生在44%的84岁以上的患者。两种主要的晶体类型是焦磷酸钙（CPP）和碱性磷灰石（BCP）。CT在显示钙化方面非常出色，与平片相比，可以更好地检测膝关节内钙晶体沉积（图4）。因此，CT对于研究晶体沉积疾病与OA之间的关系至关重要。

图4 70岁女性膝关节骨性关节炎的CT。CT显示外侧半月板和挤压内侧半月板钙化，与软骨钙沉着症一致（箭头）。

尽管目前尚不清楚晶体沉积是OA的原因还是结果，但一项荟萃分析表明软骨钙沉着症与膝关节OA之间存在密切联系。

另一项研究报告称，膝关节软骨钙沉着症与4年来软骨和半月板退化增加有关。这项研究还指出，钙沉积的数量越多，软骨损失就越多。因此，越来越多的证据表明膝关节中的晶体沉积与OA之间存在关联，但在手关节和髋关节中，前面提到的荟萃分析没有发现软骨钙沉着症与OA之间的明显关联。

基于CT的全膝关节置换术导航系统

目前，CT在全膝关节置换术（TKA）的手术计划中至关重要。组件的准确植入是假体长期可以正常工作的重要因素。使用从股骨头到脚踝的CT图像，导航系统可以自动提供骨骼切除和植入物定位计划，用于中立腿部对齐（图5）。

设置参考系后，在手术过程中，系统显示器可以实时可视化股骨和胫骨切割块。在一项包括3437个TKA的荟萃分析中，与传统手术组相比，计算机辅助手术组中获得±3°内翻或外翻轴对齐（通常被认为是最佳范围，防止更差功能结果和植入失败）的患者明显更多。然而，也有人指出，在患有大型骨赘的严重内翻膝关节中，导航系统上的正确分割可能很困难，并且通常记录的系统疗效可能不适用于这种情况。

图5带导航系统的TKA规划的代表性图像。容积渲染图像上显示植入物定位计划（红色表示股骨，蓝色表示胫骨植入物）。

CT在髋关节骨性关节炎中的应用

髋关节后外侧经常出现OA，这些情况很难在前后位平片上准确评估。因此，CT在髋关节骨性关节炎的诊断方面起着重要作用。髋关节外展肌被认为是髋关节的主要稳定肌，因此外展肌与髋关节病理生理学之间的关系备受关注。CT可以用于评估臀中肌质量与单侧髋关节骨性关节炎之间的关系。研究发现，髋关节外展肌的力量对髋关节的正常功能至关重要，并且肌肉质量和外展肌力量之间存在显著相关性。也有研究发现，OA侧臀中肌萎缩可能会导致对侧髋关节负荷增加，从而增加对侧OA的风险。

Turmezai等人描述了髋关节骨性关节炎的CT分级系统，该系统可以参考之前创建的严重程度映射评分表进行评分。该CT综合评分是通过将骨赘、软骨下囊肿和JSW的三个单独评分相加来计算的。作者报告称，该评分系统非常可靠，并且在观察者内部和观察者之间都显示出显著的可靠性（加权kappa值分别为0.74和0.75）。

CT在踝关节骨性关节炎中的应用

踝关节有几处骨质重叠，这使得通过平片评估重要标志物具有挑战性。因此，CT在精确评估踝关节骨性关节炎的结构变化方面具有优势。据报道，CT对踝关节关节表面的评估优于X线片，尤其是距跟关节。此外，与平片相比，CT可以更精确地评估胫腓联合病变。

Cohen等人提出了一种基于膝关节Kellgren-Lawrence（KL）OA量表的踝关节OA CT分级系统。9名读者的类内相关系数（ICC）为0.851（95%置信区间[CI]0.716–0.948），代表了良好的观察者间一致性。此外，观察者内部的一致性非常高，ICCs在0.962到1.0之间。作者建议使用三个真正的正交图像进行可靠的分级，但在CT上重建这三个平面很容易，而不会导致图像质量下降。

CT在小关节骨性关节炎中的应用

CT可以描绘小关节骨性关节炎的结构变化，如骨赘、关节突肥大和真空现象（图6）。相比MRI，CT在评估小关节骨性关节炎时显示出更好的观察者间一致性。据报道，使用Weishaupt等人开发的方法对小关节骨性关节炎进行CT分级的观察者之间的一致性在0.59和0.94之间。一项基于社区的人群研究显示，随着年龄的增长，小关节骨性关节炎的患病率逐渐增加，而L4-L5的患病率最高。

另一项CT研究表明，小关节OA与低密度多裂肌和竖脊肌显著相关（图6b），这可能与膝关节OA与相邻股四头肌退化之间的关系相似。然而，CT检测到的小关节骨性关节炎与腰痛之间没有显著关系。

图6 74岁女性，L4/5小关节骨性关节炎。骨窗CT（a）显示左侧优势小关节骨性关节炎，伴有骨赘、软骨下硬化和软骨下囊肿。软组织窗（b）可以显示竖脊肌的脂肪萎缩，左侧严重。与CT处于同一水平的MRI T2WI（c）显示左侧小关节高强度，反映关节液（箭头）。然而，结构变化并不像CT那样清晰。

CT在骶髂关节骨性关节炎中的应用

骶髂关节是人体最大的轴关节之一，可能是引起腰痛的原因。据说10-30%的腰痛是由骶髂关节引起。除了SI关节的解剖复杂性之外，它的倾斜性也使得在平片上对其进行可靠评估变得困难。在脊柱关节炎的骶髂关节炎中，这一事实已经得到了很好的报道。研究表明，通过CT显示的结果比X线片更可靠，可以用来对骶髂关节炎进行分级。

SI关节OA的特征包括关节间隙变窄、骨赘、软骨下硬化、软骨下囊肿和真空现象。这些变化在成年人中很常见，一项CT研究表明，有症状和无症状的人群中同样可以发现SI关节变性。真空现象在CT上得到了很好的描述。据说SI关节OA和髋关节OA有显著的相关性，据报道，SI关节中真空现象的体积是SI关节的发现之一，与髋关节OA的严重程度有显著关系。

全身CT半定量评估OA的研究进展

OA通常涉及多个关节，最近的一项研究开发了骨关节炎计算机断层扫描（OACT）评分，该系统能够评估患者多个大关节和脊柱的结构性骨关节炎的程度。CT是同时评估多个关节结构变化的理想方法。评估多关节骨性关节炎的严重程度可能有助于在未来的骨性关节炎研究中提供准确的结果测量。该系统根据先前描述的CT评分系统或新开发的评分系统，对每个关节进行四个等级的评分。

新开发的系统是参考现有的标准平片评分系统创建的。评分系统被简化，读者可以在15分钟内完成整个评估。一项初步研究显示，OA总评分的观察者间和观察者内可靠性很高，ICCs分别为0.95和0.97。

CT关节造影术（CTA）

对比剂的使用有利于描述软骨损伤和半月板损伤。CTA在软骨评估中显示出可靠的结果。在膝关节中，CTA对软骨损伤（1级软骨损伤除外，显示表面起泡或纤维性颤动）的诊断性能与MRI相当。

Omoumi等人使用CTA研究软骨下骨密度与软骨厚度之间的相关性。研究结果显示，非OA膝关节软骨下骨密度与软骨厚度呈正相关，但OA膝关节呈负相关。他们认为，这一事实可能支持软骨下骨和软骨作为一个功能单元相互作用的理论，这种稳态关系可能在OA患者中被破坏。然而，由于CTA需要侵入性操作，因此尚未纳入OA的大型队列研究。

CT的缺点

CT有几个缺点，如辐射暴露、成本高和组织对比度差。辐射剂量明显高于平片，但最近的扫描仪在保持图像质量的同时优化辐射剂量方面有所改进。最近，尽管据报道，具有减半管电流的低剂量CT（LD-CT）显示出比标准剂量图像更高的图像噪声，但在手腕等外周四肢的诊断可接受性方面，图像质量没有统计学差异。

据报道，在脊柱中，迭代重建可以将辐射剂量减少52%，与滤波反投影相比，图像噪声减少31%。

在体重指数低于25 kg/m2的患者中，与150 mAs的LD-CT相比，30 mAs的超低剂量CT（ULD-CT）对腰椎（包括小关节OA）的诊断性能没有统计学差异。然而，ULD-CT的辐射剂量比LD-CT低60-68%。

相对较差的组织对比度是CT的另一缺点。描绘对评估OA的发展和进展至关重要的结构的能力，如软骨、韧带和半月板，可能相当有限。如下一节所述，这可以通过新技术（如双能CT或光子计数CT）进行部分补偿。

CT的最新进展

双能CT（DECT）

双能CT（DECT）现在正成为一种广泛可用的技术，在OA的评估中可能比传统CT发挥额外的作用。

首先，它可以描绘骨髓水肿（BME），而通常骨髓水肿只有通过MRI才能看到（图7）。据报道，BME与OA疼痛有关。许多与BME相关的DECT研究都集中在创伤性BME上，一项对骶尾椎骨骼的荟萃分析显示，DECT检测BME的敏感性和特异性分别为0.86和0.93，而一项对脊椎骨折研究的荟萃分析发现，敏感性和特异度分别为0.89和0.96。然而，缺乏专注于OA关节BME检测的DECT研究。

图7 48岁女性，患有踝关节骨性关节炎。常规CT（a）显示踝关节间隙严重狭窄。还发现了软骨下囊肿、骨赘和软骨下硬化症。DECT（b）描绘了胫骨关节下区域的骨髓水肿（BME）（箭头）。STIR MR成像（c）上确认相同区域的BME（箭头）。

其次，DECT可以表征沉积在关节中及其周围的晶体，特别是尿酸单钠晶体（图8）。一项关于关节评估中痛风诊断准确性的荟萃分析显示，DECT的敏感性为0.83，特异性为0.88。然而，应该注意的是，早期痛风（发病6周内）的表现较低（敏感性为0.55，特异性为0.89）。一项初步研究表明，DECT在鉴别膝关节软骨下和小梁骨中半月板CPP沉积和羟基磷灰石钙方面的潜在效用。然而，最近的一篇论文指出，需要特定的晶体浓度来产生用于CPP表征的DECT相关衰减差异。因此，DECT在软骨钙沉着症发生之前诊断早期CPP沉积的价值可能有限。

图8 46岁男性痛风患者的右膝。常规CT（a）显示股骨髁周围有非特异性钙化（箭头）。DECT（b）将该物质描绘为绿色结构，这意味着MSU沉积（箭头）。

光子计数CT（PCCT）

光子计数探测器（PCD）的发展可能会彻底改变CT在医疗诊所中的价值。能量积分探测器需要一个将X射线转换为可见光以产生电信号的层，而PCD不需要单独的层来将光子转化为可见光。相反，PCD可以直接将单个光子转换为电信号。PCD可以根据入射光子的能量将其分为几个能量仓，并根据其能量对光子进行计数和测量。因此，可以通过消除低于预设阈值的脉冲来实现有效的噪声降低。因为在PCCT中，低能量和高能X射线对图像对比度的贡献相等，所以它可以提供比传统CT更好的软组织对比度。这些技术优势使图像比传统CT具有更好的信噪比和对比度。由于图像质量的大幅提高，PCCT可以将辐射暴露减少约30-60%（取决于成像任务）。

关于PCCT在肌肉骨骼领域的应用，只有少量研究。在一项研究中，使用原型系统扫描了七具尸体膝盖，以研究其评估软骨的能力。研究发现，在60keV和70keV下的虚拟单能图像提供了足够的软组织对比度来表征异常软骨形态。与传统图像相比，在60keV下的单能PCCT图像实现了45%的噪声降低和75%的对比度噪声比增加。

PCCT的另一个优点是能够获得0.2mm层厚的高空间分辨力图像（图9）。最近的一项研究使用了第一台商用PCCT，将小鼠微小骨骼的图像质量与传统CT进行了比较。作者表明，小鼠颈椎PCCT可视化的主观和客观图像质量都优于传统CT。当使用最新的卷积核（Hr98；仅适用于PCCT）时，可以很好地分别描绘小鼠的每个微小颈椎。在另一项研究中，这些结果在尸体手腕上得到了反映，与标准分辨率PCCT或传统CT图像相比，高分辨率PCCT图像可以更好地描绘尸体手腕的精细骨小梁结构。

图9通过光子计数CT（PCCT）拍摄的右脚踝的高分辨率图像。PCCT可以清楚地显示精细的骨小梁结构。胫骨前边界有一个小骨赘（箭头）。

PCCT在多个方面超过了传统CT的性能，未来使用这种新型CT系统对OA的研究可能会增加CT的临床实用性，并有助于理解OA的病理生理学。

立位CT（负重CT和直立CT）

在FDA批准的临床试验中，JSW的评估对于OA评估至关重要。然而，CT被认为在评估JSW方面用途有限。这是因为传统的CT获取的是处于非承重位置的患者图像。此前，一项膝关节骨性关节炎研究表明，CT上检测到严重软骨丢失的频率低于平片，这意味着CT可能因为缺乏负重而低估了JSW。然而，最近的锥束CT技术使CT图像能够在患者处于站立姿势时获得。这有助于最小JSW的3D评估，以及其他关键结构变化的评估，如软骨下骨囊肿和骨赘。WBCT可以提供比平片更灵敏的JSW测量，有望成为未来OA临床试验的一种有前途的模式。当WBCT应用于膝关节时，它显示出胫股JSW测量的高可靠性，在一项测试-再测试研究中，ICCs为0.94–0.97。一项使用固定屈曲X光片和WBCT评估膝关节JSW的研究显示，这两种模式之间存在高度相关性。当进行基于计算机的3D分析来比较WBCT、非WBCT和平片之间的胫股关节间隙时，WBCT发现与其他两种模式相比，关节间隙间隙和骨对骨附着的减少明显更多。据报道，WBCT上测得的膝盖内侧鞘的最小JSW比站立平片上测得低1.4-2mm。一项与全器官MRI评分（WORMS）系统的软骨形态评分进行比较的研究发现，WBCT测得的JSW小于2.5 mm的区域与胫骨中央内侧软骨形态评分的相关性比最小放射剂量JSW更强。此外，WBCT比平片更准确地评估骨赘和软骨下囊肿。当使用MRI作为参考时，WBCT检测骨赘和软骨下囊肿的灵敏度分别为93%和100%，这两种灵敏度都显著高于平片。有人认为，在骨赘的基础上，WBCT可以在比平片更高比例的患者中诊断OA。半月板挤压与OA的快速进展有关，MRI普遍用于半月板评估。然而，MRI上缺乏负重可能会导致遗漏站立时的半月板损伤。尽管仍然需要优化重建参数，但WBCT在半月板挤压的评估中显示出有希望的结果。据报道，MRI无法检测到WBCT上36%的内侧半月板突出。

一个日本小组开发了一种320排探测器的立式CT，其中传统CT的机架布置在垂直位置（图10）。与传统CT不同，这种立式CT能够以0.275s的快速机架旋转速度获得站立姿势下的全身图像，并且由于其较高的对比度分辨率，能够可视化软组织和骨结构。他们使用这种直立CT来评估膝关节骨性关节炎患者站立姿势下的整个小腿对齐情况。他们发现，在膝关节骨性关节炎患者中，与传统CT相比，WBCT夸大了随着KL分级的增加，膝关节屈曲和内收增加的趋势。有趣的是，他们还发现WBCT可以根据KL分级灵敏地检测胫骨内旋的变化。KL1和KL2之间的屈曲和内收没有差异，尤其是在早期OA中，但KL2的胫骨内旋比KL1大。因此，作者认为WBCT评估胫骨内旋可能是正确分级早期OA的关键。同一组还分析了踝关节对齐和膝关节骨性关节炎之间的关系，因为踝关节对齐的变化会恢复膝关节骨性骨折中的小腿对齐。通常，外侧楔形鞋垫用于改善膝内翻性OA的下肢对齐，但作者认为，由于膝关节OA引起的距脚和距下异常对齐可能并不是那么简单，只能使用外侧楔形鞋垫进行补偿。需要进一步的研究来了解膝关节骨性关节炎对整个小腿对齐的影响，这些研究可能使我们能够在未来找到更好的康复和管理方法。

图10 320排探测器立式CT的照片。a图像显示了机架处于向上位置的立式CT。b受试者站在机架内。在今年CMEF上，赛诺威盛也展出了立式CT。

在踝关节，WBCT为站立期间健康关节的状态提供了新的见解。例如，在典型的胫腓骨远端关节中，腓骨在站立期间相对于胫骨切迹横向、向后平移并向外旋转。WBCT在显示负荷过程中骨骼和踝关节对齐方面的优势不仅有助于诊断OA，而且有助于术前计划和了解OA的病理生理学。在踝内翻OA中，使用WBCT发现距跟关节的外翻补偿。因此，距跟关节可以补偿踝关节以上的畸形，但这种补偿在外翻踝关节骨性关节炎中没有发现。对安装WBCT的机构的踝关节OA患者的回顾性分析显示，与传统CT组相比，WBCT组的辐射剂量减少10%，扫描时间减少77%。

结论

CT是观察OA评估结构变化的参考标准。它的实用性不仅在日常OA诊断中有报道，而且在以研究为目的的文献中也有报道。CT在OA分级中显示出高重复性，在多个关节中具有评分系统。使用其他方式测量软骨下3D结构的BMD可能非常困难。本文还回顾了最近开发的三种具有代表性的CT系统的实用性。DECT可以评估BME，而以前只能通过MRI进行可视化。负重位CT是未来临床试验和了解OA病理生理学的一种很有前途的方法。PCCT可以提供比传统CT更高的空间分辨力图像，并显著减少辐射暴露（这是传统CT的最大缺点）。这些新的CT系统可能会在未来十年带来OA知识的重要进展。

文献原文：

Fukuda T, Yonenaga T, Miyasaka T, Kimura T, Jinzaki M, Ojiri H. CT in osteoarthritis: its clinical role and recent advances. Skeletal Radiol. 2022 Oct 26. doi: 10.1007/s00256-022-04217-z.

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2023年5月19日