膝骨关节炎患者膝关节骨密度测量研究现状

张毅 郭万首 张启栋 刘沛 王洋洋

（1.玉溪市人民医院骨外二科，云南玉溪 653100；2.北京大学中日友好临床医学院，北京 100029；3.中日友好医院骨关节外科，北京 100029；4.北京中医药大学，北京 100029）

膝骨关节炎（knee osteoarthritis,KOA）患者膝关节局部骨密度（bone mineral density,BMD）水平是当前众多学者讨论的热点话题[1-3]，但截至目前，膝关节局部BMD 测量尚无专用工具，更无统一标准。传统BMD 测量技术的研发目的通常用于骨质疏松症（osteoporosis,OP）的诊断，所以适用部位以腰椎和股骨近端为主，因为这些部位松质骨多、骨代谢活跃，可以更好地反映全身骨量变化。目前腰椎和股骨近端BMD 的测量方法已经很成熟，但这些BMD 测量方法是否可以应用于膝关节来评价KOA 患者膝关节局部骨量水平，长期以来都不得而知。近些年，已有学者对膝关节局部BMD 进行测量研究，获得了一些初步结果。本文对相关研究进行综述。

1 膝关节局部BMD测量方法

众多学者对BMD 测量方法进行长时间的探索研究，目前有基于X 线、放射性核素、超声、核磁共振等技术的多种BMD 测量方法。但目前可以用于膝关节局部BMD 测量的方法仍基于X 线技术，包括X 线平片法、双能X 线吸收法（dual X-ray absorptiomertry,DXA）、定量CT 法（quantitative computed tomography,QCT）。

1.1 X线平片法

BMD 下降者在X 线平片上表现为透光度增加，骨皮质变薄，骨小梁形态和分布改变。X 线平片法具有较大的局限性，Lang 等[4]研究认为，只有BMD 改变超过40%时才可能在X 线平片上反映出来，所以不适用于KOA 早期患者。同时，X 线平片质量容易受到体位、曝光条件等影响，结果判读的主观性较强，是一种很不精确的测量方法，但因为简单易行，仍被临床广泛采用。

1.2 DXA

DXA 由Mazess 等[5]于1987 年首次提出。DXA 使用了两种能量高低不同的X线同时扫描，可以很好地校正软组织误差，所测得的结果是骨皮质和骨小梁的总和。DXA 的放射剂量低，散射量少，扫描时间短，精确性高，可重复性好，显示出巨大的技术优势。同期基于X 线技术的其他BMD 测量方法，如单能X线吸收法（single X-ray absorptiomertry,SXA）、放射吸收法（radiation absorption,RA）等，尽管具有较高的精度[6]，可以用于腰椎骨折风险[7]及股骨近端骨折风险预测[8]，但因为操作复杂[9,10]很快被DXA所取代。一些基于放射性核素技术的传统BMD 测量方法，如单光子吸收法（single photon absorptiometry，SPA）和双光子吸收法（dual photon absorptiometry，DPA），也因为放射性同位素衰变的影响、测量部位的局限，以及扫描时间长等因素，很快被DXA 所取代。DXA 已被WHO 推荐为诊断OP 的“金标准”[11]。DXA 测量BMD的部位主要是腰椎和股骨近端。近些年，适用于膝关节的增置软件的出现使DXA 测量膝关节BMD 成为可能。尽管目前尚无膝关节局部BMD 的峰值数据和标准差，尚无法对KOA 患者进行膝关节骨质疏松的定性诊断，但可以对膝关节的骨量进行定量测量和动态监测，这是一个很大的进步。Petersen 等[12]首次于1996 年报道了使用DXA 测量膝关节BMD。Therbo 等[13]研究发现，DXA 对体位要求很高，当下肢处于中立位时，精密度为5%，当有20°～40°的旋转时精密度为4.9%～12.3%。Madsen 等[14]研究发现，DXA测量股骨远端时最好选择正位，精密度为1.89%～2.64%；测量胫骨近端最好选择侧位，精密度为3.67%；DXA 测量髌骨的精密度较高，为0.84%。Boudenot等[15]研究发现，膝关节BMD测量的扫描长度约100 mm，应包括股骨髁、髌骨和胫骨结节。Clarke等[16]研究发现，DXA 可以对KOA 患者膝关节BMD 进行安全、快捷、可靠的测量。

1.3 QCT

QCT 由Genant 等[17]于1987 年首次报道，使用常规CT 同时扫描待测部位骨和专用体模，用软件自动计算感兴趣区（region of interest,ROI）的BMD。理论上，QCT 可以测量骨皮质和骨小梁的总和，也可以将皮质骨和松质骨单独进行测量，结果为真实的体积骨密度。与DXA 相比，QCT 的优势包括：①反映松质骨的BMD更敏感（因为松质骨的转化率约是皮质骨的8倍，所以松质骨比皮质骨能更早地反映BMD的改变）；②QCT受骨骼形状及骨关节病变如骨质增生、骨硬化等影响更少；③QCT能完全消除软组织及组织重叠的影响[18]。Reilly等[19]和Lee等[20]研究发现，QCT的精密度非常高。李佳录等[21]使用QCT测量30例股骨内外侧髁和胫骨平台的BMD，由2 位研究者各自进行2 次独立测量，结果发现同一研究者不同时间测量的同一部位的BMD，以及不同研究者所测量的同一部位的BMD的差异均无统计学意义，显示QCT测量膝关节BMD具有很好的可重复性。Guglielmi 等[22]和Tanno 等[23]研究认为，QCT 的放射剂量远比DXA 大，费用高昂，这也是QCT的使用远不如DXA普及的重要原因。

一些基于其他技术的BMD 测量方法，因为技术限制而很少用于膝关节局部BMD 的测量。但其中一些方法是值得进一步探索的，如定量超声测定法（quantitative ultrasound system,QUS）是近些年发展起来的基于超声技术的BMD 测量方法，QUS 利用组织对超声波的吸收、衰减、反射特性来测量骨组织的BMD 和几何结构，理论上QUS 对骨强度和骨应力这两个骨折危险因素均可进行测量。Langton[24]于1994年首次报道使用QUS 测量BMD。但El-Desouki 等[25]研究发现QUS 测量不同部位BMD 的准确性不一致，QUS 超声参数与跟骨BMD 有较好的相关性，而与腰椎等仅有低中度相关性，故QUS 目前仅用于测量跟骨。有研究发现QUS 测量跟骨BMD 的结果与DXA测量腰椎、股骨近端的BMD 结果非常相似，可以在一定程度上反映全身骨量的变化，可用于腰椎和股骨近端骨折风险的预测，但尚不能替代DXA 的测量结果[26-28]。QUS 受探头放置方式的影响较大，结果的可重复性较差[29]。随着超声技术的发展，QUS 在不断改进，Wüster 等[30]研究发现，使用传感器及变速器技术可极大程度减少软组织所引起的误差。Yamazaki[27]认为QUS 对OP 的诊断有良好的特异度和灵敏度。Rozental 等[31]认为QUS 操作方便、价格低廉、无损伤，是一种值得探索的BMD检查方法。

近些年出现的基于放射性核素、X线技术综合应用的BMD 测量方法称为单光子发射计算机断层成像术（single-photon emission computed tomography,SPECT），采用CT 对γ 射线成像，进而评价患者骨代谢情况。Soininvaara 等[32]应用SPECT 测量TKA 术后假体周围骨代谢的状况，以评估骨量变化。国内尚无相关文献报道。一些基于核磁共振技术的BMD 测量方法尚处于初步探索阶段。

综上，膝关节BMD 的测量尚无统一标准，也没有专门的测量方法，以上方法在应用时均或多或少受到一些限制，DXA 和QCT 是其中最有价值的方法。更优化的膝关节BMD测量方法仍在探索中。

2 KOA患者膝关节局部BMD改变

近年来，对KOA 患者膝关节局部BMD 的研究获得了一些初步结果，发现了一些规律性的改变。研究发现，绝大多数KOA 患者膝关节局部BMD 是降低的[33-35]。Karvonoen等[33]使用DXA测量62例KOA患者股骨内侧髁、胫骨内外侧平台两处不同深度的BMD，与62 名健康志愿者相同部位的BMD 进行比较，发现KOA 患者6 个部位的BMD 均较健康志愿者低。Wadena 等[34]使用QCT 测量42 例KOA 患者胫骨近端骨骺线至关节软骨下7.5 mm 区域以及骨骺线至干骺端10 mm 区域的BMD，发现BMD 都是降低的。杨伟铭等[35]使用DXA 测量44 例KOA 患者膝关节局部BMD，发现绝大部分都是降低的。

研究发现KOA 患者膝关节局部BMD 存在区域性差异，表现为膝关节内侧较外侧高。Burnett等[36]使用QCT 测量42 例KOA 患者膝关节BMD，发现膝内翻患者的胫骨平台内侧BMD 较外侧高。Lo 等[37]使用DXA 测量436 名志愿者（其中71%为KOA 患者）膝关节BMD，发现膝内翻患者胫骨平台内侧与外侧的BMD 比值高，KOA 患者中表现更加明显。杨伟铭等[35]研究发现，KOA 患者膝关节胫骨平台内侧BMD较外侧高。造成这种区域性差异的原因主要在于力线改变引起的差异性骨重塑[33-35]。

有学者研究KOA 患者膝关节局部BMD 与临床症状的关系，结果显示BMD 水平越低，疼痛症状越重。Burnett等[38]使用QCT测量41例KOA患者髌骨软骨下不同厚度处的BMD，按照WOMAC 量表评分结果将患者分为2 组，A 组为无痛～轻度静息痛，B 组为中度～重度静息痛，结果显示B 组髌骨外侧软骨下0～2.5 mm、2.5～5.0 mm、5.0～7.5 mm处的BMD分别较A组低10%、20%、25%，B 组髌骨内侧软骨下2.5～5.0 mm、5.0～7.5 mm 处分别较A 组低22%、28%，认为中度～重度静息痛的KOA 患者髌骨软骨下BMD 不论内侧还是外侧，均较无痛～轻度静息痛的患者低。Wadena等[34]研究认为，KOA 患者胫骨近端低BMD 是疼痛的独立危险因素，BMD 越低疼痛越重，特别是内侧骨骺线处的BMD，与疼痛有更高的相关性。有学者研究发现，KOA 患者膝关节局部BMD 区域性差异与病情程度具有相关性，Akamatsu 等[39]使用DXA 测量192 例病变在内侧间室的KOA 患者的膝关节BMD，发现股骨内侧髁与股骨外侧髁的BMD 比值、胫骨内侧平台与胫骨外侧平台的BMD 比值越高，VAS 评分也越高。

KOA患者膝关节局部BMD水平与影像学分级也表现出一定的相关性。Linde 等[40]使用DXA 测量450例KOA患者膝关节局部BMD，发现Kellgren-Lawrence分级越高的患者膝关节BMD 越低。Lo等[41]使用DXA测量3048 膝病变在内侧间室的KOA 患者的胫骨近端BMD，发现胫骨平台内侧与外侧的BMD比值越大，Kellgren-Lawrence分级越高。

3 总结与展望

综上，DXA、QCT 是目前应用于膝关节BMD 测量的主要方法。研究显示，使用DXA 和QCT 测量的绝大多数KOA 患者的膝关节局部BMD 是降低的；不同区域的BMD 存在差异；BMD 降低的程度、不同区域BMD的差异程度与病情有关。

截至目前，KOA 的发生发展与膝关节局部BMD水平相关性的病理机制尚未阐明。有研究认为膝关节局部BMD 降低在KOA 发生发展过程中起到重要甚至是始动作用：①膝关节局部骨量下降，会引起软骨下骨微骨折，释放炎性因子，导致关节软骨退变；②微骨折会引起下肢力线异常，进而导致KOA 的发生、发展；③随着KOA 病情加重，患肢会出现废用性骨质疏松，进而出现KOA 与膝关节局部BMD 下降的恶性循环[42-44]。有研究认为Wnt/β-catenin 信号通路可能在其中发挥重要的调控作用，但其详细机制尚未完全阐明[45]。

随着研究的深入和技术的进步，不断有新的BMD测量方法问世，已有的测量方法也在不断完善，膝关节局部BMD的测量技术将会更加精准；KOA与膝关节局部BMD 水平相关性的病理机制将会得到更深入的阐释，这对KOA的预防及治疗具有十分重要的意义。