2.1  试验对象数量分析  30例膝骨性关节炎患者以及30例非膝骨性关节炎患者均进入结果分析，无脱失。试验流程见图2。

2.2  膝骨性关节炎组与非膝骨性关节炎组患者的基本信息  2组患者的基本信息见表1。2组患者性别、年龄、胫骨平台大小比较差异无显著性意义(P=0.21，P=0.34，P=0.13)，但膝骨性关节炎组股胫角较非膝骨性关节炎组明显增加(P < 0.05)，说明膝骨性关节炎患者大部分存在一个明显的膝关节内翻畸形。

2.3  膝骨性关节炎组与非膝骨性关节炎组患者软骨下骨板超微结构参数的差异  如图3所示，与非膝骨性关节炎组相比，膝骨性关节炎组外侧和内侧软骨下骨板骨密度都明显增加(P=0.013，0.007)，外侧和内侧软骨下骨板孔隙率明显降低(P=0.011，0.006)。同时膝骨性关节炎组内侧软骨下骨板厚度显著高于非膝骨性关节炎组(P=0.029)。

2.4  膝骨性关节炎组与非膝骨性关节炎组患者软骨下骨3D重建结果  如图4所示，与非膝骨性关节炎组相比，膝骨性关节炎组骨小梁厚度及板状结构明显增加，骨小梁整齐排列杂乱，可见骨小梁断裂。

2.5  膝骨性关节炎与非膝骨性关节炎患者软骨下骨超微结构参数差异  如表2所示，与非膝骨性关节炎组相比，膝骨性关节炎组软骨下骨在胫骨平台外侧和内侧骨密度都明显增加(P=0.035，0.002)，外侧和内侧软骨下骨骨小梁厚度明显增加(P=0.023，0.003)，外侧和内侧骨小梁数量明显下降(P=0.028，0.019)，内侧松质骨分离度(骨小梁间隔)降低(P=0.031)，结构模型指数和连接密度值明显降低(P < 0.05)。

膝骨性关节炎是一种以渐进性的关节损伤为主要特征，并最终导致患者关节疼痛甚至残疾的疾病，其可极大地降低患者生活质量^[1-2]。对于膝骨性关节炎的病理机制尚没有一致的结论，既往研究主要关注软骨退变方面。关节软骨和软骨下骨在解剖位置上紧密相邻，它们作为一个单一的功能性单位，共同发挥作用，并维持关节稳定性。自从RADIN等^[3]首次提出软骨下骨的改变是导致骨关节炎发病启动因素的假说，软骨下骨的作用得到了越来越多的重视。目前很多的研究关注软骨下骨在骨性关节炎进程中的变化，以及在骨性关节炎治疗中以此结构为靶向的必要性和有效性^[4-6]。

以往的研究主要包括动物实验和体外实验，由于动物与人存在差异，因而在动物模型上很难精确模拟人类不同膝骨性关节炎分型的发生和发展过程。迄今为止，一些在动物实验中有效的治疗方案在临床试验中表现并不满意，因而直接在人体关节内获得相关数据是非常必要的^[7-8]。CT是一种非侵入性的技术，能对膝关节进行三维结构扫描分析^[9]，其准确性和可靠性较以往常用的双能X射线骨密度扫描仪有着明显的提升^[10]。在此次试验中，拟通过CT评估正常膝关节与膝骨性关节炎软骨下骨板及软骨下骨超微结构的变化，探索软骨下骨在膝骨性关节炎疾病的发生和发展中的作用。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1  设计  三维结构分析，对比观察实验。

1.2  时间及地点  于2016年7月至2018年7月在郑州市骨科医院完成。

1.3  对象  于2016年7月至2018年7月从郑州市骨科医院影像科就诊患者中通过随机数字法，随机抽取30例非膝骨性关节炎患者(非膝骨性关节炎组)及30例膝骨性关节炎患者(膝骨性关节炎组)。

膝骨性关节炎组患者的纳入标准：①1个月内膝关节经常疼痛；②X射线关节边缘有骨赘形成和关节间隙明显变窄，膝关节临床影像学Kellgren-Lawrence分期Ⅳ期^[11]；③骨性关节炎性滑液(透明、黏性，白细胞数量<2×10⁶ L^-1；④年龄≥40岁；⑤晨僵≤30 min；⑥关节活动时弹响声。最少存在①②或①③⑤⑥或①④⑥者为膝骨性关节炎^[12]。

非膝骨性关节炎组患者纳入标准：①年龄≥40岁；②膝关节无明显活动受限症状，或症状不满足膝骨性关节炎诊断标准；③X射线平片无明显关节间隙变窄及骨赘形成。

排除标准：①既往膝关节外伤史、手术史(包括骨折复位内固定术、膝关节镜手术等)；②类风湿、强直性脊柱炎；③严重骨质疏松病史。

试验于2016-06-10审批经郑州市骨科医院伦理委员会通过，审批号为2016医院伦审第004号。所有患者自愿参与此次试验，并签署知情同意书。

1.4  方法

1.4.1  CT扫描  所有患者均由同一个技师使用西门子64排螺旋CT扫描分析。患者采用仰卧位。螺旋CT参数：X射线管电压为140 kV，通过管电流为300 mA，扫描以360° 0.37 s的旋转速度，图像重建20幅/s，每圈层面数64层，螺旋指数0.45。

1.4.2  软骨下骨板及软骨下骨松质骨超微结构分析    获得CT扫描数据后，通过MIMICS软件(比利时Materialise公司)选取感兴趣区域，去除无用的骨赘及软组织，并进行三维重建。每个标本胫骨平台外侧和内侧分别取面积    12 mm×12 mm×6 mm作为研究区域，然后使用MIMICS软件分析和计算软骨下骨板骨密度、厚度和孔隙率，见图1。每个标本选取软骨下10 mm作为软骨下骨松质骨区域，并以髁间嵴为标志分为外侧和内侧部分，每部分选取一大小为12 mm×12 mm×6 mm的骨小梁长方体作为研究区域进行测量分析，具体测量参数：骨小梁厚度、骨小梁数量、骨小梁间隔、骨密度、连接密度、结构模型指数。

1.5  主要观察指标  软骨下骨板和松质骨相关参数。

1.6  统计学分析  应用SPSS 22.0(IBM公司，美国)统计学软件，计量资料用x(_)±s表示，2组间数据采用单因素方差分析进行比较，若差异有显著性意义，则再采用LSD-t 检验进行两两比较，P < 0.05为差异有显著性意义。

据统计，65岁以上老年人中骨性关节炎发病率为 60%-70%，而75岁以上人群高达85%左右^[13]。随着中国逐渐进入老年社会，膝骨性关节炎的发病率呈逐年上升，但其目前尚无有效的药物治疗措施，最终导致患者出现关节疼痛直至膝关节功能的基本丧失，需要进行人工关节置换，导致了医疗资源的极大消耗。

软骨下骨由软骨下骨板和下方的松质骨及骨小梁间腔隙组成。软骨下骨板将钙化软骨和板下方的骨髓腔分开。软骨下骨中有含有大量的动静脉和它们的分支，这些血管穿过软骨下骨板后进入钙化软骨层，营养关节软骨的深层基质，并带走代谢产物^[14]。软骨下骨在骨关节中起着重要的作用，主要负责吸收关节面传导过来的应力，缓冲震荡，保护关节软骨免受过度冲击力的损伤并维持关节的形状。由于关节软骨与软骨下骨具有不同的弹性模量，故正常的软骨下骨通过形变，如同一个“海绵垫”一样对关节面传导过来的应力进行缓冲，并将剩余的冲击力传至骨及周围的软组织^[15]。软骨下骨在保护关节软骨，防止损伤起着重要作用。软骨下骨松质骨主要包括板状的骨小梁、柱状骨小梁以及它们之间的连接结构组成，在纵向和横向方向共同连接，而行使力学功能^[16]。作者通过CT技术评估非膝骨性关节炎患者与膝骨性关节炎患者软骨下骨板及软骨下骨超微结构的变化，为治疗膝骨性关节炎提供帮助。

研究发现，非膝骨性关节炎人群软骨下骨骨密度与软骨厚度存在一个正相关，软骨越厚，软骨下骨骨密度越大，这两个组织存在一个正态耦合关系，这点在既往的动物实验和体外实验中已经得到了证实^[17]。但在膝骨性关节炎患者中，这种情况完全颠倒了过来，随着软骨破坏程度的加重，软骨下骨骨密度反而增大^[18]。这可能是由于膝骨性关节炎发展过程中，软骨的破坏导致软骨下骨板负荷增加，进而导致软骨下骨板结构改变，从而能够承受更大的机械负荷。在此次试验中也证实了这一点，发现膝骨性关节炎患者软骨下骨板骨密度、厚度增加，孔隙率下降，与非膝骨性关节炎组相比发生显著变化。这一结果支持了一种膝关节各生理指标的紊乱导致膝骨性关节炎的发生的病理生理学模型。这套关节系统模型假设，在正常关节中，各指标相互适应，正如正常膝关节软骨厚度与软骨下骨骨密度的关系，当超过各指标相互适应的能力，稳态被打破，膝骨性关节炎开始发生发展，软骨厚度与软骨下骨骨密度的正相关逆转成负相关^[19]。

此外，作者还发现膝骨性关节炎组和非膝骨性关节炎组软骨下骨松质骨超微结构之间也存在较明显差异。膝骨性关节炎组软骨下骨小梁骨厚度较非膝骨性关节炎组明显增加，厚度的增加可能会削弱软骨下骨和软骨的分子联系，进一步加剧关节软骨的损害^[20]。结构模型指数和连接密度的下降表明松质骨内大量杆状结构向板状结构发生改变，这种改变能短暂的提高对机械应力的负荷能力，但是会更加增加软骨下骨的僵硬度，对软骨产生持续性损伤^[21]，同时较低的连接密度水平表明软骨下骨在缓冲软骨受到的应力方面能力下降^[22]，最终可能导致了关节面的硬化以及骨赘的形成。另一方面，试验发现膝骨性关节炎组中内侧出现了骨小梁数量减少，空间距离增大，尽管骨小梁的厚度代偿性增加，并出现板状结构的改变，但是由于膝关节本身的高负荷，关节面的僵硬度增加，最终导致软骨下骨骨抗变形能力下降，这也是导致膝关节内翻畸形的因素之  一^[23]。

截至目前，有关软骨下骨板和软骨下骨小梁改变与骨关节炎的研究多集中于动物模型，以人体作为研究对象并不多见。在以往的动物实验中，MURRAY等^[24]报道的马短期运动骨关节炎模型和WANG等^[25-26]报道的豚鼠自发性骨关节炎模型，发现软骨下骨板骨密度、厚度增加，软骨下骨小梁厚度增加，与此次试验的结果一致。但是在BURR等^[27]报道的兔子前交叉韧带切除骨关节炎模型和SNIEKERS等^[28]狗关节划痕模型中，却发现软骨下骨板厚度减小，软骨下骨小梁骨厚度降低。这与MURRAY等^[25-28]以及此次试验的结果似乎存在冲突，但需要注意的是，膝骨性关节炎的发展是一个渐进性的过程，不同的研究观察点存在差异，得出的结论也可能不同。结合以往的动物实验，作者推测在骨关节炎早期，软骨下骨板、骨小梁厚度降低，造成孔隙率增大，进而促进血管侵入软骨和微粒从受损的软骨扩散出来，加速了骨和软骨之间的病理性生化通信，加剧骨关节炎的发生^[22]。同时软骨下骨板厚度的降低和孔隙率的增加还会导致软骨下骨板结构出现破坏，进而软骨下骨板的力学性能下降，传导缓冲关节软骨的力量不够，因而使得关节软骨未能得到很好的保护，反过来促进软骨的进一步损伤，导致了骨关节炎的发生和发展^[29-31]。但随着病情的进展，膝关节软骨磨损加重，膝关节出现畸形，载荷传导方式和负重区域均发生改变，为了承载过高应力，软骨下骨板和骨小梁发生代偿性改变，出现了此次试验中的超微结构改变。

综上，膝骨性关节炎患者软骨下骨板和软骨下骨小梁超微结构均存在显著变化。作者推测人体膝关节软骨及软骨下骨是一个稳态结构，如同一个“天平”一样，可以左右晃动，但当晃动的幅度超越了机体自我调节的能力，平衡就会打破，稳态结构遭到破坏，进而导致膝骨性关节炎的发生和发展。在之后的研究中，对骨关节的预防及治疗方面可以考虑从维持软骨下骨的稳态方面着手。

目前国内外关于膝骨性关节炎的研究主要采用动物模型和细胞实验，直接收集人体标本进行分析的研究较少，因而此次试验虽存在一些创新之处，但是也缺乏足够的文献支持。此外，作者仅通过收集膝骨性关节炎终末期患者CT扫描数据分析其超微结构的改变，研究组相对比较单一，未收集膝骨性关节炎其他3期患者数据，因而数据分析不具备梯度性，在接下来的研究中，作者将收集不同膝骨性关节炎分期患者数据进行分析研究，从而进一步了解膝骨性关节炎患者发生和发展过程中软骨下骨超微结构的改变。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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文题释义：

膝骨性关节炎：是一种以渐进性的关节损伤为主要特征，并最终导致患者关节疼痛甚至残疾，极大地降低患者生活质量。

CT：利用精确准直的X射线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快、图像清晰等特点。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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膝骨性关节炎在中国的患病率为 8.1%；与国外流行病学调查相比，国内膝骨性关节炎发病率明显高于髋骨关节炎，且呈现明显的地域差异，即西南地区及西北地区明显高于华北地区和东部沿海地区，农村地区膝关节症状性骨关节炎患病率高于城市地区。

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