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目的:利用3TMRI和同步辐射显微CT(SR-micro CT)分别从人和动物模型两个方面,探究膝骨关节炎软骨和软骨下骨小梁的结构变化,以及之间的相互关系。方法:1、前瞻性招募80个受试者并根据标准分为3组(正常对照组,轻度OA组,重度OA组)。利用3TMRI 3D-BFFE及3D-FFE序列成像软骨下骨小梁及关节软骨。采用拓扑学分析骨小梁结构(骨容积分数(BVF),破骨吸收指数(EI),板状杆状比值(SCR),厚度),及测量软骨厚度。比较组间各参数差别,并评估之间的相关性。2、在第一部分的基础上,增加重度OA患者数量,共计92个受试者。采用相同方法对膝关节12个亚区域的骨小梁特征以及四个区域的软骨厚度进行分析。比较不同部位组间各参数的差异,同一部位不同亚区域的骨小梁参数差异,以及评估亚区域骨小梁参数同软骨厚度的相关性。3、选取12只新西兰成年兔并制作OA模型,根据时间点分为四组(对照组,术后4周,术后8周,术后12周),每组3只。利用3T MRI 3D-vibe序列及SR-micro CT成像软骨和骨小梁结构,并按时间点检测血清CTX-Ⅱ,α-CTX。比较组间软骨,软骨下骨小梁结构及分子标记物的动态变化,并探究其之间的相关性。4、收集3例人离体软骨标本行SR-micro CT扫描,将扫描后图像与病理图片对照,分析SR-micro CT显示软骨细胞以及胶原原纤维网的能力。结果:1、轻度OA组,股骨髁骨小梁大体表现为BVF,SCR,骨小梁厚度减低以及EI升高(P<0.001)。重度OA组,BVF进一步减低。2、轻度OA组,股骨髁各亚区域骨小梁表现为较低的BVF(0.15 to 0.12,P<0.05),SCR(6.22 to 5.96,P<0.05)和较高的EI(2.25 to 2.28,P<0.01),胫骨平台各亚区域表现为较低的BVF(0.15 to 0.12 P<0.05)和较高的EI(2.25 to 2.61,P<0.05)。内侧关节软骨厚度同股骨髁亚区域的BVF呈正相关(r>0.3,P<0.05),同胫骨平台亚区域的SCR负相关(r<-0.2,P<0.05)。3、术后4周,血清α-CTX水平升高,内侧股骨髁骨小梁BVF及厚度减低(P=0.013,0.038)。术后8周,血清CTX-Ⅱ水平,软骨T2值显著增加。软骨T2值和血清α-CTX,CTX-Ⅱ呈显著正相关(P<0.001),与骨小梁BVF及厚度呈显著负相关(P=0.026,0.018)。4、SR-micro CT重建图像可以清晰显示软骨细胞及胶原原纤维网结构。结论:1、OA早期,内外侧股骨髁及胫骨平台均表现为骨小梁骨质量的退化。基于内侧关节软骨厚度同骨小梁参数间密切相关,分析骨小梁结构参数有助于阐明OA的启动,进展及监测疗效。2、血清分子标记物(α-CTX,CTX-Ⅱ)结合影像学参数可以动态监测软骨和软骨下骨的改变3、SR-micro CT相衬技术可实现软骨细胞水平的成像。