Quantitative Assessment of Condylar Bone Changes in Osteoarthritis Patients Using Single-photon emission computed tomography/computed tomography and Magnetic resonance imaging

Abstract

Temporomandibular joint osteoarthritis (TMJ OA) is a chronic condition characterized by degenerative changes in the articular cartilage, accompanied with bony remodeling and functional deterioration. Clinically, it leads to pain during mastication, limited mouth opening, and joint sounds. However, these symptoms are subjective and may arise from various causes; therefore, imaging evaluation is essential for accurate diagnosis. Whereas conventional radiographs only allow for the evaluation of morphological changes in bone, recent advances in functional imaging techniques have enabled quantitative analysis reflecting bone metabolism and vascular status. Accordingly, this study aimed to comprehensively evaluate condylar bone metabolism, density, and blood perfusion status in TMJ OA patients using the maximum standardized uptake value (SUVmax) and Hounsfield unit (HU) from single-photon emission computed tomography/computed tomography (SPECT/CT) and the signal intensity ratio (SIR) from magnetic resonance imaging (MRI). This retrospective study included 64 patients (97 joints) who presented with TMJ pain and underwent both SPECT/CT and MRI between 2017 and 2023 at the Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Gangnam Severance Hospital. Based on clinical and imaging criteria, joints were categorized into OA (65 joints) and normal (32 joints) groups. Quantitative comparisons were made between the groups for SUVmax, HU, and SIR values, and correlations among these parameters were analyzed. The OA group showed a significantly higher SUVmax (median 6.5) than the normal group (median 3.1, p < 0.0001), indicating increased bone metabolic activity. HU values for both total condyle head and medulla were also higher in the OA group (719.0 and 394.0, respectively) compared to the normal group (552.2 and 290.5), suggesting enhanced bone sclerosis and formation. In contrast, SIR values were significantly lower in the OA group (0.9 on proton density weighted image (PDWI) and 1.03 on T2WI (T2 weighted image)) compared to the normal group (1.2 on PDWI and 1.16 on T2), indicating reduced perfusion or altered bone marrow composition. MRI findings showed significant differences between the OA and normal groups about all parameters, including disc-condyle relationship, disc shape, bone marrow signal, joint space, and joint effusion. The OA group exhibited a higher prevalence of non-reducing disc displacement, deformed disc shapes, narrowed joint space, and decreased bone marrow signal, which are considered characteristic of TMJ OA. Correlation analysis revealed a significant positive relationship between SUVmax and HU across all regions, and a significant negative correlation between SUVmax and SIR. Additionally, a negative correlation between SIR and HU was observed. These findings are interpreted as reflecting the pathophysiological progression of TMJ OA, where increased metabolic activity and bone density are accompanied by reduced vascular supply. In conclusion, this study quantitatively analyzed various imaging parameters that reflect the pathophysiology of TMJ OA, suggesting their potential to overcome the limitations of conventional subjective or qualitative assessments in diagnosis and staging. SUVmax, HU, and SIR respectively reflect bone metabolism, density, and perfusion, and their integrated interpretation may serve as an effective tool for the quantitative diagnosis and prognostic evaluation of TMJ OA. Future large-scale studies considering age, sex, and disease progression stages are needed to enhance generalizability and establish clinical diagnostic criteria.

측두하악관절 골관절염은 관절 연골의 퇴행성 변화와 그에 따른 골의 재형성 및 기능 저하를 동반하는 만성 질환으로, 임상적으로는 저작 시 통증, 개구 제한, 관절 잡음 등의 증상으로 나타난다. 그러나 이러한 증상들은 주관적이며 다양한 원인에 의해 유사한 증상이 발생할 수 있어, 정확한 진단을 위해 영상학적 평가가 필수적이다. 기존의 방사선 영상에서는 골의 형태적 변화만을 평가할 수 있었으나, 최근에는 기능적 영상기법의 발전을 통해 골의 대사활성이나 혈류 상태를 반영한 정량적 분석이 가능해지고 있다. 이에 본 연구에서는 단일 광자 방출 컴퓨터 전산화 단층촬영에서 측정 가능한 최대 표준 흡수 계수율과 하운스필드 단위, 그리고 자기공명영상에서의 신호강도비를 활용하여 턱관절 골관절염 환자에서 하악과의 골 대사, 골밀도, 혈류 상태를 종합적으로 평가하고자 하였다. 본 연구는 2017 년부터 2023 년까지 강남세브란스병원 구강악안면외과에 내원한 TMJ 통증 환자 중 단일 광자 방출 컴퓨터 전산화 단층촬영 및 자기공명영상을 모두 촬영한 64 명의 환자(97 개의 턱관절)를 대상으로 수행된 후향적 연구이다. 환자는 영상 및 임상 기준에 따라 골관절염군(65 개 관절)과 정상군(32 개 관절)으로 분류되었다. 각 군 간 최대 표준 흡수 계수율, 하운스필드 단위 및 신호강도비의 정량적 지표 차이를 비교하고, 이들 간의 상관관계를 분석하였다. 분석 결과, 골관절염군은 최대 표준 흡수 계수율의 중앙값이 6.5 로, 정상군의 3.1 보다 유의하게 높았으며(p<0.0001), 이는 골관절염에서의 골 대사활성 증가를 반영하는 소견으로 해석된다. 하운스필드 단위 역시 골관절염군에서 과두 전체에서의 하운스필드 단위(719.0) 및 골수 하운스필드 단위(394.0)가 정상군(552.2 및 290.5)에 비해 높아, 골경화 및 골형성 증가를 시사하였다. 반면, 자기공명영상에서 측정된 신호강도비는 골관절염군(PDWI 0.9, T2WI 1.03)에서 정상군(PDWI 1.2, T2WI 1.16)보다 유의하게 낮았으며(PDWI p<0.0001, T2WI p=0.003), 이는 골수의 혈류 감소나 구성 변화로 인한 신호강도 저하를 시사한다. 자기공명영상의 평가에서도 관절원판-하악과두 사이의 관계, 관절원판 형태, 골수 신호, 관절 공간, 관절 삼출액의 모든 항목에서 골관절염군과 정상군 간 유의한 차이가 확인되었다. 특히 골관절염군은 비정복성 관절원판변위와 변형된 관절원판 형태, 좁은 관절공간, 감소한 골수 신호에 대한 평가가 정상군에 비해 현저히 많았으며, 이러한 소견들은 골관절염의 상태와 밀접한 관련이 있는 것으로 여겨진다. 정량 지표들 간의 상관분석 결과, 최대 표준 흡수 계수율과 하운스필드 단위는 모든 영역에서 유의한 양의 상관관계를 보였으며, 최대 표준 흡수 계수율과 신호강도비는 유의한 음의 상관관계를 나타냈다. 신호강도비와 하운스필드 단위 간에도 음의 상관관계가 확인되었는데, 이는 골의 대사활성 증가 및 밀도 증가와 동시에 혈류가 감소하는 병태생리적 과정을 반영한 결과로 해석된다. 결론적으로, 본 연구는 측두하악 골관절염의 병태생리를 반영하는 다양한 영상학적 지표들을 정량적으로 통합 분석함으로써, 질환의 정확한 진단과 상태 평가에 있어 기존의 주관적 또는 정성적 평가의 한계를 보완할 수 있는 가능성을 제시하였다. 최대 표준 흡수 계수율은 골 대사 상태, 하운스필드 단위는 골질, 신호강도비는 혈류 상태를 각각 반영하는 지표로서, 이들 세 가지 지표의 종합적 해석은 측두하악 골관절염의 정량적 진단 및 예후 평가에 있어 효과적인 도구가 될 수 있다. 향후 보다 다양한 연령대와 성별, 질병 진행 단계를 고려한 대규모 연구를 통해 본 연구 결과의 일반화 가능성을 높이고, 임상 적용을 위한 진단 기준의 확립으로 이어질 수 있을 것이다.