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Purdue University

Bone Res., Apr 02 2026, 14 (1) 36 | https://doi.org/10.1038/s41413-026-00515-7 Radiomics identifies distinct cortical bone texture alterations in patients with CKD using HR-pQCT

Youngjun Lee ¹, Seokkyoon Hong ¹, Miran Lee ^2,3, Choongbeom Seo ⁴, Sangjun Park ⁵, Kenneth J Lim⁶, Sharon M Moe ⁶, Stuart J Warden⁷, Rachel K Surowiec ^1,*

¹Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette and Indianapolis, Indiana, USA
²Department of Electronic Engineering, Sogang University, Seoul, South Korea
³Department of Total Healthcare Center, Kangbuk Samsung Hospital, Sungkyunkwan, Seoul, South Korea
⁴Department of Radiology, Seoul National University Bundang Hospital, The Seoul National University of Korea, Seoul, South Korea
⁵Department of Radiation Therapy, Samsung Medical Center, The Sungkyunkwan University of Korea, Seoul, South Korea
⁶Department of Nephrology and Hypertension, Indiana University School of Medicine, Indianapolis, Indiana, USA
⁷School of Health and Human Sciences, Indiana University Indianapolis, Indianapolis, Indiana, USA

^*Corresponding author: correspondence to Rachel K Surowiec

Abstract

Standard clinical imaging metrics perform poorly in predicting skeletal fragility in chronic kidney disease (CKD), particularly due to the complex and heterogeneous cortical deterioration that characterizes advanced disease. Here, this study aimed to identify radiomic features derived from high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) in tibial cortical bone that distinguish CKD-related differences and may serve as markers of subtle cortical alterations undetected by conventional imaging. HR-pQCT image stacks were obtained from 72 participants (38 non-CKD and 34 with CKD stage 5D) at 7.3% (distal) and 30% (diaphyseal) proximally from the tibial endplate, resulting in a total of 24 192 slices. In non-CKD cases, features were largely derived from first-order statistics, while complex features from higher-order statistics were more prominent in CKD cases. Although conventional HR-pQCT outcomes, such as volumetric bone mineral density, showed limited ability to differentiate CKD from non-CKD cortical bone in our population of stage 5D patients, the top features, such as Minimum and Strength, provided a significant distinction between the two groups (P < 0.001, Effect size r = from 0.813 to 0.856). Our findings demonstrate that radiomic analysis identifies cortical bone differences associated with CKD that were not distinguished by conventional HR-pQCT metrics, highlighting its potential to improve bone quality assessment in this high-risk population.

논문소개전체 설명

왜 이 연구가 필요했을까?
만성 콩팥병(CKD) 환자는 일반인보다 골절 위험이 최대 17배나 높습니다. 콩팥 기능이 떨어질수록, 그리고 투석 기간이 길어질수록 뼈는 점점 약해집니다. 문제는 기존의 검사로는 이 변화를 제대로 잡아내지 못한다는 점입니다. 병원에서 흔히 쓰는 골밀도 검사(DXA)는 뼈의 2차원 밀도만 측정하기 때문에, CKD 특유의 복잡한 뼈 변화를 포착하는 데 한계가 있습니다. 더 정밀한 장비인 HR-pQCT(고해상도 말초 정량적 CT)조차도 피질골 밀도, 두께, 공극률 같은 기존 지표들은 CKD 환자와 정상인 사이에서 일관된 차이를 보여주지 못하는 경우가 많습니다. 즉, 검사 수치는 비슷해 보이는데 실제 뼈의 질은 전혀 다를 수 있다는 것입니다. 이 연구는 바로 그 '보이지 않는 차이'를 찾아내기 위해 설계되었습니다.

핵심 아이디어: 뼈의 '결'을 읽는 라디오믹스
저희가 사용한 기술은 라디오믹스(Radiomics) 입니다. 영상 속 픽셀들이 어떻게 분포하고, 서로 얼마나 균일한지, 어떤 패턴을 이루는지를 수백 가지 수치로 분석하는 방법입니다. 쉽게 말하면, 눈으로 봐서는 같아 보이는 CT 영상에서도 컴퓨터는 미세한 '질감(texture)의 차이'를 읽어낼 수 있다는 것입니다. 본 연구는 HR-pQCT로 찍은 정강이뼈(경골) 영상을 대상으로, CKD 5단계(투석 중인) 환자 34명과 건강한 대조군 38명의 피질골(뼈의 바깥 껍질 부분)에서 무려 753가지 라디오믹스 특징값을 추출했습니다.

무엇을 발견했나?
기존 HR-pQCT 지표인 피질골 밀도와 공극률은 두 그룹 사이에서 유의미한 차이를 보이지 않았지만, 라디오믹스의 핵심 특징값인 'Minimum'과 'Strength'는 두 그룹을 매우 강하게 구별해냈습니다(p < 0.001, 효과 크기 r = 0.813~0.856). 구체적으로, CKD 환자의 뼈는 더 불균질한 질감(heterogeneous texture)을 가지고 있었습니다. 정상 뼈는 주로 간단한 강도 분포(1차 통계)로 특징지어진 반면, CKD 뼈는 복잡한 고차 통계값들이 두드러졌습니다. 이는 뼈의 미세구조와 구성 물질(콜라겐, 미네랄, 수분)이 불규칙하게 변했다는 것을 시사합니다. 특히 흥미로운 것은, 기존 측정 수치(피질골 밀도, 면적, 공극률)가 서로 비슷한 CKD 환자와 정상인의 뼈를 비교했을 때도, 라디오믹스 분석으로 만든 시각화 지도에서는 CKD 뼈의 불균질성이 뚜렷이 드러났다는 점입니다. 즉, 표준 검사가 '정상'이라고 판정하더라도, 실제 뼈의 질은 이미 손상되어 있을 수 있다는 것입니다.

왜 중요한가?
이 연구는 CKD 환자의 골절 위험을 더 정확하게 평가할 수 있는 새로운 영상 바이오마커의 가능성을 제시합니다. 향후 머신러닝 모델과 결합하면, 기존 방법으로는 놓쳤던 고위험 환자를 조기에 발견하고 예방적 치료 전략을 마련하는 데 도움이 될 수 있습니다. 무엇보다, 이미 찍어 둔 CT 영상에서 추가 방사선 노출 없이 더 많은 정보를 뽑아낼 수 있다는 점에서 임상 적용 가능성이 높습니다. 이 연구는 HR-pQCT 영상에 라디오믹스를 적용해 피질골을 분석한 최초의 시도로 알려져 있습니다.

논문정보

형식Research article
게재일2026년 04월 (BRIC 등록일 2026-04-08)
연구진국내+국외 연구진
분야 바이오·의료융합 > 다학제 융합/복합

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