楊 帆 朱振中 李廣翼 張長青

股骨頭壞死好發(fā)于中青年患者，影響其工作生活，在未及時接受治療的情況下往往最終需行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)［1］。據(jù)估計，5%～12%患者因股骨頭壞死行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)［2］。股骨頭壞死后不斷有新生骨形成及壞死骨吸收，骨小梁結(jié)構(gòu)紊亂、力學性能差，最終發(fā)生股骨頭塌陷［3－7］。股骨頭壞死標本鏡下可依次分為關(guān)節(jié)軟骨區(qū)、壞死區(qū)、纖維修復區(qū)、硬化區(qū)以及正常骨小梁區(qū)［8］。以往大多數(shù)研究并沒有涉及不同誘因間的比較，以及以往對于骨小梁的二維結(jié)構(gòu)觀察并不能準確反映骨小梁，并且無法進行連續(xù)觀察。本研究試圖通過顯微CT重現(xiàn)不同誘因?qū)е碌墓晒穷^壞死塌陷前的骨小梁真實形態(tài)，探討股骨頭壞死塌陷的可能原因。

1 資料與方法

1.1 標本及資料

收集我院2011年4月至2014年3月行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的股骨頭標本18例（男15例，女3例），分為特發(fā)組、激素組及骨折組，每組6例（男5例，女1例；右髖2例，左髖4例）。特發(fā)組平均年齡57歲（48～66歲），激素組55歲（42～66歲），骨折組61歲（56～64歲），三組無統(tǒng)計學差異（P＝0.33）。各組年齡、性別等一般資料匹配［9］。其中特發(fā)組和激素組均為FicatⅡ期，骨折組未發(fā)生股骨頭壞死，在本實驗中作為正常對照組。

1.2 儀器設備

儀器設備包括顯微CT（美國Skyscan公司）、標本切割機（德國PROXXON公司）等。

1.3 標本準備及顯微CT掃描

為更好地反映各組骨小梁真實形態(tài)，所有標本均沿主要骨小梁方向（MTD）切取。在對標本進行處理之前，應先通過X線片確定MTD（圖1）。處理標本時先沿冠狀面將股骨頭對分，取其中一半股骨頭，再平行于對分切口切取厚1 cm骨片，最后以冠狀切面正中 MTD為中線，切取1個3.2 cm×1.0cm×1.0cm骨塊。將所得18個骨塊置于分辨率為17.93μm的顯微CT系統(tǒng)中進行掃描，單次掃描時間為30 min。為避免切割造成骨小梁壓縮改變的影響，對所有骨塊選擇3.0cm×0.8 cm×0.8 cm區(qū)域進行重建。

圖1 標本處理前通過X線片確定MTD方向（a），處理過程中結(jié)合X線片在標本冠狀切面確定MTD中線（b）

1.4 不同區(qū)域骨微結(jié)構(gòu)評價

采用顯微CT自帶軟件DateView對標本進行圖像處理及三維重建，并記錄以下參數(shù)：骨體積分數(shù)（BV／TV）、結(jié) 構(gòu) 模 型 指 數(shù) （SMI）、骨 小 梁 數(shù) 目（Tb.N）、骨 小 梁 厚 度 （Tb.Th）、骨 小 梁 間 隙（Tb.Sp）、各向異性程度（DA）。顯微CT可在不破壞標本的前提下對對骨小梁形態(tài)進行準確測量，具有相當高的敏感性［10－12］。只有在三維結(jié)構(gòu)中才能測量SMI和DA。SMI表示結(jié)構(gòu)曲率，正值代表結(jié)構(gòu)表面是凸的，負值則代表凹的。板狀骨小梁和桿狀骨小梁的SMI標準值分別為0和3，當存在骨質(zhì)疏松時，SMI值增大。DA為目標區(qū)域內(nèi)部橢圓體長徑與短徑的比值，比值為1則提示目標區(qū)域為球體。

本實驗進行整體和局部分析。在整體分析中，對所重建的標本進行無選擇的整體測量。在局部分析中，為避免骨小梁正常間隙對實驗結(jié)果的影響，所選的最小分析區(qū)域必須大于5個 Tb.Sp［13－14］，分析時從軟骨下骨板開始每5 cm為1段，每個標本各取6段，并依次以1～6標記。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 17.0作為統(tǒng)計軟件，所有數(shù)據(jù)均以平均數(shù)±標準差表示。采用單因素方差分析比較組間、組內(nèi)數(shù)據(jù)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 顯微CT三維重建圖像特征

骨折組三維重建圖像示骨小梁形態(tài)規(guī)則、方向統(tǒng)一，各區(qū)域骨小梁形態(tài)無明顯差異。股骨頭壞死組軟骨下骨小梁形態(tài)破壞，出現(xiàn)骨小梁丟失以及囊腔；與遠端正常骨小梁相比，軟骨下壞死區(qū)骨小梁斷裂破碎，結(jié)構(gòu)散亂。激素組較特發(fā)組骨小梁形態(tài)更為紊亂，Tb.Sp更大。所有圖像均可見一條與軟骨面平行的骨小梁（圖2）。

圖2 顯微CT三維重建圖像 a.特發(fā)組 b.激素組 c.骨折組

2.2 骨計量學分析

整體分析結(jié)果顯示，三組間BV／TV和SMI存在統(tǒng)計學差異，而 Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、DA則無統(tǒng)計學差異；特發(fā)組和激素組的BV／TV和SMI分別顯著低于骨折組（表1）。局部分析結(jié)果顯示，骨折組各段BV／TV和SMI均分別高于激素組和特發(fā)組相應各段，且有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；骨折組各段BV／TV、SMI、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp和DA變化較為平緩，各段間無統(tǒng)計學差異；而特發(fā)組和激素組各段骨計量學參數(shù)變化較為劇烈，其SMI、Tb.N和Tb.Th均低于骨折組，而Tb.Sp和DA均高于骨折組，差異有統(tǒng)計學意義（圖3）。

表1 骨計量學參數(shù)整體分析結(jié)果

圖3 三組局部骨計量學參數(shù) a.特發(fā)組和激素組第2段BV／TV小于其余各段 b.特發(fā)組及激素組SMI均小于骨折組（特發(fā)組SMI與骨折組相比第1～6段統(tǒng)計值分別為P＝0.002、P＝0.009、P＝0.002、P＜0.001、P＜0.001、P＜0.001，激素組SMI與骨折組相比第1～6段統(tǒng)計值分別為P＜0.001、P＝0.009、P＝0.003、P＝0.008、P＜0.001、P＜0.001） c.特發(fā)組第3段Tb.N值小于其余各段 d.特發(fā)組和激素組第2段Tb.Th小于其余各段 e.特發(fā)組和激素組第1、2、3段Tb.Sp較大f.特發(fā)組和激素組第4、5、6段DA較各自第1段大（特發(fā)組第1段與第4、5、6段相比統(tǒng)計值分別為P＝0.0351、P＝0.004、P＜0.001，激素組第1段與第4、5、6段相比統(tǒng)計值分別為P＝0.014、P＝0.007、P＜0.001），且第6段DA值較各自第1、2、3段大（特發(fā)組第6段與第1、2、3段相比統(tǒng)計值均為P＜0.001，激素組第6段與第1、2、3段相比P值分別為0.0351、0.013、0.004）；三組中第6段DA以骨折組最小，特發(fā)組最大，且差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）

3 討論

股骨頭壞死主要表現(xiàn)為骨結(jié)構(gòu)破壞、新生骨小梁排列紊亂，所導致的骨力學強度喪失最終造成股骨頭塌陷［15］。本實驗中所有股骨頭壞死標本均為FicatⅡ期，此期已能通過X線片發(fā)現(xiàn)骨壞死，但股骨頭外形尚完整，有利于研究塌陷前骨小梁變化。處理標本時，我們選擇了MTD較一致的區(qū)域進行取材，以便發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死骨小梁方向性改變。

本實驗發(fā)現(xiàn)，股骨頭壞死后，軟骨下壞死區(qū)Tb.Sp變大，有囊腔形成，壞死區(qū)原有MTD缺失，骨小梁形態(tài)結(jié)構(gòu)紊亂。與特發(fā)組相比，激素組骨小梁更為纖細，可能是由于長期激素作用所造成的骨質(zhì)疏松［16］。所有標本三維重建圖像中均可見1條與軟骨面平行的骨小梁條帶，尚未有相關(guān)文獻報道。整體上激素組和特發(fā)組的BV／TV和SMI均低于骨折組，可能由骨壞死吸收造成骨量丟失引起，骨修復反應也使骨表面形態(tài)發(fā)生改變。局部分段測量時，特發(fā)組和激素組SMI始終低于骨折組，這也與骨壞死和修復反應有關(guān)，靠近軟骨區(qū)域受骨壞死影響更大，遠離軟骨區(qū)域則受骨形成影響更大。用于對照的骨折組6段間骨計量學參數(shù)均無明顯差異。而激素組和特發(fā)組第1、2、3段DA值與第6段有明顯差異，表明各段骨小梁結(jié)構(gòu)顯著不同；兩組第1段DA值與第4、5、6段有明顯差異，則表明由于軟骨下骨板的影響各段結(jié)構(gòu)差異也較大；兩組第2段BV／TV和Tb.Th均減小，該處骨小梁變細，骨量大量丟失，為股骨頭壞死的中心區(qū)域；大量骨壞死導致兩組第1、2、3段Tb.Sp增高，但第4段骨量突然增加，BV／TV、Tb.N 增高，Tb.Sp降低，這可能是硬化帶形成所致。據(jù)此，我們推測FicatⅡ期股骨頭壞死范圍并沒有超過第4段，這為股骨頭壞死灶的清除范圍提供了參考，但仍需進一步研究證實。有學者認為第3、4段間骨量急劇變化可能使該兩段結(jié)合處容易發(fā)生斷裂［17－18］。

綜上所述，不同誘因?qū)е碌墓晒穷^壞死骨小梁改變不同，激素組比特發(fā)組骨小梁形態(tài)結(jié)構(gòu)破壞更為嚴重，但特發(fā)組各段間骨小梁變化更為劇烈。通過顯微CT重建骨小梁三維結(jié)構(gòu)并利用骨計量學參數(shù)進行分析有助于探索股骨頭壞死塌陷機制及評估股骨頭壞死塌陷前壞死區(qū)域大小。除骨小梁三維結(jié)構(gòu)研究外，下一步我們還將結(jié)合病理切片和生物力學測試驗證開展深入研究。

［1］ Gagala J，Buraczynska M，Mazurkiewicz T，et al.Prevalence of genetic risk factors related with thrombophilia and hypofibrinolysis in patients with osteonecrosis of the femoral head in Poland［J］.BMC Musculoskelet Disord，2013，14：264.

［2］ Zalavras CG，Lieberman JR.Osteonecrosis of the femoral head：evaluation and treatment［J］.J Am Acad Orthop Surg，2014，22（7）：455－464.

［3］ Kim HK，Su PH，Qiu YS.Histopathologic changes in growth－plate cartilage following ischemic necrosis of the capital femoral epiphysis.An experimental investigation in immature pigs［J］.J Bone Joint Surg Am，2001，83（5）：688－697.

［4］ Pringle D，Koob TJ，Kim HK.Indentation properties of growing femoral head following ischemic necrosis［J］.J Orthop Res，2004，22（1）：122－130.

［5］ Qin L，Zhang G，Sheng H，et al.Multiple bioimaging modalities in evaluation of an experimental osteonecrosis induced by a combination of lipopolysaccharide and methylprednisolone［J］.Bone，2006，39（4）：863－871.

［6］ Ha YC，Kim HJ，Kim SY，et al.Effects of age and body mass index on the results of transtrochanteric rotational osteotomy for femoral head osteonecrosis：surgical technique［J］.J Bone Joint Surg Am，2011，93（Suppl 1）：75－84.

［7］ Cheng TL，Murphy CM，Cantrill LC，et al.Local delivery of recombinant human bone morphogenetic proteins and bisphosphonate via sucrose acetate isobutyrate can prevent femoral head collapse in Legg－Calve－Perthes disease：apilot study in pigs［J］.Int Orthop，2014，38（7）：1527－1533.

［8］ Arlet J，F(xiàn)icat C.Ischemic necrosis of the femoral head.Treatment by core decompression［J］.J Bone Joint Surg Am，1990，72（1）：151－152.

［9］ Stauber M，Müller R.Age－related changes in trabecular bone microstructures： global and local morphometry ［J］.Osteoporos Int，2006，17（4）：616－626.

［10］ Hambli R.Micro－CT finite element model and experimental validation of trabecular bone damage and fracture［J］.Bone，2013，56（2）：363－374.

［11］ Marinozzi F，Bini F，Marinozzi A，et al.Technique for bone volumemeasurement from human femur head samples by classification of micro－CT image histograms［J］.Ann Ist Super Sanita，2013，49（3）：300－305.

［12］ 王程，徐小龍，袁雪凌，等.人股骨頭壞死微觀結(jié)構(gòu)及成骨、破骨細胞活性的區(qū)域性分布特征［J］.中華骨科雜志，2014，34（4）：417－424.

［13］ Tassani S，Ohman C，Baleani M，et al.Anisotropy and inhomogeneity of the trabecular structure can describe the mechanical strength of osteoarthritic cancellous bone［J］.J Biomech，2010，43（6）：1160－1166.

［14］ Ulrich D，van Rietbergen B，Laib A，et al.The ability of three－dimensional structural indices to reflect mechanical aspects of trabecular bone［J］.Bone，1999，25（1）：55－60.

［15］ 羅笆卡，王展，魏亦兵，等.多孔鉭棒治療早期股骨頭壞死［J］.國際骨科學雜志，2014，35（3）：29－30.

［16］ 周磊，翁習生.激素性股骨頭壞死動物模型的選擇與應用［J］.中國矯形外科雜志，2013，21（21）：2155－2158.

［17］ Min BW，Koo KH，Song HR，et al.Subcapital fractures associated with extensive osteonecrosis of the femoral head［J］.Clin Orthop Relat Res，2001，390：227－231.

［18］ Yang JW，Koo KH，Lee MC，et al.Mechanics of femoral head osteonecrosis using three－dimensional finite element method［J］.Arch Orthop Trauma Surg，2002，122（2）：88－92.