特发性和激素性股骨头坏死塌陷前骨小梁形态学研究

杨 帆 朱振中 李广翼 张长青

股骨头坏死好发于中青年患者，影响其工作生活，在未及时接受治疗的情况下往往最终需行髋关节置换术［1］。据估计，5%～12%患者因股骨头坏死行髋关节置换术［2］。股骨头坏死后不断有新生骨形成及坏死骨吸收，骨小梁结构紊乱、力学性能差，最终发生股骨头塌陷［3－7］。股骨头坏死标本镜下可依次分为关节软骨区、坏死区、纤维修复区、硬化区以及正常骨小梁区［8］。以往大多数研究并没有涉及不同诱因间的比较，以及以往对于骨小梁的二维结构观察并不能准确反映骨小梁，并且无法进行连续观察。本研究试图通过显微CT重现不同诱因导致的股骨头坏死塌陷前的骨小梁真实形态，探讨股骨头坏死塌陷的可能原因。

1 资料与方法

1.1 标本及资料

收集我院2011年4月至2014年3月行全髋关节置换术的股骨头标本18例（男15例，女3例），分为特发组、激素组及骨折组，每组6例（男5例，女1例；右髋2例，左髋4例）。特发组平均年龄57岁（48～66岁），激素组55岁（42～66岁），骨折组61岁（56～64岁），三组无统计学差异（P＝0.33）。各组年龄、性别等一般资料匹配［9］。其中特发组和激素组均为FicatⅡ期，骨折组未发生股骨头坏死，在本实验中作为正常对照组。

1.2 仪器设备

仪器设备包括显微CT（美国Skyscan公司）、标本切割机（德国PROXXON公司）等。

1.3 标本准备及显微CT扫描

为更好地反映各组骨小梁真实形态，所有标本均沿主要骨小梁方向（MTD）切取。在对标本进行处理之前，应先通过X线片确定MTD（图1）。处理标本时先沿冠状面将股骨头对分，取其中一半股骨头，再平行于对分切口切取厚1 cm骨片，最后以冠状切面正中 MTD为中线，切取1个3.2 cm×1.0cm×1.0cm骨块。将所得18个骨块置于分辨率为17.93μm的显微CT系统中进行扫描，单次扫描时间为30 min。为避免切割造成骨小梁压缩改变的影响，对所有骨块选择3.0cm×0.8 cm×0.8 cm区域进行重建。

图1 标本处理前通过X线片确定MTD方向（a），处理过程中结合X线片在标本冠状切面确定MTD中线（b）

1.4 不同区域骨微结构评价

采用显微CT自带软件DateView对标本进行图像处理及三维重建，并记录以下参数：骨体积分数（BV／TV）、结 构 模 型 指 数 （SMI）、骨 小 梁 数 目（Tb.N）、骨 小 梁 厚 度 （Tb.Th）、骨 小 梁 间 隙（Tb.Sp）、各向异性程度（DA）。显微CT可在不破坏标本的前提下对对骨小梁形态进行准确测量，具有相当高的敏感性［10－12］。只有在三维结构中才能测量SMI和DA。SMI表示结构曲率，正值代表结构表面是凸的，负值则代表凹的。板状骨小梁和杆状骨小梁的SMI标准值分别为0和3，当存在骨质疏松时，SMI值增大。DA为目标区域内部椭圆体长径与短径的比值，比值为1则提示目标区域为球体。

本实验进行整体和局部分析。在整体分析中，对所重建的标本进行无选择的整体测量。在局部分析中，为避免骨小梁正常间隙对实验结果的影响，所选的最小分析区域必须大于5个 Tb.Sp［13－14］，分析时从软骨下骨板开始每5 cm为1段，每个标本各取6段，并依次以1～6标记。

1.5 统计学分析

采用SPSS 17.0作为统计软件，所有数据均以平均数±标准差表示。采用单因素方差分析比较组间、组内数据，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 显微CT三维重建图像特征

骨折组三维重建图像示骨小梁形态规则、方向统一，各区域骨小梁形态无明显差异。股骨头坏死组软骨下骨小梁形态破坏，出现骨小梁丢失以及囊腔；与远端正常骨小梁相比，软骨下坏死区骨小梁断裂破碎，结构散乱。激素组较特发组骨小梁形态更为紊乱，Tb.Sp更大。所有图像均可见一条与软骨面平行的骨小梁（图2）。

图2 显微CT三维重建图像 a.特发组 b.激素组 c.骨折组

2.2 骨计量学分析

整体分析结果显示，三组间BV／TV和SMI存在统计学差异，而 Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp、DA则无统计学差异；特发组和激素组的BV／TV和SMI分别显著低于骨折组（表1）。局部分析结果显示，骨折组各段BV／TV和SMI均分别高于激素组和特发组相应各段，且有统计学差异（P＜0.05）；骨折组各段BV／TV、SMI、Tb.N、Tb.Th、Tb.Sp和DA变化较为平缓，各段间无统计学差异；而特发组和激素组各段骨计量学参数变化较为剧烈，其SMI、Tb.N和Tb.Th均低于骨折组，而Tb.Sp和DA均高于骨折组，差异有统计学意义（图3）。

表1 骨计量学参数整体分析结果

图3 三组局部骨计量学参数 a.特发组和激素组第2段BV／TV小于其余各段 b.特发组及激素组SMI均小于骨折组（特发组SMI与骨折组相比第1～6段统计值分别为P＝0.002、P＝0.009、P＝0.002、P＜0.001、P＜0.001、P＜0.001，激素组SMI与骨折组相比第1～6段统计值分别为P＜0.001、P＝0.009、P＝0.003、P＝0.008、P＜0.001、P＜0.001） c.特发组第3段Tb.N值小于其余各段 d.特发组和激素组第2段Tb.Th小于其余各段 e.特发组和激素组第1、2、3段Tb.Sp较大f.特发组和激素组第4、5、6段DA较各自第1段大（特发组第1段与第4、5、6段相比统计值分别为P＝0.0351、P＝0.004、P＜0.001，激素组第1段与第4、5、6段相比统计值分别为P＝0.014、P＝0.007、P＜0.001），且第6段DA值较各自第1、2、3段大（特发组第6段与第1、2、3段相比统计值均为P＜0.001，激素组第6段与第1、2、3段相比P值分别为0.0351、0.013、0.004）；三组中第6段DA以骨折组最小，特发组最大，且差异均有统计学意义（P＜0.05）

3 讨论

股骨头坏死主要表现为骨结构破坏、新生骨小梁排列紊乱，所导致的骨力学强度丧失最终造成股骨头塌陷［15］。本实验中所有股骨头坏死标本均为FicatⅡ期，此期已能通过X线片发现骨坏死，但股骨头外形尚完整，有利于研究塌陷前骨小梁变化。处理标本时，我们选择了MTD较一致的区域进行取材，以便发现股骨头坏死骨小梁方向性改变。

本实验发现，股骨头坏死后，软骨下坏死区Tb.Sp变大，有囊腔形成，坏死区原有MTD缺失，骨小梁形态结构紊乱。与特发组相比，激素组骨小梁更为纤细，可能是由于长期激素作用所造成的骨质疏松［16］。所有标本三维重建图像中均可见1条与软骨面平行的骨小梁条带，尚未有相关文献报道。整体上激素组和特发组的BV／TV和SMI均低于骨折组，可能由骨坏死吸收造成骨量丢失引起，骨修复反应也使骨表面形态发生改变。局部分段测量时，特发组和激素组SMI始终低于骨折组，这也与骨坏死和修复反应有关，靠近软骨区域受骨坏死影响更大，远离软骨区域则受骨形成影响更大。用于对照的骨折组6段间骨计量学参数均无明显差异。而激素组和特发组第1、2、3段DA值与第6段有明显差异，表明各段骨小梁结构显著不同；两组第1段DA值与第4、5、6段有明显差异，则表明由于软骨下骨板的影响各段结构差异也较大；两组第2段BV／TV和Tb.Th均减小，该处骨小梁变细，骨量大量丢失，为股骨头坏死的中心区域；大量骨坏死导致两组第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，这可能是硬化带形成所致。据此，我们推测FicatⅡ期股骨头坏死范围并没有超过第4段，这为股骨头坏死灶的清除范围提供了参考，但仍需进一步研究证实。有学者认为第3、4段间骨量急剧变化可能使该两段结合处容易发生断裂［17－18］。

综上所述，不同诱因导致的股骨头坏死骨小梁改变不同，激素组比特发组骨小梁形态结构破坏更为严重，但特发组各段间骨小梁变化更为剧烈。通过显微CT重建骨小梁三维结构并利用骨计量学参数进行分析有助于探索股骨头坏死塌陷机制及评估股骨头坏死塌陷前坏死区域大小。除骨小梁三维结构研究外，下一步我们还将结合病理切片和生物力学测试验证开展深入研究。

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