股骨頭壞死中松質(zhì)骨微觀力學(xué)特性的演變規(guī)律

張長灝 孟昊業(yè) 汪愛媛 劉有軍 馬海洋 楊海勝

0 引言

股骨頭缺血性壞死(osteonecrosis of the femoral head, ONFH)是骨科中一種難以治愈[1-2]、且發(fā)病人群廣泛[3]的疾病，其特征為股骨頭血供中斷或受損，引起骨細(xì)胞、骨髓成分死亡及隨后的修復(fù)反應(yīng)，繼而導(dǎo)致松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)改變。如果患者在股骨頭壞死前期不能及時(shí)得到有效的治療，則可能有約 80% 的患者在1～4年內(nèi)發(fā)展為股骨頭塌陷[4]，這時(shí)由于沒有其他切實(shí)有效的治療手段，往往只能進(jìn)行關(guān)節(jié)置換。而關(guān)節(jié)置換不僅會(huì)給患者的家庭帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也會(huì)為患者帶來巨大的痛苦[5-7]，且術(shù)后還會(huì)面臨多次修復(fù)的問題，因此，股骨頭壞死的早期診斷和治療非常關(guān)鍵。但是，目前對(duì)于股骨頭壞死的發(fā)生機(jī)制，尤其是松質(zhì)骨微觀力學(xué)特性的演變規(guī)律尚不完全明確。

有學(xué)者提出一系列關(guān)于股骨頭壞死成因的假說，比如血流紊亂、骨細(xì)胞凋亡、脂質(zhì)代謝紊亂、基因多態(tài)性、免疫因子和生物力學(xué)因子等因素的影響[5,8-9]。從生物力學(xué)角度來講，髖關(guān)節(jié)作為人體重要的承重關(guān)節(jié)，其內(nèi)部松質(zhì)骨承擔(dān)了絕大部分力學(xué)傳遞的工作。Bullough等[10]提出增厚的硬化骨小梁和壞死骨小梁之間連接處的應(yīng)力集中可能是塌陷的原因。已有研究在塌陷股骨頭樣本中的硬化邊界處發(fā)現(xiàn)了剪切應(yīng)力集中的現(xiàn)象[11]。因此，股骨頭內(nèi)部松質(zhì)骨的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的改變可能會(huì)是導(dǎo)致股骨頭壞死的重要因素。

基于醫(yī)學(xué)影像的有限元建模分析方法(finite element modeling, FEM)可以無創(chuàng)研究目標(biāo)骨骼的受力特性[12]。一些研究人員基于臨床CT使用人的股骨頭壞死樣本[13-14]進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示壞死股骨頭中的應(yīng)力分布與正常股骨頭中的應(yīng)力分布的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[15]。Yang等[16]通過對(duì)股骨頭樣本的研究發(fā)現(xiàn)了不同壞死區(qū)域大小對(duì)應(yīng)力分布的影響，其中觀察到大壞死病變患者的應(yīng)力指數(shù)高于小壞死病變患者。Ma等[17]分區(qū)域?qū)λ莺蟮墓晒穷^樣本的松質(zhì)骨力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的松質(zhì)骨呈不同的生物力學(xué)特性。而塌陷前微結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能的變化可能對(duì)壞死的加重或塌陷的進(jìn)一步演化有重要提示，但現(xiàn)有研究針對(duì)早期股骨頭壞死的研究相對(duì)較少。

現(xiàn)有研究中缺乏對(duì)股骨頭內(nèi)部松質(zhì)骨的微觀力學(xué)性能研究和對(duì)比。為此本研究針對(duì)不同壞死階段(Ⅱ期、Ⅲ期、Ⅳ期分期)中股骨頭內(nèi)部松質(zhì)骨，通過基于顯微CT圖像建立的有限元模型及數(shù)值模擬的方法，研究其微結(jié)構(gòu)特性和小梁骨微觀力學(xué)行為的變化規(guī)律，以期為揭示股骨頭壞死發(fā)病機(jī)制提供生物力學(xué)理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣本及顯微CT掃描和分區(qū)

10例樣本均來自于中國人民解放軍總醫(yī)院骨科研究所保存的從髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中截除的股骨頭標(biāo)本經(jīng)中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)及患者簽署知情同意書，用于本研究。標(biāo)本放置于-20℃的低溫環(huán)境中保存，在實(shí)驗(yàn)開始前24 h取出以保證充分解凍。按照國際骨循環(huán)研究學(xué)會(huì)(Association Research Circulation Osseous，ARCO)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣本進(jìn)行分類[18-20]，其中Ⅱ期樣本3例，Ⅲ期樣本3例，Ⅳ期樣本4例。所有樣本均采用GE 高分辨率顯微CT儀(Explore Locus SP，GE Healthcare Technologies，美國)進(jìn)行掃描和圖像采集(掃描參數(shù)：45 μm, 80 kV, 450 μA)。

在壞死晚期的股骨頭顯微CT圖像中可觀察到明顯的塌陷，因此根據(jù)處于壞死晚期(IV期)的樣本對(duì)股骨頭進(jìn)行分區(qū)，以便選取到恰當(dāng)?shù)膲乃绤^(qū)域。根據(jù)臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)將1例處于IV期的股骨頭樣本分為4個(gè)區(qū)域[17]：出現(xiàn)明顯塌陷的區(qū)域劃定為壞死區(qū)(A)，與壞死區(qū)同樣靠近股骨頭表面但不處于冠狀面切面的區(qū)域被定義為側(cè)向區(qū)(B)，位于壞死區(qū)下部但其閾值高于其他區(qū)的被定義為硬化區(qū)(C)，在硬化區(qū)下部，閾值降低且靠近股骨頸的區(qū)域被定義為遠(yuǎn)端區(qū)(D)(如圖1)。

基于顯微CT圖像進(jìn)行分區(qū)(A—壞死區(qū)；B—側(cè)向區(qū)；C—硬化區(qū)；D—遠(yuǎn)端區(qū))、建立典型松質(zhì)骨塊三維模型、分析微結(jié)構(gòu)并通過微有限元計(jì)算松質(zhì)骨微觀力學(xué)特性。圖1 建模分析流程(獲取圖像一建立三維模型一施加載荷的有限元分析)Figure 1 Research process (image acquisition-3D modeling-finite element analysis with load applied)

其余各個(gè)分期的樣本以此為據(jù)選取相應(yīng)位置進(jìn)行分區(qū)。

1.2 松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于每一例樣本，從A、B、C和D區(qū)域中選取一個(gè)邊長為8 mm的松質(zhì)骨立方體進(jìn)行研究，對(duì)顯微CT圖像進(jìn)行閾值分割，利用ImageJ軟件中的BoneJ插件計(jì)算所有股骨頭樣本中不同區(qū)域?qū)?yīng)的松質(zhì)骨塊的各項(xiàng)形態(tài)計(jì)量學(xué)參數(shù)[21]，包括：骨體積分?jǐn)?shù)(bone volume/total volume, BV/TV)、骨小梁厚度(trabecular thickness, Tb.Th)、骨小梁間隙(trabecular separation, Tb.Sp)和結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(structure model index, SMI)。其中骨體積分?jǐn)?shù)表示骨組織體積和整體體積的比值，可反映骨量情況；骨小梁厚度指骨小梁的平均厚度；骨小梁間隙指的是骨小梁之間的平均髓腔寬度；結(jié)構(gòu)模型指數(shù)則是用來描述骨小梁形狀的參數(shù)，參數(shù)值在0～3之間，0為絕對(duì)板狀，3為絕對(duì)桿狀。

1.3 微有限元(micro finite element analysis，μFEA)的微觀力學(xué)特性分析

本研究前期已建立了一套基于顯微CT圖像的有限元分析方法，用于研究松質(zhì)骨的微觀力學(xué)特性，并經(jīng)過體外實(shí)驗(yàn)和數(shù)字體相關(guān)分析的驗(yàn)證。本文中，對(duì)所有樣本不同分區(qū)內(nèi)的松質(zhì)骨塊進(jìn)行三維重建和網(wǎng)格劃分，建立由四面體單元構(gòu)成的微有限元模型。

根據(jù)研究所使用的顯微CT儀的標(biāo)準(zhǔn)體模的掃描結(jié)果計(jì)算出該顯微CT儀的骨礦物密度和CT值關(guān)系為：

BMD=0.329 5HU

(1)

式中：BMD為骨礦物密度，單位為mg/cm3。

考慮松質(zhì)骨組織材料的非均質(zhì)特性，按照Easley 等對(duì)多個(gè)骨組織研究進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)所得出的彈性模量和骨礦物密度關(guān)系：

E=1.127×10-4BMD1.746

(2)

式中：E為彈性模量，單位是GPa，為模型賦予共計(jì)250種彈性模量。泊松比取0.3[23]。

根據(jù)松質(zhì)骨在股骨頭中的位置，對(duì)模型上表面施加1%的表觀應(yīng)變(0.08 mm)，下表面完全固定，計(jì)算松質(zhì)骨的組織應(yīng)力(范式等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力)和表觀剛度(ABAQUS)，比較不同分期4個(gè)相同區(qū)域松質(zhì)骨的微觀和表觀力學(xué)性能。其中，力學(xué)性能指標(biāo)包括松質(zhì)骨模型全部單元的范式等效應(yīng)力(von Mises stress)和最大主應(yīng)力(maximum principal stress)，計(jì)算所有網(wǎng)格應(yīng)力結(jié)果的平均值和最大值(應(yīng)力最大值的計(jì)算方法是將應(yīng)力從小到大進(jìn)行排序，取應(yīng)力值最大的5%個(gè)單元的應(yīng)力平均值作為最大值，以消除個(gè)別單元異常可能導(dǎo)致最大值出現(xiàn)大幅偏差的問題)[24-25]。最后對(duì)比不同分期、分區(qū)的松質(zhì)骨微觀力學(xué)特性，其中應(yīng)力結(jié)果中不包含Ⅳ期壞死區(qū)模型，因?yàn)樵撃Ｐ涂斩床糠州^大，導(dǎo)致有限元分析無法成功完成計(jì)算。

表觀力學(xué)性能以松質(zhì)骨的表觀剛度進(jìn)行表征，由模型的受邊界條件約束的下表面所有單元網(wǎng)格的支反力的合力與施加位移的比值來進(jìn)行計(jì)算(ABAQUS)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用 IBM SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。試樣某個(gè)分區(qū)內(nèi)不同分期之間的比較采用單因素方差分析，P<0.05 被認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。每個(gè)區(qū)域中，Ⅲ期和Ⅳ期均與Ⅱ期結(jié)果進(jìn)行比較，Ⅳ期結(jié)果還與Ⅲ期進(jìn)行對(duì)比。與前一期對(duì)比(即Ⅱ期和Ⅲ期，Ⅲ期和Ⅳ期對(duì)比)可以研究松質(zhì)骨逐步變化情況，末期與早期對(duì)比(即Ⅳ期和Ⅱ期對(duì)比)可以研究松質(zhì)骨整體變化情況。

2 結(jié)果

2.1 不同分區(qū)內(nèi)松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)隨壞死程度(分期)的變化規(guī)律

對(duì)股骨頭樣本中的松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各參數(shù)結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明側(cè)向區(qū)和遠(yuǎn)端區(qū)松質(zhì)骨在股骨頭壞死發(fā)展過程中各項(xiàng)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)均沒有明顯改變。壞死區(qū)的骨體積分?jǐn)?shù)在前期雖有下降但不并顯著，而從Ⅲ期到Ⅳ期產(chǎn)生了顯著下降。與此同時(shí)，骨小梁間隙呈不斷上升的趨勢，結(jié)構(gòu)模型指數(shù)在后期有所下降，而骨小梁厚度在從Ⅱ期到Ⅳ期的過程中變化不顯著。硬化區(qū)松質(zhì)骨在壞死的過程中骨體積分?jǐn)?shù)呈不斷上升的趨勢，且Ⅲ期即有明顯增加，同時(shí)骨小梁間隙處于不斷下降的狀態(tài)。與其他區(qū)域類似，骨小梁厚度變化并不顯著，而結(jié)構(gòu)模型指數(shù)從Ⅲ期開始就有顯著下降，并持續(xù)到Ⅳ期。

*表示該期結(jié)果與Ⅱ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義; +表示IV期結(jié)果與Ⅲ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。圖2 不同時(shí)期不同區(qū)域松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)變化Figure 2 Microarchitectural parameters of the trabecular bones in different regions during different periods

2.2 不同分區(qū)內(nèi)松質(zhì)骨微觀力學(xué)特性隨壞死程度(分期)的變化規(guī)律

范式等效應(yīng)力的平均值和最大值結(jié)果如圖3、圖4所示，在產(chǎn)生相同應(yīng)變的情況下側(cè)向區(qū)的松質(zhì)骨軸向應(yīng)力下降，應(yīng)力平均值和最大值從Ⅱ期到Ⅳ期分別下降36.3%和40.5%。遠(yuǎn)端區(qū)應(yīng)力則變化不大。壞死區(qū)從Ⅱ期到Ⅲ期變化不大。而硬化區(qū)部分松質(zhì)骨的應(yīng)力在Ⅱ期到Ⅳ期的過程中整體都有大幅度提高，應(yīng)力平均值和最大值從Ⅱ期到Ⅳ期分別上升53.1%和64.2%。

*表示該期結(jié)果與Ⅱ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。圖3 不同時(shí)期不同區(qū)域范式等效應(yīng)力平均值Figure 3 Average value of von Mises stress in different regions during different periods

*表示該期結(jié)果與Ⅱ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；+表示IV期結(jié)果與Ⅲ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。圖4 不同時(shí)期不同區(qū)域范式等效應(yīng)力最大值Figure 4 Maximum value of von Mises stress in different regions during different periods

最大主應(yīng)力的平均值和最大值結(jié)果分別如圖5、圖6所示，結(jié)果與范式等效應(yīng)力結(jié)果相似，側(cè)向區(qū)的松質(zhì)骨軸向應(yīng)力平均值和最大值從Ⅱ期到Ⅳ期分別下降33.4%和29.3%，遠(yuǎn)端區(qū)和壞死區(qū)前期(從Ⅱ期到Ⅲ期)應(yīng)力變化不大。硬化區(qū)部分應(yīng)力有大幅度提高，軸向應(yīng)力平均值和最大值從Ⅱ期到Ⅳ期分別上升62.4%和79.1%。

*表示該期結(jié)果與Ⅱ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；+表示IV期結(jié)果與Ⅲ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。圖5 不同時(shí)期不同區(qū)域最大主應(yīng)力平均值Figure 5 Average value of the maximum principal stress in different regions during different periods

*表示該期結(jié)果與Ⅱ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；+表示IV期結(jié)果與Ⅲ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。圖6 不同時(shí)期不同區(qū)域最大主應(yīng)力最大值Figure 6 Maximum value of the maximum principal stress in different regions during different periods

2.3 不同分區(qū)內(nèi)松質(zhì)骨表觀剛度隨壞死程度(分期)的變化規(guī)律

表觀剛度結(jié)果如圖7所示，隨著股骨頭壞死的發(fā)展，側(cè)向區(qū)的松質(zhì)骨剛度從Ⅱ期到Ⅳ期下降27.7%，硬化區(qū)的剛度上升58.7%。壞死區(qū)從Ⅱ期到Ⅲ期以及遠(yuǎn)端區(qū)域的松質(zhì)骨剛度變化不大。

*表示該期結(jié)果與Ⅱ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；+表示IV期結(jié)果與Ⅲ期對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。圖7 不同時(shí)期不同區(qū)域松質(zhì)骨表觀剛度Figure 7 Apparent stiffness of trabecular bone in different regions during different periods

3 討論

本研究結(jié)合顯微CT和顯微有限元分析方法對(duì)股骨頭壞死不同階段的股骨頭標(biāo)本內(nèi)部不同典型區(qū)域的松質(zhì)骨進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性(特別是微觀力學(xué)特性)的分析。在松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)方面，隨著股骨頭壞死的發(fā)展，壞死區(qū)的骨體積分?jǐn)?shù)降低，骨小梁間隙增加，硬化區(qū)松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)變化與之相反，而遠(yuǎn)端區(qū)和側(cè)向區(qū)受到影響較小。在骨組織微觀受力方面，同樣加載1%的表觀應(yīng)變載荷時(shí)，壞死區(qū)從Ⅱ期到Ⅲ期的應(yīng)力并沒有明顯變化，而硬化區(qū)域隨著股骨頭壞死的發(fā)展，松質(zhì)骨所受應(yīng)力不斷上升，且從Ⅲ期開始就有明顯增加，側(cè)向區(qū)的應(yīng)力則不斷下降，遠(yuǎn)端區(qū)在不同時(shí)期應(yīng)力變化不顯著。各時(shí)期、各分區(qū)的松質(zhì)骨表觀剛度變化均與應(yīng)力變化一致。

在對(duì)比不同區(qū)域松質(zhì)骨在股骨頭壞死發(fā)展過程中的變化后，可以認(rèn)為在股骨頭壞死前期，硬化區(qū)是最需要關(guān)注的區(qū)域，因?yàn)楦拷晒穷^表面的壞死區(qū)和側(cè)向區(qū)，在壞死前期卻沒有較大變化。如果僅關(guān)注近端區(qū)域，將有可能錯(cuò)失早發(fā)現(xiàn)、早治療的機(jī)會(huì)。而硬化區(qū)域在結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上變化最劇烈，且在股骨頭壞死前期即可觀察到，所以關(guān)注硬化區(qū)的變化將有助于股骨頭壞死早期的診斷。

Karasuyama等[11]通過基于顯微CT的有限元分析對(duì)股骨頭中應(yīng)力分布的研究發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變均集中在硬化處。Chen等[26]采用了模擬硬化帶的方法改變壞死股骨頭內(nèi)部的密度分布，以此對(duì)比股骨頭負(fù)重區(qū)軟骨下骨中范式等效應(yīng)力，研究硬化帶對(duì)于壞死股骨頭應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)硬化帶是對(duì)股骨頭彈性模量降低的一種適應(yīng)性反應(yīng)，而作為補(bǔ)償結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的硬化帶可以顯著減小軟骨下骨在病變較小時(shí)的應(yīng)力，但在病變過大時(shí)失效。這些研究均表明硬化區(qū)對(duì)壞死股骨頭影響很大，所以應(yīng)在臨床診斷中對(duì)其重點(diǎn)關(guān)注。

此外，也有相關(guān)研究對(duì)股骨頭壞死后期松質(zhì)骨不同區(qū)域的生物力學(xué)性能進(jìn)行探究，Ma等[17]通過對(duì)晚期壞死股骨頭進(jìn)行微結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壞死區(qū)力學(xué)性能較弱而硬化區(qū)較強(qiáng)，這種結(jié)構(gòu)的不平衡導(dǎo)致了股骨頭壞死發(fā)生的可能性增加。但是，這些研究由于缺乏早期股骨頭樣本，因此對(duì)于股骨頭內(nèi)部松質(zhì)骨的力學(xué)特性隨著壞死進(jìn)程的演變規(guī)律缺少全面了解。本研究中有Ⅱ期樣本3例，一定程度上彌補(bǔ)了其他研究中對(duì)于前期股骨頭樣本缺乏的不足。因此，本研究組發(fā)現(xiàn)的壞死區(qū)松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化最為劇烈的規(guī)律將對(duì)早期臨床診斷有重要意義。但是，研究中仍然沒有I期的標(biāo)本，因?yàn)闆]有I期患者會(huì)進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，所以無法采集到相關(guān)標(biāo)本。

本研究尚有局限性。(1)樣本量較少，且不同分期的樣本來自不同背景的患者，所以分析結(jié)果可能會(huì)受樣本年齡和性別等因素的影響，但是，從標(biāo)準(zhǔn)差大小可以判斷其影響不大，且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。(2)本研究僅分析了松質(zhì)骨在單向壓縮下的微觀力學(xué)特性，而實(shí)際在股骨頭中受力復(fù)雜，受到多軸力，包括剪切，而且本研究只做了線彈性的分析，沒有考慮損傷破壞，因此下一步研究將進(jìn)行復(fù)雜形式受力分析和非線性有限元分析。

4 結(jié)論

隨著股骨頭壞死程度的加劇，硬化區(qū)的松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化最大，應(yīng)作為臨床早期診斷中重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。此外，松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)參數(shù)并不能準(zhǔn)確、全面地體現(xiàn)松質(zhì)骨的力學(xué)行為，而股骨頭塌陷最終取決于其力學(xué)特性，因此結(jié)合有限元分析方法可更加全面了解股骨頭壞死的微觀力學(xué)演變規(guī)律。