骨密度在股骨头缺血坏死后塌陷预测中的应用

【摘要】  目的 研究股骨头松质骨弹性模量、骨密度及骨小梁形态及结构的相关性，以期用体外测定骨密度早期预测股骨头坏死后塌陷。方法 取股骨头承重区松质骨，测量其弹性模量、骨密度值，应用图像分析系统测量组织形态学分析指标，进行相关回归分析，分析骨密度与弹性模量及组织形态学指标之间的相关性及相关关系。结果 松质骨骨密度与弹性模量之间呈二次曲线相关关系；骨密度与组织形态学分析指标之间有很好的相关性。结论 应用骨密度能较好的反映股骨头生物力学性能及松质骨细微结构，理论上可以应用于股骨头坏死后塌陷的预测。

【关键词】  骨密度；弹性模量；组织形态学；股骨头缺血性坏死

    Abstract：Objective  To research the correlation between E?modulus and BMD of trabecular bones in femoral head，and observe the structure of trabecular bones at different level of BMD，and evaluate the trend direction of trabecular bones structure of femoral head.Methods  Measure the E?modulus and BMD with DEXA of bones in femoral head，and universal compression machine respectively；measure the static bone histomorphometry parameters with computer?controlled image analysis system；test the correlation between BMD and E?modulus，BMD and static bone histomorphometry parameters statistically.Results  BMD could reflect E?modulus and static bone histomorphometry parameters very well.Conclusion  BMD can reflect E?modulus and static bone histomorphometry parameters very well，and can be used in prediction of collapse of femoral head after avascular necrosis.

    Key words：bone mineral density；elastic modulus；histomorphometry；avascular Necrosis of the femoral head

    成人缺血性股骨头坏死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是骨科常见疾病。股骨头坏死后塌陷是导致髋关节功能受限或丧失从而致残的主要原因［1］。如能早期预测股骨头坏死后塌陷并予以适当处理，则有可能预防股骨头塌陷的发生［2，3］。

    本实验测量股骨头松质骨骨密度(bone mineral density，BMD)、弹性模量及组织形态学参数，研究BMD与骨弹性模量及组织形态学分析指标之间的相关性及相关系数，以BMD反映股骨头的生物力学性质及骨小梁形态。通过体外动态测定股骨头松质骨BMD，间接反映股骨头的生物力学性质及骨小梁形态及结构的变化趋势，为临床早期预测股骨头坏死后塌陷的研究提供理论依据。

    1  一般资料

    28 例股骨头缺血性坏死、髋关节骨关节病或新鲜股骨颈骨折，需行全髋关节置换术者作为研究对象，其中男17 例，女11 例；年龄32～76 岁，平均(63.1±8.3) 岁。无甲状腺或甲状旁腺机能亢进或减退、肝肾疾病等。

    2  实验方法

    2.1  取材  在全髋关节置换手术中取出股骨头后，立即用环钻在股骨头承重区沿力线方向经股骨头中心钻取松质骨，以锋利手术刀将两端切成平行并与纵轴垂直，标本长度约为(25±0.5) mm，再用细砂纸将两端仔细打磨平整。精确测量直径及长度后储存于－70℃低温冰箱中备用［4］。整个标本采取及制作过程在2 h内完成。

    2.2  方法

    2.2.1  弹性模量测定  将股骨头标本从低温冰箱中取出后，置于22～25℃室温中约3 h进行复温。应用万能压力测试机进行非损伤加载。加载速率为0.002 m/s，最大载荷为0.15 kN，最大变形为7％，变形测量精度为0.005 mm，载荷测量精度为1 N［5］。每份标本测量3次，取第3次测量值。每次测量前后及间歇期均将标本浸泡于室温生理盐水中。计算弹性模量。弹性模量计算公式为：E＝(F/S)×(L/ΔL)［6］，各数据均采用国际单位制(E为弹性模量，ΔL为标本变形值，F为载荷，S为标本截面面积)。

    2.2.2  骨密度值测定  弹性模量测定后，双能X线骨密度仪进行骨密度值测定。将标本直立放置于检查床上，沿标本纵轴进行扫描，单位为g/cm2。骨密度测定前后将标本浸泡于生理盐水中。

    2.2.3  骨组织形态学分析  标本进行手工磨片后酸性复红染色，应用半自动图像数字化分析仪，放大10倍下进行组织形态学测量，每一标本连续测量8～10个视野，分析下列6个静态参数：松质骨体积(trabecular bone volume，TBV)，单位mm2内骨小梁体积占松质骨体积的百分数；平均骨小梁密度(mean trabecular plate density，MTPD)，单位mm2内骨小梁个数(个/mm2)；平均骨小梁间距或弥散度(mean trabecular plate separation，MTPS)，相邻两个骨小梁之间的距离(μm)；平均骨小梁厚度(mean trabecular plate thickness，MTPT)，骨小梁本身的平均厚度(μm)；骨小梁间连接点数(intertra becular node，IBN)形成网状的骨小梁在单位面积内交叉连接点个数(个/mm2)；骨小梁末端数(free?ending trabecular，FET)，单位面积内骨小梁游离残端个数(个/mm2)［7］。

    2.2.4  实验数据处理  应用统计分析软件包SPSS10.0进行统计学分析，分析骨密度值与弹性模量以及骨密度值与组织形态学分析各指标之间的相关性及相关关系。

    3  结    果

    3.1  测量结果  弹性模量及骨密度测定结果见表1。应用半自动图像数字分析仪，放大10倍下进行组织形态学测量，每一标本连续测量8～10个视野，各静态参数测定结果见表2。表1  弹性模量及骨密度测定结果表2  骨组织形态学分析结果

    3.2  相关回归分析  本实验统计学分析后发现，松质骨骨密度与弹性模量两组数据之间呈二次曲线相关关系，回归方程为Y＝315.30－1327.33X＋1523.07X2，相关系数为0.782(P＜0.001)。

    本实验结果显示，股骨头松质骨的骨密度与组织形态学分析指标之间也有很好的相关性。骨密度与松质骨体积之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝4.18＋29.35X，相关系数为0.860(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁密度之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝0.26＋1.89X，相关系数为0.779(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁间距之间呈现直线负相关关系，回归方程为：Y＝1520.30－1222.40X，相关系数为0.783(P＜0.001)；骨密度与平均骨小梁厚度之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝－20.33＋318.72X，相关系数为0.763(P＜0.001)；骨密度与骨小梁间连接点数之间呈现直线相关关系，回归方程为：Y＝6.40＋82.58X，相关系数为0.702(P＜0.001)；骨密度与骨小梁末端数之间为直线负相关关系，回归方程为：Y＝91.43－72.13X，相关系数为0.741(P＜0.001)。

    结果表明股骨头松质骨骨密度能够很好地反映股骨头松质骨的生物力学性质及骨小梁形态及结构的变化趋势。

    3.3  骨密度的相对安全范围  结合骨密度－弹性模量回归曲线、骨密度－组织形态学分析指标回归曲线以及镜下观察结果，综合评估后发现，当骨密度在0.5～0.7 g/mm2之间时，股骨头松质骨的生物力学性能相对较好，在正常的负重条件下可以认为这是一个相对安全的骨密度范围，发生塌陷的风险较小。
4  讨    论

    4.1  骨密度与弹性模量的相关性  有许多国内外学者对弹性模量与骨密度之间的相关关系做了大量研究，因为试验条件、试验方法及试验对象不同，得到的结论亦不相同，但都发现两者之间相关性很强［8～10］。

    本实验结果说明，股骨头松质骨骨密度与弹性模量之间有很好的相关性，通过测得的松质骨骨密度值，可以根据两者之间的相关关系式计算出弹性模量值。但是当骨密度值高于正常时，即出现增生硬化时，弹性模量和骨密度值并不遵循此相关关系式，而是弹性模量迅速下降。

    4.2  骨密度与组织形态学分析指标的相关性  本实验结果显示，组织形态学分析指标和骨密度之间为线性相关关系，骨密度测量可以很好的反映松质骨的细微结构。

    结果表明，通过骨密度可以计算出组织形态学的各项参数，从另外一个角度可以反映出股骨头的生物力学性能。

    4.3  不同骨密度范围塌陷风险的大小  结合骨密度－弹性模量回归曲线、骨密度－组织形态学分析指标回归曲线以及镜下观察结果，综合评估后发现，在骨密度大于0.7 g/mm2或小于0.5 g/mm2时，股骨头松质骨的生物力学性能很差；而当骨密度在0.5～0.7 g/mm2之间时，股骨头松质骨的生物力学性能相对较好。

    对于股骨头坏死高危人群或已确诊为早期股骨头坏死但尚未发生塌陷的患者，动态观察其股骨头松质骨的骨密度变化，如骨密度小于0.5 g/mm2或大于0.7 g/mm2，或骨密度连续呈下降趋势，理论上可以认为发生股骨头塌陷的风险相对较大。

    4.4  以骨密度早期预测股骨头坏死后塌陷的可行性及优越性  以骨密度预测股骨头坏死后塌陷的风险性，具有以下优点：a)骨密度测量对影响骨代谢因素非常敏感［11］，可以更早的发现骨代谢的变化，并且可以直接通过动态观察骨密度评估股骨头生物力学性能变化趋势，对股骨头塌陷的风险进行判断；b)可以通过骨密度评估股骨头松质骨组织形态学指标，将股骨头生物力学性质与显微结构结合来判断股骨头塌陷风险，更为全面［12，13］；c)本方法为体外测量，符合无创原则，方法简便易行，且较X线片的预测更为准确，直接反映股骨头的生物力学状态，较其他方法更为可靠。

    由上所述，通过本实验获得如下结论：a)股骨头承重区松质骨骨密度与弹性模量呈现二次相关关系，相关系数为0.782(P＜0.001)；b)股骨头承重区松质骨骨密度与组织形态学静态分析指标之间呈现直线相关或直线负相关关系，相关系数均＞0.700；c)应用骨密度能较好的反映股骨头生物力学性能及松质骨细微结构，理论上可以应用于股骨头坏死后塌陷的预测。可以将0.5 g/cm2＜BMD＜0.7 g/cm2作为骨密度的相对安全范围，当骨密度在此范围外时，应考虑有塌陷的危险；d)本实验方法经拓展后亦可应用于骨质疏松患者其他长骨骨折预测的研究。