文章导读：最近的报告描述了股骨头坏死(OFH)发展和加重可能的机械因素，但这些尚未在专门的机械研究中得到证实。因此，我们基于早期OFH患者的体内

1.引言

股骨头坏死(osteonecrosisoffemoralhead，OFH)是指由于血管内凝血导致的股骨头灌注受损。支撑关节面的软骨下骨部分坏死，引起头部塌陷，继发骨性关节炎，许多病因和危险因素已被确定，包括慢性酒精中毒、用药(包括长程皮质类固醇，具有剂量依赖性风险)，以及痛风、高脂血症、血栓性等代谢性疾病，但30%的病例无病因可查，骨坏死诊断为“特发性”。

骨坏死的病理生理机制已阐述相对明确，但最近的研究显示髋关节负荷起关键作用，在OFH的发生发展中存在解剖学变异。股骨头顶端的应力位置可能与坏死位置高度重叠，但这一点尚待力学研究证实，因此我们基于早期OFH患者体内数据建立三维有限元模型，以确定坏死区域是否叠加在最大应力区域上。研究假设坏死区的位置由力学因素决定，即骨盆在股骨上方的重量所施加的应力。

2材料与方法

2.1病人

经机构伦理审查委员会批准后，采用前瞻性数据库对~年在我科进行初发OFH评估的患者进行分析。对患者进行髋关节或骨盆三维成像随访，以确认骨坏死的诊断并评估延伸情况。纳入标准包括：早期OFH(Ficat分级的第1或2阶段：即无股骨头部畸形)，髋部或骨盆CT具有足够的分割和啮合质量。

2.2方法

采用3种不同的软件应用程序，分3个阶段建立髋关节三维有限元模型。

a)髋关节或骨盆CT扫描首先导入Mimics18?分割软件包(Materialise，Leuven，比利时)。该软件的半自动工具创建了患者骨盆和股骨近端的三维模型，然后创建软骨，在CT上看不到，作为中间对象通过对骨盆和股骨进行加减运算。由此产生的3个物体(骨盆、软骨和股骨)首先在Mimics中进行平滑处理，得到一个最佳均一、解剖上准确的三维结构(图1)。同时，将头部坏死区域定位为最不密集区域，然后使用同样的软件工具创建相应的3D对象(图2)。

b)Pelvis、软骨和股骨随后导出3-matic?啮合应用(Materialise，Leuven，比利时)。每个物体表面用三角形网格划分。目标尺寸为骨盆2.5毫米，股骨2毫米，软骨1.5毫米(图3)。然后采用线性四面体体积网格。

c)将3个网格对象导入Abaqus14?(Simulia，RI)中，构建有限元模型。建模时，假设每个物体均质各向同性，具有线弹性行为(表1)。添加了对象之间的各种交互。皮和软骨被认为是相互贴附(系带相互作用)。在软骨与股骨之间建立了摩擦力相互作用模型：正常行为为线性，渗透系数为MPa/mm，切向行为为无摩擦力。骨盆及股骨远端表面均嵌入；股骨仅允许沿X、Y轴平移运动，绕Z旋转，骨盆上侧施加均匀垂直N压力，模拟双足加载(图4)。

这些连续的操作使每个股骨头上的应力分布得以获得。将显示股骨头应力大于平均值50%的体积导出至初始三维模型。由此得到坏死体积与最大应力体积的交点，并评估为百分比坏死/应力交点(%In/s)和百分比应力/坏死交互作用(%Is/n)(图5)。

%In/s=最大应力区内坏死体积/总坏死体积x

%Is/n=坏死区内的应力体积/总应力体积x

2.3统计学分析

定量变量以均数±标准差表示，定性变量以百分比表示；鉴于样本量的大小，定量变量采用非参数Wilcoxon检验，定性变量采用Fisher检验。显著性阈值设定为p=0.05。为了限制疾病进展相关的偏倚(体积效应)，区分了2个亚组：小OFH(体积mm3)。由2名不同盲法的观察者分别计算坏死面积的%Is/n和%In/s的类内相关系数来评价观察者内和观察者间的重复性。

3.结果

例患者中仅19例显示早期(1~2期)OFH，其中仅10例具有足够的包涵体质量，男5例，女5例；年龄37~81岁，平均52岁。所有病例均为单侧OFH：右侧4例(40%)，左侧6例(60%)，3例患者有慢性酒精中毒(30%)，5例长期服用糖皮质激素(50%)；1例有HIV感染(10%)，1例有特发性OFH(10%)。

表3显示了%I在整个系列中的结果。平均最大应力为1.。

按性别(p=0.7)、侧别(p=0.8)、病因(p=0.7)进行单因素分析，%Is/n无显著差异；按性别(p=0.8)、侧别(p=0.7)、病因(p=0.8)进行单因素分析，%In/s无显著差异(表4)。即坏死与应激区叠加似乎与性别、侧别和病因无关。

坏死体积与%Is/n呈强负相关(R2=-0.92)，与出口应力体积呈强正相关(R2=0.55)：坏死体积越大，%Is/n越小，应力体积越大，%Is/n越大；%In/s与应力、坏死体积无相关性。

10个OFH中有5个小(mm3)。表3显示了分组分析；最大应力(p=0.)、出口应力体积(p=0.)、坏死/应力面积交点或%In/s差异不显著(p=0.)。

4.讨论

据我们所知，这是首次在三维有限元分析中研究坏死与应力区位置的可能关系。结果表明，坏死区叠加在最大应力区上，坏死/应力交点超过80%，应力/坏死交点超过35%，尤其是小OFH。这一发现与生物特征因素(性别、病因、侧别)和模型中控制的因素(最大压力、输出体积)无关。力学环境对OFH发展和/或加重的影响得到了以前的一些实验研究的支持，这些实验研究表明股骨头负荷影响OFH的发展。文献报道了一系列OFH动物模型并得出，在诱导OFH的猪中，非负重减缓了骨坏死的自然进展。在最近的研究中，同样发现OFH患者出现了可改变股骨头顶端应力的解剖异常。

本研究存在以下几个局限性。首先，设计为单中心回顾性，限制外推。而且，这是一项初步研究；3D分析仅包括10次扫描，突显出两点：一是难以大规模纳入这一罕见病理，二是部分患者仅在长期疾病进展和骨组织严重恶化后才会就诊的临床下进展和诊断性游牧。三维有限元模型也是有争议的：由于病理原因和CT分辨率差而没有增强扫描，不可能总是区分头部软骨和唇软骨。这导致我们创建了一个中间对象来表示软骨；然而，这种妥协在最近关于类似主题的文献中得到了验证。我们没有在杨氏模量或泊松系数上区分皮质骨和小梁骨，假设骨始终光滑均匀，因为重建和建模股骨小梁骨是困难的，这在头颈部和股骨粗隆部是不同的，而作为坏死小梁骨的性质还没有描述。本方法已应用于髋关节的其他三维模型，但本力学模型是稳健的，包括物体之间的相互作用(骨盆与软骨之间的连接作用，软骨与股骨之间的线性摩擦)，以及文献中验证的允许运动和载荷。此外，它包含10个三维分析，与其他所有有限元建模研究一样，保证了比单髋外推模型更具有临床相关性。重建是基于正常治疗条件下的病理性股骨而不是实验条件，进一步增强临床相关性。最后，所有患者均发生了非常早期的坏死，无股骨畸形，从而提供了“更清洁”的模型，而不改变与晚期坏死相关的应力分布。

目前有限元分析的平均最大应力值(1.63MPa)与某些报道值相比偏低，介于3~6MPa之间；这是因为这些研究中直接施加在股骨上的压力较大(表6)：以往的研究都是为了模拟日常生活活动中通过髋部的力，相当于体重的4倍，我们选择在骨盆上侧垂直向下施加N载荷，模拟标准双足负重，这似乎比直接施加在股骨上的力更具有生理意义，以研究骨盆向股骨头传递的应力；此外，增加负荷无疑会增加应力面积，提高%I值，但引入了与我们描述的大坏死体积患者相似的测量偏差。由于以往的研究主要集中在坏死体积的最佳量化方法、坏死体积对骨折风险的影响、解剖变异对OFH的影响或不同治疗方法的影响等方面，因此目前的研究结果与文献比较困难。文献报道了它们的有限元分析中只有.2~.1mm2的接触面积。据我们所知，股骨头上的最大应力体积在其他地方从未计算或研究过，也没有坏死区与应力区的叠加。这可能解释了积极治疗OFH，如股骨内翻或旋转截骨术比保守治疗，如减压术或干细胞注射术，不改变头部应力分布所取得的更好结果。然而，该理论不适用于镰状细胞病等某些OFH病因。

5.结论

OFH目前的有限元模型结果支持了髋关节骨坏死病理生理学的力学理论。髋关节解剖和生物力学似乎在OFH的发生中起着不可忽视的作用：在本研究中，坏死发生在应力最大的股骨头区域，虽然没有直接的因果关系可以肯定。这些发现需要在更大规模的多中心研究中得到证实，使用更接近临床实际的有限元模型。在我们看来，考虑这些力学参数来限制OFH保守治疗失败似乎是原始的。

译者：范亚楠