大骨节病与骨性关节炎骨显微结构的比较研究

史纪元,傅 蔷,刘时璋,易 智,凌 鸣,武世勋*

(1陕西省人民医院骨科,西安 710068;2西安市儿童医院血液肿瘤科;*通讯作者,E-mail:wsx19821115@163.com)

大骨节病(Kashin Beck disease,KBD)是一种慢性地方病,并引起退行性骨关节炎(osteoarthritis,OA),该病主要分布在一个起自西伯利亚东南部,横跨中国北部,止于西藏中部的广阔区域内,存在着超过100万的大骨节病患者[1]。患者在年轻的时候会出现关节疼痛、不适和残疾。尽管经过几十年的努力,大骨节病的发病率显著下降,但在流行地区仍然可以发现这种疾病。大骨节病患者临床症状可见骨关节增粗、强直甚至畸形,导致患者肌肉发生萎缩产生运动障碍,晚期患者会丧失劳动能力,对日常生活质量和生命健康产生严重影响[2]。以前关于大骨节病临床症状、体征和诊断参数的研究主要涉及的关节是手足小关节、腕关节和踝关节[3]。除了前述的受累部位之外,有70.68%的大骨节病患者存在膝关节症状,并且随着年龄增长,膝关节功能障碍和畸形的发生率有增加的趋势[4]。全膝关节置换手术(TKA)是公认的治疗晚期膝关节骨性关节炎的有效手段,该术式可以纠正膝关节的畸形、缓解疼痛、改善关节活动度[5]。但是KBD是一种复杂的骨骼生长发育障碍性疾病,会引起包括关节畸形、骨量减少、骨质疏松症(OP)和其他由骨骺生长和骨化障碍引起的症状[6]。用于OA患者的TKA关节假体是否适于治疗大骨节病患者出现的膝关节病变尚存争议[7]。有研究发现大骨节病性膝关节炎患者,TKA术后存在关节假体无菌性松动甚至下沉的风险[8]。虽然近年来越来越多的研究关注大骨节病患者的膝关节形态,但多数着眼于大体形态测量[9]。本研究旨在探讨大骨节病患者与骨性关节炎患者骨显微结构特征的差异,为设计适用于KBD患者的胫骨假体提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

我们选取了2017—2019年在我院行膝关节置换手术的39例大骨节病患者和38例骨性关节炎患者作为研究对象。纳入标准:孩诊断符合大骨节病(WS/T2007-2010)或骨性关节炎诊断标准;虎膝关节具备疼痛、畸形以及关节功能障碍等全膝关节置换术(TKA)手术指征;虎影像学资料完整。排除标准:孩有膝关节其他手术史或受伤史;虎合并有骨癌、严重骨质疏松等疾病。

1.2 样本制备

收集膝关节置换术中弃用胫骨平台侧截除的骨质,用我们自行开发的“可拆卸限深导向骨科手术取骨植骨器”(专利号:ZL201820118795.X),于胫骨平台软骨下约5 mm处采集直径10 mm、高6 mm的圆柱状松质骨样本(见图1)。即刻将样品浸入10%福尔马林溶液中,并在4 ℃条件下保存。

1.3 Micro-CT扫描

松质骨标本固定于标本管内,用微米级Micro-CT(美国GE eXplore Locus SP型显微CT)扫描,扫描分辨率14 μm,旋转角度360°,旋转角度增量0.4°,电压80 kV,电流80 μA,曝光时间2 960 ms,帧平均数为4,像素组合为1 px×1 px。感兴趣区域(region of interest,ROI)为边长3 mm的立方体区域,ROI边界距样本表面1.5 mm以上,以避免取骨过程中截骨面破碎骨组织对检测结果造成影响;三维重建ROI骨小梁。测量参数:骨密度(bone mineral density,BMD)、骨体积分数(bone volume fraction,BVF),骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th),骨小梁连接密度(connection density,CD),骨小梁结构模型指数(structure model index,SMI)。

A.TKA术中胫骨外侧平台高点下9 mm水平行胫骨近端截骨;B.从截除的胫骨近端骨质内采集6 mm×10 mm Ø圆柱状松质骨标本图1 KBD组和OA组患者膝关节置换术中胫骨近端截骨及采集松质骨标本示意图Figure 1 Schematic diagram of proximal tibial osteotomy and cancellous bone collection during knee arthroplasty in KBD group and OA group

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 松质骨样本采集及Micro-CT成像分析结果

TKA手术纠正了膝关节的力线和关节间隙的平衡(见图2),术中应用“可拆卸限深导向骨科手术取骨植骨器”可以采集较为完整的圆柱状松质骨样本(见图3)。Micro-CT扫描整个松质骨样本并三维重建,可见仅在样本表面存在少量断裂的骨小梁,ROI内的骨小梁结构保持完整(见图4)。

A.左膝术前非负重前后位片显示关节增粗,股骨、胫骨关节面破坏,软骨下骨塌陷,膝关节外翻畸形,关节腔存在巨大游离体;B.左膝术后非负重前后位片显示关节力线纠正,游离体已去除,胫股内外侧关节间隙平衡,假体位置良好图2 一例59岁男性KBD性膝关节炎患者接受TKA手术使用骨水泥型膝关节假体前后的X线表现Figure 2 X ray features of a 59 year old male patient with KBD osteoarthritis undergoing TKA with cemented knee prosthesis

2.2 两组松质骨的Tb.Th和CD测量结果差异

KBD组骨小梁厚度大于OA组[(0.12±0.02)mmvs(0.09±0.02)mm,P=0.000],KBD组骨小梁连接密度小于OA组[(1.90±1.23)/mm3vs(5.01±2.62)/mm3,P=0.000,见表1,图5、图6]。松质骨样本ROI骨小梁三维重建结果显示,KBD组松质骨骨小梁之间相互交联较少(见图6A);而OA组骨小梁虽然更细但是相互交织成网(见图6B)。

在Micro-CT的标本管内,将各松质骨样本按顺序放置,用发泡聚乙烯材料隔开并妥善固定图3 采集的圆柱状松质骨样本Figure 3 The cylindrical cancellous bone specimens were placed in the specimen tube of Micro-CT in order, separated and fixed with foamed polyethylene material

在距样本表面1.5 mm以上的松质骨中确定ROI,图中的黄色立方体为ROI图4 Micro-CT扫描后三维重建松质骨样本Figure 4 Three dimensional reconstruction of cancellous bone samples after Micro-CT scanning

表1 两组间骨小梁厚度和骨小梁链接密度的比较

2.3 两组松质骨的BMD,BVF和SMI比较结果

KBD组与OA组的BMD比较,差异无统计学意义[(104.78±42.45)mg/ccvs(113.13±30.60)mg/cc,P=0.404]。KBD组的BVF与OA组相比,差异无统计学意义(0.13±0.06vs0.14±0.03,P=0.481)。KBD组的骨小梁SMI与OA组比较,差异无统计学意义(1.99±0.41vs1.82±0.33,P=0.105,见图7)。

与OA组比较,**P<0.01图5 KBD组和OA组骨小梁厚度和骨小梁连接密度的比较Figure 5 Comparison of trabecular thickness and connection density between KBD group and OA group

A.KBD组骨小梁粗但是骨小梁之间交联少;B.OA组骨小梁细但是相互交织成网ROI为边长3 mm的立方体区域,按1 ∶1大小采集图片图6 KBD组和OA组松质骨样本ROI骨小梁三维重建Figure 6 Three dimensional reconstruction of ROI trabecular bone in KBD group and OA group

图7 KBD组和OA组骨密度、骨体积分数和骨小梁结构模型指数的比较Figure 7 Comparison of BMD, BVF and SMI between KBD group and OA group

3 讨论

膝关节置换假体的稳定性与骨质的承载能力密切相关,胫骨松质骨的力学性能对于胫骨平台假体的术后早期松动和远期下沉存在一定的影响。学界公认的是松质骨骨密度与松质骨强度成正相关,骨体积分数(BVF)可以看做是描述骨密度的三维参数,其同样与松质骨强度成正相关。但是仍有约30%的骨强度变化无法用BMD或BVF改变来解释[10]。松质骨的力学性能主要由骨组织的数量、骨小梁的形态和分布,以及骨小梁自身的材料属性所决定。Hanson等[11]通过显微CT研究骨组织质量时发现,BMD对松质骨强度的预测作用只介于70%-80%之间,而BMD联合骨显微结构可将这一预测作用提高到95%。

松质骨的力学性能与骨小梁的形态存在关联。结构模型指数(SMI)是通过计算骨小梁表面的曲率,将骨小梁的形态分别描述为偏向板状(plate)或偏向杆状(rod)。SMI为0时,则骨小梁为标准的板状;SMI为3时,骨小梁则为标准的杆状。Mittra等[12]通过研究绵羊松质骨显微结构与力学性能的关系时发现,在承受的应力过载时,偏向板状的骨小梁直接发生断裂,而偏向杆状的骨小梁则会发生扭转及弯曲。Pialat等[13]比较了椎体压缩骨折患者和对照组患者的松质骨显微结构时发现,骨折组患者骨小梁结构偏向于杆状,易于发生扭转、弯曲并产生压缩骨折,而不是直接断裂并产生爆裂骨折。

骨小梁厚度(Tb.Th)与骨骼的力学强度成正相关,即骨小梁越厚,骨骼的强度越大。Micro-CT通过测量多孔样松质骨孔壁的像素(即体素),经由计算机校准为松质骨骨小梁的平均厚度。Mittra等[12]研究松质骨显微结构与其强度的关系时发现,骨小梁厚度与骨组织的极限抗压强度更具有相关性。Silva等[14]研究了人类椎体松质骨后发现,骨小梁厚度减小会导致骨骼模量和极限强度降低。

材料力学的欧拉公式告诉我们,骨小梁稳定的临界压力与不受力的骨小梁长度的平方呈反比。松质骨骨小梁交联程度越高,当其受到压应力作用时,不受力的骨小梁长度越短,松质骨所能承受的临界压力则越大。CD是描述松质骨骨小梁之间连接的数量。Aaron等[15]对松质骨骨密度相近的两组椎体伴或不伴有压缩骨折的患者进行研究发现,骨折组骨小梁CD明显小于非骨折组,且骨小梁CD是独立于BMD之外的导致骨骼强度减低的决定性因素。

在TKA术中,无论使用骨水泥型关节假体还是生物型关节假体,胫骨平台假体的初始稳定性与胫骨近端截骨面的力学强度密切相关。当截骨面松质骨强度足以支撑胫骨平台假体,并能够对抗关节周围软组织静张力,这样才能为关节假体的远期生存提供初始条件。在一些胫骨近端骨质异常的病例中,例如严重骨质疏松患者或初次置换膝关节假体周围骨质吸收需行膝关节翻修手术的患者,应慎重选择胫骨平台假体;目前临床可选择带有袖套及髓内杆的胫骨平台假体,以分散、传导作用于胫骨平台假体的应力。

骨质的力学强度与其自身的显微结构存在明显相关[16]。关节假体的设计应参考骨显微结构的差异而导致的力学强度的不同,例如设计利于应力分散及传导结构。目前临床使用的关节假体用于各类关节功能丧失的病例,未出现针对于某种疾病或合并症的专用关节假体,如KBD、类风湿性关节炎、严重骨质疏松等。

本研究中,KBD组和OA组松质骨样本的BMD、BVF、SMI无统计学差异,表明两组松质骨的显微结构特征具有一定的相似性;甚至由BMD、BVF、SMI决定的骨骼力学强度也具有一定的相似性。这提示我们,适用于OA患者的膝关节置换胫骨平台假体在一定程度上可以用于KBD患者。本研究中还发现,与OA对照相比,KBD组胫骨平台下松质骨的Tb.Th显著增加,而KBD组松质骨骨小梁之间相互交联较少(见图6A);而OA组骨小梁虽然更细但是相互交织成网(见图6B)。目前已有的研究显示松质骨骨小梁CD与Tb.Th相比,其对松质骨骨质强度影响更显著[12,14]。本研究结果可以解释为因KBD患者相较于OA患者,其胫骨近端骨小梁较厚而骨小梁交联较少,导致骨强度下降更明显;这也能解释KBD患者膝关节增大及畸形更显著。这提示我们,有必要针对KBD患者特殊的骨微结构设计患者专用的特殊关节假体。

综上所述,KBD患者松质骨Tb.Th大于OA患者,而KBD患者松质骨CD小于OA患者,这一发现为进一步KBD患者骨小梁生物力学研究及设计KBD专用胫骨假体提供理论依据。