髋臼覆盖率对股骨头软骨下骨微结构影响的实验研究

班辰昊,武永刚

(1.包头医学院,内蒙古 包头 014040;2.巴彦淖尔市医院关节外科)

髋臼覆盖率是诊断髋关节发育不良(髋臼覆盖率<0.75)的主要指标之一,而髋关节发育不良(dysplasia of the hip,DDH)又被认为是继发性骨关节炎(osteoarthritis,OA)的重要危险因素[1]。Chu等[2]通过显微计算机断层扫描从接受全髋关节置换术的患者获得的43份股骨头标本,并通过单个小梁分割进行分析,以获得软骨下小梁骨的微观结构类型。研究结果表明DDH患者的软骨下小梁骨微结构恶化,软骨下小梁骨的质量和类型在DDH的机械性能中起关键作用,这可能与软骨损伤有关。Ye等[3]应用显微计算机断层扫描分析来自正常或DDH大鼠的髋关节标本,结果DDH组软骨下骨表现出微观结构逐渐恶化、生物力学性能恶化的趋势,并伴有畸形的骨重塑,这可能是抑制关节软骨向软骨下骨的应力传递,从而导致软骨变性和DDH加速进展的原因。

目前研究认为,软骨下骨微结构改变和骨重建异常与骨关节炎的发生、发展密切相关[4-5]。Ajami等[6]通过使用显微CT扫描原发性骨关节炎和股骨颈骨折髋关节置换术的股骨头标本,发现OA关节软骨退化与骨体积分数降低呈正相关。软骨下骨在OA发生、发展过程中存在异常的骨重塑[7-8],Courbon等[9]通过研究大鼠辅助诱导的关节炎(AIA)模型上的时间依赖性关节骨质流失和早期骨质流失到晚期关节炎严重程度的预测,结果强调了软骨下骨在关节炎发病机制中的关键作用。而且软骨下骨对局部生物力学环境改变的反应早于软骨改变[10-11]。Zamili等[12]在骨关节炎自发动物模型实验中,发现软骨下骨板增厚先于软骨细胞凋亡和软骨降解。不稳定和过度机械负荷通过介导软骨下骨变化以诱发骨关节炎[13]。Zhu等[14]通过左膝前交叉韧带横断(ACLT)用于诱导C57/B6小鼠OA 1、3和6个月试验,结果表明多样化的机械负荷特性通过软骨下骨重塑的不同机制导致OA进展。

上述研究结果表明,软骨下骨微结构的变化在DDH进展以及机械性能中起着关键作用,并且髋臼覆盖率等髋关节参数异常所致的股骨头局部应力分布改变,可能在一定程度上首先通过改变软骨下骨的结构,间接影响软骨退变和OA的发展。但影响髋关节及股骨头应力分布因素有很多,具体何种因素与股骨头软骨下骨微结构的变化密切相关目前还缺乏相关研究。曹照华等[15-16]通过建立骨盆髋关节模型,证明了CE角、颈干角和前倾角等髋关节参数是影响髋关节应力分布及应力值大小的重要因素。此外,Chen等[17]通过提出肥胖相关OA变化的假设模型,证明生物力学因素是肥胖相关OA的主要病理原因。近些年,随着显微CT(Micro-CT)成像技术的发展,人们对于软骨下骨微结构的认识也逐渐加深。Ding等[18]通过全髋关节置换手术中或从捐赠者那里收集股骨头,然后对每个股骨头产生的四个立方体松质骨样本进行显微CT扫描,以量化其微结构以及杆状和板状小梁特性,然后将样品压缩测试以确定机械性能。结果表明机械性能的最佳决定因素是骨体积分数。同样地,He等[19]通过微型断层扫描38份股骨头样本发现骨体积分数等微观结构参数与其力学性能呈正相关。以上研究结果提示髋关节参数与股骨头软骨下骨体积分数可能存在某种相关性。

目前对于髋关节或股骨头生物力学的研究几乎都是通过有限元建模完成的,脱离临床实际。本研究通过术前测量骨盆正位片及CT髋关节参数和收集患者髋关节置换术后股骨头,从软骨下骨微结构的角度研究髋臼覆盖率等髋关节参数与股骨头所受应力变化的关系。髋臼覆盖率、CE角、颈干角、髋臼前倾角等髋关节参数的变化会引起髋关节应力分布改变,然而,髋关节参数与股骨头软骨下骨显微结构变化的关系尚不清楚。因此,研究髋关节参数与软骨下骨体积分数(BV/TV)之间的关系,有助于深入理解局部生物力学改变诱导的软骨下骨结构改变,为术前计划及生物假体设计提供理论依据。

1 对象与方法

1.1研究对象 收集2020年1月至2022年9月在包头医学院附属巴彦淖尔市医院诊断为股骨颈骨折患者且行全髋关节或人工股骨头置换术后股骨头标本共30例,男性9例,年龄72～95岁,平均年龄78.89岁:女性21例,年龄55～85岁,平均年龄72.19岁。具体纳入病例人口统计学特征见表1。纳入标准:(1)50～95岁且病情稳定的股骨颈骨折患者(外伤导致);(2)术前经过完善的体格检查,实验室检查,骨盆正位片和CT平扫等影像学检查。排除标准:(1)骨关节炎(骨赘形成或软骨下骨囊性变)和类风湿性关节炎;(2)股骨头坏死;(3)陈旧性股骨颈骨折(股骨颈骨折保守治疗,未负重站立或行走超过3个月);(4)患有影响骨代谢相关疾病,如肾功能不全,甲状旁腺疾病等;(5)长期服用影响骨代谢药物;(6)病理性股骨颈骨折;(7)髋关节手术史;(8)行髋关节置换术中股骨头破坏严重,股骨头不完整;(9)术前检查乙肝、结核、艾滋、梅毒等传染病阳性者。本研究经过包头医学院附属巴彦淖尔市医院伦理委员会审核和批准,所有患者均有详细的病史和体格检查以及实验室检验和相关影像学检查资料,以排除患有全身性疾病的患者。确保每位参与研究的患者术前均签署知情同意书,严格遵守赫尔辛基宣言。

表1 纳入病例人口统计学特征

1.2髋关节参数的测量

1.2.1标准骨盆正位片 为减小测量带来的误差,患者术前骨盆正位片采用统一标准:(1)以耻骨联合为投照中心,确保患者尾骨尖正对耻骨联合;(2)确保患者两侧泪滴、闭孔(纵横经之比)及髂骨翼对称;(3)确保患者双下肢无明显内收/外展,双下肢无明显旋转(通常容易外旋,下肢外旋明显时股骨近端内侧小转子突出明显,外侧的大转子变小)。Zhao等[20]通过测量和比较224例患者的X线片和30例CT数据双侧髋关节解剖参数,结果表明,除峡部宽度外,髋关节解剖形态无显著差异,髋髓腔形态正常的患者存在双侧对称性。此研究为测量健侧髋关节参数替代患侧提供了依据,在关节科高级医师指导下分别测量骨盆正位片健侧髋关节解剖参数,即CE角、颈干角、Sharp角等,基于患者入院常规平扫CT,在平扫CT轴位像上测量髋关节髋臼前倾角(AcAV),所有参数测量均≥3次并取平均值作为最终结果。

1.2.2Image J和髋臼覆盖率的测量 Image J是美国国立卫生研究院开发的一款软件,使用Image J多边形工具,可对不规则物体的面积进行半自动定量化测量[21-22]。Image J页面布局见图1。

图1 Image J页面布局

髋臼覆盖率即股骨头受髋臼覆盖部分面积与股骨头面积的比值,正常时应>0.75,反映了股骨头与髋臼匹配的关系。既往对于髋臼覆盖率的测量多在二维图像即骨盆正位片上进行,但由于髋臼边缘不规则,髋臼发育不良在骨盆正位片测得髋臼覆盖率可能会显示正常,不能准确显示髋臼覆盖,给测量带来较大误差[23]。在Salih等[24-25]对股骨头髋臼覆盖率3D测量的基础上,本次实验进行了创新,使用GE AW VolumeShare 7(AW4.7)软件系统对患者入院平扫CT进行三维重建,在影像科高级医师指导下,分别重建股骨近端(包括股骨头和部分股骨干)和髋臼边缘,将重建好的三维图像旋转至负重角度即轴位,确保股骨大粗隆、小粗隆、股骨头圆心充分显露且呈一三角形,股骨干在轴位视角下不显露,在图片上标注比例尺,将重建且调试好的图像导出备用。使用美国国立卫生研究院官方软件Image J打开备用图像,使用多边形工具勾勒出股骨头边缘或髋臼未覆盖部分,点击Analyze>>Measure>>Area即可获得负重位股骨头面积S(图2)和股骨头髋臼未覆盖面积S0(图3),由此可得出髋臼覆盖率(femura head coverage,FHC)=(S-S0)/S,提高了髋臼覆盖率定量参数的准确性。

图2 股骨头面积S

图3 髋臼未覆盖面积S0

1.3标本制备及micro-CT扫描分析

1.3.1标本制备 术中常规游标卡尺测量置换出的股骨头直径,将术后收集股骨头标本置于-80 ℃医用低温冰箱(Haier,DW-86L578S)冻存以备用。标本取材方法:标本取材部位参考赵鉴非对股骨头负重及非负重区域的划分[26],以股骨头凹为参考标志,以股骨头凹内侧10 mm、外侧15 mm处为圆心做标记(根据股骨头直径适当调整应力侧取材位置(图4),用一精密空心环钻垂直于关节面、在生理盐水持续冲洗下钻取圆柱状骨(图5)。标本大小:钻取横截面直径10 mm,高10 mm的圆柱状松质骨柱(以关节面下2 mm为起点,应力侧同张力侧)。将制作好的组织标本放入4%多聚甲醛溶液中固定24～48 h,取出标本用PBS缓冲液冲洗3次,将标本放入75%乙醇溶液里4 ℃保存备用。

图4 环形钻定位标记

图5 标本钻取

1.3.2MicroCT扫描分析 MicroCT是一种X射线成像方法,能够以微观结构尺度(即1-100 μm分辨率)可视化骨骼。MicroCT可以有效和准确地评估骨骼结构[例如皮质骨区域和微观结构;小梁骨体积分数(Tb.BV/TV)][27]。将保存备用的标本寄送至上海市第六人民医院行MicroCT扫描分析,所有骨标本均使用高分辨率MicroCT系统扫描检测,机器型号为SkyScan-1176 micro-computed tomography(μCT)(Bruker micro CT,Belgium),分辨率为18 μm,分别沿样本承重方向,即纵轴进行Micro CT扫描。为减少空心环钻对骨柱周围骨小梁的破坏造成的试验误差,初次扫描后对各个样本重建并使用Micro CT系统软件The1.13 version of CTan software(Bruker)再次从3D重建图像中提取主承重区域的目标体积(立方亚体积,ROI即标本同心圆柱状松质骨柱,截面直径5 mm,高5 mm),扫描重建最终结果见图6、7。同时Micro CT系统软件(CTan software)用于处理微观结构参数。自动获得ROI总骨体积分数(BV/TV)、骨密度(BMD)等参数。除髋关节参数外记录所有患者的以下病例资料:年龄,性别,民族,身高,体重和体重指数(BMI),是否合并内科疾病(高血压、糖尿病、冠心病等),临床诊断,手术方式等。

图6 标本Micro CT视图(应力侧)

图7 标本Micro CT视图(张力侧)

1.4统计分析 应用SPSS 27.0软件进行统计学分析,正态分布的计量资料以均数±标准差表示,偏态分布的计量资料使用中位数或四分位数M(P25,P75)表示。为进一步排除混杂因素对软骨下骨微结构BV/TV的影响,控制髋关节参数等应力指标为影响骨微结构的单一变量,减少因个体之间非应力因素(影响骨代谢因素)导致的误差,本研究拟采用复合指标BV/TV(%),即应力侧BV/TV与张力侧BV/TV的比值作为因变量进行统计学分析,BV/TV(%)反应的是应力侧骨体积分数的绝对变化值。分类变量比较采用两独立样本t检验、单因素方差分析、非参数秩和检验;连续性数值变量相关性分析采用Pearson相关性分析或Spearman秩相关,以P<0.05为差异有统计学意义。变量赋值见表2。

表2 股骨头软骨下骨微结构影响因素变量赋值表

2 结果

2.1单因素分析 对因变量BV/TV(%)进行SW正态性检验,样本服从正态分布,正态检验P-P图见散点绝大多数落在45°角的对角线上,同时参考残差分析直方图正态参考曲线,说明该数据比较符合线性回归模型的适用条件,如独立性、正态性和方差齐性。见图8、9。

图8 因变量BV/TV(%)的正态P-P图

结果显示分类变量性别、民族、是否合并内科疾病(高血压、糖尿病、冠心病)间的BV/TV(%)的影响差异无统计学意义(P>0.05)。检验箱式图见图9-14。

图9 残差分析直方图

图10 性别分组与BV/TV(%)之间的可视化箱式图

图11 民族分组与BV/TV(%)之间的可视化箱式图

图12 高血压分组与BV/TV(%)之间的可视化箱式图

图13 糖尿病分组与BV/TV(%)之间的可视化箱式图

图14 冠心病分组与BV/TV(%)之间的可视化箱式图

对连续性数值变量年龄、股骨头直径、BMI、髋臼覆盖率、CE角、颈干角、髋臼角、髋臼前倾角与因变量BV/TV(%)之间以及髋臼覆盖率与CE角之间进行单因素相关性分析,SW正态性检验结果显示除髋臼角(Sharp角)、髋臼前倾角外,其余变量均服从正态分布。单因素相关性分析结果显示年龄、股骨头直径、颈干角、髋臼角、髋臼前倾角与因变量BV/TV(%)之间不具有相关性(P>0.05)。BMI、髋臼覆盖率、CE角与BV/TV(%)之间以及髋臼覆盖率(%)与CE角之间呈正相关性(P<0.05)。单因素分析相关性散点图见图15-23。

图15 年龄与BV/TV(%)的相关性散点图

图16 股骨头直径与BV/TV(%)的相关性散点图

图17 颈干角与BV/TV(%)的相关性散点图

图18 髋臼角与BV/TV(%)的相关性散点图

图19 髋臼前倾角与BV/TV(%)的相关性散点图

图20 髋臼覆盖率与BV/TV(%)的相关性散点图

图21 BMI与BV/TV(%)的相关性散点图

图22 CE角与BV/TV(%)的相关性散点图

图23 髋臼覆盖率(%)与CE角的相关性散点图

2.2多因素分析 采用步进法(stepwise),即逐步回归法进行多因素线性回归,将具有相关性的自变量纳入模型,纳入标准为P<0.05。CE角引入模型结果显示差异无统计学意义(P>0.05),作为混杂因素剔除。模型2为最终拟合结果,显示髋臼覆盖率(FHC)(t=3.036,P<0.01);BMI(t=2.495,P<0.05),说明各项的偏回归系数均有统计学意义,最后的回归方程为Y=-3.015+4.406*FHC+0.062*BMI。即髋臼覆盖率及BMI为股骨头张力侧与应力侧软骨下骨体积分数比值(BV/TV)%的独立危险因素(P<0.05)。见表3。

表3 多因素线性回归分析

3 讨论

本文通过MicroCT扫描股骨颈骨折患者股骨头软骨下骨微结构,探讨应力侧与张力侧软骨下骨体积分数比值与髋臼覆盖率等髋关节参数的关系。结果表明,应力侧与张力侧软骨下骨体积分数比值与髋臼覆盖率、BMI的变化密切相关。髋臼覆盖率及BMI值越高,应力侧与张力侧软骨下骨体积分数比值越大,即应力侧骨体积分数绝对变化(增大)越大。这一结果也验证了wolf定律,即骨骼的生长会受到力学刺激的影响而改变其结构[28]。该结果证实了髋臼覆盖率、BMI与软骨下骨体积分数之间存在的显著相关性,从软骨下骨角度解释了髋臼覆盖不足、肥胖所致的异常应力是股骨头软骨下骨改变的重要独立影响因素。

正常软骨下骨小梁的框架结构可以在很大程度上吸收并缓冲关节运动时传导的冲击和震荡,为关节软骨提供必要的力学支撑。而软骨下骨微结构异常改变了整体骨小梁原有的生物力学性能,进而改变了软骨负荷的承载。在DDH中,股骨头覆盖不足引起的无序关节应力负荷可能导致总小梁体积明显减少,对生物力学特性和关节软骨有害。BMI过高导致股骨头应力侧局部软骨下骨体积分数增大,可能会导致软骨下骨硬化,进而使软骨失去了应力缓冲,可能会加重软骨损害。

本研究初步揭示了髋臼覆盖率、BMI影响股骨头软骨下骨体积分数的作用,但也存在一些局限性,因样本量较小,未收集到髋臼覆盖率较低患者股骨头标本,且由于行髋关节置换髋关节骨关节炎患者已达Kilip分级IV级,股骨头软骨下骨存在严重的囊性变,骨小梁破坏严重,无法取得完整软骨下骨标本。如条件允许,可将二者纳入进一步对比研究。近些年,随着高分辨率外周骨定量CT(HR-pQCT)的应用增多,弥补了在体研究人体骨组织显微结构的空白[29],可在未来的研究中用于评价髋关节发育不良和超重患者股骨头软骨下骨微结构改变。

综上所述,本研究发现股骨颈骨折患者中髋臼覆盖率及BMI与股骨头张力侧与应力侧软骨下骨体积分数比值BV/TV(%)相关,且呈正相关。该结果提示股骨头覆盖不足引起的无序关节应力负荷可能导致骨小梁体积明显减少以及BMI过高导致的股骨头应力侧骨小梁体积绝对增大在髋关节生物应力传导中的作用,为髋臼周围截骨术及生物假体设计提供理论依据。