影像學預測股骨頭壞死塌陷的研究進展

于潼，謝利民，張振南

(中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院骨科，北京 100053)

綜 述

影像學預測股骨頭壞死塌陷的研究進展

于潼，謝利民*，張振南

(中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院骨科，北京 100053)

股骨頭壞死塌陷的發(fā)生主要為壞死股骨頭機械及生物力學性能下降所致。壞死的早期髓腔造血細胞開始死亡，骨母細胞、骨細胞及破骨細胞發(fā)生壞死，骨陷窩中的骨細胞消失。此時，骨小梁的結構仍維持原態(tài)，密度及骨的堅韌度還未受到影響。其后逐步開始產(chǎn)生修復反應，壞死區(qū)域的一側破骨細胞、骨質發(fā)生吸收，而另一側出現(xiàn)成骨細胞形成新骨，由正常區(qū)向壞死區(qū)伸展，但修復過程不完全平衡，處在死骨與活骨交界處即修復帶的壞死骨小梁已進入修復期，但位于壞死中心部位的骨小梁未行修復，此時即出現(xiàn)因修復不全而致的骨結構損害及力學性能降低，最終發(fā)生股骨頭塌陷。目前大量研究結果提示，壞死的位置、范圍及修復情況影響著股骨頭壞死的預后，通過影像學的表現(xiàn)及變化可以定位壞死的區(qū)域、定量壞死的范圍、顯示疾病的進程及修復情況，對股骨頭壞死是否發(fā)生塌陷起到良好的預測作用[1，2]。

1 壞死部位

1.1 壞死灶與負重區(qū)的關系 Ohzono等[3]根據(jù)壞死的位置將股骨頭壞死分為三型。Ⅰ型：硬化線清晰，股骨頭的壞死區(qū)達關節(jié)面并與髖臼相接觸，根據(jù)硬化帶外側帶與負重區(qū)的位置關系進一步分為3個亞型。ⅠA型：指硬化線外側端不超出股骨頭負重區(qū)內(nèi)側1/3；ⅠB型：指硬化線外側端在股骨頭負重區(qū)中1/3處；ⅠC型：指硬化線外側端達股骨頭負重區(qū)外1/3處。Ⅱ型：壞死區(qū)硬化線邊緣模糊不清，股骨頭的負重區(qū)輕度變平。Ⅲ型：壞死區(qū)內(nèi)可見囊變，并根據(jù)囊變位置分為2個亞型。ⅢA型：囊變在股骨頭前或內(nèi)側，有關節(jié)軟骨下骨包繞，離負重面遠；ⅢB型：囊變區(qū)緊靠負重區(qū)的外側2/3部分。他們根據(jù)該分型法研究發(fā)現(xiàn)，ⅠA、ⅠB及ⅢA型塌陷率較小，而ⅠC、Ⅱ及ⅢB型塌陷率較前者明顯增高。1994年Sugano等[4]根據(jù)MRI正中冠狀位T1WI壞死灶與負重區(qū)的位置關系分為三型，A型為壞死區(qū)不超過負重區(qū)內(nèi)側1/3，B型為不超過內(nèi)側2/3，C型為超過負重區(qū)內(nèi)側2/3。并對60 例放射性檢查正常、應用激素的患者進行前瞻性研究，其中有16髖(9 例)MRI出現(xiàn)壞死征象，A型6髖，B型2髖，C型8髖，隨訪平均5年，結果A型6髖至隨訪結束始終維持在Ⅰ期，C型中6髖在2～5年發(fā)生股骨頭塌陷。Min等[5]報道JIC分型分為A、B、C1和C2型，即將Sugano分型方法中的C型根據(jù)壞死區(qū)域是否超過髖臼緣分為C1和C2型，四型的塌陷率分別為0、0、13%和86%。

1.2 壞死灶與三柱結構的關系 中日友好醫(yī)院李子榮等[6]基于三柱理論，依據(jù)壞死灶占據(jù)三柱結構的位置分為五型，內(nèi)側型(A型)：壞死灶累及內(nèi)側柱；中央型(B型)：壞死灶累及中央柱和內(nèi)側柱；外側型(C型)：凡累及外側柱的壞死，再依據(jù)壞死灶累及外側柱的不同位置將外側型分為次外側型(C1型)、極外側型(C2型)及全股骨頭型(C3型)。A、B、C三型股骨頭塌陷率不同，分別為3.8%、10.8%和67.8%，C型的三型中C3型塌陷率94.4%，C2型塌陷率100%，均高于C1型42.6%。

1.3 囊變區(qū)與股骨頭的位置關系 李宏等[7]報道股骨頭壞死早期的患者進行CT檢查，并將股骨頭分為9個區(qū)，確定股骨頭缺血壞死時囊性變在股骨頭內(nèi)的位置，評估其股骨頭塌陷的風險性，發(fā)現(xiàn)股骨頭內(nèi)不同位置的囊性變可以預測壞死股骨頭的塌陷風險，并輔助臨床選擇合理的治療方案。趙德偉等[8]借助CT圖像，通過計算機軟件建立股骨上段三維有限元異物同構模型，模擬直徑1 cm不同位置囊變，觀察其對股骨頭塌陷的影響，發(fā)現(xiàn)囊變區(qū)的強度降低致使應力傳導改變，在邊緣區(qū)產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。股骨頭負重區(qū)下方及其內(nèi)側和外側的囊變應力集中最明顯，表現(xiàn)為張力集中，其上方骨板下松質骨應力/強度比值明顯升高，易引起股骨頭塌陷。當囊變位于股骨頭的前方、后方或下方時，塌陷風險小。

2 壞死范圍

2.1 壞死角度 Kerboul等[9]提出壞死弧度和的方法，即分別測量前后位及側位X線片上股骨頭受累面的弧度，計算二者之和以體現(xiàn)壞死區(qū)域大小的方法。Ha等[10]依據(jù)MRI圖像提出計算壞死角的方法，根據(jù)壞死角度數(shù)將股骨頭壞死分為四級：1級的壞死角小于200°，2級的壞死角在200°～249°，3級的壞死角在250°～299°，4級的壞死角大于等于300°。結果發(fā)現(xiàn)，1級的5髖均未塌陷，2級9髖中的6髖發(fā)生塌陷，3級的16髖及4級的7髖均發(fā)生塌陷。生存分析結果顯示四組組間差異有統(tǒng)計學意義(P<0.01)。后研究者對數(shù)據(jù)進行回顧性評估，試圖找到更好的預后分界點，發(fā)現(xiàn)壞死角小于等于190°的4髖均未發(fā)生塌陷，角度大于等于240°的25髖全部塌陷，而角度在190°～240°的8 例中有4髖(50%)發(fā)生了塌陷。作者認為當壞死角小于等于190°為低風險組，壞死角在190°～240°為中風險組，而壞死角大于等于240°為高風險組。

2.2 壞死指數(shù) Koo等提出壞死指數(shù)的方法[11，12]，即分別測量MRI正中冠狀位上壞死部分的角度(A)及正中矢狀位上壞死部分的角度(B)，計算股骨頭壞死的壞死指數(shù)。壞死指數(shù)=(A/180)×(B/180)×100%。發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死區(qū)指數(shù)小于30%時均未發(fā)生塌陷，為低危險組；介于30%～40%者有一半發(fā)生塌陷，為中危險組；而大于40%時均發(fā)生塌陷為高危險組。Cherian等[13]將本方法進行改良，提出選取病灶累及范圍最大的層面進行測量。

2.3 壞死面積比 Sugano等[14]提出測量壞死面積比法，即在X線片上測量壞死部分面積占整個股骨頭面積的比例，發(fā)現(xiàn)當壞死面積比例大于43%時塌陷的可能性大。還有學者提出在MRI圖像上測量計算壞死面積比例的方法，劉又文等[15]運用該法，對32 例(47髖)股骨頭壞死患者進行24個月的隨訪，結果發(fā)現(xiàn)塌陷組的平均壞死面積比例為(58.7±14.4)%，未塌陷組平均壞死面積的比例為(17.3±11.9)%，二者差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。作者認為，當壞死面積比例小于30%屬于低危險組；30%～42%之間屬于中等危險組；大于43%時屬于高危險組。此方法可較精確的反映股骨頭壞死的范圍。Beltran等[16]提出結合MRI冠狀位和橫斷位以測定負重區(qū)內(nèi)壞死灶百分比的方法，結果為負重區(qū)內(nèi)壞死灶百分比小于25%者均未發(fā)生塌陷；在25%～50%者43%發(fā)生塌陷；大于50%者87%發(fā)生塌陷。

2.4 壞死體積 Hernigou等[17]提出測量壞死體積的方法，即使用軟件測量出壞死灶的面積，將其乘以MRI掃描的層厚，得出每一層壞死部位的體積，將所有層面計算的結果相加，即為股骨頭壞死病灶的體積，該方法為通過MRI圖像測量股骨頭壞死病灶體積的方法提供了理論基礎。Nishii等[18]通過運用計算機軟件測算壞死灶的體積比，并根據(jù)體積比的大小將其分為三組，A組壞死體積比小于15%，B組15%～30%，C組大于30%。研究發(fā)現(xiàn)：A組中6%發(fā)生塌陷，B組中42%發(fā)生塌陷，C組中80%發(fā)生塌陷，三組間塌陷率差異有統(tǒng)計學意義，提示壞死病灶的體積與股骨頭塌陷的危險性密切相關，壞死病灶的體積比大于30%時，股骨頭的塌陷率高。國內(nèi)學者史振才等[19]運用醫(yī)學特殊軟件，對29 例(38髖)股骨頭壞死患者的MRI進行處理，選取冠狀面T1WI測算股骨頭壞死病灶的體積及其所占股骨頭的百分比，以預測股骨頭塌陷的危險性。結果壞死體積比大于30%時股骨頭塌陷危險性很高，與Nishii所得出的結論相符。趙萬鵬等[20]將38 例股骨頭壞死病例的MRI圖像進行三維重建及有限元分析，結果為當壞死病灶體積比大于30%時，股骨頭的塌陷率為80%；小于30%時，股骨頭是否塌陷與壞死部位有關，如壞死部位占據(jù)股骨頭的前外上部分，股骨頭亦容易發(fā)生塌陷。韋竑宇等[21]對股骨頭壞死患者行髖關節(jié)三維CT檢查，發(fā)現(xiàn)當壞死病灶的體積大于23.48%時，股骨頭壞死的塌陷率高達94.6%(53/56)。

3 自身修復能力

3.1 軟骨下骨修復 蘇敬陽等[22]應用兔股骨頭觀察股骨頭骨缺損表面積比與股骨頭軟骨塌陷的關系，發(fā)現(xiàn)股骨頭缺損壞死表面積比小于12.5%時軟骨下骨有很強的修復能力，有毛細血管及成骨細胞形成；而大于19.0%時有明顯骨陷窩空陷存在，在軟骨表面無軟骨樣化生，易發(fā)生軟骨塌陷和壞死。劉朝暉等[23]研究發(fā)現(xiàn)，T1低信號帶與軟骨下骨不相交的，即包含型者，預后相對較好，可能是由于軟骨下骨的存活和完整性較好。郭東輝[24]提出，軟骨下骨厚度與股骨頭壞死塌陷密切相關，當軟骨下骨厚度小于3 mm時股骨頭的塌陷風險高，考慮為股骨頭發(fā)生壞死后軟骨下骨的承載力下降所致。Ficat[25]通過對骨壞死病理組織學的研究發(fā)現(xiàn)，當軟骨下骨被壞死灶波及時會出現(xiàn)破骨細胞吸收、軟骨下骨變薄的現(xiàn)象；當壞死灶內(nèi)有硬化帶形成時，在靠近硬化帶的位置出現(xiàn)壞死灶囊性變是塌陷的危險信號。劉朝暉等[23]根據(jù)壞死灶的CT表現(xiàn)分為四型：a)壞死灶在軟骨下骨下形成連續(xù)的硬化帶；b)在軟骨下骨下形成硬化帶，但為不連續(xù)的硬化帶；c)軟骨下骨下硬化帶的形成不明顯；d)壞死灶無明顯硬化帶形成，表現(xiàn)為均勻中密度影。研究結果為：A型塌陷率0%，B型塌陷率63%，C型塌陷率76%，D型塌陷率100%。認為在軟骨下骨出現(xiàn)均勻增厚或明顯“焊接”現(xiàn)象可延遲塌陷；而軟骨下骨形成不連續(xù)硬化帶，或無明顯的硬化帶形成，正常骨小梁結構消失，壞死灶呈現(xiàn)為均勻中低密度影時，是塌陷的危險因素。

3.2 骨髓水腫 Sakai等[26]報道股骨頭壞死發(fā)展過程中伴隨積液的變化，出現(xiàn)壞死邊界的血管擴大和骨髓水腫，可能代表著股骨頭塌陷后繼發(fā)的一種炎癥改變，即使未見股骨頭明顯塌陷，MRI上骨髓水腫的出現(xiàn)可能提示著股骨頭在微觀水平上已經(jīng)開始塌陷。國內(nèi)何偉等[27]發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死骨髓水腫以壞死ARCO Ⅱ、Ⅲ期最為明顯，范圍最為廣泛，且ARCO Ⅰ～Ⅲ期的病情程度與骨髓水腫分級呈正相關，伴隨著病變程度的加重，骨髓水腫發(fā)生的概率和水腫范圍亦在增加，提示骨髓水腫范圍的擴大預示著股骨頭壞死病變的進一步發(fā)展。劉少軍等[28]研究發(fā)現(xiàn)，股骨頭塌陷患者骨髓水腫發(fā)生率明顯高于未塌陷者。作者認為，股骨頭壞死可能由股骨頭塌陷所導致的骨髓變化，其發(fā)生機制可能與股骨頭壞死后生物力學穩(wěn)定和結構受到破壞有關，導致應力集中的病理生理反應，股骨頭壞死骨髓水腫的出現(xiàn)在臨床中預示著股骨頭已經(jīng)遭受應力損害并進入塌陷高危階段或已經(jīng)出現(xiàn)塌陷，與伴隨的髖部疼痛癥狀可以成為重要的臨床參考，必須采取措施改善髖關節(jié)的承重，防止塌陷或塌陷加劇。

4 小結與展望

目前，應用于股骨頭壞死塌陷預測的影像學手段有核素顯像、X線片、CT、MRI及結合計算機技術的有限元分析等。核素顯像敏感性較高，可反映股骨頭壞死后的代謝反應，但無特異性，假陽性率高，且只能作為定性分析的一種方法，不能精確的定量診斷，而目前研究表明股骨頭壞死的預后與壞死的位置范圍程度均有著密切聯(lián)系，故而在臨床應用方面存在著較大的局限性。X線片及CT主要反映的是骨內(nèi)礦物質即鈣質含量，X線片為股骨頭的平面投影，可反映股骨頭整體輪廓形態(tài)，但往往會因為存在著重疊遮擋而不能全面反映股骨頭病變的信息；CT為斷層掃面，對骨缺損及骨量的反映極為敏感，可以準確顯示股骨頭壞死骨破壞及修復累計形成的骨量情況，特別是對硬化帶的反映方面，CT有著其獨特的優(yōu)勢，硬化帶是壞死修復的表現(xiàn)，硬化帶的形態(tài)位置及形成的量往往反應修復能力，在負重區(qū)形成一定量的硬化帶，可以增加股骨頭的強度，承載力量，不易塌陷。但目前CT對本病塌陷預測的研究多是對壞死灶的形態(tài)位置進行分析，應用CT進行定量診斷的文章鮮見。MRI以其敏感性和準確性在股骨頭壞死診治中發(fā)揮重要作用，通過其信號變化可以在本病早期做出診斷，準確定位壞死灶的位置，定量壞死的范圍；同時MRI憑借其良好的密度分辨率和空間分辨率，在顯示病變的解剖形態(tài)變化、關節(jié)軟骨變化的同時，還能提供壞死過程中有關的病理及生化方面的信息，幫助臨床判斷疾病的進展階段及修復狀態(tài)，但在反映骨缺損及修復所積累的骨量方面不如CT直觀。有限元分析則是將影像學基礎數(shù)據(jù)，應用計算機技術，結合高等數(shù)學、生物力學等，對壞死灶的部位、范圍及自身修復能力進行綜合分析，以對股骨頭壞死的預后做出判斷，準確度高，特異性好。但目前應用較為復雜，涉及技術較為專業(yè)，臨床醫(yī)生在使用方面存在著一定的困難。隨著計算機水平的發(fā)展，有限元分析技術的逐步簡化普及，將會在本病的診治及預測中發(fā)揮重要作用。

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1008-5572(2014)05-0430-04

R681.8

：A

2013-08-30

于潼(1985- )，女，研究生在讀，中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院骨科，100053。

*本文通訊作者：謝利民