影像学预测股骨头坏死塌陷的研究进展

于潼，谢利民，张振南

(中国中医科学院广安门医院骨科，北京 100053)

综 述

影像学预测股骨头坏死塌陷的研究进展

于潼，谢利民*，张振南

(中国中医科学院广安门医院骨科，北京 100053)

股骨头坏死塌陷的发生主要为坏死股骨头机械及生物力学性能下降所致。坏死的早期髓腔造血细胞开始死亡，骨母细胞、骨细胞及破骨细胞发生坏死，骨陷窝中的骨细胞消失。此时，骨小梁的结构仍维持原态，密度及骨的坚韧度还未受到影响。其后逐步开始产生修复反应，坏死区域的一侧破骨细胞、骨质发生吸收，而另一侧出现成骨细胞形成新骨，由正常区向坏死区伸展，但修复过程不完全平衡，处在死骨与活骨交界处即修复带的坏死骨小梁已进入修复期，但位于坏死中心部位的骨小梁未行修复，此时即出现因修复不全而致的骨结构损害及力学性能降低，最终发生股骨头塌陷。目前大量研究结果提示，坏死的位置、范围及修复情况影响着股骨头坏死的预后，通过影像学的表现及变化可以定位坏死的区域、定量坏死的范围、显示疾病的进程及修复情况，对股骨头坏死是否发生塌陷起到良好的预测作用[1，2]。

1 坏死部位

1.1 坏死灶与负重区的关系 Ohzono等[3]根据坏死的位置将股骨头坏死分为三型。Ⅰ型：硬化线清晰，股骨头的坏死区达关节面并与髋臼相接触，根据硬化带外侧带与负重区的位置关系进一步分为3个亚型。ⅠA型：指硬化线外侧端不超出股骨头负重区内侧1/3；ⅠB型：指硬化线外侧端在股骨头负重区中1/3处；ⅠC型：指硬化线外侧端达股骨头负重区外1/3处。Ⅱ型：坏死区硬化线边缘模糊不清，股骨头的负重区轻度变平。Ⅲ型：坏死区内可见囊变，并根据囊变位置分为2个亚型。ⅢA型：囊变在股骨头前或内侧，有关节软骨下骨包绕，离负重面远；ⅢB型：囊变区紧靠负重区的外侧2/3部分。他们根据该分型法研究发现，ⅠA、ⅠB及ⅢA型塌陷率较小，而ⅠC、Ⅱ及ⅢB型塌陷率较前者明显增高。1994年Sugano等[4]根据MRI正中冠状位T1WI坏死灶与负重区的位置关系分为三型，A型为坏死区不超过负重区内侧1/3，B型为不超过内侧2/3，C型为超过负重区内侧2/3。并对60 例放射性检查正常、应用激素的患者进行前瞻性研究，其中有16髋(9 例)MRI出现坏死征象，A型6髋，B型2髋，C型8髋，随访平均5年，结果A型6髋至随访结束始终维持在Ⅰ期，C型中6髋在2～5年发生股骨头塌陷。Min等[5]报道JIC分型分为A、B、C1和C2型，即将Sugano分型方法中的C型根据坏死区域是否超过髋臼缘分为C1和C2型，四型的塌陷率分别为0、0、13%和86%。

1.2 坏死灶与三柱结构的关系 中日友好医院李子荣等[6]基于三柱理论，依据坏死灶占据三柱结构的位置分为五型，内侧型(A型)：坏死灶累及内侧柱；中央型(B型)：坏死灶累及中央柱和内侧柱；外侧型(C型)：凡累及外侧柱的坏死，再依据坏死灶累及外侧柱的不同位置将外侧型分为次外侧型(C1型)、极外侧型(C2型)及全股骨头型(C3型)。A、B、C三型股骨头塌陷率不同，分别为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 囊变区与股骨头的位置关系 李宏等[7]报道股骨头坏死早期的患者进行CT检查，并将股骨头分为9个区，确定股骨头缺血坏死时囊性变在股骨头内的位置，评估其股骨头塌陷的风险性，发现股骨头内不同位置的囊性变可以预测坏死股骨头的塌陷风险，并辅助临床选择合理的治疗方案。赵德伟等[8]借助CT图像，通过计算机软件建立股骨上段三维有限元异物同构模型，模拟直径1 cm不同位置囊变，观察其对股骨头塌陷的影响，发现囊变区的强度降低致使应力传导改变，在边缘区产生应力集中现象。股骨头负重区下方及其内侧和外侧的囊变应力集中最明显，表现为张力集中，其上方骨板下松质骨应力/强度比值明显升高，易引起股骨头塌陷。当囊变位于股骨头的前方、后方或下方时，塌陷风险小。

2 坏死范围

2.1 坏死角度 Kerboul等[9]提出坏死弧度和的方法，即分别测量前后位及侧位X线片上股骨头受累面的弧度，计算二者之和以体现坏死区域大小的方法。Ha等[10]依据MRI图像提出计算坏死角的方法，根据坏死角度数将股骨头坏死分为四级：1级的坏死角小于200°，2级的坏死角在200°～249°，3级的坏死角在250°～299°，4级的坏死角大于等于300°。结果发现，1级的5髋均未塌陷，2级9髋中的6髋发生塌陷，3级的16髋及4级的7髋均发生塌陷。生存分析结果显示四组组间差异有统计学意义(P<0.01)。后研究者对数据进行回顾性评估，试图找到更好的预后分界点，发现坏死角小于等于190°的4髋均未发生塌陷，角度大于等于240°的25髋全部塌陷，而角度在190°～240°的8 例中有4髋(50%)发生了塌陷。作者认为当坏死角小于等于190°为低风险组，坏死角在190°～240°为中风险组，而坏死角大于等于240°为高风险组。

2.2 坏死指数 Koo等提出坏死指数的方法[11，12]，即分别测量MRI正中冠状位上坏死部分的角度(A)及正中矢状位上坏死部分的角度(B)，计算股骨头坏死的坏死指数。坏死指数=(A/180)×(B/180)×100%。发现股骨头坏死区指数小于30%时均未发生塌陷，为低危险组；介于30%～40%者有一半发生塌陷，为中危险组；而大于40%时均发生塌陷为高危险组。Cherian等[13]将本方法进行改良，提出选取病灶累及范围最大的层面进行测量。

2.3 坏死面积比 Sugano等[14]提出测量坏死面积比法，即在X线片上测量坏死部分面积占整个股骨头面积的比例，发现当坏死面积比例大于43%时塌陷的可能性大。还有学者提出在MRI图像上测量计算坏死面积比例的方法，刘又文等[15]运用该法，对32 例(47髋)股骨头坏死患者进行24个月的随访，结果发现塌陷组的平均坏死面积比例为(58.7±14.4)%，未塌陷组平均坏死面积的比例为(17.3±11.9)%，二者差异有统计学意义(P<0.05)。作者认为，当坏死面积比例小于30%属于低危险组；30%～42%之间属于中等危险组；大于43%时属于高危险组。此方法可较精确的反映股骨头坏死的范围。Beltran等[16]提出结合MRI冠状位和横断位以测定负重区内坏死灶百分比的方法，结果为负重区内坏死灶百分比小于25%者均未发生塌陷；在25%～50%者43%发生塌陷；大于50%者87%发生塌陷。

2.4 坏死体积 Hernigou等[17]提出测量坏死体积的方法，即使用软件测量出坏死灶的面积，将其乘以MRI扫描的层厚，得出每一层坏死部位的体积，将所有层面计算的结果相加，即为股骨头坏死病灶的体积，该方法为通过MRI图像测量股骨头坏死病灶体积的方法提供了理论基础。Nishii等[18]通过运用计算机软件测算坏死灶的体积比，并根据体积比的大小将其分为三组，A组坏死体积比小于15%，B组15%～30%，C组大于30%。研究发现：A组中6%发生塌陷，B组中42%发生塌陷，C组中80%发生塌陷，三组间塌陷率差异有统计学意义，提示坏死病灶的体积与股骨头塌陷的危险性密切相关，坏死病灶的体积比大于30%时，股骨头的塌陷率高。国内学者史振才等[19]运用医学特殊软件，对29 例(38髋)股骨头坏死患者的MRI进行处理，选取冠状面T1WI测算股骨头坏死病灶的体积及其所占股骨头的百分比，以预测股骨头塌陷的危险性。结果坏死体积比大于30%时股骨头塌陷危险性很高，与Nishii所得出的结论相符。赵万鹏等[20]将38 例股骨头坏死病例的MRI图像进行三维重建及有限元分析，结果为当坏死病灶体积比大于30%时，股骨头的塌陷率为80%；小于30%时，股骨头是否塌陷与坏死部位有关，如坏死部位占据股骨头的前外上部分，股骨头亦容易发生塌陷。韦竑宇等[21]对股骨头坏死患者行髋关节三维CT检查，发现当坏死病灶的体积大于23.48%时，股骨头坏死的塌陷率高达94.6%(53/56)。

3 自身修复能力

3.1 软骨下骨修复 苏敬阳等[22]应用兔股骨头观察股骨头骨缺损表面积比与股骨头软骨塌陷的关系，发现股骨头缺损坏死表面积比小于12.5%时软骨下骨有很强的修复能力，有毛细血管及成骨细胞形成；而大于19.0%时有明显骨陷窝空陷存在，在软骨表面无软骨样化生，易发生软骨塌陷和坏死。刘朝晖等[23]研究发现，T1低信号带与软骨下骨不相交的，即包含型者，预后相对较好，可能是由于软骨下骨的存活和完整性较好。郭东辉[24]提出，软骨下骨厚度与股骨头坏死塌陷密切相关，当软骨下骨厚度小于3 mm时股骨头的塌陷风险高，考虑为股骨头发生坏死后软骨下骨的承载力下降所致。Ficat[25]通过对骨坏死病理组织学的研究发现，当软骨下骨被坏死灶波及时会出现破骨细胞吸收、软骨下骨变薄的现象；当坏死灶内有硬化带形成时，在靠近硬化带的位置出现坏死灶囊性变是塌陷的危险信号。刘朝晖等[23]根据坏死灶的CT表现分为四型：a)坏死灶在软骨下骨下形成连续的硬化带；b)在软骨下骨下形成硬化带，但为不连续的硬化带；c)软骨下骨下硬化带的形成不明显；d)坏死灶无明显硬化带形成，表现为均匀中密度影。研究结果为：A型塌陷率0%，B型塌陷率63%，C型塌陷率76%，D型塌陷率100%。认为在软骨下骨出现均匀增厚或明显“焊接”现象可延迟塌陷；而软骨下骨形成不连续硬化带，或无明显的硬化带形成，正常骨小梁结构消失，坏死灶呈现为均匀中低密度影时，是塌陷的危险因素。

3.2 骨髓水肿 Sakai等[26]报道股骨头坏死发展过程中伴随积液的变化，出现坏死边界的血管扩大和骨髓水肿，可能代表着股骨头塌陷后继发的一种炎症改变，即使未见股骨头明显塌陷，MRI上骨髓水肿的出现可能提示着股骨头在微观水平上已经开始塌陷。国内何伟等[27]发现股骨头坏死骨髓水肿以坏死ARCO Ⅱ、Ⅲ期最为明显，范围最为广泛，且ARCO Ⅰ～Ⅲ期的病情程度与骨髓水肿分级呈正相关，伴随着病变程度的加重，骨髓水肿发生的概率和水肿范围亦在增加，提示骨髓水肿范围的扩大预示着股骨头坏死病变的进一步发展。刘少军等[28]研究发现，股骨头塌陷患者骨髓水肿发生率明显高于未塌陷者。作者认为，股骨头坏死可能由股骨头塌陷所导致的骨髓变化，其发生机制可能与股骨头坏死后生物力学稳定和结构受到破坏有关，导致应力集中的病理生理反应，股骨头坏死骨髓水肿的出现在临床中预示着股骨头已经遭受应力损害并进入塌陷高危阶段或已经出现塌陷，与伴随的髋部疼痛症状可以成为重要的临床参考，必须采取措施改善髋关节的承重，防止塌陷或塌陷加剧。

4 小结与展望

目前，应用于股骨头坏死塌陷预测的影像学手段有核素显像、X线片、CT、MRI及结合计算机技术的有限元分析等。核素显像敏感性较高，可反映股骨头坏死后的代谢反应，但无特异性，假阳性率高，且只能作为定性分析的一种方法，不能精确的定量诊断，而目前研究表明股骨头坏死的预后与坏死的位置范围程度均有着密切联系，故而在临床应用方面存在着较大的局限性。X线片及CT主要反映的是骨内矿物质即钙质含量，X线片为股骨头的平面投影，可反映股骨头整体轮廓形态，但往往会因为存在着重叠遮挡而不能全面反映股骨头病变的信息；CT为断层扫面，对骨缺损及骨量的反映极为敏感，可以准确显示股骨头坏死骨破坏及修复累计形成的骨量情况，特别是对硬化带的反映方面，CT有着其独特的优势，硬化带是坏死修复的表现，硬化带的形态位置及形成的量往往反应修复能力，在负重区形成一定量的硬化带，可以增加股骨头的强度，承载力量，不易塌陷。但目前CT对本病塌陷预测的研究多是对坏死灶的形态位置进行分析，应用CT进行定量诊断的文章鲜见。MRI以其敏感性和准确性在股骨头坏死诊治中发挥重要作用，通过其信号变化可以在本病早期做出诊断，准确定位坏死灶的位置，定量坏死的范围；同时MRI凭借其良好的密度分辨率和空间分辨率，在显示病变的解剖形态变化、关节软骨变化的同时，还能提供坏死过程中有关的病理及生化方面的信息，帮助临床判断疾病的进展阶段及修复状态，但在反映骨缺损及修复所积累的骨量方面不如CT直观。有限元分析则是将影像学基础数据，应用计算机技术，结合高等数学、生物力学等，对坏死灶的部位、范围及自身修复能力进行综合分析，以对股骨头坏死的预后做出判断，准确度高，特异性好。但目前应用较为复杂，涉及技术较为专业，临床医生在使用方面存在着一定的困难。随着计算机水平的发展，有限元分析技术的逐步简化普及，将会在本病的诊治及预测中发挥重要作用。

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1008-5572(2014)05-0430-04

R681.8

：A

2013-08-30

于潼(1985- )，女，研究生在读，中国中医科学院广安门医院骨科，100053。

*本文通讯作者：谢利民