股骨头骨坏死塌陷预测研究进展

刘光波，卢 强，全 琦，卢世璧

解放军总医院 骨科，北京 100853

股骨头骨坏死(osteonecrosis of femoral head，ONFH)系股骨头血供中断或受损，引起骨细胞及骨髓成分死亡及随后的修复反应，继而导致股骨头结构改变，股骨头塌陷，引起患者关节疼痛，关节功能障碍的疾病，是骨科领域常见的难治性疾病[1-2]。ONFH的病因主要包括髋部外伤、皮质类固醇的应用、酗酒、减压病及镰状细胞贫血等[2-4]。流行病学调查显示，中国15岁以上股骨头坏死病例约有812万[5]。如未得到有效治疗，约80%患者将在1 ～ 4年内发展为股骨头塌陷，从而导致关节功能受限[6-9]。股骨头骨坏死患者的预后主要取决于关节面是否塌陷[10]。一旦出现塌陷，保髋效果差，往往只能进行关节置换。患者年龄多在35 ～55岁，关节置换后面临后期多次翻修问题，将给社会和家庭带来沉重的负担。因此临床医生早期评估患者股骨头的塌陷风险，继而对塌陷风险高的患者积极采取有效的保髋治疗，制订个体化治疗方案对预后尤为重要。目前预测塌陷的方法主要基于坏死区的位置、坏死区范围及形态测量、坏死区的影像学信号特点及有限元分析等，本文就上述方法进行综述，旨在为临床决策提供参考。

1 基于坏死区位置特点的预测方法

1991年，Ohzono等[11]根据髋关节前后位X线片上坏死区位置和结构特点，将股骨头坏死分为3种类型。Ⅰ型有硬化带的形成，并且根据硬化带和负重区的位置关系，进一步划分为ⅠA、ⅠB、ⅠC三种类型：ⅠA型硬化带的外侧缘不超过负重区的1/3，ⅠB型介于1/3 ～ 2/3，ⅠC型位于负重区外1/3及其外侧。Ⅱ型没有硬化带形成，表现为负重区关节面扁平。Ⅲ型特点为坏死区含有囊性变，当囊性变的位置远离负重区关节面的前侧和内侧时为ⅢA型，当位于负重区关节面下方外1/3时为ⅢB型。Ohzono等[11]通过对87例(115髋)患者进行平均5年随访发现，ⅠC型(94%)、Ⅱ型(100%)、ⅢB型(100%)的塌陷率明显高于其他类型。作者认为这是由于坏死范围较大且累及负重区，导致坏死区所受应力较大所致。该方法反映坏死类型较全面，预测准确性高，且不需要测量，临床应用比较方便。

与X线检查相比，磁共振成像对股骨头骨坏死的早期诊断更敏感[12]，可以在X线征象出现前即可进行早期塌陷预测。Sugano等[13]在Ohzono分类的基础上，基于股骨头T1加权像正中冠状位上坏死区和负重区的相对位置关系，将股骨头坏死分为3型：A型坏死区范围不超过负重区的内1/3，B型不超过2/3，C型超过2/3。作者对9例因患有系统性红斑狼疮服用激素的股骨头骨坏死患者进行平均5年(3 ～7年)的随访，结果显示C型(共8髋)中有6髋在2 ～ 5年后全部塌陷，A型(共6髋)及B型(共2髋)均未塌陷。Yoshikawa等[14]在后期的研究中发现，C型中坏死区外侧边缘未超过髋臼外缘与外侧边缘超过了髋臼外缘的塌陷率存在显著差异，因此Sugano等[15]在2001年股骨头坏死的分类标准中将C型进一步分为C1和C2，C2型坏死区外侧边缘超过了髋臼外缘(图1)，而C1没有超过。

股骨头坏死区的位置特点除了可以预测塌陷风险，坏死区外侧缘和股骨头陷凹的相对位置关系还可以预测塌陷发生的部位。Motomura等[16]通过分析30例髋关节置换后获得的股骨头切片发现骨折易累及塌陷区的外侧缘，且当坏死区的内侧缘位于股骨头陷凹外侧时，观测的19例股骨头坏死患者中有18例发生了软骨下区的塌陷；当坏死区的内侧缘位于陷凹的内侧时，所观测的11例股骨头坏死患者中仅4例出现了软骨下区塌陷，其余位于坏死区和修复区交界处或坏死区内部，作者认为这可能是由于不同坏死范围下应力分布的差异所致[17]，并提出坏死区修复反应和坏死区外侧缘的机械应力可能是导致塌陷的原因。

除利用坏死区整体位置特点预测塌陷外，Kubo等[18]认为坏死区的前侧缘位置也可作为一项独立因素预测塌陷。作者在股骨头磁共振图像的T1加权像正中斜位片上，将股骨颈中轴线和股骨头中心与坏死区前缘的连线夹角定义为AN角C°(anterior necrotic angle)(图2)。 通 过 对98例(113髋)患者的随访结果进行多变量分析发现，塌陷组(61髋)和非塌陷组(52髋)在坏死区外侧缘位置上有显著差异，且AN角作为一项独立因素可预测塌陷；塌陷组最大坏死深度、Kerboul坏死角度及AN角明显大于非塌陷组，且多变量显示AN角在Sugano分型[6]的B型和C型中是唯一有统计学差异的因素；B型ROC曲线上Cut off值为79°时的预测塌陷的敏感性为83%，特异性为100%；C型ROC曲线上Cut off值为67°时预测塌陷的敏感性为91%，特异性为85%。

图 1 Sugano根据冠状位坏死区范围将股骨头坏死分为4种类型

图 2 在MRI T1加权像的股骨头正中斜位片上，将股骨颈中轴线和股骨头中心与坏死区前缘连线的夹角定义为AN角C°

以上基于坏死区形态和位置的预测方法，形象直观，可方便迅速地初步评估塌陷的风险，积极选择合适的治疗方案。但这些方法不能对坏死灶范围进行定量分析，也不能反映坏死区的三维空间位置，限制了其临床应用。

2 基于坏死区范围的预测方法

除坏死区的位置特点外，坏死区的范围大小亦是影响坏死股骨头塌陷的重要因素。现有文献主要从坏死区的角度、面积和体积三个方面体现坏死区的范围大小，根据测量数据评估塌陷的风险。

2.1 坏死区角度测量 Kerboul等[19]在髋关节正侧位片上测量坏死区的股骨头受累面对应角度的大小，即坏死区内外缘或前后缘与股骨头中心连线的夹角，再将两者相加，根据总角度的大小，将坏死区分为3种类型：总角度＜160°为小面积坏死，＞200°为大面积坏死，介于两者之间为中间面积坏死。在对接受截骨术的股骨头骨坏死患者(92髋)进行随访后，发现坏死角度之和大于200°时预后较差。

与单纯利用股骨头前后位上坏死区的位置特点预测坏死范围相比，Kerboul坏死角度测量法，从X线正侧位片两个角度评测坏死范围，在反映坏死区三维结构上有所进步。但股骨头坏死在初期X线片上并未有征象，其仅在核磁图像上出现典型特征。基于此，Koo等[20]利用股骨头在磁共振T1加权像正中冠状位和矢状位中测量的坏死区角度反映坏死区范围(图3)。该方法设定股骨头中心为坏死角的顶点，坏死区内外侧缘与顶点的连线为角的两边，将冠状位的坏死角度定义为A，矢状位的坏死角度定义为B，并定义坏死指数%=(A/180)×(B/180)×100。坏死指数＜33%时为A级，34% ～ 66%为B级，＞67%时为C级。通过对33例(37髋)的股骨头骨坏死患者进行随访和分析，发现当坏死指数＜30时，均未生塌陷；坏死指数＞40时，全部塌陷；30 ～ 40时，半数发生塌陷。

图3 A正中冠状位上坏死区域角度B正中矢状位上坏死区域的角度

可以看出坏死指数和塌陷风险具有很强的相关性，但此法数值计算比较复杂，不利于在临床中推广。基于这种考虑，Ha等[21]将Kerboul法进行改良：在MRI影像的测量中，将T1加权像正中冠状位和矢状位坏死区的坏死角度直接相加，根据此“联合坏死角”的大小将坏死范围分为4级：1级＜200°；2级200° ～ 249°，3级250° ～ 299°，4级＜300°。通过对37例患者进行分级和至少5年的随访，观察到3级和4级全部塌陷，2级9例中6例塌陷，1级中没有塌陷。研究结果显示改良Kerboul法和Koo坏死指数法同样在预测塌陷方面同样有效，并且前者更易于临床应用。

股骨头骨坏死大多累及于股骨头的负重区，并且负重区也是塌陷的好发区域[8,22]，为研究负重区坏死范围大小在预测塌陷中的价值，Lafforgue等[23]将负重区坏死区域占负重区的百分定义为WB值(weight-bearing)。其采用核磁T1加权像股骨头中部冠状位2 cm连续扫描，计算获得的4个层面的WB值=β/γ(β为坏死区位于负重区的骨皮质对应髋臼顶的角度，γ为整个股骨头全部负重区骨皮质对应的角度，坏死区未到达骨皮质的区域不计算在内)，然后取平均值进行预测。作者通过对27例1期或2期患者(37髋)进行至少2年的随访显示，以WB=45%为预测值，45%以上者全部塌陷，45%以下者均未塌陷，提示此方法在塌陷预测中价值很大。

基于坏死区角度预测塌陷比较敏感，而且在临床工作中便于操作。然而股骨头坏死区形态各异，有时这些方法并不能涵盖全部股骨头坏死类型。其次坏死区的角度大小只能体现坏死范围的部分信息，相同坏死角度的坏死区其面积、体积并不一定相同，在反映坏死区范围方面有一定的局限性。

2.2 坏死区面积和体积测量 1994年，Sugano等[24]利用Ohzono分型对149例Ⅰ型坏死的股骨头进行回顾性研究发现，ⅠA型均无塌陷，ⅠB型和ⅠC型的塌陷率为44%和88%，这反映了该预测方法在精准度上存在不足。Sugano等同时计算得出在正侧位片上坏死面积百分比=SN/(SN+SI)×100%(SN坏区死面积，SI正常区面积)，结果发现ⅠA型正侧位片坏死区百分比均低于30%，ⅠB和ⅠC侧位片以43%为临界值，大于临界值者全部塌陷，小于临界值者均未塌陷。与Ohzono分型相比，Sugano结合正侧位片分析坏死范围，更能反映坏死区的三维空间，结合Ohzono分型可提高Ohzono预测法的准确性。

为了更好地用三维数据定量反映坏死区的范围和位置对塌陷的影响，2002年Nishii等[25]对MRI诊断的早期未塌陷的47例患者(65髋)进行为期2年的随访，并利用计算机测量坏死区的体积和坏死区的位置，结果显示33个股骨头发生了塌陷，32个未塌陷。多因素分析显示骨坏死体积与塌陷显著相关。当坏死体积占整个股骨头的比值小于30%时，35个股骨头中，仅有9例股骨头发生塌陷。据此作者提出坏死的体积与塌陷风险有很高的相关性，当体积较小时，坏死区在前上方时容易塌陷。一般认为坏死区的面积和体积越大，塌陷的风险越高，且利用正侧位坏死面积和坏死体积更能反映坏死区的空间结构，但操作过程要借助特定的软件，限制了其临床应用。

3 基于坏死区形态特点的预测方法

除坏死区的位置和范围对股骨头塌陷影响较大外，一些学者还发现硬化带对股骨头坏死的病程进展也有重要作用[26-27]。Yu等[28]通过有限元分析发现硬化带的出现能为股骨头提供有效的力学支撑，为坏死组织提供力学保护，从而避免塌陷。他们通过对101例(170髋)股骨头坏死患者进行平均3.8年的随访，评估了正中冠状位及其前后共3个层面的硬化带比例，结果显示硬化带比例可以作为预测股骨头塌陷的一种指标，并建议在临床实践中选用30%作为临界值，此时敏感性和特异性分别为87.5%和94.01%[29]。但此方法仅适用于有明显硬化带形成的患者。

2017年Wu等[30]根据股骨头在MRI和X线片上坏死区和正常区界面的形态特点，将股骨头坏死分为4种类型：Ⅰ型为交界线横贯整个股骨头，Ⅱ型交界区“V”字形，Ⅲ型呈“Z”字形，Ⅳ型交界线形态如一个封闭的圆。作者对ARCOⅡ期的168例患者共202髋进行2年的随访，其中Ⅰ型75例、Ⅱ型88例、Ⅲ型22例、Ⅳ型17例，发现塌陷率分别为81.3%、58.0%、36.4%、0，且Ⅰ型塌陷平均时间最短。作者认为塌陷率的不同是由于不同坏死界线导致的应力分布不同引起的，Ⅰ型易于塌陷是由于斜坡状的界面在硬化带的作用下产生应力遮挡，集中于此处的应力引起骨小梁微骨折，最终引起塌陷。虽然股骨头形态较多，该方法不能覆盖所有类型，但应用简单，可以快速识别塌陷风险高的患者，从而及时采用预防塌陷的措施。

4 基于坏死区信号特点的预测方法

MRI在诊断早期的股骨头坏死方面有重要意义，早期股骨头坏死的典型征象为T1加权像上出现低信号带和T2加权像出现典型的“双线征”[31]。髋关节的磁共振信号强度的变化反映了股骨头一系列的病理变化，如T1加权序列中的高信号提示骨髓水肿[32]，而塌陷、病理性骨折或其他结构的破坏在核磁上也会产生相应的信号变化[33]。1992年，Kokubo等[34]将核磁信号分成5种类型：typeA代表股骨头内广泛低信号，typeB表示低信号在股骨头外上方，typeC表示股骨头内有横贯的低信号带，typeD表示股骨头分散着不均匀的低信号斑点，typeE表示股骨头远端出现低信号；其研究结果显示，当核磁信号表现为低信号带横贯整个股骨头时，塌陷风险明显升高，该结论与Wu等[30]的研究结果相同。与Kokubo方法类似，Shimizu等[35]根据股骨头冠状位T1加权像的信号特点，将其分为α、β、γ三种类型：α表示股骨头内出现高信号，β表示股骨头内出现混合信号，γ表示股骨头内出现低信号；随访结果显示3种类型的塌陷率分别为21%、85%、62%，提示混合信号型有明显的塌陷倾向。

除上述两种方法外，基于核磁图像，Takatori等[36]根据脂肪信号强度和位置将坏死类型分为4型。A型脂肪信号区局限于前上方，且带状高信号在正中矢状位上未到达股骨头最高点；C型的脂肪信号区占据着股骨头近端一半的区域，高信号带水平横贯正中矢状位；B型脂肪信号介于A与B之间，带状高信号的后缘介于股骨头正中矢状位最高点和股骨头后缘之间；D型的脂肪信号大于C型。作者认为脂肪信号的位置和程度反映了坏死的范围，当高信号区横贯中部时塌陷风险最高，这与同样与Wu等[30]基于坏死区和正常区界面的形态特点的预测方法的结果一致。

除了利用核磁信号特点预测塌陷外，随着核医学在骨科的应用日益普遍[37-38]，在股骨头坏死领域，Dasa等[39]报道了在髋臼侧18F正电子发射断层显像的差异，表明在股骨头坏死时早期髋臼侧的代谢改变，Schiepers等[40]在1998年利用18F标记的正电子发射断层摄影术在体评估股骨头内的血流灌注，初步验证了其在评价股骨头坏死预后的价值。2015年，Kubota等[41]发现SUVmax(最大的标准化吸值)随着股骨头坏死的严重程度增加；此外，他们还研究了SUVmax在早期阶段预测股骨头坏死塌陷的意义。作者通过ROC曲线分析显示，塌陷组SUVmax较非塌陷组明显升高，当大于6.45时股骨头易于于塌陷，预测塌陷的敏感性为80%、特异性为92%。虽然此方法的敏感性和特异性均较高，但核医学并不是股骨头坏死的常规检测手段，且检测费用较高，并不适于临床应用。

5 基于有限元技术的预测方法

既往研究表明坏死区的范围和压力分布对股骨头塌陷的发生有着重要的影响[17,22,42]，坏死区的结构强度降低和应力集中将不可避免地引起股骨头的结构破坏和塌陷[43-45]。Karasuyama等[10]通过有限元方法分析了股骨头坏死区外侧缘在股骨头塌陷中的作用，他们将从髋关节置换术后获得股骨头样本沿冠状位切成3 mm薄片，根据切片外侧缘坏死区和正常区交界面的特点，将获取的20 mm×15 mm×3 mm的标本分为3型：1型为尚未塌陷且没有硬化的边缘区，2型为尚未塌陷并含有硬化带的边缘区，3型为已塌陷且有硬化带的边缘区；通过CT数据对样本在负重时应力、应变和骨折区的有限元分析显示1型和正常区的应力、应变和骨折分布相似，2型和3型主要集中于硬化区，且组织病理学发现仅塌陷区的破骨细胞数量的明显增加。作者认为坏死区边缘出现硬化带会增加塌陷风险，可能是股骨头塌陷的起始点。

Brown等[46]在利用有限元技术研究钻孔减压和植骨的压力分布时发现，植骨等机械性力学加强的关键因素在于置入物要接触软骨下骨板，提示骨松质结构强度降低可能是塌陷的机制。Volokh等[47]也发现骨松质对支撑骨皮质并防止其屈曲有重要作用，股骨头坏死以后，骨松质强度下降，支撑作用减弱，区域骨皮质屈曲增加，降低了骨皮质的负重阈值，作者认为股骨头皮质的屈曲压力值分析可以作为预测股骨头塌陷的重要指标。有限元分析可以观测股骨头坏死后的力学分布，因此在预测塌陷方面有独特的优势；但过程复杂，不易于临床普及。

6 结语

随着股骨头骨坏死病程的进展，患者若未接受及时治疗，塌陷的风险将逐渐增高。目前认为塌陷是生物学和力学等多种因素共同作用的结果，具体机制尚不明确，所以准确评估股骨头塌陷的风险十分困难。如果能准确地评估塌陷风险，医生便能及时采取干预措施，延缓或避免塌陷的发生，保留关节功能。

目前对股骨头骨坏死塌陷的预测方法，主要是根据坏死区位置、范围、形态特点以及力学特征。然而，各种方法在准确性或临床实用性上均存在不同程度的缺陷，且不同研究者测量结果存在一定差异，可能与测量偏倚、纳入患者数量、治疗方法的不同有关；今后需要大样本、多中心研究发现一种更加准确并便于临床应用的预测方法，指导早期患者的治疗。