造模早期兔激素性股骨头坏死骨质结构动态变化影像学观察*

杨璐希 吴少平 黄雨 郑永基 王竹 李卓 刘中财 唐曦 喻钧伦 潘志华

(1.成都医学院第二附属医院·核工业四一六医院放射科，四川 成都610051； 2.成都医学院第一附属医院医学影像系, 四川 成都 610500；3.德阳市人民医院放射科, 四川 德阳 618000；4.南充市中心医院超声科，四川 南充 637000；5.汉源县中医医院骨科，四川 雅安 625300)

激素性股骨头坏死(Steroid-Induced Avascular Necrosis of the Femoral Head，SANFH)是激素所致股骨头血运障碍，骨与骨髓坏死、坏死后修复及骨质塌陷的过程，脂类代谢紊乱、血管内凝血、骨内压增高、二次碰撞、骨神经内分泌紊乱是其目前较受认可的致病学说[1-3]，但具体机制尚不明确。有研究认为，松质骨改变是坏死股骨头结构性能改变的主要原因[4]，而激素可导致骨丢失和骨强度减弱[5]。既往与之相关的实验观测多在造模2周之后，而此时多已发生坏死。鉴于SANFH早期骨质变化研究尚少，及其在SANFH发病机制研究中可能具有的价值，本研究旨在动态观察兔SANFH局部骨质结构2周之内的变化。

1 材料和方法

1.1 实验动物 普通级，新西兰，大白兔45只，雌雄均可，2月龄，体重(2.3±0.3)kg，由成都医学院第一附属医院科研实验中心动物实验室提供。实验通过成都医学院第一附属医院伦理委员会审核。

1.2 实验仪器与试剂 MR(MAGNETOM AVANTO)，SIEMENS，德国；CT(SOMATOM Defintion AS+)，SIEMENS，德国；小动物Micro-CT，广州中科凯盛医疗科技有限公司；影像诊断工作站，柯达公司，美国；LEICA RM 2016石蜡切片机，上海徕卡仪器有限公司；TK-218型恒温摊片烤片机，湖北泰维医疗科技有限责任公司；Leica DM4000 BLED正置显微镜，Leica公司，德国； 4～20 ℃冰箱，海尔公司，中国；脂多糖，Sigma公司，美国；醋酸泼尼松龙注射液，浙江仙琚制药股份有限公司；水合氯醛(分析纯)，成都市科龙化工试剂厂；苏木素染色液，北京诺博莱德科技有限公司；伊红染色液，北京诺博莱德科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 动物模型建立 45只兔先行适应性喂养，1周后随机数字表法分为对照组(n=15)与实验组(n=30)。实验组按造模5、7、9、11、13 d共5个观察组进行随机、平均分配，对照组同样随机分为5个小组(n=3)，与造模组(n=6)进行同期观察。造模方法为激素联合脂多糖造模[6]。

1.3.2 常规CT与MRI扫描 腹腔注射10%水合氯醛(4.0 mL/kg)，麻醉后取仰卧位，兔固定板固定后置于CT/MRI检查床，双侧兔髋关节同时扫描。CT薄层扫描后行三维重建。MRI扫描选择表面覆盖体部相控阵表面线圈，采用腕关节扫描参数进行平扫，得到轴位T2WI脂肪抑制、矢状位T1WI、质子密度加权图像。扫描后分析股骨头及小转子的形态、密度/信号变化。

1.3.3 Micro-CT检查 扫描电压70 Kpv，电流1 mA，功率50 w，托架转动0.72度采图一幅，扫描后行二维、三维重建。ROC选择骺上区、骺下区及小转子，观测骨矿物质密度(Bone Mineral Density，BMD)、骨小梁间隙(Trabecular Spacing，Tb.Sp)、骨小梁厚度(Trabecular Plate Thickness，Tb.Th)、骨小梁相对体积(Bone Volume To Total Volume，BV/TV)。

1.3.4 组织学观察 股骨头脱钙、脱水处理后石蜡包埋、脱蜡至水、苏木素染色、盐酸酒精分化、伊红染色、脱水、透明、封片后行组织学观察，计算空骨陷窝率。

2 结果

2.1 造模结果 实验过程中造模5、7、9 d每小组各死亡1只，11、13 d每小组各死亡2只，合计死亡7只，对照组全部存活。

2.2 常规CT、MRI观察 MRI扫描T1加权、T2加权及质子密度加权，见实验组与对照组髋关节对位良好，关节间隙未见异常，骨质形态、信号无确切变化，未见明显关节积液，见图1A～C。CT扫描见实验组与对照组髋关节均对位良好，关节间隙未见异常，骨皮质连续，骨质形态、密度未见确切异常，周围软组织未见异常，三维重建如常，见图1D。

2.3 Micro-CT观测 实验组与对照组Micro-CT测量部位，见图2。三维结构图显示，实验组股骨头骺下区与小转子造模5，7，9，11，13 d各小组未见明显改变，股骨头骺上区随造模时间延长，骨小梁变细、稀疏、部分断裂，骨小梁间距增宽，见图3。随造模时间延长，实验组股骨头骺下区、小转子的BMD、Tb.Sp、Tb.Th、BV/TV的改变无统计学意义(P>0.05)。股骨头骺上区BMD、Tb.Th、BV/TV逐渐减小，Tb.Sp呈逐渐增大，造模第9天及之后实验小组各参数值的差异有统计学意义(P<0.05)，见图4。

图1 MRI及CT三维重建

图2 股骨头骺上区、骺下区及小转子ROI选择示意图

图3 Micro-CT三维重建示意图

2.4 组织学观察 随造模时间延长，实验组骺上区脂肪细胞增大，骨小梁变稀疏，部分断裂，髓腔内可伴发出血，空骨陷窝增多，空骨陷窝率逐渐增高，于造模第7 d小组开始，与对照组有统计学差异(P<0.05)；骺下区及小转子骨小梁清晰整齐，未见空骨陷窝和髓腔内出血，见图5。对照组脂肪细胞未见增大，骨小梁未见变细、断裂，空骨陷窝少见。

3 讨论

非创伤性股骨头坏死中，激素性股骨头坏死的发病率最高。SANFH股骨头血液循环障碍可导致股骨头内不同程度的细胞死亡，坏死区域宏观机械强度逐步减低，最终导致股骨头塌陷、髋关节骨关节炎[7-8]。已有学者行CT定量评估和骨组织形态分析，发现骨转换和孔隙率的增加会减弱骨强度，增加股骨头塌陷的可能性[9]，但造模2周内变化情况研究报道鲜少。

本研究发现，2周内SANFH常规CT和MRI检查股骨头形态、骨质密度和信号均无异常，这与此前研究结果一致[6，10-11]，但其内部结构已有病理性改变，具体而言，一是出现骨小梁变少、变薄等与骨质疏松类似的变化，其原因可能系大剂量激素冲击引发微小骨质改变、骨细胞成骨能力降低，而坏死区短期内骨修复能力不足，从而引起骨质量减低；二是此改变主要出现在骺上区，推测与三个区域血供及压力分布差异有关；三是骺上区变化呈进行性加重趋势，即：组织学观测造模第5 d小组可见部分骨小梁空骨陷窝增多，脂肪细胞增大，部分骨小梁断裂，至第7 d小组出现显著性改变；而Micro-CT在造模前9 d小组中未见参数出现统计学差异，之后才见BMD、Tb.Th、BV/TV、Tb.Sp的显著性异常变化，提示CT定量分析诊断SANFH早期变化的时间窗稍晚于组织学检查，且其结构分析需综合考虑多个参数，以提高其诊断效能[12-15]。

图4 股骨头骺上区、骺下区及小转子MicroCT各参数值变化

图5 股骨头骺上区、骺下区及小转子HE染色

已有较多研究观察了股骨头坏死进程中骨质成分的变化，如：Pascart等[16]用拉曼光谱对股骨头坏死和正常股骨头进行骨质评估，发现骨小梁的矿物质和有机成分仅存在年龄相关性差异，而组织学检查在发现健康区域也有广泛的骨髓坏死和骨细胞凋亡，坏死区与健康区小梁骨的组成并无区别；而Aruwajoye等[17]也认为股骨头坏死骨质结构会出现改变，但坏死区域分子稳定性并不会改变。本研究使用Micro-CT进行定量检测，发现SANFH早期坏死骨的显著性结构变化主要为骨量的减少，而坏死和健康区域的生物力学特性仍相似[18]，这与前述观点一致，但可能具有临床应用价值。

本实验显示，造模9 d及之后小组股骨头骨质结构明显变薄弱，但仅见于骺上区，这可能与本实验造模兔月龄较小，骨骺线尚未完全闭合，骺上区和骺下区、小转子存在受力差异、骺板屏蔽作用或血供差异等多个内在因素有关。通常，幼兔股骨头骨骺由关节积液滋养，阻断血供后只会发生表面部分坏死，而家兔股骨头血管分布呈现出关节软骨下方、骺板两侧分布居多，而关节软骨和骺板没有分布的特点，而骺板上下方血供又相对独立，骺板上方由圆韧带动脉供血，下方由旋股内外侧动脉和骨内滋养动脉供血[19]。当然，局限于骺上区的SANFH改变肯定与使用大剂量激素的外在因素直接相关，至于其机理则仍有待于深入研究。

4 结论

早期兔激素性股骨头坏死局部骨质结构呈现逐步加重的疏松变化趋势，主要发生部位为骺上区，其于第9 d后Micro-CT变化有显著性差异，该变化虽晚于组织学观察，但可能具有影像学定量诊断研究价值。