股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是一种难治性疾病，其特征是各种因素引起的血液供应不足导致骨髓和骨细胞死亡，通常会导致关节面塌陷和继发性髋关节骨性关节炎^[1]。改善股骨头内血运、重建骨质，保护股骨头的完整性和维持股骨头内力学稳定，是治疗ONFH的关键和基础^[2]。

随着外科技术的发展，保留股骨头的手术治疗方法越来越多，但术式的选择仍存在较大争议。1985年，FICAT等报告了髓芯减压术治疗的长期结果^[3]。目前早期病例多采用髓芯减压及其改良术式，但是对于已经出现不同程度塌陷的中期病例，尚无理想的治疗方法，常规的游离植骨术、截骨术、带血管蒂的骨瓣移植等方法并不能完全避免股骨头的继续塌陷^[4-8]。

近年来，经皮注射骨水泥已经被广泛用于治疗骨肿瘤、骨质疏松性椎体骨折和有症状的关节旁骨内囊肿，包括髋臼、胫骨近端、胫骨远端、距骨和跟骨^[9-11]。有研究^[12]报道了通过切开复位和骨水泥填充治疗的Ⅲ期ONFH患者19例，证实骨水泥填充是一种有价值的治疗选择，有助于防止患者股骨头塌陷并缓解症状。周建伟等^[13]通过球囊扩张骨水泥填充ONFH区域，增强了股骨头的支撑能力，有效抵抗了股骨头塌陷，并有可能避免股骨头进一步塌陷。然而，这种方法对坏死股骨头早期力学性能的作用并不清楚^[14]。本研究通过研究坏死股骨头内部空间结构及力学性能的改变，旨在明确髓芯减压植骨和骨水泥填充对改善坏死股骨头力学性能及预防股骨头塌陷的作用。

1 材料与方法 1.1 一般资料

收集2020年6月至2022年1月于我院行全髋关节置换术的股骨头标本，包括股骨颈骨折标本和ONFH标本。纳入标准：所有股骨头行显微CT扫描，坏死区位于中间区域^[15]。排除标准：合并糖尿病、肿瘤、肾性骨病、强直性脊柱炎和其他骨代谢紊乱。共32例标本纳入研究。本研究所有股骨头标本在患者知情同意下获得，并经医院伦理委员会批准。

将股骨头标本分为TFF组（来源于股骨颈骨折患者的股骨头标本）、ONFH组（坏死股骨头）、CPI组（坏死股骨头注射骨水泥）和CDBG组（坏死股骨头模拟行髓芯减压植骨），每组8例。所有标本用生理盐水浸泡纱布包裹保存，-20 ℃保存。标本在室温下解冻。

1.2 显微CT

取出股骨头标本，室温下放置。样品完全融化后，将样品固定在Micro-CT机（西门子医疗系统有限公司，Inveon）扫描板上进行扫描，扫描电压80 V、电流80 μA、暴光时间1 500 ms、分辨率52 μm。通过仪器自带软件对扫描标本进行三维重建及分析，感兴趣区域（region of interest，ROI）冠状面上从股骨坏死区周围的软骨下松质骨（横截面直径10 mm，高0.52 mm）中选取。观察股骨头的空间结构分布，并计算各ROI的骨小梁微观结构参数。为保证各组间的一致性，以坏死区中间层为起点，在冠状面向两侧各选择10层。

本研究包括5个骨形态学参数，分别为骨体积/总体积（bone volume/tissue volume，BV/TV）、骨小梁厚度（trabecular thickness，Tb.Th）、骨小梁数量（trabecular number，Tb.N）、骨小梁间距（trabecular spacing，Tb.Sp）和骨小梁模式因子（trabecular bone pattern factor，TBPf）。

1.3 植骨与骨水泥填充

CPI组采用X线透视和显微CT扫描坏死股骨头并定位坏死区位置，坏死区位于负重区的股骨头纳入本研究。先以2 mm克氏针在X射线透视下平行股骨颈纵轴方向穿刺至软骨下囊性变区，距离软骨面下方约3~5 mm。更换直径为5 mm的工作通道，建立通路。尽可能清除死骨，并用刮匙进一步刮除股骨头内坏死骨。根据坏死区的大小，缓慢注入骨水泥约1~3 mL，确保水泥无泄漏（图 1）。待水泥凝固不再放热后，撤出工作管道。

CDBG组先以2 mm克氏针在X射线透视下确定病灶。克氏针引导下用直径5 mm空心钻前进减压至股骨头软骨下3~5 mm，尽可能清除死骨，并用刮匙进一步刮除股骨头内坏死骨。

通过减压通道冲洗清除减压区已游离的坏死组织。最后，将松质骨从原坏死区域的空腔开始逆行填充并打压。再次透视检查确认整个空腔被填满。

1.4 力学加载实验

样品用湿纱布包裹，实验前24 h室温（25 ℃）下自然解冻。在股骨头远端使用牙托粉包埋，固定在负重区垂直向上的位置，模拟人体中股骨头正常负荷方向。采用直径为10 mm的凹球形柱状钢进行压缩试验。压缩速率为2 mm/min。实验设备中的计算机自动记录加载信号，生成位移-负载曲线及相关数据^[16]。根据位移-载荷曲线得到了极限应力和应变。该部分实验设备为力学加载机（美国MTS公司）。

1.5 统计学分析

采用SPSS 19.0软件进行统计分析，计量资料以x±s表示，组间比较采用One-Way Anova检验，P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 4组一般资料比较

4组性别、股骨头Ficat分期比较均无统计学差异（P > 0.05）。但TFF组年龄与其他3组相比，均有统计学差异（P < 0.05）。见表 1。

2.2 股骨头骨微观结构

TFF组股骨头内部各区域骨小梁连续性完好，排列规则有序。中间区主压力骨小梁粗大、排列紧密，内侧区和外侧区骨小梁则相对薄弱（图 2A）。坏死股骨头内部空间结构发生明显改变，内侧区及外侧区明显疏松化，坏死区骨小梁出现断裂，排列杂乱无序，坏死区周围出现硬化区，该处骨小梁排列无序、变粗（图 2B）。显微CT分析结果显示，与TFF组对应的区域相比（图 2C），ONFH组（图 2D）中间区BV/TV、Tb.N、Tb.Th显著增高，BS/BV、Tb.Sp、TBPf则显著降低（P < 0.05）。见表 2。

2.3 股骨头力学性能

股骨头力学性能分析结果显示，OFNH组股骨头刚度较TFF组显著降低，CDBG组和CPI组股骨头刚度较ONFH组显著增加，但2组之间无明显差异。OFNH组股骨头最大载荷较TFF组显著降低，CPI组股骨头最大载荷较OFNH组显著增加，CPI组高于CDBG组，但是2组比较无统计学差异，见表 3。

3 讨论

股骨头可分为中间区、外侧区和内侧区。中间区骨小梁因承担大部分作用于股骨头的负载，骨小梁粗大、排列紧密、力学性能强，内侧区和外侧区骨小梁则相对薄弱^[14]。本研究与以上结果一致，但坏死股骨头内部的空间结构发生明显改变。坏死股骨头内部骨小梁失去了规则有序的排列结构。Wolff定律强调骨结构和功能的统一，骨结构是其功能实现的基础，会随骨骼功能变化而发生调整。股骨头内部空间结构的变化将导致股骨头力学性能的下降。BROWN等^[16]认为ONFH发展过程中，股骨头内部应力重新分配，应力方向发生改变且出现应力集中。为了适应这种重新分配的压应力，坏死区底部骨小梁重塑，骨小梁增粗、呈各向异性排列。

目前仍然没有疗效确切的治疗方法来防止股骨头塌陷。当进展到Ficat Ⅳ期时，全髋关节置换术仍然是最常用的手术方式。然而，即使全髋关节置换术的假体设计和手术技术有所改进，仍不适用于年轻患者^[4，17-19]。因此，对于年轻患者治疗的最初目标应是防止软骨下骨塌陷，以保留股骨头。髓芯减压植骨保髋治疗广泛应用于临床，可有效延缓股骨头塌陷，降低关节置换率^[3]。但髓芯减压植骨后能否恢复股骨头的力学性能，目前尚不清楚。为了防止植骨区塌陷，临床传统做法是术后给予一段时间免负重。本研究也发现髓芯减压植骨后并不能恢复股骨头的力学性能。股骨头的刚度有所下降，术后早期负重可能显著增加股骨头塌陷的风险，可能需要通过其他填充材料改善股骨头的力学性能。

骨水泥填充广泛应用于骨囊肿的填充中，可获得良好的力学支撑^[10-11]。WOOD等^[12]的研究显示在OFNHⅢ期切开复位骨水泥填充简单易行，术后效果良好。1项研究^[20]以三维有限元方法分析骨水泥充填成人OFNH区域的力学变化，证实磷酸钙骨水泥是合适的填充材料。本研究结果显示，OFNH区骨水泥填充可显著增加负重区力学性能，降低股骨头塌陷的风险。骨水泥填充后，坏死区刚度和最大载荷能力增强。周建伟等^[13]采用球囊扩张结合骨水泥填充OFNH区域，增强了股骨头的支撑能力，能够有效抵抗股骨头塌陷，可能避免股骨头进一步塌陷。这与本研究结果基本一致。患者术后不需要很长时间的免负重。

本研究存在一定的局限性，坏死股骨头标本多为疾病终末期标本，原因在于临床难以获得OFNH早期的样本。今后相关研究如果将OFNH早期样本纳入可能有更好的临床意义。