股骨头坏死的力学因素研究

股骨头坏死的力学因素研究

李彦

成都体育学院610041

摘要：股骨头坏死的病因多种多样(约60多种)，比较复杂，难以全面系统地分类。本文通过文献复习及对股骨头生理状态下的生物力学特征与股骨头坏死发生发展中的力学特性进行分析，探讨股骨头坏死的发生发展过程中生物力学因素的作用。

关键词：股骨头坏死；病理演变；生物力学

1前言

股骨头坏死是骨坏死病变中患病人数最多、危害性最大的疾患，分为创伤性和非创伤性。非创伤性股骨头坏死好发于中青年，如不及时治疗常发展至软骨面，软骨塌陷一旦发生，只有行髋关节置换术才能恢复关节功能。目前认为各种保头外科治疗正是基于改善股骨头坏死区的生物力学环境，本文就股骨头坏死病程发展中生物力学因素的研究进展作一综述。

2研究内容与方法

2.1正常股骨头的生物力学特征

正常髋关节为一球形关节,由于头臼是一个同心圆,载荷通过髋臼均匀地传导到股骨头表面产生了压力、张力和剪力。裘世静[1]通过对8个正常人股骨头骨内部结构的光镜和电镜观察，发现大量的骨小梁为拱结构形状，其特点是杆轴为曲线;骨小梁中无论胶原纤维，还是矿物质结晶柱在不同平面都沿不同方向排列，这种拱结构在竖向载荷作用下，产生水平推力，这种水平推力又使拱体所受的弯矩减少，而主要承受轴向压力。股骨头骨小粱的拱结构及其胶原纤维和矿质结晶的排列特征都为股骨头能承受高载荷提供了有利条件。俞超等[2]对19具新鲜青年(30岁左右)尸体股骨头负重区的松质骨进行了压缩测试，对松质骨加载压力，测算松质骨弹性模量，极限应力，应变，屈服载荷及能量吸收值，观察到加载初期，载荷和位移呈线性关系且不断上升。随后，位移加快，载荷在小范围内波动。最后，载荷再上升，曲线包容的面积加大，如此反复，直至压扁。实验观测显示，松质骨在加载初期呈弹性变形，此后，骨小粱被压塌并充填于松质骨网状髓腔中，且横截面有所增大抗压能力继续增强，松质骨由此吸收了大量能量并增强了抗压能力。赵宝林等[3]对正常国人新鲜尸体股骨头松质骨的拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲、冲击力学性能进行实验研究，认为股骨头松质骨抗压强度大于抗拉强度，压缩弹性模量大于拉伸弹性模量，扭转强度大于剪切强度，抗弯强度与抗压强度接近。

2.2股骨头坏死与力学因素

在股骨头坏死的病理改变中，可分为可逆性改变，此时股骨头内可以恢复血运后通过骨髓组织修复而恢复骨的功能，一般认为是在股骨头坏死骨髓水肿期或股骨头坏死前期;另外不可逆性改变，多数学者认为骨髓病理改变在此期，骨组织坏死发生，难以直接恢复血供，需要通过组织爬行替代而修复，发生在骨组织坏死期。无论是在股骨头坏死前期，还是在股骨头坏死临床期，股骨头内骨质生物力学特性都将发生明显的改变。王金熙[4]等动物实验观察可见:(l)坏死早期:组织学表现为骨髓腔细胞和骨细胞已丧失活力，但骨小梁结构尚保持完整，骨力学性能和x线片密度均无明显改变。(2)塌陷前期:坏死区出现再血管化和新骨形成，修复反应从股骨颈向股骨头近侧延伸。x线片出现密度改变，但股骨头外形仍完好。软骨下骨和中部松质骨的力学性能均下降，松质骨的变化更为明显。(3)塌陷期:组织学证明股骨头近颈端己有大量新骨形成，但负重面软骨下区骨性修复不良，死骨和纤维肉芽组织并存.骨质吸收.骨小梁断裂。与塌陷前期比，此期软骨下骨的力学性能下降十分明显。而中部松质骨的变化不甚显著。KimYM[5]等从64个股骨头坏死标本切取1cm骨组织，其中包括缺血区及正常组织。他们发现在塌陷前期，缺血区及下方正常组织的屈服强度和弹性模量无变化;而在塌陷期，缺血区上方力学指标较其下方正常组织下降;在塌陷且有退变性骨关节炎的标本上，缺血区的屈服强度及弹性模量却高于其下方的正常组织。在后两组标本中，14例囊变位于软骨下，36例位于深部缺血区与周围炎性反应区的交界处。Jin一WnoYnag[6]等通过三维有限元模型分析不同大小坏死区的应力指数(应力/强度比值)，发现坏死区顶角不超过110°，应力指数不超过生理上限，但当坏死区顶角大于110°时，软骨下区及深部的坏死与正常组织交界区的应力指数值明显升高。

3.讨论

股骨头坏死的发病机制认识尚不清楚或完善，但对股骨头坏死疾病的临床特征和诊断上的认识基本一致。股骨头坏死己经成为临床常见多发病，具有高的致残性。在临床处理中虽然可以通过人工关节置换技术进行治疗，却存在许多不足或缺陷。我们通过大量的临床实践与观察发现，股骨头塌陷使髋关节生物力学的不稳定性增加，这种不稳定性的增加，严重地影响股骨头坏死的修复，导致髋关节半脱位以及股骨头软骨的破坏，最终导致严重的骨性关节炎，严重影响到髋关节功能的恢复。髋关节为一典型的球臼结构,股骨颈上端有一颈干角和前倾角,为了适应下肢的各种运动功能要求,对连接下肢唯一的头臼关系,股骨头的应力承载变化更有复杂性,因为它不仅承担“负重”,而且要承担负重和非负重下的屈伸收展旋多种功能需要。Wolff定律强调了骨结构与功能的统一性，所以其独特的力学要求更加明显。综上所述，股骨头应力因素是股骨头坏死发生发展不可或缺的重要因素。无论是股骨头坏死预测或是临床处理过程，清晰地认识股骨头应力因素，对提高我们的股骨头坏死诊疗水平具有现实意义。

参考文献

[1]裘世静.正常股骨头骨小梁的拱结构特征及其生物力学意义.中华外科杂志1991;29(8):487

[2]俞超，薛文东，张双燕，等。股骨头负重区松质骨的压缩力学特性。上海生物医学工程杂志，2004:25(l):22.

[3]赵宝林，程杰平，马洪顺，等.股骨头松质骨力学性质实验研究.医用生物力学2003;18(4):234.

[4]王金熙，董天华，陈贤志，等:实验性股骨头缺血性坏死修修复过程的生物力学研究.中华外科杂，1993:31(6):374.

[5]KimYH，KimJS.HistologieAnalysisofAcetbaularandProximalFemoarlBonein

PatientswithsteoneeorsisoftheFemoralHead.TheJounralofBoneandJointSugreyr，2004;86一(11):2471

[6].Jin-WnoYnag,TheroleoftheanteriorcolumnoftheacetbaulumonPelviestabiliyt:Abiomeehanicalstudy.Injuyr，1998:29(4):293.