原文刊发于JOURNAL OF ORTHOPAEDIC RESEARCH，IF:3.043
摘要：小儿股骨头坏死亦称Legg-Calve-Perthes病，简称Perthes病，特征是股骨头骨骺塌陷发生在前侧象限的可能性比外侧负重区象限更大。本研究的目的是确定Perthes病股骨头前侧象限骨骺塌陷是否与血管分布或骨微结构存在相关性。17例32具尸体（4～14岁）股骨近端骨骺采用10微米分辨率的微计算机断层扫描。分析每个象限的四个骨小梁结构标记：骨体积分数（BV / TV）、骨小梁厚度、骨小梁间距和骨小梁数目。然后将血管通道映射到每个象限中，通过将股骨头表面形貌与横截面成像相关联进行识别。单因素方差分析显示，在骨体积分数、小梁数目和小梁间距方面，四个象限之间的总体存在差异（p<0.001）。但是，事后分析显示，对于小梁结构的四个标记中的任何一个，前侧象限和外侧象限之间均无显着差异。血管通道定位显示股骨头骨骺后半部血管较前半部占优势（8.7±4.0 vs 3.4±3.1，p<0.001）。前、外侧象限的骨微结构无明显差异，后半部骨骺内有以旋股内侧血管和圆韧带为主的血管通道，提示骨骺前部可能是一个相对血管缺乏区，血管损伤后易出现塌陷。临床意义：提高对股骨头前侧象限骨骺塌陷病理生理学的认识，有助于今后的血管重建治疗。
前言
Legg-Calve-Perthes病是一种以股骨近端骨骺特发性坏死为特征的儿童髋关节疾病。尽管最初被认为是由Legg、Calve和Perthes在1990年独立描述的肺结核相关的改变，但确切的病因仍然未知。然而，股骨头血管损伤被认为是坏死和股骨头塌陷发展的关键步骤。通过使用猪模型，Pringle等证明在猪仔模型中诱发股骨头缺血与硬度降低有关，反映较软的股骨头在应力作用下有较高的机械变形风险。在最早的Perthes病分类系统中，Catterall根据股骨头塌陷的位置和程度对髋关节进行分类。有趣的是，即使在Perthes病较轻的病例中，前侧象限骨骺塌陷最常见，而不是负重较多的外侧象限（图1）。图1：两例8岁股骨头坏死男童的正位和蛙位X线片（A和B），显示股骨头骨骺中心偏前的部位骨骺塌陷（白色箭头所示）
然而，据我们所知，尚无研究通过血管或微观结构等解剖学上的固有特征来分析发育中的髋关节是否容易发生前侧象限骨骺塌陷。尽管已经允许对仔猪Perthes病和股骨头血管损伤进行实验建模，但对发育中的人髋关节血管模式的研究有限，对其骨小梁微观结构的研究也不多。本研究旨在探讨Perthes病股骨头骨骺前侧象限塌陷是否与骨微结构或血管分布相关。
出于本研究的目的，我们利用了Hamann Todd数据库，这是20世纪初从大克利夫兰地区获得的大约3,000个完整人体骨骼的骨学资料库。纳入标准为4-16岁，样本要求有完整的股骨头且保存完好的骨骺，且软骨无表面磨损或其他疾病或畸形。我们选择的年龄参数是为了提供骨骼未成熟患者的资料，这些患者代表了股骨头骨骺的解剖结构，在骨盆疾病可能发生于骨骼成熟期前后。所有的软组织（包括生长板软骨）都被移除，使得股骨头骨骺与股骨颈干骺端分离。因为扫描仪无法容纳整个股骨，这使得骨骺可以在如下所述的微型计算机断层扫描仪中进行分析，并且排除了任何骨骺已经闭合的样本。在30名受试者60个骨骺的初始样本中，14个骨骺在因发生骨骺闭合而被排除，6个骨骺的表面磨损妨碍微观结构的准确评估，1名患者（2个骨骺）有明显的股骨弯曲与佝偻病或代谢性骨病相一致的证据，6个股骨头骨骺缺失宿骨。剩下的17名受试者中有32个骨骺可供分析。对每个股骨骨骺进行了10微米微计算机断层扫描（Bruker SkyScan 1172，Bruker，Billerica，MA）。然后根据圆韧带窝的位置将骨骺分成四个象限进行评估（前、后、内侧和外侧），分别在左右髋部提供4或8点钟位置的后内侧标志（图2）。图2 始终将圆韧带窝(虚线)定义为骨骺4点钟，并以此作为对股骨头骨骺进行象限划分的标记
微观结构分析
用CTVox程序（Bruker，Billerica，MA）分析显微断层数据，以评估骨骺的四种小梁结构标记，这些小梁结构标记以前曾用于关节盂、桡骨远端、股骨头的显微结构研究，然后在四个象限之间进行比较。
血管分析
通过参考骨膜的表面形貌和横截面成像来鉴定贯穿股骨骨膜的血管通道（图3）。
图3 参照横断面影像检查可疑血管通道的表面形貌(虚线圈，左)，以确定血管通道是否已侵入骨骺(虚线圈，右)。
软骨下骨的每个穿孔都在轴向成像中定位，以确认软骨下骨中的穿孔进入骨骺的血管通道，而不是细微的表面磨损。评估象限的血管通道总数以及每个象限贡献的总血管通道百分比。此外，在骨骺的内侧和外侧象限的两个一致性部位确定穿孔的血管通道：旋股内侧血管的外侧升支在股骨头骨骺的外侧象限（图4A，箭头）中被识别，而圆韧带的血管只有在直接穿过圆韧带窝内的骨骺时才被识别（图4B，箭头）。
图4 在外侧和内侧象限的后侧发现明显的血管通道，分别与旋股内侧血管(a，箭头)和圆韧带血管(b，箭头)一致。
病例资料
研究人群包括17位受试者的32个样本，代表了4~14岁之间的广泛年龄段。13/32个样本（占40.6％）是男性，样本人群分为年龄在4-8岁的16/32个样本和年龄在10-14岁的16/32样本。
小梁微结构
方差分析（ANOVA）结果显示，股骨骨骺四个象限在骨体积分数（BV/TV）、小梁数目（TbN）和小梁分离（TbSp）方面有显著性差异（p<0.001）。内侧象限的骨体积分数最低（14.6±2.7％），显著低于外侧象限（17.2±3.5％，p = 0.01）和后象限（18.4±3.5％，p <0.01）。内侧象限的骨小梁数最低，为1.1±1.7 1 / mm，显著低于前象限（1.2±1.7 1 / mm，p = 0.02）或后象限（1.3±2.2 1 / mm，p <0.01） 。内侧象限具有最大的小梁间距（675.5±95.7μm），显着小于后象限（563.3±91.6μm，p <0.01）。象限之间在小梁厚度方面无显着差异（p = 0.37）。使用事后分析比较我们感兴趣的两个象限（前侧象限和外侧象限）时，骨体积分数（16.3±2.8％vs 17.2±3.5％，p = 0.28）、小梁间距（623.2±81.0μm对619.4±123.7μm，p = 0.89））、小梁数目（1.2±0.2 1 / mm对1.2±0.2 1 / mm，p = 0.53）或小梁厚度（141±17.3μm对145.2±20.1μm， p = 0.37）均没有显著差异。表I列出了小梁微结构分析的完整结果。
* p值反映了基于方差分析的象限之间的总体差异
为了评估Perthes病的前侧象限各指标是否存在年龄差异，对16例4-8岁的标本进行了亚组分析。前侧象限和外侧象限的比较再次显示出BV / TV的显著差异（16.8±2.8％vs 18.5±3.8％,p = 0.17）,TbTh（140.1±14.5μmvs 144.8±16.0μm，p = 0.39），TbSp（600.4±92.2μmvs 571.9±128.7μm，p = 0.48）或TbN（1.2±0.2 1 / mm vs 1.3±0.3 1 / mm，p = 0.33）。
血管分析
100%的标本（32/32）显示，骨骺结节附近进入外侧象限后方的血管通道与旋股内侧血管的外侧升支相一致（图4A）。81.2%的标本（26/32）显示有血管通道穿过骺板内侧象限的圆韧带窝（图4B）。这些圆韧带穿透血管通道的发生率随着发育成熟而增加：4-6岁标本为5/9（55.6%）、8-10岁为13/15（86.7%）、11-14岁的8/8（100%）。对进入股骨头骨骺各象限的血管进行定量评价，前侧象限平均2.1±2.7条，后侧象限平均2.0±2.3条，外侧象限平均4.4±2.5条，内侧象限平均4.2±2.8条。当用每个象限的血管数除以每个样本的总血管数来推算每个象限的血管相对分布时，方差分析显示前象限（12.5±11.9%）的血管数明显少于外侧象限和内侧象限（分别为38.3±19.5%和25.0±21.5%；p<0.001），但前后象限无显著性差异（12.5±11.9%vs 12.4±14.4%，p=1.0）。绘制标准化骺板上每个血管通道的位置-血管频率图如图5所示。旋股内侧和圆韧带的血管通道分别位于外侧和内侧象限的后部，这表明后部存在股骨头骨骺的主要血供。配对样本t检验比较每个个体骨骺的前后半部分，证实骨骺后半部分的血管通道明显多于前半部分（8.7±4.0 vs 3.4±3.1，p<0.001）。
讨论
正如Catterall最初所描述的，Legg-Calve-Perthes病的股骨头塌陷最明显的特征是中心偏前塌陷，尽管外侧象限处于更负重的位置。通过实验模型对股骨头塌陷原因的研究表明，Perthes病中的血管损伤导致了股骨头骨骺的硬度降低，反映了在应力作用下，由于机械变形，较软的骨骺有塌陷的危险。然而，目前还没有研究表明，发育中的骨骺是否含有先天性血管分布或骨显微结构使骨骺前象限易于塌陷。我们的研究结果表明，股骨头骨骺前象限可能是一个相对的血管分布不足区域，因为它是两个动脉供应最远的象限，当Perthes病造成过血管损伤后容易导致其塌陷。通过微断层扫描的血管通道成像，我们证明旋股内侧和圆韧带血管通道都主要在外侧和内侧象限中线偏后进入骨骺，可能导致股骨头骨骺前象限存在一个相对的血管分布不足组区域（图5）。配对样本t检验进一步定量证实骨骺后象限中血管通道的数量是骨骺前象限的两倍以上（8.7±4.0 vs 3.4±3.1，p<0.001）。在评估小梁结构的四个标记(BV/TV、TbN、TbTh和TbSp)时，前、外侧象限之间没有任何显著差异，这也支持了血管分布而非骨微观结构易导致骨骺前象限塌陷的理论。有趣的是，与历史文献中少数未成熟的股骨头骨骺中发现圆韧带血管相反，我们的研究表明在大多数标本(26/32,81.2%)中，血管通道贯穿圆韧带血管(图4B)，其发生率随着年龄的增长而增加。本研究中发现的圆韧带血管通道的增加可能与我们的新显微断层技术有关，该技术避免了在历史研究中使用的未成熟尸体标本中小型血管塑化或血管造影的缺陷。我们的研究表明，旋股内侧动脉和圆韧带血管的位置与文献一致。Kim等利用灌注磁共振成像（MRI）对Perthes病血管损伤后的血运重建模式进行了研究，确定了一种马蹄形的血运重建模式，该模式从后、外侧和内侧开始，最后进入前中心区。这种模式提示圆韧带血管可能在其后内侧位置的血运重建中起作用。尽管尚未在Perthes病中彻底研究过圆韧带血管系统的作用，但Iwasaki对Perthes病各个阶段的患者进行了骨内静脉造影。他发现，在Perthes病初期的股骨头圆韧带静脉（与圆韧带动脉类似的静脉）流量增加，而旋股内侧动脉（MFCA）被阻塞；一旦通过MFCA的血流重新建立，股骨头静脉流量会再次减少。Atsumi等人在随后的研究中也得到了类似的结果，他们用超选择性血管造影术在患有此病的患者中证实了圆韧带的新生血管。这种增加的血流可能代表通过圆韧带血管系统的代偿性侧支循环，这与灌注磁共振成像所见的血管重建模式和我们研究中所见的血管通道模式相一致。这项研究的主要局限性在于使用的是有些年头的骨科标本。我们的任何一个骨骺上都没有软组织，因此不能用血管造影来显示进入骨骺的血管通道。然而利用横断面成像(图2)，我们可以识别出从骨骺表面穿透的血管通道，以及与旋股内侧血管和圆韧带血管相关的更明显的通道(图3)。如果无法在横截面成像中清楚地识别出血管通道（图2），则在我们的定量或定性评估中就不会计算出潜在的血管通道。因此，我们要求对每个通道进行横断面确认的保守标准可能导致低估了进入骨骺的血管通道的数量。然而，这种新颖的方法使我们避免了血管造影和未成熟标本血管插管的缺陷，可能使我们能够更好地观察圆韧带血管通道的穿透情况，其发生率高于历史文献。此外，尽管我们排除了具有代谢性骨病或骨畸形的标本，但由于使用了年数较多的标本，导致我们无法进行血清学研究以排除可能影响股骨骨骺微结构的代谢性骨病病例。最后，由于这些历史标本在评估过程中不能被损坏，因此只能完成骨小梁结构的非破坏性测量（即微计算机断层扫描），而无法直接测量抗压强度。总之，我们的研究表明发育中的股骨头骨骺的前侧象限可能是一个相对的血管分布不足区域，在Perthes病造成血管损伤后容易发生塌陷。这需要进行进一步的研究（例如在猪模型中）以验证这些发现。但是我们希望对诸如Perthes病这样的血管损伤后股骨头塌陷的病理生理学有更好的了解，有助于指导我们采用不断发展的血管重建技术（例如多次股骨骨骺钻孔）进行治疗，并最终改善临床疗效。
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