史紀(jì)元,傅 薔,劉時璋,易 智,凌 鳴,武世勛*

(1陜西省人民醫(yī)院骨科,西安 710068;2西安市兒童醫(yī)院血液腫瘤科;*通訊作者,E-mail:wsx19821115@163.com)

大骨節(jié)病(Kashin Beck disease,KBD)是一種慢性地方病,并引起退行性骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA),該病主要分布在一個起自西伯利亞東南部,橫跨中國北部,止于西藏中部的廣闊區(qū)域內(nèi),存在著超過100萬的大骨節(jié)病患者[1]?；颊咴谀贻p的時候會出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛、不適和殘疾。盡管經(jīng)過幾十年的努力,大骨節(jié)病的發(fā)病率顯著下降,但在流行地區(qū)仍然可以發(fā)現(xiàn)這種疾病。大骨節(jié)病患者臨床癥狀可見骨關(guān)節(jié)增粗、強(qiáng)直甚至畸形,導(dǎo)致患者肌肉發(fā)生萎縮產(chǎn)生運動障礙,晚期患者會喪失勞動能力,對日常生活質(zhì)量和生命健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。以前關(guān)于大骨節(jié)病臨床癥狀、體征和診斷參數(shù)的研究主要涉及的關(guān)節(jié)是手足小關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)[3]。除了前述的受累部位之外,有70.68%的大骨節(jié)病患者存在膝關(guān)節(jié)癥狀,并且隨著年齡增長,膝關(guān)節(jié)功能障礙和畸形的發(fā)生率有增加的趨勢[4]。全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)(TKA)是公認(rèn)的治療晚期膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的有效手段,該術(shù)式可以糾正膝關(guān)節(jié)的畸形、緩解疼痛、改善關(guān)節(jié)活動度[5]。但是KBD是一種復(fù)雜的骨骼生長發(fā)育障礙性疾病,會引起包括關(guān)節(jié)畸形、骨量減少、骨質(zhì)疏松癥(OP)和其他由骨骺生長和骨化障礙引起的癥狀[6]。用于OA患者的TKA關(guān)節(jié)假體是否適于治療大骨節(jié)病患者出現(xiàn)的膝關(guān)節(jié)病變尚存爭議[7]。有研究發(fā)現(xiàn)大骨節(jié)病性膝關(guān)節(jié)炎患者,TKA術(shù)后存在關(guān)節(jié)假體無菌性松動甚至下沉的風(fēng)險[8]。雖然近年來越來越多的研究關(guān)注大骨節(jié)病患者的膝關(guān)節(jié)形態(tài),但多數(shù)著眼于大體形態(tài)測量[9]。本研究旨在探討大骨節(jié)病患者與骨性關(guān)節(jié)炎患者骨顯微結(jié)構(gòu)特征的差異,為設(shè)計適用于KBD患者的脛骨假體提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

我們選取了2017—2019年在我院行膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的39例大骨節(jié)病患者和38例骨性關(guān)節(jié)炎患者作為研究對象。納入標(biāo)準(zhǔn):孩診斷符合大骨節(jié)病(WS/T2007-2010)或骨性關(guān)節(jié)炎診斷標(biāo)準(zhǔn);虎膝關(guān)節(jié)具備疼痛、畸形以及關(guān)節(jié)功能障礙等全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(TKA)手術(shù)指征;虎影像學(xué)資料完整。排除標(biāo)準(zhǔn):孩有膝關(guān)節(jié)其他手術(shù)史或受傷史;虎合并有骨癌、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松等疾病。

1.2 樣本制備

收集膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中棄用脛骨平臺側(cè)截除的骨質(zhì),用我們自行開發(fā)的“可拆卸限深導(dǎo)向骨科手術(shù)取骨植骨器”(專利號:ZL201820118795.X),于脛骨平臺軟骨下約5 mm處采集直徑10 mm、高6 mm的圓柱狀松質(zhì)骨樣本(見圖1)。即刻將樣品浸入10%福爾馬林溶液中,并在4 ℃條件下保存。

1.3 Micro-CT掃描

松質(zhì)骨標(biāo)本固定于標(biāo)本管內(nèi),用微米級Micro-CT(美國GE eXplore Locus SP型顯微CT)掃描,掃描分辨率14 μm,旋轉(zhuǎn)角度360°,旋轉(zhuǎn)角度增量0.4°,電壓80 kV,電流80 μA,曝光時間2 960 ms,幀平均數(shù)為4,像素組合為1 px×1 px。感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)為邊長3 mm的立方體區(qū)域,ROI邊界距樣本表面1.5 mm以上,以避免取骨過程中截骨面破碎骨組織對檢測結(jié)果造成影響;三維重建ROI骨小梁。測量參數(shù):骨密度(bone mineral density,BMD)、骨體積分?jǐn)?shù)(bone volume fraction,BVF),骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th),骨小梁連接密度(connection density,CD),骨小梁結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(structure model index,SMI)。

A.TKA術(shù)中脛骨外側(cè)平臺高點下9 mm水平行脛骨近端截骨;B.從截除的脛骨近端骨質(zhì)內(nèi)采集6 mm×10 mm ?圓柱狀松質(zhì)骨標(biāo)本圖1 KBD組和OA組患者膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中脛骨近端截骨及采集松質(zhì)骨標(biāo)本示意圖Figure 1 Schematic diagram of proximal tibial osteotomy and cancellous bone collection during knee arthroplasty in KBD group and OA group

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 松質(zhì)骨樣本采集及Micro-CT成像分析結(jié)果

TKA手術(shù)糾正了膝關(guān)節(jié)的力線和關(guān)節(jié)間隙的平衡(見圖2),術(shù)中應(yīng)用“可拆卸限深導(dǎo)向骨科手術(shù)取骨植骨器”可以采集較為完整的圓柱狀松質(zhì)骨樣本(見圖3)。Micro-CT掃描整個松質(zhì)骨樣本并三維重建,可見僅在樣本表面存在少量斷裂的骨小梁,ROI內(nèi)的骨小梁結(jié)構(gòu)保持完整(見圖4)。

A.左膝術(shù)前非負(fù)重前后位片顯示關(guān)節(jié)增粗,股骨、脛骨關(guān)節(jié)面破壞,軟骨下骨塌陷,膝關(guān)節(jié)外翻畸形,關(guān)節(jié)腔存在巨大游離體;B.左膝術(shù)后非負(fù)重前后位片顯示關(guān)節(jié)力線糾正,游離體已去除,脛股內(nèi)外側(cè)關(guān)節(jié)間隙平衡,假體位置良好圖2 一例59歲男性KBD性膝關(guān)節(jié)炎患者接受TKA手術(shù)使用骨水泥型膝關(guān)節(jié)假體前后的X線表現(xiàn)Figure 2 X ray features of a 59 year old male patient with KBD osteoarthritis undergoing TKA with cemented knee prosthesis

2.2 兩組松質(zhì)骨的Tb.Th和CD測量結(jié)果差異

KBD組骨小梁厚度大于OA組[(0.12±0.02)mmvs(0.09±0.02)mm,P=0.000],KBD組骨小梁連接密度小于OA組[(1.90±1.23)/mm3vs(5.01±2.62)/mm3,P=0.000,見表1,圖5、圖6]。松質(zhì)骨樣本ROI骨小梁三維重建結(jié)果顯示,KBD組松質(zhì)骨骨小梁之間相互交聯(lián)較少(見圖6A);而OA組骨小梁雖然更細(xì)但是相互交織成網(wǎng)(見圖6B)。

在Micro-CT的標(biāo)本管內(nèi),將各松質(zhì)骨樣本按順序放置,用發(fā)泡聚乙烯材料隔開并妥善固定圖3 采集的圓柱狀松質(zhì)骨樣本Figure 3 The cylindrical cancellous bone specimens were placed in the specimen tube of Micro-CT in order, separated and fixed with foamed polyethylene material

在距樣本表面1.5 mm以上的松質(zhì)骨中確定ROI,圖中的黃色立方體為ROI圖4 Micro-CT掃描后三維重建松質(zhì)骨樣本Figure 4 Three dimensional reconstruction of cancellous bone samples after Micro-CT scanning

表1 兩組間骨小梁厚度和骨小梁鏈接密度的比較

2.3 兩組松質(zhì)骨的BMD,BVF和SMI比較結(jié)果

KBD組與OA組的BMD比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義[(104.78±42.45)mg/ccvs(113.13±30.60)mg/cc,P=0.404]。KBD組的BVF與OA組相比,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(0.13±0.06vs0.14±0.03,P=0.481)。KBD組的骨小梁SMI與OA組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(1.99±0.41vs1.82±0.33,P=0.105,見圖7)。

與OA組比較,**P<0.01圖5 KBD組和OA組骨小梁厚度和骨小梁連接密度的比較Figure 5 Comparison of trabecular thickness and connection density between KBD group and OA group

A.KBD組骨小梁粗但是骨小梁之間交聯(lián)少;B.OA組骨小梁細(xì)但是相互交織成網(wǎng)ROI為邊長3 mm的立方體區(qū)域,按1 ∶1大小采集圖片圖6 KBD組和OA組松質(zhì)骨樣本ROI骨小梁三維重建Figure 6 Three dimensional reconstruction of ROI trabecular bone in KBD group and OA group

圖7 KBD組和OA組骨密度、骨體積分?jǐn)?shù)和骨小梁結(jié)構(gòu)模型指數(shù)的比較Figure 7 Comparison of BMD, BVF and SMI between KBD group and OA group

3 討論

膝關(guān)節(jié)置換假體的穩(wěn)定性與骨質(zhì)的承載能力密切相關(guān),脛骨松質(zhì)骨的力學(xué)性能對于脛骨平臺假體的術(shù)后早期松動和遠(yuǎn)期下沉存在一定的影響。學(xué)界公認(rèn)的是松質(zhì)骨骨密度與松質(zhì)骨強(qiáng)度成正相關(guān),骨體積分?jǐn)?shù)(BVF)可以看做是描述骨密度的三維參數(shù),其同樣與松質(zhì)骨強(qiáng)度成正相關(guān)。但是仍有約30%的骨強(qiáng)度變化無法用BMD或BVF改變來解釋[10]。松質(zhì)骨的力學(xué)性能主要由骨組織的數(shù)量、骨小梁的形態(tài)和分布,以及骨小梁自身的材料屬性所決定。Hanson等[11]通過顯微CT研究骨組織質(zhì)量時發(fā)現(xiàn),BMD對松質(zhì)骨強(qiáng)度的預(yù)測作用只介于70%-80%之間,而BMD聯(lián)合骨顯微結(jié)構(gòu)可將這一預(yù)測作用提高到95%。

松質(zhì)骨的力學(xué)性能與骨小梁的形態(tài)存在關(guān)聯(lián)。結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(SMI)是通過計算骨小梁表面的曲率,將骨小梁的形態(tài)分別描述為偏向板狀(plate)或偏向桿狀(rod)。SMI為0時,則骨小梁為標(biāo)準(zhǔn)的板狀;SMI為3時,骨小梁則為標(biāo)準(zhǔn)的桿狀。Mittra等[12]通過研究綿羊松質(zhì)骨顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),在承受的應(yīng)力過載時,偏向板狀的骨小梁直接發(fā)生斷裂,而偏向桿狀的骨小梁則會發(fā)生扭轉(zhuǎn)及彎曲。Pialat等[13]比較了椎體壓縮骨折患者和對照組患者的松質(zhì)骨顯微結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn),骨折組患者骨小梁結(jié)構(gòu)偏向于桿狀,易于發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲并產(chǎn)生壓縮骨折,而不是直接斷裂并產(chǎn)生爆裂骨折。

骨小梁厚度(Tb.Th)與骨骼的力學(xué)強(qiáng)度成正相關(guān),即骨小梁越厚,骨骼的強(qiáng)度越大。Micro-CT通過測量多孔樣松質(zhì)骨孔壁的像素(即體素),經(jīng)由計算機(jī)校準(zhǔn)為松質(zhì)骨骨小梁的平均厚度。Mittra等[12]研究松質(zhì)骨顯微結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)度的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),骨小梁厚度與骨組織的極限抗壓強(qiáng)度更具有相關(guān)性。Silva等[14]研究了人類椎體松質(zhì)骨后發(fā)現(xiàn),骨小梁厚度減小會導(dǎo)致骨骼模量和極限強(qiáng)度降低。

材料力學(xué)的歐拉公式告訴我們,骨小梁穩(wěn)定的臨界壓力與不受力的骨小梁長度的平方呈反比。松質(zhì)骨骨小梁交聯(lián)程度越高,當(dāng)其受到壓應(yīng)力作用時,不受力的骨小梁長度越短,松質(zhì)骨所能承受的臨界壓力則越大。CD是描述松質(zhì)骨骨小梁之間連接的數(shù)量。Aaron等[15]對松質(zhì)骨骨密度相近的兩組椎體伴或不伴有壓縮骨折的患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),骨折組骨小梁CD明顯小于非骨折組,且骨小梁CD是獨立于BMD之外的導(dǎo)致骨骼強(qiáng)度減低的決定性因素。

在TKA術(shù)中,無論使用骨水泥型關(guān)節(jié)假體還是生物型關(guān)節(jié)假體,脛骨平臺假體的初始穩(wěn)定性與脛骨近端截骨面的力學(xué)強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)截骨面松質(zhì)骨強(qiáng)度足以支撐脛骨平臺假體,并能夠?qū)龟P(guān)節(jié)周圍軟組織靜張力,這樣才能為關(guān)節(jié)假體的遠(yuǎn)期生存提供初始條件。在一些脛骨近端骨質(zhì)異常的病例中,例如嚴(yán)重骨質(zhì)疏松患者或初次置換膝關(guān)節(jié)假體周圍骨質(zhì)吸收需行膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)的患者,應(yīng)慎重選擇脛骨平臺假體;目前臨床可選擇帶有袖套及髓內(nèi)桿的脛骨平臺假體,以分散、傳導(dǎo)作用于脛骨平臺假體的應(yīng)力。

骨質(zhì)的力學(xué)強(qiáng)度與其自身的顯微結(jié)構(gòu)存在明顯相關(guān)[16]。關(guān)節(jié)假體的設(shè)計應(yīng)參考骨顯微結(jié)構(gòu)的差異而導(dǎo)致的力學(xué)強(qiáng)度的不同,例如設(shè)計利于應(yīng)力分散及傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。目前臨床使用的關(guān)節(jié)假體用于各類關(guān)節(jié)功能喪失的病例,未出現(xiàn)針對于某種疾病或合并癥的專用關(guān)節(jié)假體,如KBD、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松等。

本研究中,KBD組和OA組松質(zhì)骨樣本的BMD、BVF、SMI無統(tǒng)計學(xué)差異,表明兩組松質(zhì)骨的顯微結(jié)構(gòu)特征具有一定的相似性;甚至由BMD、BVF、SMI決定的骨骼力學(xué)強(qiáng)度也具有一定的相似性。這提示我們,適用于OA患者的膝關(guān)節(jié)置換脛骨平臺假體在一定程度上可以用于KBD患者。本研究中還發(fā)現(xiàn),與OA對照相比,KBD組脛骨平臺下松質(zhì)骨的Tb.Th顯著增加,而KBD組松質(zhì)骨骨小梁之間相互交聯(lián)較少(見圖6A);而OA組骨小梁雖然更細(xì)但是相互交織成網(wǎng)(見圖6B)。目前已有的研究顯示松質(zhì)骨骨小梁CD與Tb.Th相比,其對松質(zhì)骨骨質(zhì)強(qiáng)度影響更顯著[12,14]。本研究結(jié)果可以解釋為因KBD患者相較于OA患者,其脛骨近端骨小梁較厚而骨小梁交聯(lián)較少,導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降更明顯;這也能解釋KBD患者膝關(guān)節(jié)增大及畸形更顯著。這提示我們,有必要針對KBD患者特殊的骨微結(jié)構(gòu)設(shè)計患者專用的特殊關(guān)節(jié)假體。

綜上所述,KBD患者松質(zhì)骨Tb.Th大于OA患者,而KBD患者松質(zhì)骨CD小于OA患者,這一發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步KBD患者骨小梁生物力學(xué)研究及設(shè)計KBD專用脛骨假體提供理論依據(jù)。