骨性关节炎与骨质疏松症骨小梁特性及其评价方法研究进展

过对骨质疏松症患者椎体骨小梁研究发 映了骨性关节炎患者软骨下骨小梁骨转 性。因此体积方法更可靠。三维影像技术
现，随着骨量减少骨小梁数目也减少；水 化率较高，而骨矿化率较低。
主要有自动连续切片成像 9 =;+’14 =;2,’-( >
平方向骨小梁首先被吸收，而后垂直方
胶原代谢在骨性关节炎病理发生中 技术、Q 线断层影像技术及核磁共振技
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·综述·
骨性关节炎与骨质疏松症骨小梁特性 及其评价方法研究进展
胡建华 黄公怡
骨质疏松症和骨性关节炎是最常见 变 ? ，而不是骨小梁组成的变化 ; 质量不 年龄组各向异性都是按主要方向排列的
显变化，但老年人胶原密度下降。生理性 模量和极限应力 ; D4,’E1,= <,+=<< ? 。各向异 折危险性增加这一现象。研究表明骨质
力学特性下降在于骨量的丢失 ; 数量改 性和骨体积分数能决定 Z"X 以上 K7L。结 疏松症患者骨小梁骨体积分数轻度下降
构 各 向 异 性 是 骨 小 梁 结 构 最 显 著 的 特 时，其显微结构已发生明显改变 K#! L 。与
密切相关。N’(> 等 K$ L 认为正常人骨小梁 小梁最重要的三维结构参数 KW L。结构与
低骨量是骨质疏松症重要的特征，
矿物质含量随年龄变化保持比较稳定的 力学特性密切相关。%’1+=44’ 等 K: L 报告单 但是骨量丢失本身并不能完全解释骨质
水平。骨小梁胶原含量随年龄增长无明 一骨 密 度指 标 能 决 定 8"X Y 7"X 杨氏 疏松症患者骨小梁强度下降、脆性及骨
; 三 ? 力学9 近 !" 年，人们对人体骨
方法进行综述。
JE4’(> 等 K8 L 在年龄、性别相匹配的人群 小梁力学特性的研究主要集中在椎体骨
一、正常人骨小梁特性及其评价
中比较椎体、髂嵴、股骨和跟骨骨小梁显 小梁。0-<=[’4A=K#" L 发现椎体骨量丢失每
; 一 ? 物理性质及组成9 骨密度 ; @-(= 微结构，发现年龄引起的椎体骨量丢失 #" 年达 75 PX 。研究表明杨氏模量、骨折
速度是水平方向骨小梁的两倍。患者处 增加，但处于低矿化?!8 @。
骨小梁三维结构，当样本骨密度值介于
于不同病期可能是两者形成明显差异的
骨性关节炎病理发生、发展是一个 骨质疏松和正常值之间的临界值时，三
重要原因。B<F’,1 等 ?#G @ 研究股骨颈骨质 缓慢的过程，当能观察到关节软骨退变 维结构参数能很好地反映骨小梁力学特
A=(<’,B ? 被广泛用于评价骨小梁的硬度 主要是水平方向骨小梁丢失，增龄引起 能量 ; F1’4D+= =(=+>B ? 及极限应力与年龄
和力学强度。例如9 骨表观密度 ; 1..1+=(, 的骨量和骨结构变化在上述四处解剖位 呈负相关。此外，02%14A=( 等 K## L 报告股
A=(<’,B ? 和 骨 体 积 分 数 ; C-4DE= F+12G 置几乎相同。骨小梁有三个主要的显微 骨骨小梁骨量及抗压强度 ; 2-E.+=<<’C=
度。
或二维方法不能准确地反映骨小梁三维 N’(> 等 K $ L 研 究 结 果 显 示 杨 氏 模 量 在
皮质骨的主要成分包括矿物质和胶 显微结构。体视学及组织断层技术的发 8" Y P" 岁时达最高峰值，W" 岁后明显下
原。矿物质的质和量决定它的杨氏模量 展使之成为可能。外周骨定量电子计算 降；极限应力在 $" Y PZ 岁之间保持稳
和强度；胶原决定骨的弹性。胶原的排列 机断层摄影 ; .=+’.&=+14 QD1(,’,1,’C= 2-EG 定 ，W" 岁 后 下 降 ； 极 限 应 变 ; D4,’E1,=
方向是决定皮质骨力学特性的一个重要 .D,=A ,-E->+1.&B，RS%T ? 、显微电子计算 <,+1’( ? 在青年组值最大，不同年龄组之间
因素。J=+<<=(< 等 K# L对腰椎、髂嵴、股骨颈 机断层摄影 ; E’2+-G2-E.D,=A ,-E->+1.&B， 差异无显著性意义；骨折能量与极限应
和跟骨的骨小梁的组成进行比较，发现 E’2+-G%T ? 及核磁共振 ; E1>(=,’2 +=<-(1(2= 力的研究结果相似。因为骨的结构是非
各向异性和三维连接性。只有三维图像
度和骨小梁数目均下降，而骨小梁间距
骨性关节炎患者虽然软骨下骨小梁 才能描述三维连接性。三维图像研究各
9 ,+1:;2<41+ =;.1+1,’-( > 和骨髓间隙星状体 数目增加，骨表观密度增高，但间距下 向 异 性 的 方 法 有 界 面 方 法
积却增加 ?#$ @。结构的变化可能与骨小梁 降。相对于骨表观密度增加速度而言，骨 9 ’(,;+N12;O:1=;D K;,&-D > 和 体 积 方 法
构，软骨下骨小梁也包含其中，它们在关 叶，从 M-4NN 定律开始逐步建立起的力学 了希望。虽然力学测试技术有了长足的
节软骨退变的发生、发展过程中起着重 特性决定了骨小梁结构，而它又反映了 进步，但仍需强调活体在体力学试验是
要的作用。髋关节骨性关节炎随着骨密 骨小梁力学特性的理论。密度在评价结 不可能的，没有一种体外力学测试技术
骨密度下降而下降的程度超过与其垂直 骨下骨小梁 > 特性的变化是否改变了关 从传统力学试验获得，例如L 压缩试验
的骨小梁。
节软骨的力学环境而使软骨趋于退变， 9 2-K.+;==’-( ,;=,’(F > 及拉伸试验 9 ,;(=’4;
骨质疏松症患者骨量丢失增加，但 还不十分清楚。虽然动物实验已揭示软 ,;=,’(F > 。但也存在很多问题，最重要的是
无显著性意义。M1’4=B 等 K! L发现胶原含量
各向异性 ; 1(’<-,+-.B ? 、三维连接性 许多实验条件的影响。
与年龄呈负相关，但骨小梁胶原的分子 ; 2-((=2,’C’,B ? 、骨密度、骨体积分数及骨
二、骨质疏松症骨小梁特性及其评
组成无改变。胶原含量与生物力学特性 小梁结构形态 ; <,+D2,D+= E-A=4 ,B.= ? 是骨 价
保留的骨小梁组成成分与正常无异 ?#7 @。 骨下骨增厚早于软骨纤维化 ?!E @，但是对 骨小梁样品及力学测量仪器压力轴的终
*H4<(D 等?#I @在骨质疏松性骨折患者的椎 于人类还有待进一步研究。
端界面误差 9 ;(DO.41,; ;++-+ > 和随机误
体研究中发现，虽然其胶原密度与正常
四、骨小梁各种特性的评价方法
生改变。后者在骨质疏松症患者骨脆性、 决定力学特性的主要元素。胶原和矿物 品的几何形态，骨小梁结构界面因素，骨
骨折危险性增加中起着重要的作用。 质含量测定能给力学特性变化提供更多 小梁连续性假设成立与否，样品的储存，
三、骨性关节炎骨小梁特性及其评 信ห้องสมุดไป่ตู้。
样品干燥的程度，试验温度等。P1( V’O
价
9 二 > 结构L 力学试验在研究骨小梁 ;,:;+F;( 等 ?!7 @ 应用显微力学有限元件模
疏松性骨折患者股骨颈骨小梁力学特性 时，它已进展了相当长的一段时间。此时 性。不同的结构参数可相互叠加，增强此
的变化，结果显示与承重方向平行的骨 要识别哪一部分改变是最早期的改变显 种作用。
小梁杨氏模量、极限应力和骨折能量随 然太晚。软骨下骨 9 包括软骨下骨板和软
9 三 > 力学L 骨小梁力学特性很容易
差。比如杨氏模量的测量误差前者达
人无异，但是其胶原交联却减少。
9 一 > 物理特性及组成L 现在可用标 !"T U A"T ，后者亦可达 #!5 8T 。另外，
综上所述，骨质疏松症患者一方面 准的方法检测骨小梁的物理特性及组 影响力学试验结果的因素还有L 介于骨
骨量丢失，另一方面骨小梁显微结构发 成。物理特性中胶原密度和体积分数是 小梁样品及测量仪器界面的摩擦力，样
,’-( ? 。骨密度能在很大程度上反映骨小 结构9 板状结构 ; .41,=< ? 、棒状结构 ; +-A< ? <,+=(>,& ? 每 #" 年下降 75 PX 。对于年龄
梁的 杨 氏 模 量 ; H-D(>I< E-AD4D< ? 和 强 以及它们的连接结构 KP L。上述组织形态 引起的胫骨骨小梁生物力学特性变化，
作者单位9 #"":$" 北京医院骨科
征。胫骨骨小梁显微结构研究显示不同 性别及年龄相匹配的正常人比较，骨质
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疏松症患者骨小梁体积、骨小梁表面密 炎骨小梁方向与关节表面更垂直?!$ @。
腰椎矿化率最低，胶原含量最高；股骨颈 ’E1>’(>，0UV ? 等逐步得到应用，从三维 均质体，不同部位所受应力不同，骨结构