・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作者单位9#"":$"北京医院骨科骨质疏松症和骨性关节炎是最常见的与年龄相关的退行性骨与关节疾病。
骨质疏松症骨量丢失首先是骨小梁，其次是皮质骨。
骨强度;<,+=(>,&?下降除因骨量减少外，骨小梁的显微结构、几何形状发生改变也是重要的原因。
通过对骨性关节炎的研究，大多数学者认为关节软骨的退变是本病的起始改变。
越来越多的研究表明，软骨下骨小梁的特性改变在关节软骨退变的发生、发展中起着重要的作用。
本文就骨性关节炎与骨质疏松症骨小梁特性及其评价方法进行综述。
一、正常人骨小梁特性及其评价;一?物理性质及组成9骨密度;@-(=A=(<’,B ?被广泛用于评价骨小梁的硬度和力学强度。
例如9骨表观密度;1..1+=(,A=(<’,B ?和骨体积分数;C-4DE=F+12G ,’-(?。
骨密度能在很大程度上反映骨小梁的杨氏模量;H-D(>I<E-AD4D<?和强度。
皮质骨的主要成分包括矿物质和胶原。
矿物质的质和量决定它的杨氏模量和强度；胶原决定骨的弹性。
胶原的排列方向是决定皮质骨力学特性的一个重要因素。
J=+<<=(<等K #L 对腰椎、髂嵴、股骨颈和跟骨的骨小梁的组成进行比较，发现腰椎矿化率最低，胶原含量最高；股骨颈正相反。
随着年龄增长，所有部位都有矿物质增加、胶原含量减少的趋势，但差异无显著性意义。
M1’4=B 等K !L 发现胶原含量与年龄呈负相关，但骨小梁胶原的分子组成无改变。
胶原含量与生物力学特性密切相关。
N’(>等K $L 认为正常人骨小梁矿物质含量随年龄变化保持比较稳定的水平。
骨小梁胶原含量随年龄增长无明显变化，但老年人胶原密度下降。
生理性力学特性下降在于骨量的丢失;数量改变?，而不是骨小梁组成的变化;质量不变?。
取材部位及实验方法不同可能是研究结果存在差异的重要原因。
;二?结构9以往对骨小梁结构的研究主要应用组织形态计量及模式化的二维研究方法。
其结果表明结构参数，例如9骨体积分数、骨表面密度;<D+F12=A=(<’,B ?及骨表面与体积比率;@-(=<D+G F12=G,-GC-4DE=+1,’-?，随年龄变化而变化。
水平方向骨小梁厚度、骨体积随年龄增长而下降。
骨髓间隙星状体积;E1++-O <.12=<,1+C-4DE=?随年龄增长而增加。
JE4’(>等K 8L在年龄、性别相匹配的人群中比较椎体、髂嵴、股骨和跟骨骨小梁显微结构，发现年龄引起的椎体骨量丢失主要是水平方向骨小梁丢失，增龄引起的骨量和骨结构变化在上述四处解剖位置几乎相同。
骨小梁有三个主要的显微结构9板状结构;.41,=<?、棒状结构;+-A<?以及它们的连接结构K P L。
上述组织形态或二维方法不能准确地反映骨小梁三维显微结构。
体视学及组织断层技术的发展使之成为可能。
外周骨定量电子计算机断层摄影;.=+’.&=+14QD1(,’,1,’C=2-EG .D,=A ,-E->+1.&B ，RS%T ?、显微电子计算机断层摄影;E’2+-G2-E.D,=A ,-E->+1.&B ，E’2+-G%T ?及核磁共振;E1>(=,’2+=<-(1(2=’E1>’(>，0UV ?等逐步得到应用，从三维图像可直接观察骨小梁的显微结构并定量分析其三维结构参数。
各向异性;1(’<-,+-.B ?、三维连接性;2-((=2,’C’,B ?、骨密度、骨体积分数及骨小梁结构形态;<,+D2,D+=E-A=4,B.=?是骨小梁最重要的三维结构参数K W L。
结构与力学特性密切相关。
%’1+=44’等K :L 报告单一骨密度指标能决定8"X Y 7"X 杨氏模量和极限应力;D4,’E1,=<,+=<<?。
各向异性和骨体积分数能决定Z"X 以上K 7L 。
结构各向异性是骨小梁结构最显著的特征。
胫骨骨小梁显微结构研究显示不同年龄组各向异性都是按主要方向排列的;.+’E1+B A’+=2,’-(-+’=(,1,=A ?。
老年组各向异性程度最高/骨小梁强烈集中在胫骨纵轴方向上以支持负重K Z L 。
三维图像分析能够定量三维连接性。
年龄引起的三维连接性密度;2-((=2,’C’,B A=(<’,B ?变化与解剖位置有关。
靠近髓腔的骨小梁发生改变的可能性较大。
三维连接性的生理性改变也与性别有关。
另外，随年龄增长，骨小梁体积下降超过其表面积的下降，故老年人骨表面与体积比率较高。
;三?力学9近!"年，人们对人体骨小梁力学特性的研究主要集中在椎体骨小梁。
0-<=[’4A=K #"L 发现椎体骨量丢失每#"年达75PX 。
研究表明杨氏模量、骨折能量;F1’4D+==(=+>B ?及极限应力与年龄呈负相关。
此外，02%14A=(等K ##L 报告股骨骨小梁骨量及抗压强度;2-E.+=<<’C=<,+=(>,&?每#"年下降75PX 。
对于年龄引起的胫骨骨小梁生物力学特性变化，N’(>等K $L研究结果显示杨氏模量在8"Y P"岁时达最高峰值，W"岁后明显下降；极限应力在$"Y PZ 岁之间保持稳定，W"岁后下降；极限应变;D4,’E1,=<,+1’(?在青年组值最大，不同年龄组之间差异无显著性意义；骨折能量与极限应力的研究结果相似。
因为骨的结构是非均质体，不同部位所受应力不同，骨结构的构成符合力学载荷的需要，因此力学特性在不同解剖位置变化很大/且受到许多实验条件的影响。
二、骨质疏松症骨小梁特性及其评价低骨量是骨质疏松症重要的特征，但是骨量丢失本身并不能完全解释骨质疏松症患者骨小梁强度下降、脆性及骨折危险性增加这一现象。
研究表明骨质疏松症患者骨小梁骨体积分数轻度下降时，其显微结构已发生明显改变K #!L 。
与性别及年龄相匹配的正常人比较，骨质疏松症患者骨小梁体积、骨小梁表面密度和骨小梁数目均下降，而骨小梁间距9,+1:;2<41+=;.1+1,’-(>和骨髓间隙星状体积却增加?#$@。
结构的变化可能与骨小梁穿孔有关，其结果是骨小梁网状连续性中断。
结构变化引起的骨小梁强度下降比骨量丢失引起的强度下降要大?#A@。
通过对骨质疏松症患者椎体骨小梁研究发现，随着骨量减少骨小梁数目也减少；水平方向骨小梁首先被吸收，而后垂直方向骨小梁代偿性肥大?#A/#8@。
但B(CD;+等?#E@的研究结果正相反。
他们发现骨密度下降时，椎体垂直方向骨小梁丢失的速度是水平方向骨小梁的两倍。
患者处于不同病期可能是两者形成明显差异的重要原因。
B<F’,1等?#G@研究股骨颈骨质疏松性骨折患者股骨颈骨小梁力学特性的变化，结果显示与承重方向平行的骨小梁杨氏模量、极限应力和骨折能量随骨密度下降而下降的程度超过与其垂直的骨小梁。
骨质疏松症患者骨量丢失增加，但保留的骨小梁组成成分与正常无异?#7@。
*H4<(D等?#I@在骨质疏松性骨折患者的椎体研究中发现，虽然其胶原密度与正常人无异，但是其胶原交联却减少。
综上所述，骨质疏松症患者一方面骨量丢失，另一方面骨小梁显微结构发生改变。
后者在骨质疏松症患者骨脆性、骨折危险性增加中起着重要的作用。
三、骨性关节炎骨小梁特性及其评价在过去的$"年中，关节软骨破坏是骨性关节炎病因研究的焦点。
骨性关节炎的病理变化包括组成关节的所有结构，软骨下骨小梁也包含其中，它们在关节软骨退变的发生、发展过程中起着重要的作用。
髋关节骨性关节炎随着骨密度的增加，软骨下骨小梁的结构也发生改变?!"@。
其原因可能是骨改建加速，骨质的体积和厚度增加。
骨性关节炎患者骨小梁的表面和形状与正常人不同，其软骨下骨小梁数目增加，间距变小，而厚度无改变?!"@。
因年龄引起的正常人骨密度下降，骨小梁数目虽然减少但厚度增加，骨小梁间距也无改变?!#@。
J1K’:1C1=&’等?!!@研究认为骨性关节炎软骨下骨小梁骨体积分数增加的同时，骨小梁厚度也增加。
他还发现与正常人比较，骨性关节炎骨小梁方向与关节表面更垂直?!$@。
骨性关节炎患者虽然软骨下骨小梁数目增加，骨表观密度增高，但间距下降。
相对于骨表观密度增加速度而言，骨小梁刚度增加速度较慢。
研究表明，与正常人相对照，骨性关节炎患者骨组织密度9,’==<;D;(=’,C>明显下降?!A@。
上述结果反映了骨性关节炎患者软骨下骨小梁骨转化率较高，而骨矿化率较低。
胶原代谢在骨性关节炎病理发生中的作用，也引起诸多学者的重视。
对一例髋关节骨性关节炎患者的研究发现，股骨头软骨下骨小梁胶原代谢及胶原交联增加，但处于低矿化?!8@。
骨性关节炎病理发生、发展是一个缓慢的过程，当能观察到关节软骨退变时，它已进展了相当长的一段时间。
此时要识别哪一部分改变是最早期的改变显然太晚。
软骨下骨9包括软骨下骨板和软骨下骨小梁>特性的变化是否改变了关节软骨的力学环境而使软骨趋于退变，还不十分清楚。
虽然动物实验已揭示软骨下骨增厚早于软骨纤维化?!E@，但是对于人类还有待进一步研究。
四、骨小梁各种特性的评价方法9一>物理特性及组成L现在可用标准的方法检测骨小梁的物理特性及组成。
物理特性中胶原密度和体积分数是决定力学特性的主要元素。
胶原和矿物质含量测定能给力学特性变化提供更多信息。
9二>结构L力学试验在研究骨小梁力学特性时有一个重要问题不能得到解决，即骨小梁的各向异性，不同负荷方向的骨小梁力学特性不同。
#I世纪下半叶，从M-4NN定律开始逐步建立起的力学特性决定了骨小梁结构，而它又反映了骨小梁力学特性的理论。
密度在评价结构变化时，对单一解剖位置及方向的骨小梁能作出较好的判断。
而不同个体、解剖位置和方向的骨小梁单用密度这一指标不能全面地解释力学特性。
骨小梁结构变化很大，模式化的二维方法显然有局限性。
组织形态计量学因限于二维断面，其中大部分方法不能准确反映结构特征。
近来，三维影像技术的发展使骨小梁三维定量成为可能。
三维影像是研究和了解骨小梁力学特性的有力工具。
从三维图像可以直接计算结构参数，例如L各向异性和三维连接性。
只有三维图像才能描述三维连接性。
三维图像研究各向异性的方法有界面方法9’(,;+N12;O:1=;D K;,&-D>和体积方法9P-4<K;O:1=;D K;,&-D>。