Abstract
目的
探讨围塌陷期股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）的影像学表现及与疼痛发生的相关性。
方法
以 2016 年 12 月—2019 年 10 月收治且符合选择标准的 372 例（624 髋）围塌陷期 ONFH 患者作为研究对象。其中男 270 例，女 102 例；年龄 15～65 岁，平均 35.3 岁。单髋 120 例，双髋 252 例。ONFH 类型：创伤性 39 例（39 髋）、激素性 196 例（346 髋）、酒精性 102 例（178 髋）、特发性 35 例（61 髋）。其中，有疼痛症状 482 髋，疼痛时间≤3 个月 212 髋、3～6 个月 124 髋、6～12 个月 117 髋、>12 个月 29 髋；无疼痛 142 髋。国际骨循环协会（ARCO）分期：Ⅱ期 325 髋、Ⅲ期 299 髋。将患者根据 ONFH 病因以及 ARCO 分期进行分组，比较髋关节疼痛以及 X 线片（新月征和囊性改变）、CT（软骨下骨骨折和囊性改变）及 MRI（骨髓水肿、关节积液和软骨下低信号带）的影像学表现差异。采用χ2 检验分析 ONFH 疼痛时间与 X 线片、CT 及 MRI 影像学表现的相关性。
结果
不同病因 ONFH 患者在 X 线片新月征、CT 软骨下骨骨折及 MRI 关节积液方面，差异有统计学意义（P<0.05）；不同 ARCO 分期 ONFH 患者在髋关节疼痛症状及所有影像学表现方面，差异均有统计学意义（P<0.05）。相关性分析显示 ONFH 患者疼痛时间与所有影像学表现均相关（P<0.05）；同时 CT 囊性改变与 MRI 软骨下低信号带、关节积液分级，以及 MRI 软骨下低信号带与关节积液分级亦相关（P<0.05）。
结论
围塌陷期 ONFH 患者影像学上囊性改变、软骨下低信号带、关节积液与股骨头塌陷和髋部疼痛关系密切，当 ARCO Ⅱ期 ONFH 出现上述信号提示股骨头不稳定，为预判 ONFH 疾病发展及合理选择保髋治疗方法提供了依据。
Keywords: 股骨头坏死, 围塌陷期, 影像学, 临床意义
Abstract
Objective
To explore the different imaging manifestations of osteonecrosis of the femoral head (ONFH) and their correlation with the occurrence of pain during the peri-collapse period.
Methods
The 372 patients (624 hips) with ONFH in the peri-collapse stage who were admitted between December 2016 and October 2019 and met the selection criteria were selected as the research objects. Among them, there were 270 males and 102 females, with an average age of 35.3 years (mean, 15-65 years). There were 120 cases of unilateral hip and 252 cases of bilateral hips. There were 39 cases (39 hips) of traumatic ONFH, 196 cases (346 hips) of hormonal ONFH, 102 cases (178 hips) of alcoholic ONFH, and 35 cases (61 hips) of idiopathic ONFH. Among them, there were 482 hips with pain symptoms and 142 hips without pain. The pain duration was less than 3 months in 212 hips, 3-6 months in 124 hips, 6-12 months in 117 hips, and more than 12 months in 29 hips. According to the Association Research Circulation Osseous (ARCO) staging, the ONFH was rated as stage Ⅱ in 325 hips and stage Ⅲ in 299 hips. The patients were grouped according to ONFH etiology and ARCO staging, and hip joint pain and X-ray film (crescent sign and cystic changes), CT (subchondral bone fractures and cystic changes), and MRI (bone marrow edema, joint effusion, and subchondral hypointensity zone) were compared. Spearman rank correlation was used to determine the correlation between ONFH pain duration and X-ray film, CT, and MRI imaging manifestations.
Results
There were significant differences (P<0.05) between ONFH patients with different etiologies in crescent sign on X-ray film, subchondral bone fracture on CT, and joint effusion on MRI. And there were significant differences (P<0.05) between ONFH patients with different ARCO stages in hip pain duration and all imaging manifestations. Correlation analysis showed that the pain duration of ONFH patients was correlated with all imaging manifestations (P<0.05). The cystic change on CT was correlated with the subchondral hypointensity zone and joint effusion grade on MRI, and subchondral hypointensity zone and joint effusion grade on MRI were also correlated (P<0.05).
Conclusion
The cystic changes, subchondral hypointensity zone, and joint effusion are closely related to the collapse of the femoral head and hip pain in patients with ONFH in the peri-collapse stage. The above-mentioned signals in stage Ⅱ ONFH indicate the instability of the femoral head, which is to predict the development of ONFH and the rational choice of hip-preserving treatment methods provides a basis.
Keywords: Osteonecrosis of the femoral head, peri-collapse stage, radiology, clinical significance
股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）好发于中青年人群，我国每年新增病例高达 30 万左右，其中约 80% 为非创伤性 ONFH，而且非创伤性患者中约 80% 为双侧发病[1]。随着大量使用激素及酗酒人数的增加，ONFH 患者有年轻化趋势[2-3]。因此，保髋治疗是首选治疗方案，建立保髋治疗适应证是当务之急，其前提是充分认识 ONFH 病理过程及转归。“坏死-修复-塌陷-骨关节炎”是多数 ONFH 遵循的病理过程，股骨头塌陷后病理转归预后差，而围塌陷期（塌陷前期及塌陷后早期）是保髋的最后时机，错过这个时机髋关节将进入骨关节炎病理阶段 [4-6]。因此，预测股骨头塌陷并采取有效措施预防塌陷是精确诊断和精准保髋治疗的关键，能有效延缓或避免髋关节置换。
目前，关于股骨头塌陷发生机制多从分子、细胞等方面开展生物学研究，结果显示塌陷的发生与坏死组织修复能力相关[7]。然而，对 ONFH 坏死位置、范围及影像学特点缺乏研究。文献报道，ONFH 患者 X 线片显示的硬化带、新月征和囊性改变，CT 显示的软骨下骨骨折和囊性改变，MRI 显示的骨髓水肿、关节积液和软骨下低信号带，均与股骨头塌陷存在一定相关性[8-11]。然而，ONFH 是一类具有高度异质性的疾病，具有相似临床症状的患者往往有着不一样的影像学表现，其疾病的转归和预后不尽相同，这种异质性为 ONFH 股骨头塌陷的判断和治疗方案的选择带来了困难[12-13]。因此，必须重新认识这些影像学表现在 ONFH 发展和病情评估中的临床价值，才能从根本上解决选择何种保髋方法的难题[14]。本研究通过对比分析 ONFH 患者疾病发展与影像学表现的相关性，以期为精确评估 ONFH 病情变化、选择合理且有效的治疗方法提供参考。
1. 资料与方法
1.1. 一般资料
纳入标准：① 2016 年 12 月—2019 年 10 月收治且参照 ONFH 临床诊疗规范[15]确诊为 ONFH 的患者；② 属于围塌陷期 ONFH[16]，围塌陷期包括塌陷前期［国际骨循环协会（ARCO）Ⅱ期）］和塌陷后早期（ARCO Ⅲ期，且正蛙位 X线片分型为 A、B 和 C1 型，髋关节疼痛时间≤6 个月，股骨头塌陷≤4 mm）；③ 采用统一方法摄髋部 X 线片、CT 和 MRI；④ 患者愿意参与并配合研究。排除标准：① 临床资料不完整；② 有保髋手术史，合并股骨头内代谢性疾病、先天畸形、关节结核、化脓性关节炎、类风湿性关节炎、强直性脊柱炎等。
本研究共纳入 372 例（624 髋）ONFH 患者，其中男 270 例，女 102 例；年龄 15～65 岁，平均 35.3 岁。单髋 120 例，双髋 252 例。ONFH 类型：创伤性 39 例（39 髋）、激素性 196 例（346 髋）、酒精性 102 例（178 髋）、特发性 35 例（61 髋）。ARCO 分期[3]：Ⅱ期 325 髋、Ⅲ期 299 髋。
1.2. 研究方法
记录患者临床症状及影像学表现。① 临床症状：有无髋关节疼痛及疼痛时间，疼痛时间按照无痛、≤3 个月、3～6 个月、6～12 个月、>12 个月分段。
② 影像学表现：摄双侧髋关节标准正位与蛙位 X 线片、CT 和 MRI。其中，X 线片观察有无新月征和囊性改变；CT 观察有无软骨下骨骨折和囊性改变；MRI 观察有无骨髓水肿、关节积液和软骨下低信号带，采用分级法评估骨髓水肿和关节积液程度。骨髓水肿分级[17]：0 级，股骨上段无水肿；1 级，水肿局限于股骨头区；2 级，水肿局限于股骨头及股骨颈区；3 级，水肿自股骨头延伸至粗隆下。关节积液分级[18]：0 级，无明显积液；Ⅰ级，轻度积液，积液量少且分布于股骨头、股骨颈一侧；Ⅱ级，中度积液，积液分布于股骨头、股骨颈两侧，关节囊及隐窝无明显扩张；Ⅲ级，重度积液，分布于股骨头或股骨颈周围，关节囊及隐窝扩张明显。见图 1。
图 1.
Imaging observation of ONFH (ARCO stage Ⅲ)
ONFH（ARCO Ⅲ期）影像学观察
a、b. X 线片 黑色箭头示新月征；c. CT 红色箭头示囊性改变，蓝色箭头示软骨下骨骨折；d. MRI 白色箭头示骨髓水肿，黄色箭头示关节积液，绿色箭头示软骨下低信号带
a, b. X-ray film Black arrow indicated the crescent sign; c. CT Red arrow indicated the cystic changes and blue arrow indicated the subchondral bone fractures; d. MRI White arrow indicated the bone marrow edema, yellow arrow indicated the joint effusion, and green arrow indicated the subchondral hypointensity zone
观察不同病因、不同 ARCO 分期的 ONFH 患者疼痛及影像学表现差异，以及不同影像学表现与疼痛的相关性。
1.3. 统计学方法
采用 SPSS18.0 统计软件进行分析。计数资料以率表示，组间比较采用χ2检验或秩和检验。采用列联表χ2检验分析 ONFH 疼痛时间与 X 线片、CT 及 MRI 影像学表现的关联性，以列联系数C表示关联程度。检验水准α=0.05。
2. 结果
本组有疼痛症状 482 髋，疼痛时间≤3 个月 212 髋、3～6 个月 124 髋、6～12 个月 117 髋、>12 个月 29 髋；无疼痛 142 髋。MRI 检查骨髓水肿分级[17]：0 级 232 髋，1 级 112 髋，2 级 48 髋，3 级 232 髋。关节积液分级[18]：0 级 1 髋，Ⅰ级 102 髋，Ⅱ级 179 髋，Ⅲ级 342 髋。
2.1. 不同病因 ONFH 患者疼痛及影像学表现的比较
不同病因 ONFH 患者在 X 线片新月征、CT 软骨下骨骨折及 MRI 关节积液方面差异有统计学意义（P<0.05）；在 ARCO 分期、髋关节疼痛症状、X 线片囊性改变、CT 囊性改变以及 MRI 骨髓水肿、软骨下低信号带方面，差异均无统计学意义（P>0.05）。见表 1。
表 1.
Comparison of pain and imaging characteristics of ONFH patients with different etiologies (%)
不同病因 ONFH 患者疼痛及影像学表现比较（%）
| 项目
Item |
创伤性（n=39）
Traumatic（n=39） |
激素性（n=346）
Hormonal（n=346） |
酒精性（n=178）
Alcoholic（n=178） |
特发性（n=61）
Idiopathic（n=61） |
统计值
Statistic |
| ARCO 分期 | |||||
| Ⅱ期 | 19（48.7） | 187（62.3） | 91（51.1） | 28（45.9） |
Z=1.708
P=0.635 |
| Ⅲ期 | 20（52.3） | 159（37.7） | 87（48.9） | 33（54.1） | |
| 髋关节疼痛症状 | |||||
| 无 | 7（17.9） | 79（22.8） | 42（23.6） | 14（23.0） |
χ2=0.587
P=0.899 |
| 有 | 32（82.1） | 267（77.2） | 136（76.4） | 47（77.0） | |
| X 线片（新月征） | |||||
| 有 | 2（5.1） | 46（13.3） | 35（19.7） | 6（9.8） |
χ2=8.149
P=0.043 |
| 无 | 37（94.9） | 300（86.7） | 143（80.3） | 55（90.2） | |
| X 线片（囊性改变） | |||||
| 有 | 16（41.0） | 122（35.2） | 75（42.1） | 23（37.7） |
χ2=2.544
P=0.467 |
| 无 | 23（59.0） | 224（64.8） | 103（57.9） | 38（62.2） | |
| CT（软骨下骨骨折） | |||||
| 有 | 4（10.3） | 66（19.1） | 50（28.1） | 13（21.3） |
χ2=8.750
P=0.033 |
| 无 | 35（89.7） | 280（80.9） | 128（71.9） | 48（78.7） | |
| CT（囊性改变） | |||||
| 有 | 30（76.9） | 220（63.6） | 108（60.7） | 43（70.5） |
χ2=4.820
P=0.185 |
| 无 | 9（23.1） | 126（36.4） | 70（39.3） | 18（29.5） | |
| MRI（骨髓水肿） | |||||
| 0 级 | 16（41.0） | 126（36.4） | 63（35.4） | 27（44.3） |
Z=2.397
P=0.494 |
| 1 级 | 11（28.2） | 59（17.1） | 33（18.5） | 9（14.8） | |
| 2 级 | 1（2.6） | 29（8.4） | 14（7.9） | 4（6.5） | |
| 3 级 | 11（28.2） | 132（38.1） | 68（28.2） | 21（34.4） | |
| MRI（关节积液） | |||||
| 0 级 | 0（0） | 1（0.3） | 0（0） | 0（0） |
Z=12.39
P=0.006 |
| Ⅰ级 | 15（38.5） | 49（14.2） | 23（12.9） | 15（24.6） | |
| Ⅱ级 | 9（23.1） | 109（31.5） | 46（25.8） | 15（24.6） | |
| Ⅲ级 | 15（38.4） | 187（54.0） | 109（61.2） | 31（50.8） | |
| MRI（软骨下低信号带） | |||||
| 有 | 27（69.2） | 255（73.7） | 135（75.8） | 43（70.5） |
χ2=1.148
P=0.766 |
| 无 | 12（30.8） | 91（26.3） | 43（24.2） | 18（29.5） | |
2.2. 不同 ARCO 分期 ONFH 患者疼痛及影像学表现比较
不同 ARCO 分期 ONFH 患者在髋关节疼痛症状、X 线片新月征及囊性改变、CT 软骨下骨骨折及囊性改变以及 MRI 关节积液、骨髓水肿及软骨下低信号带方面，差异均有统计学意义（P<0.05）。见表 2。
表 2.
Comparison of pain and imaging characteristics of ONFH patients with different ARCO stages (%)
不同 ARCO 分期 ONFH 患者疼痛及影像学表现比较（%）
| 项目
Item |
Ⅱ期（n=325）
Stage Ⅱ（n=325） |
Ⅲ期（n=299）
Stage Ⅲ（n=299） |
统计值
Statistic |
| 髋关节疼痛症状 | |||
| 无 | 131（40.3） | 11（3.7） |
χ2=118.863
P=0.000 |
| 有 | 194（59.7） | 288（96.3） | |
| X 线片（新月征） | |||
| 有 | 9（2.8） | 80（26.8） |
χ2=73.271
P=0.000 |
| 无 | 316（97.2） | 219（73.2） | |
| X 线片（囊性改变） | |||
| 有 | 53（16.3） | 183（61.2） |
χ2=133.480
P=0.000 |
| 无 | 272（83.7） | 116（38.7） | |
| CT（软骨下骨骨折） | |||
| 有 | 25（7.7） | 108（36.1） |
χ2=75.041
P=0.000 |
| 无 | 300（92.3） | 191（63.9） | |
| CT（囊性改变） | |||
| 有 | 138（42.5） | 263（29.4） |
χ2=140.372
P=0.000 |
| 无 | 187（57.5） | 36（71.6） | |
| MRI（骨髓水肿） | |||
| 0 级 | 111（34.2） | 121（40.5） |
Z=−6.092
P=0.000 |
| 1 级 | 62（19.1） | 50（16.7） | |
| 2 级 | 27（8.3） | 21（7.0） | |
| 3 级 | 125（38.4） | 107（35.8） | |
| MRI（关节积液） | |||
| 0 级 | 0（0） | 1（0.3） |
Z=−10.294
P=0.000 |
| Ⅰ级 | 41（12.6） | 61（20.4） | |
| Ⅱ级 | 92（28.3） | 87（29.1） | |
| Ⅲ级 | 192（59.1） | 150（50.2） | |
| MRI（软骨下低信号带） | |||
| 有 | 178（54.8） | 282（94.3） |
χ2=125.697
P=0.000 |
| 无 | 147（45.2） | 17（5.7） | |
2.3. 不同影像学表现与患者疼痛相关性分析
相关性分析结果显示，髋关节疼痛时间与 X 线片新月征（C=0.243，P=0.000）及囊性改变（C=0.349，P=0.000）、CT 软骨下骨骨折（C=0.279，P=0.000）及囊性改变（C=0.444，P=0.000）、MRI 软骨下低信号带（C=0.550，P=0.000）、骨髓水肿分级（C=0.523，P=0.000）、关节积液分级（C=0.501，P=0.000）均相关。CT 囊性改变与 MRI 软骨下低信号带（C=0.456，P=0.000）、关节积液分级（C=0.441，P=0.000）相关，MRI 软骨下低信号带与关节积液分级亦相关（C=0.495，P=0.000）。
3. 讨论
股骨头塌陷是 ONFH 不良预后的标志[19]，塌陷的发生表明髋关节正常结构被破坏，随着病情进一步发展，常需要行人工全髋关节置换术 [20-21]。围塌陷期是 ONFH 保髋最后时机，包括塌陷前期（ARCOⅡ期）和塌陷后早期（ARCO Ⅲ期）[5]。因此，在塌陷前期准确预测是否会发生塌陷，以及在塌陷后早期预测塌陷过程是否会停止，及时采取干预措施，预防或纠正塌陷是保髋治疗的关键[8, 22]。因此，塌陷的发生机制及塌陷预测方法一直是研究热点。我们前期的细胞、动物及临床研究表明，股骨头塌陷的发生与坏死组织修复能力相关[23-24]。股骨头塌陷的预测主要基于临床症状和影像学表现，前者包括髋部疼痛、关节功能受限、跛行，无论出现以上哪种症状，均意味着股骨头内出现了骨折或已经发生塌陷[7]；后者包括定量方法和定性方法两种，其中定性方法包括 X 线片观察有无硬化带、新月征和囊性改变，CT 观察有无软骨下骨骨折和囊性改变，MRI 观察有无骨髓水肿、关节积液和软骨下低信号带。尽管文献报道上述影像学表现均与股骨头塌陷有关[9-11]，但研究结果存在差异，导致相关结论难以用于临床。为确切提高中青年 ONFH 患者的保髋治疗效果，延缓或避免髋关节置换，重新认识 ONFH 股骨头塌陷发生机制，才能从根本上解决 ONFH 保髋治疗的难题。
本课题组首先建立“ONFH 病理改变决定影像学表现的诊断模式”，通过对比分析 ONFH 患者疾病发展（包括塌陷前后和疼痛时间两个因素）与影像学表现的相关性，寻找塌陷前股骨头不稳定（头内骨折）对应的影像学表现[25-26]，帮助医生精确评估 ONFH 病情变化，采取合理且有效的治疗方法。前期研究发现 ONFH 患者 MRI 抑脂像上软骨下低信号带与病理标本所示的软骨下骨折线相对应，且软骨下低信号带比骨髓水肿稳定，更容易判断股骨头内不稳定或股骨头外塌陷[27]。本次研究比较了不同 ARCO 分期患者 X 线片、CT 及 MRI 影像学表现差异，再次表明 MRI 软骨下低信号带是评估股骨头内不稳定和塌陷的可靠影像学表现。
ONFH 的骨修复过程依赖于骨吸收与骨形成的相对平衡[28]。面对 ONFH 在修复过程中出现囊性改变、软骨下骨折、塌陷等复杂病理改变[29-31]，以及文献报道的抑制破骨、促进成骨等有争议的治疗原则[32]，必须重新认识病理改变与治疗原则的相关性。前期病理学研究发现激素性 ONFH 坏死区与硬化区交界处部分区域骨质吸收（囊性改变），吸收区域内肉芽组织血运丰富；而酒精性 ONFH 亦存在骨质吸收，但吸收区域范围小，吸收区域内存在血运较弱的纤维组织[33]。文献报道，ONFH 出现囊性改变是坏死区及其周围发生的一种修复反应，囊性改变代表广泛的破骨性吸收和骨小梁破坏，伴随潜在的软骨下塌陷风险，X 线片可见透亮影，周围有活力的高密度骨小梁形成硬化带[34-35]。Gao 等[30]观察了 168 髋 ONFH 患者的 CT 和 MRI 囊性改变特征，发现囊性改变邻近硬化带是股骨头内不稳定的征象，同时伴有软骨下骨骨折、新月征或塌陷。结合以上文献和数据提示囊性改变是坏死区与硬化区骨吸收后形成的修复腔，其内富含的纤维肉芽组织可能具有成血管和成骨能力，囊腔形成后承受应力的水平下降，坏死骨与正常骨组织交界处产生应力集中，超过负荷的应力集中导致股骨头内骨小梁微骨折，微骨折不断积累，形成断层骨折，从而导致股骨头塌陷。因此，囊性改变是以股骨头内骨小梁成片断裂为前提，是导致股骨头塌陷的始动因素之一。相关性分析亦提示 CT 囊性改变与 MRI 软骨下低信号带关系密切。
关节积液在 ONFH 的研究中报道较少，刘春红等[36]对 86 例（121 髋）ONFH 患者的髋部 MRI 进行观察，发现关节腔积液与病变进展相关，股骨头塌陷后关节积液最多，并提出髋关节积液分级[37]。本研究 MRI 关节积液程度在不同病因及不同分期患者间差异均有统计学意义，相关性分析结果提示 MRI 关节积液分级与疼痛时间、CT 囊性改变、MRI 软骨下低信号带关系密切。Rabquer 等[37]报道 ONFH 患者髋关节滑膜组织中炎症细胞明显多于髋关节骨关节炎患者。因此，在 ONFH 的病理过程中，关节积液可能伴随着囊性改变、软骨下骨骨折以及疼痛的出现而逐渐增多，是关节软骨退变的启动因素。
综上述，认识围塌陷期 ONFH 的疾病发展规律，必须整体、动态把握其病理变化规律，尤其是塌陷发生与否的规律；综合分析临床症状与影像学表现，尤其是观察 CT 显示的囊性改变、MRI 显示的软骨下低信号带和关节积液；建立“ONFH 病理改变决定影像学表现的诊断模式”，尤其是精确评估塌陷前期的病理状态，使中青年 ONFH 患者获得真正的临床早期诊断以及及时精准治疗。
作者贡献：魏秋实、林天烨负责病例资料收集；魏秋实负责撰写和修改文章；林天烨、郑越生负责数据收集整理及统计分析；张庆文、陈镇秋负责内容构思及文章结构设计；何伟负责研究设计、观点形成、文章结构设计，并对文章的知识性内容作批评性审阅。
利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道。
机构伦理问题：本研究严格遵照赫尔辛基宣言，研究方案通过广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准（K[2019]072），中国临床试验注册中心注册号 ChiCTR-RPC-15006290。所有患者均签署知情同意书，所有原始数据来自关节骨科数据库系统 V2.0（登记号：2017SR274625）。
Funding Statement
国家自然科学基金面上项目（81873327、81573996）
National Natural Science Foundation of China (81873327, 81573996)
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