股骨近端主应力骨小梁的形态计量学分析

doi:10.12307/2026.726

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

形态计量学：是体视学和生物医学组织形态测量学中的交叉分支，依据生理学基础，从组织切片上观察组织结构，相关参数可通过直接测量、计算图像的面像素和体像素而获得，可定性、定量地描述骨小梁的基本形态，是衡量骨小梁结构状态的重要依据，也可客观衡量骨小梁的生物性能。
功能梯度材料：是一种创新材料，其组成和或微观结构在空间上按照设计的规律平滑变化，因此其性能也在空间上逐渐变化，在宏观尺度上没有任何突变的界面，从而满足特定的非均质要求。功能梯度材料是骨科植入物的新兴材料，其机械性能及生物性能均优于均质材料。

摘要
背景：股骨近端的主压力、主张力骨小梁是髋关节传导压应力、张应力的主要结构，具有复杂的非均质结构，探究其微观结构变化规律有助于提高对主应力骨小梁的认识。
目的：通过股骨头标本提取各个区域的骨小梁微结构信息，研究其形态计量学规律，阐明主应力骨小梁的微结构变化规律，为未来新型仿生髋关节假体的设计提供理论依据。
方法：选取11例股骨颈骨折患者的新鲜股骨头，经Micro-CT扫描后使用图像分析软件(InveonTM Acquisition Workplace) 进行重建，分别将主压力、主张力骨小梁划分为5个区域，选取各区的感兴趣容积后，对骨体积分数、骨表面骨体积比、骨小梁厚度、骨小梁数量、骨小梁间隙、骨小梁模式因子、灰度值等进行形态计量学分析。
结果与结论：①主压力骨小梁5区具有最高的骨体积分数、骨小梁厚度、灰度值，4区和1区次之，5区和1区之间上述指标相比差异有显著性意义(均P < 0.05)；由3区向2区、1区和4区、5区，骨表面骨体积比、骨小梁数量逐渐减小，而骨小梁厚度逐渐增大；②主张力骨小梁3区具有最高的骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量、灰度值，2区各参数与之相反，除灰度值外，两区域之间其余参数相比差异均有显著性意义(均P < 0.001)；③此次研究提出了一种可靠的提取主应力骨小梁感兴趣容积的方法，首次提出了主压力骨小梁是一种功能梯度多孔结构的理论，为主压力骨小梁微结构解剖学提供了新的见解，并可能被证明是新型仿生髋关节假体设计的有用信息。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 主压力骨小梁, 主张力骨小梁, 髋关节, 形态计量学, 股骨头, 功能梯度材料

Abstract: BACKGROUND: The principal compressive and tensile trabecular bones in the proximal femur are essential structures responsible for transmitting forces through the hip joint. Given their complex and heterogeneous composition, exploring their microstructural variations will help improve our understanding of principal stress trabeculae.
OBJECTIVE: To extract trabecular microstructural information from various regions of femoral head specimens and study their morphometric patterns, elucidate the microstructural variations of principal stress trabeculae, and provide a theoretical basis for the design of future bionic hip prostheses.
METHODS: Totally 11 fresh femoral heads were obtained from patients with femoral neck fractures. They were scanned by Micro-CT and reconstructed by image analysis software (InveonTM Acquisition Workplace). The principal compressive and tensile trabecular bones were segmented into five regions respectively. After selecting the volumes of interest for each region, morphometric analyses were subsequently performed on bone volume fraction, bone surface area fraction, trabecular thickness, trabecular number, trabecular spacing, trabecular pattern factor, and grayscale value.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Among the principal compressive trabeculae, Region 5 exhibited the highest bone volume fraction, trabecular thickness, and grayscale value, followed by Region 4 and 1, with statistically significant differences between Region 5 and 1 (all P < 0.05). Moving from Region 3 to Region 2, 1, and Regions 4, 5, there was a decreasing trend in bone surface area fraction and trabecular number, accompanied by an increasing trend in trabecular thickness. (2) Among the principal tensile trabeculae, Region 3 displayed the highest values for bone volume fraction, trabecular thickness, trabecular number, and grayscale value, while Region 2 showed opposite trends, with statistically significant differences between the two regions, (excluding grayscale value; all
P < 0.001). (3) This study proposes a reliable method for extracting the volume of interest of principal stress trabeculae and introduces the novel concept that principal compressive trabeculae represent a functionally graded porous structure. These findings contribute new insights into the anatomical microstructure of principal compressive trabeculae and are expected to guide the future design of bionic hip prostheses.

Key words: principal pressure trabeculae, principal tension trabeculae, hip joint, morphometry, femoral head, functionally graded material

中图分类号:

曹孟, 李伦, 田思淼, 曹放, 宋立群, 赵德伟. 股骨近端主应力骨小梁的形态计量学分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(21): 5477-5484.

Cao Meng, Li Lun, Tian Simiao, Cao Fang, Song Liqun, Zhao Dewei. Morphometric analysis of principal stress trabeculae in the proximal femur[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(21): 5477-5484.

图/表（结果） 3

2.1 样本量统计 此次研究中共获得92个感兴趣容积，直径均为4.51 mm，高度均为 4.57 mm，其中主压力骨小梁1区11个，2区11个，3区11个，4区9个，5区6个，见表1；主张力骨小梁1区11个，2区11个，3区10个，4区8个，5区4个，见表2。

2.2 主压力骨小梁形态计量学统计学结果 如表1所示，在主压力骨小梁1-5区各感兴趣容积中，5区即主压力骨小梁的底部，具有最高的骨体积分数、骨小梁厚度、灰度值；4区次之；1区即主压力骨小梁的头部，具有第3高的骨体积分数、骨小梁厚度、灰度值；5区与1区在上述指标之间差异有显著性意义(P < 0.05，P < 0.001，P < 0.001)，见图7；同时，5区具有最低的骨表面积骨体积比、骨小梁间隙、骨小梁模式因子。3区是主压力骨小梁的中间感兴趣容积，具有最大的骨表面积骨体积比、骨小梁数量以及最小的骨小梁厚度。由3区向压力骨小梁的底部和头部骨表面积骨体积比、骨小梁数量逐渐减小，骨小梁厚度逐渐增大。
2.3 主张力骨小梁形态计量学统计学结果 如表2所示，在主张力骨小梁1-5区中，3区即主压力、主张力骨小梁的交汇区，具有最高的骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量、灰度值，同时其具有最低的骨表面积骨体积比、骨小梁间隙、骨小梁模式因子。与之相反的是2区，具有最低的骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量、灰度值，但具有最高的骨表面积骨体积比、骨小梁间隙、骨小梁模式因子。除灰度值外，两区域之间的各项形态计量学参数相比差异均有显著性意义(P均< 0.001)，见图8。

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引言

人类股骨近端有着明显的内部结构，最明显的是2根小梁柱，其在髋关节前后位DR影像上清晰可见(图1)，垂直骨小梁起自股骨颈内侧下部，垂直上升至股骨头，终止于软骨下骨附近，水平骨小梁穿过股骨头时，与垂直小梁或多或少成直角相交[1](图2)。2根小梁柱的产生与股骨的力学功能有密切关系，因此引起了许多研究者的关注，其中最著名的是Wolff[2]，并形成了2种理论：①Trajectorial理论，主要涉及通过股骨近端松质骨的力的传递，垂直骨小梁即主压力骨小梁，主要传导压力负荷，水平骨小梁即主张力骨小梁，主要传导张力负荷；②骨形成的Wolff理论，描述了骨骼对力的反应情况。尽管此两种理念存在争议，但已被广泛接受并进行模拟研究[3-5]。

除了小梁柱的功能外，股骨近端骨小梁的结构也被广泛研究，无论是对其宏观解剖结构的揭示：HAMMER[6]通过去除股骨近端皮质骨获得了主压力、主张力骨小梁的宏观解剖结构，并揭示了2根小梁柱在冠状面上并不重合；XU等[7]通过髋关节CT测量股骨近端主压力骨小梁分布的关键参数，阐明了老年人群股骨近端主压力骨小梁的分布模式；CHIBA等[8]和JENKINS等[9]对股骨近端各区域的骨小梁进行了定量测量分析，研究结果揭示了骨微结构的显著异质性，这些数据为骨微观结构解剖学提供了新的见解；另有大量学者通过研究进一步证实了主压力、主张力骨小梁结构与功能的内在联系[10-12]。以上结果均显示了股骨近端内部结构的复杂性，但目前对主压力骨小梁、主张力骨小梁微观结构的规律鲜有研究。
微计算机断层扫描技术(micro computed tomography，Micro-CT)是一种非破坏性的3D成像技术，能够在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构，空间分辨率可以达到微米级，生物骨组织的细微结构可以一览无余，因此已成为目前获取骨小梁图像最广泛的应用方法。
主压力骨小梁、主张力骨小梁作为股骨近端最重要的承重结构，具有最大的骨密度，作者假设其微观结构以某种规律方式进行排列，以更好地承担髋关节的主要负荷。此次研究通过Micro-CT对新鲜标本股骨近端主压力、主张力骨小梁的感兴趣容积(volume of interest，VOI)进行形态计量学分析，以探究其微观结构的内在规律。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 影像学测量实验。
1.2 时间及地点 实验于2023年6月至2024年9月在大连大学附属中山医院骨科试验室完成。
1.3 对象 选择2023年5-12月于大连大学附属中山医院行髋关节置换的11例股骨颈骨折患者，男5例，女6例；年龄65-81岁，平均(71.91±4.91)岁。有骨关节炎和类风湿性关节炎等骨骼和关节疾病迹象的患者，以及服用影响骨代谢药物的患者被排除在研究之外。为了保留股骨头的小梁结构，在髋关节置换手术过程中不使用“螺旋”器械将股骨头取出。术中获得11个股骨头标本并保存在-80 ℃冰箱中。
此次研究方案经大连大学附属中山医院伦理审查委员会批准(批号：KYS2023-022-1)，符合1975年赫尔辛基宣言，并于2000年修订。所有患者知情同意研究方案。
1.4 实验方法
1.4.1 扫描重建将股骨头进行解冻并放置于扫描床上，在同一条件下使用Micro-CT(Inveon Multi Modality；Siemens，Germany)扫描，扫描参数：电压80 kV，电流500 μA，曝光时间1 600 ms，平均帧数1，像素因子为1，有效像素大小为28 μm，扫描旋转角度为360°，扫描步数180步。数据采集完成之后，使用图像分析软件(InveonTM Acquisition Workplace；Siemens Medical Solutions，Inc)进行重建，重建缩放因子为2。以主压力骨小梁和股骨头中央凹为解剖标志调整所有股骨头的方向。在多平面重建图像中，旋转股骨头处于解剖位，使主压力骨小梁在冠状面和矢状面沿垂直轴走行，股骨头中央凹在冠状面位于内上。
1.4.2 分区及获取感兴趣容积重建完成后，先于冠状面调出股骨头的最中间层图像，首先划出主压力骨小梁的内外侧边界和主张力骨小梁的上下边界，两边界的交汇区定义为3区，将主压力骨小梁上边界的水平切线至股骨头顶部水平切线区域平均分割为2份，分别定义为1，2区，将主压力骨小梁下边界的水平切线至股骨矩水平线的区域平均分割为2份，分别定义为4，5区(图3)。于主压力骨小梁区域的中轴线上，分别选取1-5区的最中间80层的圆柱体区域作为感兴趣容积(图4)。

获取主张力骨小梁感兴趣容积时，同样于冠状面调出股骨头的最中间层图像，主压力骨小梁与主张力骨小梁边界的交汇区仍为3区，将主压力骨小梁内侧边界至股骨头最内侧切线区域平均分割为两份，分别定义为1，2区；比照1，2区间的间距，以主压力骨小梁外侧边界为起始向外侧分别分割为4，5区(图5)。取1，2区感兴趣容积时，先将股骨头旋转至1，2区处于中轴线上，取各区最中间80层的圆柱体区域作为感兴趣容积；同理，取3区和4，5区感兴趣容积时，分别旋转股骨头至相应区域处于中轴线，同样取最中间80层的圆柱体区域作为感兴趣容积(图6)。

考虑到骨折线附近压缩的骨小梁会影响到数据的准确性，所有感兴趣容积区域距骨折线均超过2 mm，对于骨折线经过的感兴趣容积则被排除研究。
1.5 主要观察指标 对所有区域感兴趣容积进行形态计量学分析，设定统一参数，由软件计算骨体积分数、骨表面骨体积比、骨小梁厚度、骨小梁数量、骨小梁间隙、骨小梁模式因子和灰度值。
1.6 统计学分析 采用 GraphPad Prism 6.0 对数据进行统计学分析，计量资料以x±s表示。多组间采用单因素方差分析(ANOVA)和 Tukey 的多重比较进行检验分析，检验水准为α=0.05。文章统计学方法已经大连大学附属中山医院统计学专家审核。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

据作者所知，这是第一个分析主压力、主张力骨小梁形态计量学规律的研究。根据Wolff定律[13-14]，负荷分布不均导致骨小梁微观结构改变，从而导致股骨头内部骨小梁结构的异质性。2013年，CHIBA等[8]利用高分辨率外周定量CT评估股骨颈骨折患者小梁柱微观结构的区域和个体异质性，发现股骨头中央、上、后上区域具有较高的骨体积分数、骨小梁数量及连通性，中央区和中央上区的骨体积分数最高，分别为(24.2±5.6)%和(21.0±5.8)%。这种异质性进一步表明在定位和提取感兴趣容积时需要一致性和准确性。此次研究精确选取了所划区域的最中心位置，虽然在提取主张力骨小梁各感兴趣容积信息时较为繁琐，但可以得到更可信的结果。将主压力、主张力骨小梁3区的各参数比照发现，两者相差不大，更加验证了作者提取感兴趣容积时方法的准确性。
此次研究结果进一步验证了股骨头内部骨小梁结构的异质性，同时也验证了结构与功能相统一的理论。主压力骨小梁顶部宽、底部窄，呈“倒梯形”，1区作为压力骨小梁首先接受载荷的区域，桥接股骨头顶部的弧形皮质骨，在最宽的区域里产生相对坚固的骨小梁结构。载荷传导至4区、5区时，因体积相对减小，为顺利传导载荷必然会产生更坚固的骨小梁结构，尤其是5区，具有最高的骨体积分数、骨小梁厚度、灰度值；3区作为交汇区，兼有抗压力和抗张力的功能，具有最大的骨小梁数量，即产生了主压力、主张力骨小梁所有区域内最大数量的骨小梁，分别为(1.54±0.27)，(1.66±0.25)1/ mm，这与CHIBA等[8]得出的结果相似，即中央区具有最大数量的骨小梁，根据骨的功能适应性理论推测，中央区较大数量的骨小梁是为了适应3区的双重功能而生，即通过作用在骨小梁上微小力的叠加实现抗压力与抗张力的功能转换。
在主压力骨小梁区，3区向1，2区和4，5区的骨表面积骨体积比、骨小梁数量逐渐减小，骨小梁厚度逐渐增大。由于骨小梁厚度=2/骨表面积分数，说明由股骨头中央区向上、下两端的骨小梁数量逐渐减少，但厚度逐渐增加，推测主压力骨小梁是一种功能梯度多孔结构，这种推测也是被首次提出。功能梯度材料是一种特殊的材料，其主要特点是组成和或微观结构在空间上具有规律的平滑变化[15]。自然界中广泛存在功能梯度材料结构，比如软体动物的壳[16]、节肢动物的外骨骼等[17]，人体中所谓的“界面组织”比如肌腱-骨和软骨-骨[18]，肌腱-骨融合表现出矿物质浓度和胶原纤维方向的空间变化，从而在最小化应力的同时实现有效的力传递[19]，软骨-骨是另一个高度分级的组织界面，胶原纤维平行于关节表面排列，当它们接近软骨下骨时越来越垂直[20]。骨是一个在径向和纵向上都有自然梯度的经典例子：在径向方向上，骨骼由致密的外部结构 (皮质骨)组成，该结构转变为更柔软、更多孔的内部材料(松质骨) ；纵向上，骨骼由排列整齐的胶原纤维组成，以承受必要的压缩和扭转力，以实现运动、抵抗机械应力并为内部器官提供保护。
在主张力骨小梁1-5区中，并未发现明显的形态计量学梯度变化规律，从结果可以看出，3区感兴趣容积具有最大的骨小梁数量和骨小梁厚度，因此其骨体积分数和灰度值最大，说明此区域具有较大的骨量，与之相反的是2区，骨量最小，这与髋关节DR(图1)或CT(图6A)上显示对应区域的低密度表现相符合。但同时也说明了2区的骨质强度相对较弱，这可能是导致学者采用手工刮除法制备骨小梁标本时保留较少2区、1区结构的原因[21]。
结合此次研究结果可见，股骨头主压力区不仅包含着软骨-软骨下骨、软骨下骨-松质骨的材料/结构梯度变化，可能还具有松质骨的多孔结构梯度变化，股骨头如此精密的“设计”使得应力由上到下精确传导。另外，3D打印的功能梯度多孔结构目前已被证实比各向同性结构具有更好的生物学及力学优势[15，22-24]，反证了股骨头内存在功能梯度结构的优越性。
目前，对主应力骨小梁研究的临床受益已初步显现，学者们在设计股骨近端内固定架时已考虑到重建松质骨的重要性，以确保骨折皮质骨和压力骨小梁的同时重建，期望实现双相愈合[12]。DING等[25-26]提出了骨折的仿生内固定理论，设计了不同固定概念的仿生内固定。WANG等[27-29]设计了具有仿生结构的股骨近端仿生髓内钉内固定系统，该内固定系统置入股骨后可替代主压力骨小梁的力学性能，初步的力学和临床实验表明，这种内固定方法可以提供稳定性并有助于骨折愈合。
此次研究结果对未来髋关节手术同样具有潜在的重要意义。目前，由于髋关节假体的材料硬度与骨的硬度存在差异，应力遮挡现象会导致假体松动、下沉，甚至导致骨折等严重后果[30-31]。多孔结构，尤其是功能梯度多孔的髋关节假体的基础研究已被证实具有减少“应力遮挡”的作用[32-35]，同时降低了剪应力，这将导致假体的使用寿命更长[36]，但目前功能梯度多孔结构的设计仅仅局限于假体的柄体部[32，37-39]。股骨近端主压力、主张力骨小梁本身就是传导载荷时产生的应力路径，设想如果在假体头颈部赋予类似于主压力、主张力骨小梁结构，是否可以优化髋关节假体的应力传导路径，降低应力屏蔽现象并减少应力屏蔽带来的不良后果。
受常规制备工艺的限制，常规假体并不能在髋关节假体头颈部制备出类似于主压力、主张力骨小梁的结构。随着3D打印技术的日益成熟，股骨近端内部网格状结构的打印已经实现[40-41]，虽然内部多孔结构的精细程度距离实际情况相差甚远(图9)，但意义重大。未来打印出头颈化一体且内部优化传导路径的具有类似于主压力、主张力骨小梁多孔结构的仿生髋关节假体将成为可能，如何在假体内部实现孔隙率的最佳分布是需要解决的关键理论挑战。此次研究的发现为股骨头内多孔结构的设计提供了一定的数据支持，但由于材料的不同，金属材料构建的仿骨小梁结构能否实现最佳的生物力学尚需进一步验证。
此次研究有一些局限性：①受试者数量不多，骨折区域因为骨微观结构被破坏而排除在分析之外，进一步减少了某些区域的样本量，因此需要进一步更大样本量的试验来验证此次研究结果；②由于在体内对髋关节进行Micro-CT扫描是不可能的，因此没有健康对照组，无法揭示应力骨小梁的形态计量学规律是否存在于所用人群；③股骨头的方向由主压力骨小梁和股骨头中央凹调节，但由于自然形态差异和肢体位置的不同，这些解剖标志的方向在受试者之间可能略有不同，进而影响到数据的准确性；④并未考虑受试者中因年龄及性别所导致的骨质疏松带来的影响，下一步将增加骨密度的测量，以增加试验结果的准确性。
总之，此次研究采用了一种可靠的提取感兴趣容积的方法，进一步验证了股骨头内部骨小梁结构的异质性，同时首次提出了主压力骨小梁是一种功能梯度多孔结构的理论，为骨微观结构解剖学提供了新的见解，并可能被证明是髋关节手术的有用信息。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程