坏死硬化带可为股骨头提供机械支撑
这些结果表明，近端硬化带为股骨头提供有效的机械支撑，为坏死组织提供机械保护，减少股骨头变形，延缓或阻止骨坏死塌陷。
股骨头坏死是一种以股骨头血液供应中断导致骨细胞和骨髓成分死亡为特征的疾病。这种破坏导致后续股骨头结构的变化和股骨头的塌陷，最终导致关节疼痛和功能障碍。人工关节置换术是股骨头塌陷的最终解决方案。然而，由于这种疾病在年轻人中很常见，人工关节的预期寿命有限，许多年轻患者的人工关节需要反复翻修，造成生活质量降低并增加经济成本。因此，在疾病的早期阶段，选择适当的治疗方法以防止塌陷至关重要。
目前，许多方法用于预测股骨头塌陷，但大多数方法都集中在坏死区域。最近的研究发现，坏死组织自身修复的能力在股骨头坏死的预后中也起着重要作用，并表明硬化带的形成是一种修复形式。硬化带是坏死组织和正常组织之间边界上的不规则斑点状或带状高密度阴影，常见于X线片和计算机断层扫描（CT）扫描。在临床实践中观察到具有硬化带的股骨头坏死患者并不总是经历塌陷，并且比没有硬化带的患者具有更好的预后。一些研究人员还使用硬化带来预测早期股骨头坏死的塌陷，并发现当软骨下骨中存在完整的硬化带时，塌陷可能会延迟。然而，大多数研究结果都是基于理论规范和临床观察。很少有研究关注硬化带形成后坏死股骨头的力学分析。
有限元分析是一种使用数学来近似模拟实际物理系统（几何和加载）的技术。有限元分析源于工程中弹性和结构分析的研究。最近，有限元分析已被用于医学科学，特别是生物力学研究，以评估股骨头近端的刚性和损伤，并分析股骨头坏死不同范围内的应力分布。
硬化带是否保护坏死组织？它是否能改善股骨头的整体完整性？本研究采用有限元分析建立股骨头近端坏死组织内不同比例硬化带的三维有限元模型，模拟机械负荷，确定机械应力对股骨头和坏死组织的影响。本研究还试图确定近端硬化带的形成是否赋予股骨头内的机械支持以延迟或防止股骨头塌陷，并有助于确定股骨头坏死的预后。
材料和方法
股骨头坏死边缘硬化有限元模型的建立
因为本研究的目的是观察具有硬化带的股骨头应力的变化，并且受试者的数据不会影响变化趋势和观察结果，一名健康的成年男性志愿者来自中国中医科学院广安门医院骨科。受试者年龄27岁，身高166厘米，体重59公斤。股骨颈干角为130°, 股骨前倾角为13°, 股骨头直径为44毫米。排除股骨头疾病，损伤和先天性畸形。
这项研究是根据赫尔辛基宣言进行的。获得中国中医科学院广安门医院伦理委员会批准（NO.11，2010）。知情同意书来自参与者。
使用双源64层螺旋CT（Siemens Ltd，Berlin，Germany），使用以下扫描参数对志愿者的双侧髋关节进行横断面扫描：扫描电压为12 kV，扫描电流为60 mA，骨组织窗口扫描，切片厚度为0.75 mm。所有获得的图像都以医学格式存储在数字成像和通信中。
将双侧髋关节的薄层色谱图像导入Mimics软件（Materialise，Leuven，Belgium）。通过使用阈值分割工具定义骨组织分割等级阈值来自动识别股骨头。手动编辑识别的图像，并通过填充获得正常左股骨头的三维表面模型的信息。Magics（Mimics软件的功能模块）自动生成网格模型函数，以平滑几何模型的表面处理网格数量，创建和优化三角形表面元素，使大多数元素均匀，减少表面三角形的数量。生成的股骨头模型输出到STL格式。由Mimics生成的股骨头的三维表面模型被导入到Solidworks软件（Dassault Systemes S.A.，Concord，Massachusetts）中。通过Solidworks中的模型诊断功能自动检测模型，并关闭曲面。在模型完全关闭后，生成的模型以X_T格式导出。将股骨头模型导入COMSOL 多物理建模与仿真软件（COMSOL，Stock holm，Sweden），建立坏死组织和硬化带的有限元素模型（图1）。根据Association Research Circulation Osseous的分期标准，具有坏死区域的股骨头模型（30%，这是股骨头最严重类型的骨坏死的阈值），坏死组织和近端边缘用布尔计算建立0%，30%，50%或100%硬化。在使用坐标生成距离股骨头边缘2mm的坏死组织后，将模型保存为单体形式，近端硬化带厚度为1.5mm。通过将预先建立的股骨头有限元模型与坏死区域、坏死组织和硬化带组装并以X_T格式导出，最终使用Solidworks软件的模型组装功能创建组件。
图1：使用COMSOL软件建立了坏死组织和边缘硬化（COMSOL，瑞典斯德哥尔摩）模型。
弹性模量的计算
假定所有材料都具有各向同性、均匀且连续分布。基于骨骼的灰度值，并使用先前实验研究得出的经验公式14-16（密度=-13.4+1017×灰度值，E模量＝-388.8＋5925×密度），选择5片CT图像，并从每个切片中选择10组。50组的平均值被认为是密度值。股骨头、坏死组织和硬化带的弹性模量分别为3.3、2.3和5.5GPa。
机械分析
将装配模型输入ANSYS Workbench软件（ANSYS，Pittsburgh，Pennsylvania），并将模型与程序的自动网格划分功能进行网格划分。检查每个模型的自动生成的接触表面的表面以确定表面之间的正确接触。材料参数设定如下：股骨头的弹性模量为3.3 GPa，泊松比为0.3；坏死组织的弹性模量为2.3 GPa，泊松比为0.3；硬化带的弹性模量为5.5 GPa，泊松比为0.3。
模拟机械载荷。模型的底部固定为模拟单侧髋关节在正常人体站立位置的负重状态。在负Z轴方向的左股骨头最高点施加约400N的载荷，相当于正常人体重的一半。应用线性静态结构分析模块比较和分析不同量近端边缘硬化的总变形，负Z轴变形，最大主应力，最小主应力和坏死组织接触压力的变化（0%，30%，50%和100%）。
结果
左股骨应力
附表总结了模拟机械负载下的左股骨应力的结果。随着硬化带比例的增加，坏死股骨头的总变形（图2）、负Z轴变形（即纵向压缩方向）、最大主应力、最小主应力、坏死组织的压力和接触压力降低。
图2：坏死的股骨头部完全变形，近缘硬化占50%。
坏死组织的机械肾图分析
顶部（图3A）和剖面（图3B）视图显示，股骨头坏死和正常组织界面出现最大压力，随后是近端坏死组织，表明压力聚集在2个区域以上，压力在这2个位置达到峰值。
图3：坏死组织接触力分布的顶部(a)和截面(b)视图，显示应力峰值位置（箭头）。
讨论
为了探索硬化带的生物力学作用，作者使用有限元分析来模拟股骨头坏死中近端硬化带的形成，然后对股骨头和坏死组织进行机械分析。作者建立了不同比例近端硬化（0%，30%，50%和100%）的股骨头坏死三维有限元模型。然后他们模拟单侧髋关节在正常人体站立位置的负重状态，观察股骨头和坏死组织的机械变化。随着近端边缘硬化程度的增加、坏死组织的总变形、负Z轴变形、最大主压力、最小主压力和接触压力降低。
最近2项研究的结果表明，在骨修复、骨生成和骨破坏过程中发生了2种作用。成骨细胞产生新骨，破骨细胞去除死骨。然而，这两种行为总是变得不平衡，导致修复过程中骨力学强度下降并导致股骨头塌陷。股骨头坏死发展后，坏死组织周围的压力聚集。当该压力超过骨的极限时，发生骨小梁的微骨折。
这种微裂缝降低了机械强度并导致股骨头内的不稳定。此外，这种骨小梁的微骨折扰乱了股骨头内稳定和弯曲的机械支撑。松质骨失去有效的保护并承受更大的压力。伴随着软骨下骨的破坏导致塌陷发生。该研究的结果表明，坏死组织的最大应力峰值位于其与正常组织的界面处，其次是坏死组织的近端。这一发现表明，这两个区域最容易塌陷。Zhan发现，股骨头坏死面积为30%，最大的聚集压力发生在正常骨和死骨的交界处，当坏死面积增加到50%时，压力更容易聚集。Shi等通过有限元分析发现，股骨头塌陷区域位于坏死组织和正常组织的深部交界处，这一发现与实际发生的情况一致。韩国研究人员Yang等人使用三维有限元分析，发现当坏死角度大于110°, 软骨下骨或深部坏死组织与正常组织交界处的应力值显著增加，因此这两个区域的骨折风险最大。目前的研究结果与先前的研究结果一致。
临床观察显示，股骨头坏死患者拥有较大且相对完整的硬化带总是具有较好的预后，且不容易发生塌陷。由此产生的硬化带成为股骨头内特别硬化的区域，为坏死和正常组织界面处的软骨下骨提供机械支撑。这种结构可以防止过早塌陷并有助于保持股骨头外形。Ficat提出在股骨头坏死修复过程中形成硬化带可能会延迟股骨头塌陷。Liu等人在分析不同磁共振成像和CT分期的基础上分析了股骨头塌陷和坏死的危险因素，发现当软骨下骨中存在均匀厚的硬化带时，股骨头塌陷可能会延迟。目前的研究结果表明，随着坏死组织中近端边缘硬化量的增加，股骨头的总变形、负Z轴的变形（即纵向压缩方向）以及最大和最小拉伸、压缩主应力均下降。因此，随着近端硬化带比例的增加，坏死股骨头整体的抗变形能力和股骨头的等效刚度增加，变形减少导致应变减少。应力是弹性模量和应变的函数，股骨头的弹性模量没有变化。因此，应变的减少导致了应力的降低，并且股骨头的结构应力耐受得到了增强。近端硬化带的增加，降低了股骨头塌陷的程度和可能性。同时，随着近端硬化带的增加，坏死组织接触面上的力减小（即在股骨头坏死最可能塌陷的区域应力减小，表明所产生的硬化带可以有效地承受应力负荷并保护坏死组织的表面，并且硬化带有助于阻止股骨头塌陷）。此外，硬化带的形成增加了股骨头的结构阻力和抗变形能力，从而延迟或防止了股骨头坏死的塌陷。
不足之处
这项研究有一些局限性。本研究的主要目的是观察坏死股骨头和硬化带增加的组织中的应力变化。它没有模拟坏死股骨头在形成不同比例的硬化带后可以承受的断裂应力。此外，由于本研究基于正常股骨头模型模拟并构建了坏死组织和硬化带模型，因此仅招募了一名健康受试者。在机械负荷期间，仅模拟正常人体站立位置下单侧髋关节的负重状态。没有使用其他状态，例如爬楼梯或从椅子上站起来。在这些条件下股骨头的应力分析可能是未来研究的重要方向，可以基于本研究中构建的模型进行。
结论
本研究表明，在坏死组织附近的硬化性边缘的形成为股骨头提供了有效的机械支撑。该边缘可以保护坏死组织，增强股骨头的结构耐受性和抗变形能力，从而延迟或阻止股骨头的塌陷。这些发现为未来的研究提供了基础，这可能有助于确定股骨头坏死后塌陷的临床预后。