《Journal of Orthopaedic Research》：Initiation of Collapse in Osteonecrosis of the Femoral Head: A Patient-Specific Finite Element Simulation Study
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股骨头坏死（Osteonecrosis of the Femoral Head, ONFH）中的塌陷被认为是由硬化边界区的应力集中引起，但其精确起始部位尚未明确。研究人员旨在利用纳入硬化边界区的患者特异性有限元模型（Finite Element Models,
股骨头坏死（Osteonecrosis of the Femoral Head, ONFH）中的塌陷被认为是由硬化边界区的应力集中引起，但其精确起始部位尚未明确。研究人员旨在利用纳入硬化边界区的患者特异性有限元模型（Finite Element Models, FEMs）确定塌陷的起始部位。研究人员分析了10例C型ONFH患者的10个髋关节，这些患者均有塌陷前（2期）和塌陷后（3期）计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）图像。实际塌陷部位通过塌陷后CT图像确定，若图像不确定，则通过显微CT（micro-Computed Tomography, micro-CT）及随后切除标本的组织病理学检查确定。研究人员根据塌陷前CT扫描构建了包含硬化边界区的患者特异性FEMs。作为对照，研究人员还生成了4个无关节表面硬化改变的股骨头的FEMs。评估了关节表面的等效应力和模拟塌陷起始部位，并与实际塌陷部位进行了比较。在所有10个股骨头中，实际塌陷均发生在外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面。FEMs显示硬化边界处应力集中，且模拟塌陷起始部位与实际塌陷部位一致。相比之下，无硬化改变的股骨头在关节表面未显示应力集中，股骨头表面也未观察到模拟塌陷。总之，ONFH的塌陷起始于外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面，突显了硬化边界区的关键生物力学作用。
**论文解读：股骨头坏死塌陷起始机制的患者特异性有限元模拟研究**
**研究背景与问题**
股骨头坏死（Osteonecrosis of the Femoral Head, ONFH）是导致股骨头塌陷的常见疾病，进而引发髋关节畸形和功能障碍。预防塌陷是关节保留治疗的关键，但塌陷的精确机制尚不明确。既往研究提出，塌陷可能由修复区增厚硬化骨小梁与坏死骨小梁交界处的应力集中所引发；有限元模型（Finite Element Models, FEMs）及组织学分析也支持硬化边界在塌陷中的重要作用。然而，直接识别塌陷前股骨头中的塌陷起始部位尚未实现，因此塌陷的机制尚未完全阐明。本研究旨在利用纳入硬化边界区的患者特异性FEMs，明确ONFH中塌陷的起始部位，为塌陷预防提供生物力学依据。该论文发表于《Journal of Orthopaedic Research》。
**主要关键技术方法**
本研究为回顾性比较研究，纳入2016年1月至2023年12月就诊的10例C型ONFH患者的10个髋关节（均为男性），所有患者均具备塌陷前（2期）和塌陷后（3期）CT图像。实际塌陷部位通过塌陷后CT图像确定；若图像不确定，则结合显微CT（micro-CT）及切除股骨头的组织病理学检查（苏木精-伊红染色）进行确认。患者特异性三维FEMs基于塌陷前CT扫描构建，包含坏死病变及硬化边界区。模型采用内四边体网格（2-4 mm）和外层壳单元（0.4 mm厚度），骨弹性模量根据CT Hounsfield单元值设定，采用Keyak等提出的方程。加载条件模拟髋关节屈曲25°（步态周期中足跟着地相），对股骨远端施加逐步增加的负荷（从0 N起，速率100 N/s），进行非线性分析。壳单元失效（Drucker-Prager等效应力达到屈服应力）视为塌陷。同时纳入4个无关节表面硬化改变的股骨头（包括正常对侧、2期A型、1期C型）作为对照。
**研究结果**
**3.1 实际塌陷部位**
通过塌陷后CT图像、显微CT及组织病理学检查发现，所有10个股骨头（2期C型组）的实际塌陷均位于外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面。在2例体内CT图像不确定的病例中，显微CT和组织学检查确认了同一交界面的软骨下塌陷。
**3.2 关节表面等效应力**
所有10个2期C型股骨头在关节表面的外侧硬化边界处均表现出显著的应力集中，平均等效应力为2.5±0.3 MPa。相比之下，无关节表面硬化改变的4个股骨头在对应区域无应力集中，等效应力值显著较低（0.6±0.2 MPa，p=0.006）。
**3.3 模拟塌陷起始及扩展**
所有10个2期C型FEMs中，模拟塌陷均起始于关节表面外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面，与应力集中部位一致。塌陷起始后，沿界面向前、后扩展，最终导致整个坏死区域的塌陷。无硬化改变的股骨头FEMs未观察到股骨头表面塌陷，例如正常股骨头显示股骨颈区域的壳单元失效。
**3.4 模拟塌陷与实际CT图像比较**
在代表性病例（病例4）及所有10个股骨头中，模拟塌陷起始部位与实际塌陷后CT图像中观察到的塌陷部位一致，均位于外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究首次通过塌陷前患者特异性FEMs证实，ONFH塌陷精确起始于外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面。这一发现与既往组织学和FEM研究一致，表明硬化改变是塌陷启动的先决条件。硬化作为修复反应试图强化坏死病变，但其异质性刚度反而导致局部应力集中并引发结构失效。研究者强调，量化硬化改变的程度和空间分布可能有助于风险分层。本研究的局限性包括回顾性设计、样本量小且均为男性，以及缺乏与非塌陷病例的直接比较。结论部分总结：该模拟研究表明，ONFH塌陷起始于外侧硬化边界与邻近坏死病变的交界面，突显了硬化边界区的关键生物力学作用，为未来塌陷风险评估和预防策略提供了生物力学依据。
