范峥睿; 马剑雄; 赵兴文; 战红旗; 孙磊; 田爱现; 靳洪震; 李岩; 马信龙

doi:10.3760/cma.j.cn112137-20210608-01306

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• 慢性踝关节不稳 •

基于高分辨X线及Micro-CT的距骨内骨小梁空间结构研究

中华医学杂志, 2021,101(37) : 2982-2987. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20210608-01306

摘要

目的

研究距骨体内松质骨的具体走行及结构，以了解力在骨内传递的机制，为距骨骨折的复位及假体的设计提供一定的理论依据。

方法

在2020年1月于天津医院骨科获取20对共40例完整的成人距骨标本进行Micro-CT扫描，分别计算距骨头、颈、体的骨体积分数、骨表面积分数、骨小梁厚度、骨小梁数目、骨小梁间距及骨小梁模式因子，分别对相同侧别不同部位以及相同部位不同侧别的各项参数的差异进行比较；使用硬组织切片机分别在冠状面、矢状面及水平面将距骨切成2 mm厚的薄骨片，随后使用高分辨X线依次对切片进行扫描，对骨内结构进行观察描述。

结果

距骨内外侧及左右侧骨小梁骨体积分数、骨表面积分数、骨小梁厚度、骨小梁数目、骨小梁间距及骨小梁模式因子比较差异均无统计学意义（均P>0.05）。其中距骨头、颈及体部骨小梁数目分别为（1.608±0.150）、（1.639±0.142）、（1.749±0.159）个；距骨头、颈及体部骨小梁间距（μm）分别为0.378±0.054、0.370±0.053、0.331±0.062；距骨头、颈及体部骨小梁模式因子（mm^-1）分别为-0.407±0.699、-0.478±0.848、-1.029±0.851；距骨头、颈分别与距骨体小梁在骨小梁数目、骨小梁间距及骨小梁模式因子方面差异均有统计学意义（均P<0.05）。冠状面、矢状面、水平面观察发现距骨体小梁结构由前后走行的相互平行垂直排列的板状小梁组成，距骨颈小梁为外上到内下扭转的网状骨板结构，呈后向前走行，距骨头部小梁由类似平行排列的半弧形外上内下走行的小梁构成。

结论

距骨内骨小梁具有明显的方向性、功能性，故骨折后应达到解剖复位标准；同时，关节内距骨假体的设计需对假体在行走、站立状态下的应力分布及方向做充分考虑。

引用本文: 范峥睿, 马剑雄, 赵兴文, 等. 基于高分辨X线及Micro-CT的距骨内骨小梁空间结构研究 [J] . 中华医学杂志, 2021, 101(37) : 2982-2987. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20210608-01306.

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众所周知，骨骼结构与功能的相互依存是解剖生物学的基本规律之一。自19世纪以来，骨小梁的结构和功能一直是被重点研究的对象。虽然近年来研究人员对髋关节和膝关节的骨小梁结构进行了较多研究，但对踝关节骨小梁相关报道较少。距骨作为连接小腿与足部的力学枢纽，其独特的解剖结构起着至关重要的作用^{［1, 2］}。然而对于距骨内部小梁结构的相关研究仍较少且争议较大。1867年，Meyer等首次对足部骨小梁模式进行研究，Thompson D′Arcy等在其工作基础上构建出足部的应力走向^［3］。Singh^［4］及Pal^［5］均首次尝试对距骨体部的骨小梁结构模式进行了相关研究。Sinha^［6］认为距骨体内部骨小梁并无Jones^［7］描述的拱形排列的压力板状小梁（一组从滑车表面到跟骨后小关节，另一组从滑车表面到颈部）。以上研究对骨小梁结构的描述缺乏一致性，且未将骨小梁模式与距骨在各项运动如站立、行走时所受到的机械应力相联系，无法解释距骨内部骨小梁在力学传导中所起的作用。本研究通过高分辨X线与Micro-CT深入研究距骨松质骨的内部结构，探究其力学功能及骨内结构与力学传导机制的关联性，讨论距骨骨折与骨内应力方向改变的机制，为踝关节内假体的设计和开发及骨折后复位标准提供一定理论支持。

对象与方法

一、一般资料

临床观察性研究。本研究在2020年1月于天津医院骨科研究所获取的20对共40侧完整的成人距骨标本作为研究对象，标本年龄在36~53岁。所选距骨标本形态正常，无任何先天畸形、疾病、骨质疏松及骨赘。本研究符合《赫尔辛基宣言》对伦理的一般要求。

二、研究方法

为研究距骨内骨小梁结构，使用硬组织切片机（德国艾卡特公司E300CP型）分别在冠状面、矢状面及水平面将距骨切成2 mm厚的薄骨片，随后使用超高分辨X线成像系统（美国Faxitron公司）对切片进行扫描，扫描电压10~100 kV，电流0.3 mA（图1），对所得冠状位、矢状位及水平位X线片距骨头、颈、体小梁走行、疏密、结构进行大体描述。在进行组织切片前，对全部距骨使用德国Siemens公司Inveon^TM系统的Micro-CT机器进行扫描并三维重建，扫描电压80 kV，电流500 μA，扫描分辨率为36.12 μm（中分辨率），分别计算距骨头、颈、体的骨体积分数（BV/TV，%）、骨表面积分数（BS/BV，mm^-1）、骨小梁厚度（Tb.Th，μm）、骨小梁数目（Tb.N，mm^-1）、骨小梁间距（Tb.Sp，μm）及骨小梁模式因子（TPF，mm^-1），分别对相同侧别不同部位以及相同部位不同侧别的各项参数的差异进行比较（图2）。

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图1

距骨标本不同侧别切片示意图　A：水平面；B：矢状面；C：冠状面

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图1

距骨标本不同侧别切片示意图　A：水平面；B：矢状面；C：冠状面

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图2

距骨在Micro-CT扫描中感兴趣区域选择示意图　A：头、颈、体骨小梁的感兴趣区域选择（矢状面）；B：头部骨小梁感兴趣区域选择（冠状面）；C：颈部骨小梁感兴趣区域选择（冠状面）；D：体部骨小梁感兴趣区域选择（冠状面）；B、C、D中左侧为距骨内侧，右侧为距骨外侧

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图2

三、统计学方法

采用SPSS 17.0软件进行统计学分析。使用夏皮罗-威尔克检验对所有数据进行正态性检验。符合正态分布的数据以 $\bar{x} \pm s$ 表示，依据以下不同条件进行统计分析。应用单因素方差分析对同一距骨内距骨头、颈及体部的不同部位骨小梁的BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp及TPF进行比较；应用配对t检验对于来源于一个标本的内外侧及一具标本的左右侧距骨的相同部位的五项参数进行相互比较。双侧检验，取α=0.05。

结果

一、距骨小梁形态学参数（Micro-CT）

同一距骨的相同解剖部位的内外侧小梁比较发现，在距骨头、颈、体的内外侧小梁的BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp及TPF差异均无统计学意义（均P>0.05）（表1）。在成对距骨的小梁分析中，成对距骨的头、颈、体的左右侧距骨骨小梁的BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp及TPF差异亦均无统计学意义（均P>0.05）（表2）。对距骨头、颈、体部小梁的BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp及TPF进行相互比较发现，距骨头、颈、体部小梁间的BV/TV、Tb.Th差异均无统计学意义（均P>0.05）；而距骨头与颈的Tb.N、Tb.Sp及TPF差异虽无统计学意义（均P>0.05），但距骨头、颈分别与距骨体小梁在Tb.N、Tb.Sp及TPF方面差异均有统计学意义（均P<0.05）（表3）。

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表1

距骨头、颈、体内外侧各指标比较结果（ $\bar{x} \pm s$ ，n=20）

表1

距骨头、颈、体内外侧各指标比较结果（ $\bar{x} \pm s$ ，n=20）

侧别	BV/TV（%）	Tb.Th（μm）	Tb.N（mm^-1）	Tb.Sp（μm）	TPF（mm^-1）
头内侧	0.394±0.053	0.246±0.031	1.607±0.158	0.381±0.057	-0.341±0.712
头外侧	0.402±0.051	0.251±0.032	1.608±0.147	0.375±0.052	-0.468±0.708
t值	-0.404	-0.405	-0.020	0.290	0.465
P值	0.690	0.689	0.984	0.774	0.646
颈内侧	0.403±0.054	0.247±0.033	1.641±0.143	0.367±0.053	-0.541±0.842
颈外侧	0.395±0.053	0.242±0.030	1.637±0.147	0.374±0.055	-0.410±0.884
t值	0.434	0.417	0.079	-0.329	-0.395
P值	0.668	0.680	0.938	0.745	0.696
体内侧	0.406±0.062	0.236±0.034	1.723±0.177	0.350±0.065	-0.507±0.969
体外侧	0.447±0.080	0.253±0.047	1.771±0.145	0.315±0.055	-1.149±1.029
t值	-1.453	-1.064	-0.765	1.491	1.630
P值	0.159	0.298	0.452	0.149	0.116

注：BV/TV为骨体积分数；Tb.Th为骨小梁厚度；Tb.N为骨小梁数目；Tb.Sp为骨小梁间距；TPF为骨小梁模式因子

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表2

成对距骨头、颈、体左右侧各指标比较结果（ $\bar{x} \pm s$ ，n=20）

表2

成对距骨头、颈、体左右侧各指标比较结果（ $\bar{x} \pm s$ ，n=20）

侧别	BV/TV（%）	Tb.Th（μm）	Tb.N（mm^-1）	Tb.Sp（μm）	TPF（mm^-1）
头左侧	0.407±0.060	0.247±0.032	1.653±0.172	0.364±0.063	-0.578±0.722
头右侧	0.389±0.047	0.241±0.028	1.615±0.126	0.381±0.050	-0.276±0.782
t值	0.820	0.479	0.607	-0.739	-0.958
P值	0.421	0.637	0.550	0.468	0.349
颈左侧	0.411±0.059	0.244±0.033	1.688±0.147	0.352±0.054	-0.715±0.863
颈右侧	0.388±0.052	0.236±0.028	1.642±0.134	0.376±0.057	-0.304±0.956
t值	0.409	0.612	0.787	-1.027	-1.079
P值	0.334	0.547	0.440	0.316	0.293
体左侧	0.424±0.093	0.239±0.054	1.777±0.150	0.327±0.063	-0.911±1.173
体右侧	0.436±0.069	0.245±0.035	1.778±0.166	0.322±0.068	-0.916±1.099
t值	-0.352	-0.304	-0.008	0.169	0.011
P值	0.729	0.764	0.994	0.867	0.991

注：BV/TV为骨体积分数；Tb.Th为骨小梁厚度；Tb.N为骨小梁数目；Tb.Sp为骨小梁间距；TPF为骨小梁模式因子

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表3

距骨头、颈、体骨小梁各指标相互比较结果（ $\bar{x} \pm s$ ，n=20）

表3

距骨头、颈、体骨小梁各指标相互比较结果（ $\bar{x} \pm s$ ，n=20）

侧别	BV/TV（%）	Tb.Th（μm）	Tb.N（mm^-1）	Tb.Sp（μm）	TPF（mm^-1）
头侧	0.399±0.051	0.248±0.031	1.608±0.150	0.378±0.054	-0.407±0.699
颈侧	0.399±0.052	0.244±0.031	1.639±0.142	0.370±0.053	-0.478±0.848
体侧	0.428±0.074	0.245±0.041	1.749±0.159^ab	0.331±0.062^ab	-1.029±0.851^ab
F值	2.047	0.119	6.378	5.255	4.756
P值	0.136	0.888	0.003	0.007	0.011

注：BV/TV为骨体积分数；Tb.Th为骨小梁厚度；Tb.N为骨小梁数目；Tb.Sp为骨小梁间距；TPF为骨小梁模式因子；与头侧相比，^aP<0.05；与颈侧相比，^bP<0.05

二、松质骨小梁形态分布特点（X线）

在距骨上部的水平面切片中，距骨切面中部骨小梁主要沿距骨的长轴前后方向排列延伸，同时两侧小梁垂直起始于胫距及腓距关节面，向中部延长轴汇聚，体部小梁排列较颈部较为致密。在颈部区域小梁逐渐变得稀疏且较体部小梁更粗；在头部，小梁方向发生偏转，似板状重叠排列。在水平面切片中部，骨小梁头体密颈疏的特点越发明显，且头体部小梁交织密集，颈部虽较疏松，但颈中部连接头体的小梁明显较距骨颈沿皮质周围的小梁更粗密。在下部，距骨体部小梁呈网格状相互交织，无明显走向；颈部小梁较上中部更为稀疏，使得颈中部小梁粗密程度更为明显，头部小梁与上中部一样保持板状密集，如图3。

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图3

距骨水平面切片X线检查骨小梁特点　A、B：距骨水平面上1/3骨小梁切片X线片示距骨体中部致密骨小梁与内外侧关节面发出小梁汇聚经颈向头部延伸；C、D：距骨水平面中1/3骨小梁切片X线片示骨小梁呈现头体密颈疏的特点，但颈中部较周围骨小梁更密更粗；E、F：距骨水平面下1/3骨小梁切片X线片示骨小梁方向性逐渐消失，关节面附近小梁密集

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图3

从距骨的矢状面切片发现距骨体部小梁呈板状连接，且成片的板状小梁上均有不均匀排布的椭圆形开窗孔。由内向外侧的距骨颈切片显示距骨颈上部小梁较下方靠近跗骨体及跗骨窦部位的小梁更致密，且上方皮质下方出现多层增厚的板状骨结构。经过距骨颈部位的小梁至头颈交界处分为两部分，一部分沿距骨长轴向前小梁平行走行垂直于距舟关节面，为头部小梁的垂直支；另一部分向下平行走行垂直于距跟小关节面，为头部小梁的水平支，如图4。

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图4

距骨矢状面切片X线检查骨小梁特点　A、B：距骨矢状面内1/3骨小梁切片X线片示距骨内侧颈部骨小梁疏松无方向性，头部小梁垂直关节面分布；C、D：距骨矢状面中1/3骨小梁切片X线片示距骨体骨小梁呈板状分布，颈上方出现多层板状骨结构；E、F：距骨矢状面外1/3骨小梁切片X线片示体部板状骨小梁向内前走行

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图4

在距骨头部，小梁交织成网状构成较厚的、平行的半拱形板状小梁结构。这些半拱形板状小梁主要分为垂直支和水平支。垂直支主要占据距骨头部下内侧，位于距跟中、前小关节的上方，水平支则占据头部大部分区域且向距舟关节面垂直走行。两支小梁均向距骨颈部小梁延续并汇合。同时，垂直支与水平支彼此连续，垂直支从距跟前、中关节面垂直向上发出，随后向前转换为水平支的一部分。在距骨颈部，小梁数量逐渐稀疏，大部分小梁并无明显的方向性，仅相互交织呈不规则网状结构，仅有少量中心部小梁由半拱形走行逐渐由背侧向跖侧的垂直走行转变。在距骨体部，小梁相互平行排列并由滑车关节面至距跟关节面走行，如图5。

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图5

距骨冠状面切片X线检查骨小梁特点　A、B：距骨冠状面前1/3骨小梁切片X线片示距骨头骨小梁呈半拱形分布；C、D：距骨冠状面中1/3骨小梁切片X线片示距骨颈骨小梁呈稀疏交织的网状结构；E、F：距骨冠状面后1/3骨小梁切片X线片示距骨体骨小梁呈上下走行平行垂直分布

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图5

三、皮质骨形态分布特点（X线）

从不同解剖位切片发现，形成距骨最外层的皮质在不同区域的厚度不尽相同。其中在关节面及重要韧带起止点处的皮质较厚，如（1）距跟后关节；（2）内、外踝关节；（3）距骨颈周围；（4）骨间韧带和三角韧带的附着点。同时在增厚区皮质表面下，小梁均垂直于皮质呈海绵状结构分布，如图3C~E、图4D~F、图5E、F所示。

讨论

研究表明骨小梁走行与结构和骨内机械应力的位置与方向关系密切^{［8, 9］}。本研究发现距跟前、后关节面、内外侧踝关节面、滑车关节面、距舟关节面处、距骨颈周围以及韧带附着处皮质明显增厚，此类区域所受应力均较为集中。此外，距骨颈背侧及跖侧分别受到向下传递的压力及地面的反作用力，形成距骨颈的压力侧和张力侧；而骨内小梁较为稀疏，承受复杂应力能力较弱，故距骨颈上部、外侧及下部皮质明显增厚，便于承受背侧及跖侧的应力。

与Pal^［5］和Singh^［4］研究结论不同，本研究发现距骨体主要由滑车至距跟关节面方向垂直排列且前向后平行排列走行的三部分板状小梁组成；距骨体中部小梁起始于滑车关节后缘沿距骨体长轴平行向前走行，内侧和外侧前部的骨小梁分别由内踝及外踝关节面垂直平行发出后，小梁走行逐渐沿距骨体长轴向前偏转，最终汇入中部小梁平行向距骨颈方向走行。而外踝后部垂直发出的小梁则与距骨体中部后方的小梁垂直交叉汇合。虽然矢状面切片示颈部小梁较为稀疏且无明显走行，但在冠状面及水平面切片中，颈部主体骨小梁由体部上下垂直平行走行向头部的半拱形走行逐渐过渡，主体骨小梁周围由粗大无规则的小梁网将主体与颈部皮质相连接，头部为水平支和垂直支共同构成的半拱形的小梁结构。Pal^［5］发现距骨滑车关节面所受应力大小向下成比例传递至距跟关节及距舟关节，表明距骨内骨小梁的结构排布可以明显改变骨内应力的方向，即应力从滑车经过后，一部分向下传递至距跟关节面，另一部分向前传递至距舟关节面。因此，根据骨小梁起点、方向和分布，笔者认为滑车表面前内侧、后内侧的前部、前外侧部分所受的力主要指向头部前方，来自后内侧的后部及后外侧部分的力主要向下指向距跟关节。

骨骼的功能与内在骨小梁结构相适应^［10］。距骨骨小梁结构主要取决于足部在静止站立及复杂的步行周期时的受力情况^［11］。正常站立状态下，由胫腓骨向下传递至距骨的应力：（1）经滑车关节后部向下传递至距跟后关节；（2）经滑车关节向前下通过距骨颈进入距骨头后，一部分向下进入距跟前、中关节，剩余则向前传递至距舟关节后沿内侧纵弓传导^［12］。步态周期初期，应力主要通过滑车后部向下方距跟后关节传递。中期负荷主要垂直向下传递至后、中、前距跟关节面。距跟后关节面的应力经距骨体内相互平行的垂直板状骨小梁向下传导，前中距跟关节面的应力传导从距骨体前部的垂直骨板经距骨颈特殊的网状小梁结构改变应力传导的方向后，向头部半拱形小梁的水平支传递。后期为了抵抗弯曲应力并将来自体部的应力向前传递，距骨头部的水平支小梁以水平板状形式排列，应力通过前下部分传递^［13］。

Micro-CT扫描发现距骨头、颈、体内外侧骨小梁BV/TV、Tb.Th、Tb.N、Tb.Sp以及TPF等参数并无差异，故将头、颈、体内外侧小梁作为整体计算分析，发现距骨左右侧的相同部位小梁呈对称分布，无明显差异。相较于头、颈骨小梁，体部骨小梁以板状小梁为主，小梁数量更多、间距更小、排布更为致密，连续性更好，头颈骨小梁以杆状骨小梁为主。然而本研究仍有一定的局限性：由于标本获取较为困难，标本数量仍较少；年龄分组不全面，无法研究骨内结构与年龄的相关性。

本研究首次通过高分辨X线及Micro-CT对距骨的内部结构研究，发现距骨体主要由内中外三部分板状小梁构成，承担主要压力；在颈部，颈部特殊的网状小梁结构起到改变受力传导方向的作用；头部的两支骨小梁则有助于在分担部分距跟后关节的应力的同时将应力向前传递至舟骨乃至足的内侧纵弓。距骨体骨小梁相较于颈部及头部的骨小梁数目更多，间距更小，且板状小梁的比例更高。距骨头颈体不同结构的骨小梁相互协作，完成静止站立及步态周期时胫腓骨向足部的力学传导工作。因此，笔者认为在矫正距骨骨折时，由于距骨内骨小梁方向性、功能性较为明显，骨折后各部位应尽可能地达到解剖复位的标准；同时，在针对关节内距骨假体的开发时，需对假体在踝部行走、站立不同状态下的受力状况及方向做充分考虑。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突

参考文献

[1]

LeeC, BrodkeD, PerduePW, et al. Talus fractures: evaluation and treatment[J]. J Am Acad Orthop Surg, 2020, 28(20):e878-e887. DOI: 10.5435/JAAOS-D-20-00116.

[2]

SripanichY, DekeyserG, SteadmanJ, et al. Limitations of accessibility of the talar dome with different open surgical approaches[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2021, 29(4):1304-1317. DOI: 10.1007/s00167-020-06113-2.

[3]

TakechiH, ItoS, TakadaT, et al. Trabecular architecture of the ankle joint [J]. Anatomia Clinica, 1982, 4(3): 227-233. DOI:10.1007/BF01798892.

[4]

SinghI. The architecture of cancellous bone[J]. J Anat, 1978, 127(Pt 2):305-310.

[5]

PalGP. The architecture of cancellous bone in relation to compression stress[J]. Nuovi Annali Digiene E Microbiologia, 1990, 6(4): 265-269.

[6]

SinhaDN. Cancellous structure of tarsal bones[J]. J Anat, 1985, 140 (Pt 1):111-117.

[7]

JonesFW. Buchanan′s manual of anatomy[J]. Ulster Med J, 1950, 19(1): 41.

[8]

FrostHM. Wolff′s Law and bone′s structural adaptations to mechanical usage: an overview for clinicians[J]. Angle Orthod, 1994, 64(3):175-188. DOI: 2.0.CO;2">10.1043/0003-3219(1994)064<0175:WLABSA>2.0.CO;2.

[9]

MullenderMG, HuiskesR. Proposal for the regulatory mechanism of Wolff′s law[J]. J Orthop Res, 1995, 13(4):503-512. DOI: 10.1002/jor.1100130405.

[10]

KapandjiAI. The physiology of the joints/lower limb[M]. London: Churchill Livingstone, 1988: 180-202.

[11]

ZelikKE, HonertEC. Ankle and foot power in gait analysis: implications for science, technology and clinical assessment[J]. J Biomech, 2018, 75:1-12. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2018.04.017.

[12]

TowersJD, DeibleCT, GollaSK. Foot and ankle biomechanics[J]. Semin Musculoskelet Radiol, 2003, 7(1):67-74. DOI: 10.1055/s-2003-41086.

[13]

ErdemirA, HamelAJ, FauthAR, et al. Dynamic loading of the plantar aponeurosis in walking[J]. J Bone Joint Surg Am, 2004, 86(3):546-552. DOI: 10.2106/00004623-200403000-00013.

贡献者信息

范峥睿