引用本文： 祝晓忠, 梅炯, 倪明, 贾光耀, 刘时伟, 戴亚辉, 张英琪. 股骨近端骨小梁结构的大体解剖和影像重建分析. 中国修复重建外科杂志, 2019, 33(10): 1254-1259. doi: 10.7507/1002-1892.201904128 复制
股骨是人体最长最主要的承重骨之一，其长度约为身高的 1/4。股骨近端连接骨盆与股骨干，具有非常独特的解剖特征和重要的生理功能。作为连接躯干和下肢的骨性结构，股骨近端承受着人体垂直向下的应力和髋关节活动产生的剪切力的双重作用，股骨近端骨折一直是临床治疗难点。正确理解股骨近端的解剖和生物力学特征，有助于对其损伤进行合理的治疗。
国际内固定研究协会（AO/ASIF）将小转子下缘以上平面的骨组织定义为股骨近端，主要包括股骨头、股骨颈、股骨大小转子和骨小梁等结构[1]。骨小梁是股骨近端骨皮质在松质骨内的延伸，按照其所在位置可分为主压力小梁、主张力小梁、次压力小梁、次张力小梁和大转子小梁 5 组[2]。骨小梁是股骨近端的主要承重结构，了解其形态特征对于预防和治疗股骨近端骨折具有重要意义。影像学或断层解剖学研究可以对骨小梁的某一层面进行观察，但不能对其立体空间上的连续性进行观察[3-4]。对骨骼进行 CT 或 micro-CT 扫描，并借助 Mimics 等医学图像处理软件，可以重建出股骨近端的三维影像；但由于骨小梁的 CT 灰度值与松质骨非常接近，三维影像难以将两者有效区分[5-6]，因此难以重建出骨小梁真实的空间构型。
手工刮除是一种非常传统而且简单的方法，可用于对硬度不同的组织进行分离并保留最终结构。人类的双手有着非常精密的“手感”，即皮肤、肌肉及神经组成的触觉与力反馈系统，是机器所无法比拟的。Hammer[5]曾通过手工刮除松质骨的方法研究股骨近端和股骨距的解剖特征。本研究拟通过手工刮除的方法去除股骨近端较脆弱的松质骨，保留硬度较大的皮质骨和骨小梁等结构。在此基础上，通过建立骨小梁的三维影像模型，对骨小梁的空间形态和骨小梁与股骨近端主要解剖标志的关系进行定量分析，从而为理解骨小梁的结构与力学功能、股骨近端骨折机制和治疗方法提供参考。
1 材料与方法
1.1 标本来源
选取 6 具成人干燥股骨标本，年龄 58～71 岁，平均 66 岁；由同济大学医学院解剖教研室提供。肉眼检查骨结构无异常，摄 X 线片排除内部肿瘤等病变后，在小转子下方约 10 cm 处截断。将股骨近端标本行 micro-CT 扫描，图像以 DICOM 格式保存。见图 1a。
图1
标本 X 线片和 micro-CT 扫描图像
a. 完整股骨近端标本；b. 骨小梁标本
Figure1. X-ray films and micro-CT scans of specimensa. Complete proximal femur specimen; b. Trabecular bone specimen
1.2 手工刮除法制备股骨近端骨小梁标本
用砂纸打磨股骨近端标本表面，再用骨锉、骨刀及咬骨钳去除所有表面皮质骨。显露松质骨后，用刮匙以执笔势刮除疏松松质骨。为保证手工刮除过程中能提供相对均衡的力量，由同一名实验者采用执笔势握持头部较钝的刮匙，用相同的力量操作，每持续用力 5 min 后休息 10 min，这样可较好地感知骨质的硬度。当采用同等力量不能刮除后，留下的所有骨结构即为骨小梁和股骨距。对骨小梁的空间形态进行大体观察。
将骨小梁标本摄 X 线片后，去除远端部分皮质行 micro-CT 扫描。CT 型号为 eXplore Locus User Guide（通用电气公司，美国），在 eXplore Locus 的基础上采用 cone-beam 平板探测器技术，旋转 1 圈可对整个扫描样品全部体积成像。该系统可对直径大至 70 mm 的单个或多个标本同时成像，一次采集最长长度为 100 mm，分辨率<8 μm。CT 图像以 DICOM 格式保存。见图 1b。
1.3 含有骨小梁的股骨近端三维数字模型建立
将完整股骨近端和骨小梁的 CT 图像导入 Mimics18.0 软件（Materialise 公司，比利时）。以标准的成人骨质阈值（CT 值 213～2 938 Hu）为“蒙板”（Masks）范围，选择分割菜单中的“从蒙板计算 3D 结构”（Calculate 3D from Masks），采用“高质量”（High Quality）计算方法，重建出股骨近端和骨小梁三维模型，以 STL 格式保存。利用股骨距的空间位置进行配准，建立含有骨小梁的股骨近端三维模型。具体步骤如下：① 在骨小梁模型的股骨距表面选择 3 个标志点；② 在完整股骨模型的股骨距表面相同位置选择 3 个标志点；③ 利用 Mimics18.0 软件的自动配准功能，以标志点进行模型配准；④ 肉眼下检查配准情况，如果轻微误差可手动调节，如果误差较大则重新寻找标志点二次配准，直到满意为止。见图 2。
图2
含有骨小梁的股骨近端三维数字模型
a. 前视图；b. 侧视图；c. 后视图
Figure2. Three-dimensional digital model of proximal femur with bone trabeculara. Anterior view; b. Lateral view; c. Posterior view
1.4 模型测量及分析
① 在三维图像融合的基础上，观察骨小梁的空间形态，以及骨小梁与股骨近端骨面和相关解剖标志的关系。② 记录 6 具标本三维数字模型中，骨小梁沿股骨颈长轴方向在矢状面、冠状面和横截面上与股骨头骨面以及大、小转子等骨结构的平均距离。以骨小梁在股骨头融合区的中心位置为圆心，沿股骨颈长轴和垂直方向作直线，测量直线上骨小梁到骨面的距离。由于垂直骨小梁与股骨颈内侧骨皮质融合为一体，所以主要对水平骨小梁与骨面的距离进行测量。③ 测量水平骨小梁和垂直骨小梁的空间夹角，即两组骨小梁的长轴在冠状面上投影的夹角。见图 3。
图3
骨小梁与股骨近端骨面的距离及水平和垂直骨小梁夹角的测量示意图
a. 冠状面；b. 矢状面；c. 骨小梁夹角
Figure3. Distance of trabecula system to proximal femoral surface and angle of horizontal and vertical trabeculara. Coronal plane; b. Sagittal plane; c. Angle of trabeculae
2 结果
2.1 股骨近端骨小梁空间形态
骨小梁按其所在位置可分为水平骨小梁和垂直骨小梁。水平骨小梁为张力骨小梁，起自股骨大转子下缘骨面，沿股骨颈前倾角向前上内方走行，与股骨颈前上方骨皮质融合后向股骨头延伸，最终从股骨头前上方进入，终止于股骨头内下方。在股骨头内，水平骨小梁与股骨距发出的垂直骨小梁交叉。骨质较致密的标本中，水平骨小梁与外侧壁中点在矢状面上有较薄的致密小梁连接，且前侧转子间线的皮质骨也发出骨小梁汇入水平骨小梁。对于骨质疏松的标本，水平骨小梁向前、向上、向内与股骨颈前上方骨皮质相融合，融合点多在骨质较坚强的前侧转子间线的前方，即水平骨小梁穿过转子间线后，前侧再与股骨颈前上方骨皮质融合。垂直骨小梁（压力骨小梁）起自小转子下缘及股骨距内上部，发出后呈近似圆锥状放射向股骨头内上方走行。垂直骨小梁与水平骨小梁在股骨颈没有交集，在股骨头中心区交叉融合。见图 4。
图4
骨小梁三维空间形态
a. 大体标本前后观；b. 三维数字模型
Figure4. Three-dimensional morphology of trabecula systema. Anterior and posterior gross views of specimen; b. Three-dimensional digital model
2.2 骨小梁与骨面的距离及不同骨小梁的夹角
水平骨小梁走行过程中与股骨大转子骨面距离较远，为 17.3～26.8 mm，平均 22.66 mm。在股骨颈范围，其走行于股骨颈后侧，部分与股骨颈皮质融合。在股骨头内，水平骨小梁与垂直骨小梁融合为一类球体，其到股骨头骨面的距离在不同截面有所不同：在矢状面，其与股骨头骨面的距离为 6.3～7.2 mm，平均 6.88 mm；在冠状面，其与股骨头后侧骨面距离较小，部分与骨面融合，与前内侧距离较大，为 5.8～7.6 mm，平均 6.32 mm；在横截面，与股骨头骨面的距离为 5.6～6.3 mm，平均 6.30 mm。垂直骨小梁在股骨颈水平与股骨颈内侧皮质融合并向上走行，在股骨头内与水平骨小梁斜向交叉。水平骨小梁与垂直骨小梁的夹角为 129～150°，平均 140.67°。
3 讨论
3.1 骨小梁的构型与 Wolff 定律
关于骨小梁空间构型的形成原因及其与股骨近端稳定的关系，很多研究者从多种角度进行解释，其中最经典的是 Wolff 定律。Wolff 定律由德国医学博士 Wolff 在 1892 年提出，他认为骨骼的形态与其所担负的功能一致，骨骼具有适应功能需要的能力。Meyer（1867）、Roux 等（1881）提出 Trajectorial 系统理论，即当外力作用于有弹力的机体时，机体内部可产生两个主要方向的应力，在其中一个方向上产生最大压应力，另一个方向上产生最大张应力。股骨近端是解释这一理论的最好案例。Tobin（1995）总结前人研究后指出，在股骨近端有两个主要的骨小梁模式：第一部分是从内侧部分发出的向上延伸到头部的压力组；第二部分为拉力组，从外侧部分发出，向内上方走行，止于股骨颈的上部和股骨头的前部，两个系统呈直角相交[2]。这一理论后来被影像学检查及解剖学研究验证，逐渐形成了股骨近端内部骨小梁分为主压力骨小梁、主拉（张）力骨小梁、次压力骨小梁及次拉力骨小梁等结构。Dixon[7]认为，股骨近端外部的隆起结构（大小转子）是髋部肌肉附着处，实际的承重结构为股骨干管型骨质向股骨头颈内的延伸部分。
3.2 骨小梁与股骨颈骨折
骨质疏松可以导致股骨近端的生物力学性能明显下降。各种原因导致的骨小梁数量和质量下降、力学强度降低，都会形成骨质疏松症，股骨近端的生物力学结构和性能下降。当作用于股骨近端的外力超过骨结构所能承受的极限达到屈服点时，会发生骨折，最常见的为股骨颈骨折。由于骨组织抗张应力能力较弱，故骨折多发生在承受张应力最大的部位，即股骨颈外上头颈交界处[8]，这与本实验结果是一致的。本研究发现，水平骨小梁主要从股骨头前上方进入，垂直骨小梁从下方进入稍偏后，两者构成椭圆形长轴，处于短轴上的后上方骨质极其薄弱，是最先发生骨折的部位。而在股骨颈下方，垂直骨小梁起自股骨距上端，其与股骨距连接的部位强度相对薄弱。在股骨颈骨折时，股骨头向后上方倾倒，垂直骨小梁与股骨距交界处发生断裂。由于股骨颈骨折时，下肢多处于屈曲外旋位，垂直骨小梁受到外旋和剪切力的双重作用，其与股骨距连接处常发生粉碎性骨折或缺损。这与股骨颈骨折的 CT 影像学特征是一致的[9]。
随着医学影像和数字技术的进步，股骨近端骨质分布与骨折发生关系的研究得到较多关注。Poole 等[10]对高龄女性股骨颈骨折患者进行髋部 CT 扫描，利用图像处理软件建立皮质骨的厚度分布云图发现，所有股骨近端在头颈交界区上方均有一明显的骨质薄弱区，该区域的位置与股骨颈骨折部位高度一致。Johannesdottir 等[11]对 400 余例老年人股骨颈 CT 图像进行测量后发现，股骨颈中段骨皮质的分布存在差别，上方骨皮质的厚度明显小于下方，男性差别更为显著；研究认为股骨颈上方的骨皮质，即水平骨小梁，是抵御股骨颈骨折的重要因素。
平行螺钉固定是治疗股骨颈骨折最常用的手术方法，螺钉位置对骨折愈合有重要影响。Lindequist[12]对 87 例股骨颈骨折采用 2 枚螺钉固定并随访，发现将近端螺钉置于股骨颈后上方和远端螺钉偏下放置有利于骨折愈合。这与我们的观察结果是一致的，从股骨近端三维数字模型看，水平骨小梁在股骨头颈的位置略偏后上方。目前股骨颈骨折多采用 3 枚螺钉倒三角固定，需尽量将 1 枚固定于股骨颈横截面后上方，以实现最大固定稳定。
3.3 骨小梁与股骨转子间骨折
作为股骨近端最主要的承重结构，骨小梁对股骨转子间骨折治疗的稳定性起至关重要的作用。传统观点认为，包含小转子的后内侧骨折块，即垂直骨小梁，是决定股骨转子间骨折稳定性的关键因素，恢复后内侧骨皮质相互砥着是转子间骨折手术治疗的首要目标[13]。但后内侧骨块位置较深，复位固定较为困难。张世民教授提出了一种新的复位理念——内侧皮质正性支撑复位[14]。在不稳定型股骨转子间骨折的治疗中，由于闭合手法复位和 C 臂 X 线机透视的影像分辨率不高，术中很难获得真正的解剖复位，此时可将头颈骨块内侧皮质复位至股骨干内侧皮质的内上方 1～2 mm 位置（髓外对位）。术后在肌肉收缩和承重的情况下，头颈骨折块沿拉力螺钉（螺旋刀片）的轴向滑动，与股骨干皮质密切接触，获得皮质支撑而达到二次稳定。该端-侧皮质接触的正性复位方法，理论上可以重建股骨近端的内侧支撑，但与端-端皮质接触的解剖复位相比，是否具有更好的生物力学稳定性，尚需要进一步研究。
水平骨小梁的正常强度不仅有助于防止股骨颈骨折，对股骨转子间骨折治疗的稳定性也有重要影响。马信龙等[15]对股骨近端骨小梁的生物力学特征进行研究，发现水平骨小梁具有明显的各向异性，在股骨颈部位主要承受张应力，Ward 三角区主要承受压应力，靠近内侧在主压力方向是承受压应力，在主张力方向承受张应力。股骨转子间骨折在采用动力髋螺钉等具有滑动加压功能的材料固定时，包含水平骨小梁的大转子骨折块对股骨头颈具有侧方支撑作用，即外侧壁的支撑效应[16]。从解剖上看，外侧壁指股外侧肌嵴起点以下至小转子中点平面的股骨近端外侧皮质，即拉力骨小梁的起点部分[17-18]。完整的外侧壁可以支撑股骨头颈骨块，对抗股骨干内移、防止头颈骨块的旋转、内翻以及螺钉后退。因此，外侧壁完整与否对于股骨转子间骨折内固定的稳定性起着关键作用，其意义甚至可能超过尖顶距。
3.4 本研究的临床指导意义
骨小梁是预防股骨颈骨折和股骨转子间骨折治疗的重要支撑结构。老年人骨质疏松，骨小梁强度会相应下降。日常行走时，人体质量会导致应力集中于股骨头颈交界处，可能导致骨小梁疲劳性骨折。除了加强教育和锻炼身体以及服用防止骨质疏松药物外，减少股骨头负荷是预防股骨颈骨折最有效的方法。对于老年人，持杖行走可以降低股骨头颈应力，应大力提倡。
作者贡献：祝晓忠、梅炯负责科研方案设计、论文修改；倪明、贾光耀、刘时伟负责科研实施、标本实验、数据整理、论文撰写；戴亚辉、张英琪负责医学图像处理。
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。课题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：研究方案经同济大学附属同济医院（上海市同济医院）医学伦理委员会批准［（同）伦审 K-2014-023 号）］。
股骨是人体最长最主要的承重骨之一，其长度约为身高的 1/4。股骨近端连接骨盆与股骨干，具有非常独特的解剖特征和重要的生理功能。作为连接躯干和下肢的骨性结构，股骨近端承受着人体垂直向下的应力和髋关节活动产生的剪切力的双重作用，股骨近端骨折一直是临床治疗难点。正确理解股骨近端的解剖和生物力学特征，有助于对其损伤进行合理的治疗。
国际内固定研究协会（AO/ASIF）将小转子下缘以上平面的骨组织定义为股骨近端，主要包括股骨头、股骨颈、股骨大小转子和骨小梁等结构[1]。骨小梁是股骨近端骨皮质在松质骨内的延伸，按照其所在位置可分为主压力小梁、主张力小梁、次压力小梁、次张力小梁和大转子小梁 5 组[2]。骨小梁是股骨近端的主要承重结构，了解其形态特征对于预防和治疗股骨近端骨折具有重要意义。影像学或断层解剖学研究可以对骨小梁的某一层面进行观察，但不能对其立体空间上的连续性进行观察[3-4]。对骨骼进行 CT 或 micro-CT 扫描，并借助 Mimics 等医学图像处理软件，可以重建出股骨近端的三维影像；但由于骨小梁的 CT 灰度值与松质骨非常接近，三维影像难以将两者有效区分[5-6]，因此难以重建出骨小梁真实的空间构型。
手工刮除是一种非常传统而且简单的方法，可用于对硬度不同的组织进行分离并保留最终结构。人类的双手有着非常精密的“手感”，即皮肤、肌肉及神经组成的触觉与力反馈系统，是机器所无法比拟的。Hammer[5]曾通过手工刮除松质骨的方法研究股骨近端和股骨距的解剖特征。本研究拟通过手工刮除的方法去除股骨近端较脆弱的松质骨，保留硬度较大的皮质骨和骨小梁等结构。在此基础上，通过建立骨小梁的三维影像模型，对骨小梁的空间形态和骨小梁与股骨近端主要解剖标志的关系进行定量分析，从而为理解骨小梁的结构与力学功能、股骨近端骨折机制和治疗方法提供参考。
1 材料与方法
1.1 标本来源
选取 6 具成人干燥股骨标本，年龄 58～71 岁，平均 66 岁；由同济大学医学院解剖教研室提供。肉眼检查骨结构无异常，摄 X 线片排除内部肿瘤等病变后，在小转子下方约 10 cm 处截断。将股骨近端标本行 micro-CT 扫描，图像以 DICOM 格式保存。见图 1a。
图1
标本 X 线片和 micro-CT 扫描图像
a. 完整股骨近端标本；b. 骨小梁标本
Figure1. X-ray films and micro-CT scans of specimensa. Complete proximal femur specimen; b. Trabecular bone specimen
1.2 手工刮除法制备股骨近端骨小梁标本
用砂纸打磨股骨近端标本表面，再用骨锉、骨刀及咬骨钳去除所有表面皮质骨。显露松质骨后，用刮匙以执笔势刮除疏松松质骨。为保证手工刮除过程中能提供相对均衡的力量，由同一名实验者采用执笔势握持头部较钝的刮匙，用相同的力量操作，每持续用力 5 min 后休息 10 min，这样可较好地感知骨质的硬度。当采用同等力量不能刮除后，留下的所有骨结构即为骨小梁和股骨距。对骨小梁的空间形态进行大体观察。
将骨小梁标本摄 X 线片后，去除远端部分皮质行 micro-CT 扫描。CT 型号为 eXplore Locus User Guide（通用电气公司，美国），在 eXplore Locus 的基础上采用 cone-beam 平板探测器技术，旋转 1 圈可对整个扫描样品全部体积成像。该系统可对直径大至 70 mm 的单个或多个标本同时成像，一次采集最长长度为 100 mm，分辨率<8 μm。CT 图像以 DICOM 格式保存。见图 1b。
1.3 含有骨小梁的股骨近端三维数字模型建立
将完整股骨近端和骨小梁的 CT 图像导入 Mimics18.0 软件（Materialise 公司，比利时）。以标准的成人骨质阈值（CT 值 213～2 938 Hu）为“蒙板”（Masks）范围，选择分割菜单中的“从蒙板计算 3D 结构”（Calculate 3D from Masks），采用“高质量”（High Quality）计算方法，重建出股骨近端和骨小梁三维模型，以 STL 格式保存。利用股骨距的空间位置进行配准，建立含有骨小梁的股骨近端三维模型。具体步骤如下：① 在骨小梁模型的股骨距表面选择 3 个标志点；② 在完整股骨模型的股骨距表面相同位置选择 3 个标志点；③ 利用 Mimics18.0 软件的自动配准功能，以标志点进行模型配准；④ 肉眼下检查配准情况，如果轻微误差可手动调节，如果误差较大则重新寻找标志点二次配准，直到满意为止。见图 2。
图2
含有骨小梁的股骨近端三维数字模型
a. 前视图；b. 侧视图；c. 后视图
Figure2. Three-dimensional digital model of proximal femur with bone trabeculara. Anterior view; b. Lateral view; c. Posterior view
1.4 模型测量及分析
① 在三维图像融合的基础上，观察骨小梁的空间形态，以及骨小梁与股骨近端骨面和相关解剖标志的关系。② 记录 6 具标本三维数字模型中，骨小梁沿股骨颈长轴方向在矢状面、冠状面和横截面上与股骨头骨面以及大、小转子等骨结构的平均距离。以骨小梁在股骨头融合区的中心位置为圆心，沿股骨颈长轴和垂直方向作直线，测量直线上骨小梁到骨面的距离。由于垂直骨小梁与股骨颈内侧骨皮质融合为一体，所以主要对水平骨小梁与骨面的距离进行测量。③ 测量水平骨小梁和垂直骨小梁的空间夹角，即两组骨小梁的长轴在冠状面上投影的夹角。见图 3。
图3
骨小梁与股骨近端骨面的距离及水平和垂直骨小梁夹角的测量示意图
a. 冠状面；b. 矢状面；c. 骨小梁夹角
Figure3. Distance of trabecula system to proximal femoral surface and angle of horizontal and vertical trabeculara. Coronal plane; b. Sagittal plane; c. Angle of trabeculae
2 结果
2.1 股骨近端骨小梁空间形态
骨小梁按其所在位置可分为水平骨小梁和垂直骨小梁。水平骨小梁为张力骨小梁，起自股骨大转子下缘骨面，沿股骨颈前倾角向前上内方走行，与股骨颈前上方骨皮质融合后向股骨头延伸，最终从股骨头前上方进入，终止于股骨头内下方。在股骨头内，水平骨小梁与股骨距发出的垂直骨小梁交叉。骨质较致密的标本中，水平骨小梁与外侧壁中点在矢状面上有较薄的致密小梁连接，且前侧转子间线的皮质骨也发出骨小梁汇入水平骨小梁。对于骨质疏松的标本，水平骨小梁向前、向上、向内与股骨颈前上方骨皮质相融合，融合点多在骨质较坚强的前侧转子间线的前方，即水平骨小梁穿过转子间线后，前侧再与股骨颈前上方骨皮质融合。垂直骨小梁（压力骨小梁）起自小转子下缘及股骨距内上部，发出后呈近似圆锥状放射向股骨头内上方走行。垂直骨小梁与水平骨小梁在股骨颈没有交集，在股骨头中心区交叉融合。见图 4。
图4
骨小梁三维空间形态
a. 大体标本前后观；b. 三维数字模型
Figure4. Three-dimensional morphology of trabecula systema. Anterior and posterior gross views of specimen; b. Three-dimensional digital model
2.2 骨小梁与骨面的距离及不同骨小梁的夹角
水平骨小梁走行过程中与股骨大转子骨面距离较远，为 17.3～26.8 mm，平均 22.66 mm。在股骨颈范围，其走行于股骨颈后侧，部分与股骨颈皮质融合。在股骨头内，水平骨小梁与垂直骨小梁融合为一类球体，其到股骨头骨面的距离在不同截面有所不同：在矢状面，其与股骨头骨面的距离为 6.3～7.2 mm，平均 6.88 mm；在冠状面，其与股骨头后侧骨面距离较小，部分与骨面融合，与前内侧距离较大，为 5.8～7.6 mm，平均 6.32 mm；在横截面，与股骨头骨面的距离为 5.6～6.3 mm，平均 6.30 mm。垂直骨小梁在股骨颈水平与股骨颈内侧皮质融合并向上走行，在股骨头内与水平骨小梁斜向交叉。水平骨小梁与垂直骨小梁的夹角为 129～150°，平均 140.67°。
3 讨论
3.1 骨小梁的构型与 Wolff 定律
关于骨小梁空间构型的形成原因及其与股骨近端稳定的关系，很多研究者从多种角度进行解释，其中最经典的是 Wolff 定律。Wolff 定律由德国医学博士 Wolff 在 1892 年提出，他认为骨骼的形态与其所担负的功能一致，骨骼具有适应功能需要的能力。Meyer（1867）、Roux 等（1881）提出 Trajectorial 系统理论，即当外力作用于有弹力的机体时，机体内部可产生两个主要方向的应力，在其中一个方向上产生最大压应力，另一个方向上产生最大张应力。股骨近端是解释这一理论的最好案例。Tobin（1995）总结前人研究后指出，在股骨近端有两个主要的骨小梁模式：第一部分是从内侧部分发出的向上延伸到头部的压力组；第二部分为拉力组，从外侧部分发出，向内上方走行，止于股骨颈的上部和股骨头的前部，两个系统呈直角相交[2]。这一理论后来被影像学检查及解剖学研究验证，逐渐形成了股骨近端内部骨小梁分为主压力骨小梁、主拉（张）力骨小梁、次压力骨小梁及次拉力骨小梁等结构。Dixon[7]认为，股骨近端外部的隆起结构（大小转子）是髋部肌肉附着处，实际的承重结构为股骨干管型骨质向股骨头颈内的延伸部分。
3.2 骨小梁与股骨颈骨折
骨质疏松可以导致股骨近端的生物力学性能明显下降。各种原因导致的骨小梁数量和质量下降、力学强度降低，都会形成骨质疏松症，股骨近端的生物力学结构和性能下降。当作用于股骨近端的外力超过骨结构所能承受的极限达到屈服点时，会发生骨折，最常见的为股骨颈骨折。由于骨组织抗张应力能力较弱，故骨折多发生在承受张应力最大的部位，即股骨颈外上头颈交界处[8]，这与本实验结果是一致的。本研究发现，水平骨小梁主要从股骨头前上方进入，垂直骨小梁从下方进入稍偏后，两者构成椭圆形长轴，处于短轴上的后上方骨质极其薄弱，是最先发生骨折的部位。而在股骨颈下方，垂直骨小梁起自股骨距上端，其与股骨距连接的部位强度相对薄弱。在股骨颈骨折时，股骨头向后上方倾倒，垂直骨小梁与股骨距交界处发生断裂。由于股骨颈骨折时，下肢多处于屈曲外旋位，垂直骨小梁受到外旋和剪切力的双重作用，其与股骨距连接处常发生粉碎性骨折或缺损。这与股骨颈骨折的 CT 影像学特征是一致的[9]。
随着医学影像和数字技术的进步，股骨近端骨质分布与骨折发生关系的研究得到较多关注。Poole 等[10]对高龄女性股骨颈骨折患者进行髋部 CT 扫描，利用图像处理软件建立皮质骨的厚度分布云图发现，所有股骨近端在头颈交界区上方均有一明显的骨质薄弱区，该区域的位置与股骨颈骨折部位高度一致。Johannesdottir 等[11]对 400 余例老年人股骨颈 CT 图像进行测量后发现，股骨颈中段骨皮质的分布存在差别，上方骨皮质的厚度明显小于下方，男性差别更为显著；研究认为股骨颈上方的骨皮质，即水平骨小梁，是抵御股骨颈骨折的重要因素。
平行螺钉固定是治疗股骨颈骨折最常用的手术方法，螺钉位置对骨折愈合有重要影响。Lindequist[12]对 87 例股骨颈骨折采用 2 枚螺钉固定并随访，发现将近端螺钉置于股骨颈后上方和远端螺钉偏下放置有利于骨折愈合。这与我们的观察结果是一致的，从股骨近端三维数字模型看，水平骨小梁在股骨头颈的位置略偏后上方。目前股骨颈骨折多采用 3 枚螺钉倒三角固定，需尽量将 1 枚固定于股骨颈横截面后上方，以实现最大固定稳定。
3.3 骨小梁与股骨转子间骨折
作为股骨近端最主要的承重结构，骨小梁对股骨转子间骨折治疗的稳定性起至关重要的作用。传统观点认为，包含小转子的后内侧骨折块，即垂直骨小梁，是决定股骨转子间骨折稳定性的关键因素，恢复后内侧骨皮质相互砥着是转子间骨折手术治疗的首要目标[13]。但后内侧骨块位置较深，复位固定较为困难。张世民教授提出了一种新的复位理念——内侧皮质正性支撑复位[14]。在不稳定型股骨转子间骨折的治疗中，由于闭合手法复位和 C 臂 X 线机透视的影像分辨率不高，术中很难获得真正的解剖复位，此时可将头颈骨块内侧皮质复位至股骨干内侧皮质的内上方 1～2 mm 位置（髓外对位）。术后在肌肉收缩和承重的情况下，头颈骨折块沿拉力螺钉（螺旋刀片）的轴向滑动，与股骨干皮质密切接触，获得皮质支撑而达到二次稳定。该端-侧皮质接触的正性复位方法，理论上可以重建股骨近端的内侧支撑，但与端-端皮质接触的解剖复位相比，是否具有更好的生物力学稳定性，尚需要进一步研究。
水平骨小梁的正常强度不仅有助于防止股骨颈骨折，对股骨转子间骨折治疗的稳定性也有重要影响。马信龙等[15]对股骨近端骨小梁的生物力学特征进行研究，发现水平骨小梁具有明显的各向异性，在股骨颈部位主要承受张应力，Ward 三角区主要承受压应力，靠近内侧在主压力方向是承受压应力，在主张力方向承受张应力。股骨转子间骨折在采用动力髋螺钉等具有滑动加压功能的材料固定时，包含水平骨小梁的大转子骨折块对股骨头颈具有侧方支撑作用，即外侧壁的支撑效应[16]。从解剖上看，外侧壁指股外侧肌嵴起点以下至小转子中点平面的股骨近端外侧皮质，即拉力骨小梁的起点部分[17-18]。完整的外侧壁可以支撑股骨头颈骨块，对抗股骨干内移、防止头颈骨块的旋转、内翻以及螺钉后退。因此，外侧壁完整与否对于股骨转子间骨折内固定的稳定性起着关键作用，其意义甚至可能超过尖顶距。
3.4 本研究的临床指导意义
骨小梁是预防股骨颈骨折和股骨转子间骨折治疗的重要支撑结构。老年人骨质疏松，骨小梁强度会相应下降。日常行走时，人体质量会导致应力集中于股骨头颈交界处，可能导致骨小梁疲劳性骨折。除了加强教育和锻炼身体以及服用防止骨质疏松药物外，减少股骨头负荷是预防股骨颈骨折最有效的方法。对于老年人，持杖行走可以降低股骨头颈应力，应大力提倡。
作者贡献：祝晓忠、梅炯负责科研方案设计、论文修改；倪明、贾光耀、刘时伟负责科研实施、标本实验、数据整理、论文撰写；戴亚辉、张英琪负责医学图像处理。
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。课题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：研究方案经同济大学附属同济医院（上海市同济医院）医学伦理委员会批准［（同）伦审 K-2014-023 号）］。
