Degeneración del cartílago y densidad ósea subcondral en la cabeza femoral artrósica

REVISTA DE ORTOPEDIA Y TRAUMATOLOGÍA

Volumen 42, pp 168-173

© 1996 EDITORIAL GARSI

Degeneración del cartílago y densidad ósea subcondral
en la cabeza femoral artrósica

P. GUTIÉRREZ CARBONELL*, M. HERRERA LARA**, A. LIZAUR UTRILLA* y P. ALONSO GONZÁLEZ***

*.Servicios de Traumatología y Cirugía Ortopédica. Hospitales de Alicante y Elda. **.Departamento de Anatomía Humana.
Facultad de Medicina de Alicante. ***.Servicio de Radiología. Hospital de Elda. Alicante.

 

Correspondencia:

Dr. P. GUTIÉRREZ CARBONELL.
Paraje Ledua, E-25.
03660 Novelda (Alicante).
En Redacción: Abril de 1997.

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RESUMEN: Se han estudiado 12 cabezas femorales artrósicas de pacientes, con edad media de 64 años, aplicando dos métodos de estudio: a) técnica de tinción para valorar lesiones del cartílago, y b) densidad ósea subcondral: TAC-osteoabsorciometría en plano coronal con cortes de espesor de 2 mm, y posterior digitalización de imágenes con escáner automático, obteniendo isodensidades, con seis niveles distintos de gris, que definían seis isozonas equivalentes a unidades Hounsfield (UH) en la cabeza femoral. En el cartílago la zona menos lesionada fue perifóvea inferior (15%) y la de mayores lesiones la apical (25%). Las menores densidades óseas subcondrales se hallaron en perifóvea inferior (13%) y las mayores en transición fóvea-apical (31,5%) y apical (26%). Hubo correlación estadística entre lesión del cartílago e isodensidades subcondrales en las regiones perifoveales (p < 0,05) y no significativa en región de transición fóvea-apical (r = 0,4) y apical (r = 0,6). Las zonas apical y transición fóvea-apical de la cabeza femoral presentan las mayores lesiones del cartílago y la mayor densidad del hueso subcondral.

PALABRAS CLAVE: Cadera. Artrosis. Cabeza femoral.

CARTILAGE DEGENERATION AND SUBCHONDRAL BONE DENSITY IN THE OSTEOARTHRITIC FEMORAL HEAD

ABSTRACT: Twelve osteoarthritic femoral heads were studied in patients with a mean age of 64 years using two methods: a) staining to evaluate cartilaginous lesions, and b) subchondral bone density: CAT-osteoabsorptiometry in the coronal plane with 2-mm thick slices and image digitalization by an automatic scanner to obtain isodensities. Six different gray scales defined six isozones equivalent to Hounsfield units (HU) in the femoral head. In the cartilage, the best conserved area was the lower perifoveal area (15%) and the most injured area was the apical area (25%). The lowest subchondral bone densities were found in the lower perifoveal area (13%) and the highest in the foveal-apical transition area (31.5%) and apical area (26.4%). A statistically significant correlation was found between cartilage injuries and subchondral densities in the perifoveal regions (p.<.0.05) and a non-significant correlation was found in the foveal-apical transition area (r.=.0.4) and apical area (r.=.0.6). The apical areas and foveal-apical transition areas of the femoral head had the most important cartilage lesions and greatest subchondral bone density.

KEY WORDS: Hip. Osteoarthritis. Femoral head.

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La patogenia de la coxartrosis sigue siendo un tema actualmente en discusión. El inicio de la lesión artrósica se localiza preferentemente en dos áreas: a) la apical, donde se sabe que incide la resultante de carga del cuerpo, y b) la perifoveal superior tanto medial como lateral.^7,10,27,29 Las lesiones en el estadio de fibrilación del cartílago se producen en la región perifoveal inferior,³ pero por causas no del todo aclaradas la lesión en esta localización no alcanza nunca los máximos grados lesionales, en cambio en otras regiones de la cabeza femoral, sobre todo en la región apical, la lesión inicial es más tardía, pero llega a progresar hasta la exposición del hueso subcondral.¹⁹

El inicio de la lesión artrósica, bien en el cartílago articular o bien en el hueso subcondral, es origen de las dos principales teorías patogénicas de la artrosis al apoyar uno u otro extremo.^9,32 Es un hecho comprobado que en pacientes osteoporóticos con hueso subcondral menos rígido o más elástico de lo normal hay menor porcentaje de lesión artrósica (4 al 12%) que en pacientes control (28%).^31,33,34 Por contra, en pacientes con osteopetrosis y una gran rigidez característica del hueso subcondral presentan artrosis avanzadas y precoces.^8,24,31,32 Estudios escintigráficos³² y con elementos finitos³ han demostrado que ante cargas de larga duración es el cartílago el primero en alterarse, pero que ante cargas intensas en tiempos cortos es el hueso subcondral el que primero sufre cambios morfológicos, pudiendo afirmarse que un elevado estrés en el cartílago es subsecuente a un aumento en la rigidez del hueso subcondral.^9,32,36 El objetivo del presente estudio es localizar y valorar macroscópicamente el grado lesional de la superfície del cartílago articular en la cabeza femoral y, por otra parte, obtener una gradación topográfica de la densidad ósea y localización de la afectación del hueso subcondral mediante la aplicación a las imágenes TAC de procedimientos de análisis de imagen. Finalmente se compara la posible correlación entre los patrones de distribución topográfica del cartílago degenerado con las modificaciones de la densidad ósea subcondral.

Material y Método

Se han estudiado 12 cabezas femorales artrósicas procedentes de la exéresis quirúrgica previa a artroplastia total de cadera. La edad media de los pacientes fue de 64 años (mínimo: 58 y máximo: 69 años), siendo siete varones y cinco mujeres. En cada una de ellas fueron aplicados dos métodos de estudio: a) valoración de lesión en la superficie del cartílago articular en cinco grados de degeneración cartilaginosa: Grado 0: normal, liso y nacarado; Grado 1: lesión microfibrilar y superficie no nacarada; Grado 2: fibrilación; Grado 3: fisuración; Grado 4: cartílago adelgazado hasta zona calcificada, y Grado 5: hueso subcondral expuesto;^25,38 estudiados con ayuda de una lupa de 8*(Zeiss-Ikon) y según técnica de tinción con tinta china de la superficie del cartílago y dos o tres lavados con suero fisiológico a presión de la misma,⁴ y b) realización TAC de cada espécimen en el plano coronal o frontal con cortes de espesor de 2 mm desde el centro de la fosita digital o fóvea de la cabeza femoral hacia ambos lados y con los siguientes parámetros: 120 KV, 220 mA, tiempo de 6 segundos y ventana 1800. Se practicó una calibración interna del TAC respecto al aire y previo a cada exploración. Tras obtener las imágenes TAC, y mediante una función no lineal de la consola del aparato, se agruparon las unidades Hounsfield (UH) en zonas de isodensidades obtenidas automáticamente (Fig. 1) (ROI: área de 1 mm²; número de pixels: 200), quedando así delimitados seis niveles distintos de isodensidad del hueso subcondral en cada imagen: nivel 0: menor de 300 UH; nivel 1: 300-599 UH; nivel 2: 600-799 UH; nivel 3: 800-999 UH; nivel 4: 1.000-1.200 UH, y nivel 5: mayor de 1.200 UH. Las imágenes posteriormente fueron digitalizadas con un escáner automático (Scanjet IICX HP) con resolución 300 pixels/pulgada. Mediante un programa personal (Tratante^®) se convirtieron las isodensidades del TAC en zonas de distinto nivel de gris, correlacionadas directamente con las unidades Hounsfield.

Figura 1. Imagen obtenida por digitalización en escáner automático con niveles de densidad expresados en la escala: nivel 5: Mayor de 1.200 UH; nivel 4: 1.000-1.200 UH; nivel 3: 800-999 UH; nivel 2: 600-799 UH, y nivel 1: 300-599 UH.

Los grados de lesión en la superficie del cartílago y los diferentes niveles de densidad reflejados en las isozonas obtenidas en el hueso subcondral (Fig. 2) se expresan en porcentajes respecto del total, considerando la cabeza femoral dividida, por convenio, en cinco zonas o áreas diferentes: perifoveal superior, perifoveal inferior, fóvea, apical o cenital y de transición fóvea-apical³⁵ (Fig. 3).

A

B

Figura 2. A: Topografía de las lesiones en la superficie del cartílago. B: Niveles de densidad por isozonas de la cabeza femoral en proyección frontal.

Figura 3. Zonas de la cabeza femoral. 1: Perifóvea superior. 2: Perifóvea inferior. 3: Fóvea. 4: Apical. 5: Transición fóvea-apical.

Con los datos obtenidos por ambos métodos de estudio se practicó valoración estadística mediante test de Student para valores pareados cuantitativos y estudio de correlación. Se consideraron como diferencias significativas los valores de p < 0,05.

Resultados

Superficie del cartílago (Tabla 1)

Tabla 1. Lesiones superficie del cartílago cabezas femorales (%).
Zonas grado lesional	Perifóvea superior	Perifóvea inferior	Fóvea	Transición fóvea-apical	Apical
Grado 0	6,8	15	Ñ	9,2	5,1
Grado 1	6,8	23	Ñ	0	5,1
Grado 2	19,9	23	Ñ	18	25
Grado 3	26,7	15	Ñ	45	25
Grado 4	19,9	15	Ñ	9,2	15
Grado 5	19,9	7,8	Ñ	18	25
x ± DT	17 ± 3,3	17 ± 2,3	Ñ	17 ± 6,3	17 ± 3

Grado 0: El mayor porcentaje de cartílago sano se encontró en la perifóvea inferior (15%) y el menor en la zona apical (5%).

Grado 1: La zona perifoveal inferior registró lesiones iniciales en un 23% y la apical sólo en un 5%. En la zona de transición foveoapical no se detectó ninguna lesión grado 1.

Grado 2: Se localizaron en la cuarta parte de los casos (25%) en la zona apical, seguida de la perifóvea inferior (23%), la perifóvea superior (20%) y la zona foveoapical (18%).

Grado 3: Se dieron con mayor frecuencia (45%) en la zona foveoapical, perifóvea superior (27%) y zona apical (25%) y en menor medida en la perifóvea inferior (15%).

Grado 4: Las zonas más lesionadas fueron ambas perifóveas: superior (20%) e inferior (15%) y la región apical (15%). La zona de transición foveoapical presentó sólo 9% de lesiones de este grado.

Grado 5: Los mayores porcentajes de lesiones de este grado se localizaron en la zona apical (25%), la perifóvea superior (20%) y la zona foveoapical (18%); la menor frecuencia (7,8%) en la perifóvea inferior.

Niveles de densidad (isodensidades) (Tabla 2)

Tabla 2. Niveles de densidad subcondral (análisis de imagen) (%).
Zonas isodensidades	Perifóvea superior	Perifóvea inferior	Fóvea	Transición fóvea-apical	Apical
Nivel 1	8,7	13	6,4	5,7	4,4
Nivel 2	26	31	37	15,5	22
Nivel 3	26	27	31	21	26
Nivel 4	22	22	19	26	22
Nivel 5	17,5	6,5	6,4	31,5	26
x ± DT	20 ± 2,2	20 ± 4,5	20 ± 6,3	20 ± 4,5	20 ± 4,0

Nivel 1: Las menores densidades subcondrales fueron más frecuentes en la perifóvea inferior (13%) y en la superior (8,7%). En la fóvea hubo un 6,4%; en la zona de transición fóvea-apical, un 5,7%, y el menor porcentaje se obtuvo en la región apical (4,4%).

Nivel 2: Fue el más frecuente en la fóvea (37%) y perifóvea inferior (31%), tras ellos se dieron de mayor a menor frecuencia en la perifóvea superior (26%) y área apical o cenital (22%). El menor porcentaje se observó en la zona de transición fóvea-apical (15,5%).

Nivel 3: Este nivel de densidad del hueso subcondral fue más frecuente en la fóvea (31%) y en la perifóvea inferior (27%). La perifóvea superior y región cenital, ambas con un 26%, y por último la región de transición foveoapical (21%).

Nivel 4: Se observó mayor frecuencia en la zona de transición fóvea-apical (26%). El menor porcentaje se halló en la fóvea (19%).

Nivel 5: Las mayores frecuencias se observaron en la región de transición fóvea-apical (31,5%) y en la zona cenital o ápex de la cabeza femoral (26%). La perifóvea superior presentó este nivel de densidad en un 17,5% y la perifóvea inferior y la fóvea un 6,5 y 6,4%, respectivamente.

Análisis estadístico

En cuanto a los grados de lesión del cartílago hubo diferencias significativas entre perifóvea superior-región apical (r = 0,9, p < 0,05) y región de transición (r = 0,8, p < 0,05). La densidad ósea subcondral tuvo diferencias significativas entre perifóvea superior-región apical (r = 0,8, p < 0,01) y fóvea (r = 0,9, p < 0,05). La correlación por regiones entre grados de lesión del cartílago y niveles de densidad ósea subcondral fue significativa en perifóvea superior (r = 0,9, p = 0,015) y perifóvea inferior (r = 0,8, p = 0,045) y no significativa en región apical (r = 0,6, p = 0,14) y de transición fóvea-apical (r = 0,4, p = 0,25) de la cabeza femoral.

Discusión

El cartílago articular hialino está sometido a fuerzas mecánicas de compresión, tensión y tangenciales o de cizallamiento.^3,9,21,23,29 Estas fuerzas ejercen efectos diferentes en cada una de las diferentes articulaciones, e incluso dentro de una misma articulación se pueden distinguir zonas o regiones con dominancia de uno u otro tipo. En la rótula, en la cara medial, dominan las fuerzas de cizallamiento y en sus caras lateral y central las compresivas.^1,13 En la articulación coxofemoral el cotilo y la cabeza femoral son los componentes cóncavo y convexo, respectivamente, de un sistema mecánico; las fuerzas compresivas se localizarían en los cuadrantes superiores de la cabeza femoral y en el calcar, mientras que las tensiles se sitúan en las porciones laterales superiores y trocantéreas y, por último, las de cizallamiento en las áreas de no carga como en los cuadrantes inferiores y la perifóvea inferior.²⁶ Varios autores^12,28 indican que las lesiones degenerativas, compatibles con el inicio del envejecimiento fisiológico, son de carácter no progresivo y tienen su localización en las áreas articulares no sometidas a carga y en los lugares donde dominan fuerzas de cizallamiento o tensión de pequeña magnitud; es el caso de la cara medial rotuliana y de la región perifoveal inferior de la cabeza femoral, tanto en su aspecto medial como lateral. En cambio, las lesiones artrósicas se producen más tardíamente, son siempre de carácter progresivo, desde la inicial microfibrilación de la superficie del cartilago a la exposición del hueso subcondral, localizándose sistemáticamente en las porciones con mayores fuerzas compresivas como en la cresta central y cara lateral de la rótula¹³ o en toda la zona anterosuperior o apical de la cabeza femoral.^2,13,28,30

Hemos observado que en la superficie del cartílago de la cabeza femoral artrósica el mayor porcentaje de superficie macroscópicamente indemne existe en la perifóvea inferior y el menor en la zona apical. En cambio, las lesiones avanzadas (Grados 4 y 5) se dieron con mayor frecuencia en la perifóvea superior y en la región apical y en menor proporción en la perifóvea inferior. Esta topografía lesional es acorde con lo indicado por varios autores.^20,27 En cuanto a las densidades óseas, nuestros resultados indican que las zonas de menor densidad se localizan sobre todo en la perifóvea inferior y las de mayor en la región de transición fóvea-apical y en la propia región apical. Esto permite afirmar que hay una correlación topográfica entre las lesiones del cartílago y del hueso subcondral en las regiones o cuadrantes superiores y en la región cenital de la cabeza femoral, es decir, es evidente que se produce la correlación entre grados avanzados de lesión del cartílago articular y reacción ósea subcondral subyacente. Ademas parece característico que en todas las zonas examinadas de la cabeza femoral el hueso subcondral presentara siempre densidades más elevadas y de mayor nivel que el grado de lesión macroscópica correspondiente del cartílago suprayacente. Este hecho se podría interpretar como que el aumento de densidad y resistencia del hueso subcondral efectivamente precede a la degeneración artrósica en la superficie del cartílago articular.

Otro dato que no hemos hallado reflejado en la bibliografía es que el hueso subcondral en la región de la fóvea, donde se supone se ejercen fuerzas de tensión o tracción inducidas por el ligamento redondo, presentó en todos los casos densidades medias o altas. Esto evidencia que existen porcentajes elevados de densidad ósea (Tabla 2) e incluso avanzada en el hueso subcondral de una región de la cabeza femoral sin carga alguna.

En la artrosis hay una desestructuración superficial con pérdida de la continuidad de las fibras colágenas superficiales, cambios estructurales en la morfología y actividad celular de los condrocitos, incremento del diámetro de los haces de fibras colágenas, y bioquímicas, con aumento del contenido de agua, disminución de los proteoglicanos y cambios cualitativos de los mismos.^3,4,7,19,37 Parece sustentado en datos experimentales que todo este proceso es precedido de un cambio en la consistencia, resistencia o respuesta mecánica del hueso subcondral.^7,17,18 Apoyarían, por ejemplo, esta idea una mayor y más precoz captación isotópica, ante las cargas mecánicas, en el hueso subcondral que en el cartílago³² o un aumento tanto en el número de vasos como en la remodelación ósea del hueso subcondral previamente a cualquier cambio detectado en el cartílago articular.^3,15,17 Datos clínicos, como el que los huesos osteoporóticos con hueso subcondral menos rígido y de menor densidad ósea aparente, presenten un 41% de lesiones artrósicas o un 13% de presencia de reacción osteofítica, comparados con 53 y 28%, respectivamente, de ambas lesiones en pacientes control no artrósicos,^31,38 o que la osteopetrosis, caracterizada por una mayor rigidez del hueso subcondral, se produzca una osteoartrosis precoz en un 14% de casos, tanto en cadera como en rodilla,^8,24 y sólo se produzca artrosis en un 4,1% de la población normal³¹ hablan de una clara influencia de la rigidez del hueso subcondral en el inicio de la degeneración artrósica.

Estos argumentos clínicos y experimentales indican que el aumento de la rigidez subcondral es lo que condiciona un mayor deterioro y sobrecarga secundaria del cartílago articular.^3,6,9,12. En la literatura se han hallado evidencias de que las mayores fuerzas compresivas en la cabeza femoral se localizan en los cuadrantes superiores, en particular en los anterosuperiores y en las zonas perifoveal superior tanto medial como lateral.^{2,13,14,27,28,35} Es conocido que el hueso subcondral responde a las fuerzas mecánicas de un modo bifásico, adaptando su masa y orientando su trabeculación en respuesta a la magnitud e incidencia de las cargas.^7,9,21 Esta respuesta de adaptación a la función cumpliendo la ley de Wolff produce, asimismo, una remodelación interactiva ósea, induciendo una gradación en la rigidez y densidad trabecular, que es proporcional y además se puede detectar, con una gran sensibilidad, por métodos radiológicos como la TAC.^5,13-16,22 La traducción de estos cambios densitométricos óseos relativos en niveles de densidad óptica mediante métodos de análisis de imagen, desde las radiografías, TAC, ha sido objeto de algún estudio previo en otras articulaciones,^11-14 pero el objetivo de comprobar la posible correlación con las lesiones macroscópicas en la superficie del cartílago no se ha realizado hasta la fecha. En nuestro estudio confirmamos que hubo correlación significativa entre los grados lesionales de la superficie del cartilago en la perifóvea superior, región apical y transición fóvea-apical, es decir, en los cuadrantes superiores de mayor carga o estrés de la cabeza femoral; sucedió algo similar en cuanto a los niveles de densidad ósea subcondral entre la perifóvea superior y la región apical (p < 0,01) y con la fóvea
(p < 0,05), lo cual es congruente con lo expresado en la bibliografía respecto a la existencia de las mayores fuerzas compresivas en la porción anterosuperior de la cabeza femoral.^2,16,26,28 Igualmente se observó correlación significativa entre los grados de lesión del cartílago y los niveles de densidad óptica subcondral en la perifóvea superior y en la inferior (p < 0,05) y elevado coeficiente de correlación, si bien no significativo, en la región apical de la cabeza femoral, lo cual indica una correlación limitada a las zonas donde se concentran los menores y mayores grados de lesión. La menor correlación se obtuvo en la región de transición fóvea-apical. El que la perifóvea superior, zona que presenta los niveles más elevados de densidad óptica subcondral, presente la mayor correlación densidad subcondral-lesión cartílago indicaría una congruencia entre las alteraciones de ambas estructuras.

Conclusiones

1.^a Los mayores grados de lesión del cartílago articular se localizaron en los cuadrantes superiores de la cabeza femoral.

2.^a Las mayores densidades ópticas subcondrales se hallaron en la región de transición fóvea-apical y en perifóvea superior.

3.^a Hubo elevadas correlaciones entre lesión de cartílago y densidad óptica subcondral en perifóvea superior e inferior y región apical.

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