大腿骨頭壊死は応力集中に関連している

機械的、薬剤的、塞栓的、特定の要因など、さまざまな理由により、大腿骨頭内または大腿骨頭周囲の微細領域の機械的特性に変化が生じる可能性があります。変性領域の観点から見ると、それは微視的であり、1 つ以上の場所で同時または連続的に発生します。この微細領域における機械的特性の観点からは、強度が弱まり、剛性が低下する可能性があります。あるいは強度が増して剛性が増す場合もあれば、剛性は増しても強度が弱まる、つまり脆さが増す場合もあります。通常の状況では、損傷を引き起こす外部要因が一時的または短命である場合、骨組織は強力な再生能力により、影響要因が除去された後に自己修復し、肉眼的にも顕微鏡的にも骨組織が正常な構造に戻ることができます。しかし、微細な損傷を引き起こす外的要因が短期間で除去できず、その影響が長期間継続すると、微小領域の機械的性質を良好に変化させることができず、大腿骨頭壊死が生じる可能性があります。

大腿骨頭に作用する力は他の骨組織に作用する力よりも複雑であることがわかっています。さまざまな幾何学的形状と機械的特性を備えた片持ち梁のようなものです。圧縮や曲げ変形に加え、かなりのせん断力も受けます。片足立ち姿勢のみで解析すると、大腿骨頭にかかる力は体重の約2.5倍に相当します（合力の作用線は水平線と78°の角度を形成します）。これは、体重70kgの人が片足で静止しているとき、大腿骨頭にかかる力は175kgであることを意味します。ある微小領域またはいくつかの微小領域の機械的性質が変化すると、その変化が機械的性質を高めるか弱めるかに関係なく、荷重の作用によって応力集中が発生します。応力集中が発生する小さな領域に加わる力は、通常の状況よりも数倍大きくなります。この力は骨組織の支持力をはるかに上回り、骨機能の適応範囲を超える可能性があります。この場合、微視的な損傷が拡大し、それに応じて機械的特性も変化します。時間が経つにつれて、マクロ的な機械的特性に変化が生じます。

同時に、血管床が破壊され、血液循環が阻害されるため、損傷した骨組織の修復と再建の物質的基礎が失われます。病変面積が10％に達すると、医療画像分類では早期大腿骨頭壊死となります。したがって、骨損傷の生体力学の観点からは、大腿骨頭の微視的損傷には複数の原因がある可能性があるが、巨視的損傷、すなわち壊死への進行は応力集中と無関係ではない。