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尽管股骨头坏死有着不同的病因，但是病理学变化大致相同。早期的光镜下病理学改变为红骨髓和脂肪细胞的坏死，继而出现间质水肿。在缺氧发生后的2～3小时会出现骨细胞坏死，其后的24～72小时在病理切片上可见到典型的骨细胞坏死改变。骨小梁坏死后呈现骨细胞陷窝的空虚。当坏死区域的界限明显后坏死周围会产生反应性充血、毛细血管增生的再通。毛细血管再生后包绕侵入坏死区域，显示坏死区域的修复过程启动。这一修复过程包括坏死骨的吸收和新骨形成，其影像学变化即为股骨头坏死区域周围骨的硬化和吸收。在股骨头软骨下区骨小梁的吸收要比再生的速度快，大量的骨吸收最终造成股骨头结构改变，承重作用丧失，导致软骨下骨折和股骨头塌陷。另外，某些与骨代谢性疾病相关的病理变化，例如与骨萎缩相关的骨矿化异常、肾移植后的骨矿化异常等，也可以引起股骨头坏死。