內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨骨性合頁與脛骨平臺(tái)后傾角改變的三維CT模型研究

張海龍 馮華 洪雷 王雪松 張輝 張晉 劉心 薛喆

北京積水潭醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（北京 100035）

膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性對(duì)于競(jìng)技以及娛樂性體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)揮都有著至關(guān)重要的作用，膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定的原因除韌帶損傷外，許多情況下還包含骨性結(jié)構(gòu)畸形和力線異常，最常見的是前交叉韌帶損傷伴發(fā)的內(nèi)側(cè)間室骨性關(guān)節(jié)炎及內(nèi)翻畸形[1，2]。慢性的前交叉韌帶斷裂合并內(nèi)翻畸形會(huì)使后外側(cè)結(jié)構(gòu)受到進(jìn)行性的牽拉并導(dǎo)致松弛，如果只采取單純前交叉韌帶重建的手術(shù)而沒有糾正內(nèi)翻畸形，長(zhǎng)期力線異常會(huì)影響前交叉韌帶重建的效果并導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[3-5]。前交叉韌帶重建結(jié)合內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨治療前交叉韌帶損傷合并膝內(nèi)翻畸形的文獻(xiàn)報(bào)道提示其可以改善膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性并延緩骨性關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展[6，7]。

然而，近些年的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨在矯正內(nèi)翻的同時(shí)常常會(huì)意外造成脛骨平臺(tái)后傾角的增加，導(dǎo)致脛骨前移及前交叉韌帶張力的增加[8-11]。少數(shù)學(xué)者發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)撐開時(shí)合頁軸的方向及內(nèi)翻的矯正程度對(duì)脛骨平臺(tái)后傾角的改變有著重要的影響[12]，然而目前對(duì)影響術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角改變的因素尚缺乏系統(tǒng)的研究。在本課題中，我們利用CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建得到脛腓骨近端模型，并以此模擬脛骨高位截骨。通過對(duì)內(nèi)側(cè)撐開矯正內(nèi)翻這一過程的模擬，研究合頁軸方向與脛骨平臺(tái)后傾角改變之間的定量關(guān)系，以及內(nèi)翻矯正角度對(duì)此關(guān)系的影響。該項(xiàng)研究有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角改變的預(yù)測(cè)，從而為優(yōu)化術(shù)前規(guī)劃、改善膝關(guān)節(jié)功能提供新的理論依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇2016年1月至2016年12月于我單位接受脛骨高位截骨的患者20人，其中男性14人，女性6人?；颊咂骄挲g44.6歲（31～57歲）。獲取患者膝關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建。

1.2 三維模型建立

將膝關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件（Mimics，Materialise Inc，Leuven，Belgium）進(jìn)行三維重建并將重建的脛腓骨近端模型以點(diǎn)云形式導(dǎo)入MatLab軟件（Mat-Lab，the MathWorks，Inc，MA）（圖1）。

圖1 基于CT數(shù)據(jù)重建的脛腓骨近端三維模型及其點(diǎn)云形式

使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法使三維模型置于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下。依據(jù)國(guó)際生物力學(xué)學(xué)會(huì)關(guān)于膝關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的定義，選取脛骨各截面髓腔中心點(diǎn)并連接，即脛骨解剖軸p并設(shè)為垂直軸z，標(biāo)記脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)髁（點(diǎn)M和點(diǎn)L），則通過脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)髁的直線為冠狀軸x，與垂直軸和冠狀軸均垂直的直線記為矢狀軸y。以此三條軸為參照建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，并依據(jù)空間幾何中的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式設(shè)計(jì)算法，使脛骨近端三維模型置于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下。見圖2。

圖2 使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法使脛腓骨近端模型置于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下

1.3 脛骨平臺(tái)內(nèi)翻角及后傾角的測(cè)量

將脛腓骨近端模型分別在冠狀面及矢狀面做投影，得到模擬的前后位片和側(cè)位片，測(cè)量脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)髁的連線與水平線的夾角（即脛骨平臺(tái)內(nèi)翻角a）和脛骨平臺(tái)前后緣的連線與水平線的夾角（即后傾角b）。見圖3。

1.4 模擬內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨

于脛骨內(nèi)側(cè)自脛骨結(jié)節(jié)水平至外側(cè)上脛腓關(guān)節(jié)連線為截骨方向，模擬脛骨高位截骨術(shù)，合頁軸在水平面內(nèi)，在其與矢狀軸夾角c分別為0°及45°情況下，坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)算法抬起近端骨折塊過度矯正內(nèi)翻至外翻3°（圖4）。將矯正后的脛腓骨近端模型分別在冠狀面及矢狀面做投影，得到模擬的前后位片和側(cè)位片，測(cè)量新的脛骨平臺(tái)后傾角并計(jì)算其改變。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包SPSS17.0進(jìn)行分析。對(duì)后傾角改變與內(nèi)翻角矯正之間的關(guān)系使用Pearson相關(guān)分析，對(duì)合頁軸分別指向不同方向術(shù)后后傾角改變之間的比較使用配對(duì)方差分析。當(dāng)P＜0.05時(shí)，結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 脛骨平臺(tái)內(nèi)翻角及后傾角

圖4 內(nèi)翻矯正過程中合頁軸的方向

2 結(jié)果

當(dāng)合頁軸與矢狀軸夾角為0°時(shí)，術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角改變與內(nèi)翻矯正角度無線性相關(guān)（P=0.2，R2=0.17）。當(dāng)合頁軸與矢狀軸夾角分別為15°，30°及45°時(shí)，術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角改變與內(nèi)翻矯正角度均成線性相關(guān)（P=0.00，R2=0.99），回歸方程分別為y=0.23x+0.96；y=0.46x+1.71；y=0.66x+2.36。當(dāng)合頁軸與矢狀軸夾角分別為0°，15°，30°及45°時(shí)，術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角改變隨夾角增加而增加，結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（F=897.65，P=0.00）。見圖5。

圖5 術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角與初始內(nèi)翻角及合頁軸方向的關(guān)系

3 討論

內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)可有效地矯正膝內(nèi)翻畸形，但目前眾多的研究提示其術(shù)后引起的脛骨平臺(tái)后傾角的改變對(duì)膝關(guān)節(jié)矢狀面的生物力學(xué)環(huán)境造成影響[11]。本研究利用膝關(guān)節(jié)CT數(shù)據(jù)建立三維模型，并據(jù)此模擬內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)，通過對(duì)合頁軸方向的控制，研究不同內(nèi)翻矯正角度條件下截骨術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角的改變。研究結(jié)果表明：（1）與標(biāo)準(zhǔn)矢狀位前后方向相比，合頁軸的方向指向前外側(cè)方向會(huì)導(dǎo)致術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角增加；（2）在合頁軸指向前外側(cè)時(shí)，增加內(nèi)翻矯正角度會(huì)導(dǎo)致術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角增加。

內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨矯正膝內(nèi)翻的目的在于矯正下肢力線由通過膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室轉(zhuǎn)移至通過外側(cè)間室，在技術(shù)上多采取過度矯正即通過Fujisawa點(diǎn)或矯正至外翻3°～5°[13]。術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角的改變情況目前缺乏定論，部分學(xué)者認(rèn)為術(shù)后后傾角不變或減小[14]，但多數(shù)報(bào)道提示其存在不同程度的增加[15，16]。為了消除這一負(fù)面效應(yīng)，多項(xiàng)研究分析了造成脛骨平臺(tái)后傾角增加的因素。Noyes及Song等均認(rèn)為脛骨平臺(tái)后傾角的增加與術(shù)中截骨后脛骨前緣與后緣張開程度比值相關(guān)，當(dāng)該比值控制在0.5～0.67范圍內(nèi)可避免脛骨平臺(tái)后傾角的增加[16-18]。Marti等的研究表明截骨時(shí)把脛骨后緣皮質(zhì)完全截?cái)嗫杀苊饷劰瞧脚_(tái)后傾角的增加[8]。Hinterwimmer建議術(shù)中將撐開器及鋼板的位置偏后放置可以減少脛骨平臺(tái)后傾角的增加[19]?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，在術(shù)中采取的改進(jìn)措施均在一定程度上降低了脛骨平臺(tái)后傾角的增加程度，但造成其脛骨平臺(tái)后傾角增加的原因仍不十分明確。

Wang[12]等于2009年提出截骨矯正時(shí)合頁軸的角度是造成后傾角增加的重要因素，當(dāng)脛骨后側(cè)皮質(zhì)被完全截?cái)喽鴥H保留外側(cè)皮質(zhì)作為合頁軸時(shí)，合頁軸的方向指向前后方向，因此內(nèi)側(cè)撐開時(shí)僅在冠狀面內(nèi)翻畸形；當(dāng)后側(cè)皮質(zhì)沒有完全截?cái)鄷r(shí)，合頁軸指向前外側(cè)方向，內(nèi)側(cè)撐開時(shí)會(huì)在矯正冠狀面內(nèi)翻畸形的同時(shí)也引起矢狀面后傾角的改變。Moon等[20]的研究結(jié)果再次提示了合頁軸方向與后傾角改變之間的相關(guān)性。我們的研究采用模擬手術(shù)的方法，系統(tǒng)定量地分析了合頁軸與后傾角之間的關(guān)系，通過對(duì)比不同合頁軸方向條件下矯正內(nèi)翻的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)合頁軸指向前外側(cè)時(shí)，術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角顯著增加。本研究的結(jié)果與上述文獻(xiàn)結(jié)果相一致，進(jìn)一步揭示了合頁軸方向在術(shù)后脛骨平臺(tái)改變中的作用。

初始膝內(nèi)翻角度與術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角之間的關(guān)系目前尚缺乏大宗病例的報(bào)道。少數(shù)小樣本的報(bào)道認(rèn)為二者之間無相關(guān)關(guān)系[20，21]。本研究對(duì)不同合頁軸方向條件下矯正內(nèi)翻的結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)合頁軸指向前后方向（即0°）時(shí)，術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角與初始內(nèi)翻角度無相關(guān)關(guān)系；但當(dāng)合頁軸指向前外側(cè)方向時(shí)，術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角隨內(nèi)翻矯正角度的增加而顯著增加。當(dāng)合頁軸指向前外側(cè)方向，內(nèi)側(cè)撐開時(shí)會(huì)在矯正冠狀面內(nèi)翻畸形的同時(shí)也引起矢狀面后傾角的改變，初始內(nèi)翻角度越大，需要撐開矯正的幅度也越大，因此矢狀面脛骨平臺(tái)后傾角改變也會(huì)相應(yīng)增大。

本研究尚有一些不足之處：（1）本研究樣本量較小，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差；（2）研究中僅考慮了水平截骨，在手術(shù)操作中為增大截骨斷面的橫截面積促進(jìn)骨愈合，截骨平面可能會(huì)與水平面存在一定夾角。該因素在本研究中未予探討。

4 結(jié)論

內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角的變化與截骨矯正過程中合頁軸的方向及內(nèi)翻矯正角度密切相關(guān)，確保合頁軸沿矢狀面前后方向是維持術(shù)后脛骨平臺(tái)后傾角不變的重要方法。