基于CT三維重建測量膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者股骨遠段前偏角的初步研究

柯松，王敏，徐源，宋鑫，呂明銳，劉嬌

(中國人民解放軍陸軍軍醫(yī)大學第二附屬醫(yī)院骨科，重慶 400037)

全膝關節(jié)置換術(total knee arthroplasty，TKA)是治療各類膝關節(jié)炎終末階段最有效的術式之一[1]。假體位置的安放準確對于TKA效果及遠期假體生存率至關重要[2-3]。我們觀察到股骨遠段解剖軸線和股骨機械軸線在矢狀面成一定角度[4]，解剖軸線相對機械軸線前傾。這兩條線分別為人工膝關節(jié)股骨髁假體定位的兩個參考線，即股骨遠段解剖軸線是傳統(tǒng)TKA股骨遠端矢狀面截骨參考線，通過髓內(nèi)桿定位實現(xiàn)；而股骨機械軸線則是計算機導航輔助TKA(computer-assisted surgery in total knee arthroplasty，CAS)及3D打印個性化截骨導板輔助TKA(Patient-specific instrumentation development in TKA，PSI)確定矢狀位股骨遠端截骨方向的參考線，通過計算機軟件設計實現(xiàn)。該角度目前尚無統(tǒng)一認識，為方便研究，我們且定義該角為股骨遠段前偏角(distal femoral sagittal anterior angle，DFSAA)。理論上，如果DFSAA過大，參考股骨遠段解剖軸線的傳統(tǒng)TKA安裝的股骨部件位置將和參考股骨機械軸線的CAS-TKA或PSI-TKA安裝位置在矢狀面上產(chǎn)生較大的差距。在判斷股骨前偏角度是否影響股骨髁部假體位置等問題之前，需要了解DFSAA的基本規(guī)律。本研究收集131例擬行關節(jié)置換的膝骨關節(jié)炎患者，對上述DFSAA進行初步研究分析，報告如下。

1 資料與方法

1.1 對象 收集2017年1月至2018年1月間在重慶新橋醫(yī)院骨關節(jié)外科就診，按照2016年美國骨科醫(yī)師協(xié)會(American academy of orthopaedic surgeons，AAOS)《膝關節(jié)骨關節(jié)炎循證醫(yī)學指南》(第2版)[5]標準診斷為雙膝骨關節(jié)炎患者131例。男25例，女106例，年齡49～84歲，平均(66.2±8.0)歲。納入標準：Kellgren-Lawrence分級為Ⅳ級，膝骨關節(jié)炎擬行全膝關節(jié)置換患者。排除標準：a)嚴重膝關節(jié)內(nèi)外翻畸形(>15°)，其他明顯關節(jié)外畸形；b)嚴重骨缺損和骨贅；c)骨腫瘤及骨折病史；d)類風濕性關節(jié)炎、痛風性關節(jié)炎等炎性關節(jié)疾病。

1.2 方法 攝片及測量方法：患者常規(guī)做雙膝站立位關節(jié)X線片，除外嚴重畸形、骨缺損等情況。并行64排CT雙下肢薄層平掃，層厚0.625 mm，掃描范圍從髂前上棘到跟骨下緣。體位：雙腿自然并攏中立位，髕骨朝上。獲得雙下肢骨骼CT掃描數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)以DICOM3.0格式存儲于計算機中。使用Mimics 17.0軟件，將CT-DICOM數(shù)據(jù)導入軟件，對股骨進行三維重建，獲得股骨的3D圖像。在Creo2.0矢狀位圖像中建立圓柱模擬股骨髓內(nèi)導向桿，模擬髓內(nèi)導向桿的中心軸線即為股骨遠段解剖軸線a；從股骨頭中心到模擬髓內(nèi)導向桿開髓口中心即為股骨機械軸線b。兩條軸線遠端位點相交于股骨髁間窩穹窿頂偏內(nèi)位置點c(見圖1)。兩線夾角由軟件自動測出并記錄。為保證測量的準確性，對每個股骨樣本測量3次，每次由不同的工程師測量，得到的數(shù)據(jù)結果誤差在±0.15°范圍內(nèi)，顯示通過該軟件測量結果具有高度的可靠性。術后常規(guī)攝手術側膝關節(jié)正側位片，我們定義在側位片上股骨遠段前方皮質(zhì)與假體連續(xù)部出現(xiàn)骨質(zhì)缺損為股骨形成切跡(notch)。記錄發(fā)生notch的例數(shù)。

注：a線為股骨遠段解剖軸線；b線為股骨機械軸線；c為矢狀位a線和b線的交點。

圖1 股骨遠段前偏角示意圖

1.3 統(tǒng)計學方法 所有數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行分析。首先對數(shù)據(jù)進行Kolmogorov-Smirnov檢驗評價是否遵循正態(tài)分布。對正態(tài)分布數(shù)據(jù)采用t檢驗。對非正太分布數(shù)據(jù)采用非參數(shù)秩和檢驗。對率的比較采用χ2檢驗。檢驗水準α=0.05。

2 結 果

本組131例患者均為雙側膝骨關節(jié)炎患者，共獲得262個股骨3D影像并有效測量，其中DFSAA度數(shù)最小為0.05°，最大5.74°，平均(2.51±1.50)°。有50%的患者DFSAA小于2.23°，另外50%患者則在2.23°～5.74°之間。男性DFSAA最小值為0.05°，最大值為5.64°，平均為(2.58±1.59)°；女性DFSAA最小值為0.19°，最大值為5.74°，平均為(2.50±1.49)°；男性女性組間比較，差異無統(tǒng)計學意義(P=0.389)；每個患者的左右DFSAA并不一致，最小的相差0.01°，最大的相差3.08°，平均為1.0397°，90%患者相差在2°以內(nèi)。

131例患者中患側DFSAA超過3°有49例，0°～3°之間的有82例；其中超過3°發(fā)生notch9例；0°～3°之間發(fā)生notch4例。DFSAA超過3°的notch發(fā)生率為18.37%；0°～3° notch的發(fā)生率為4.88%；使用四格表χ2檢驗，P=0.028。

3 討 論

正確的下肢力線和良好的假體位置是全膝關節(jié)置換術后功能恢復及假體長期生存的重要前提[6]。股骨髁部假體位置安放準確的前提是股骨遠端截骨在冠狀面和矢狀面均垂直于股骨機械軸線。假體要放置正確，術前需了解股骨干在冠狀面和矢狀面的解剖形態(tài)[7]。國內(nèi)外關于股骨冠狀面解剖形態(tài)的相關研究較多，這些研究發(fā)現(xiàn)膝骨關節(jié)炎患者股骨遠端在冠狀面上存在向外的側弓。普遍認為股骨近端解剖軸線(proximal femoral anatomical axis，PFA)與遠端解剖軸線(distal femoral anatomical axis，DFA)在冠狀面的夾角為股骨側弓角(lateral femoral bowing angle，LFBA)；并且認為LFBA會影響股骨外翻角(femoral valgus angle，F(xiàn)VA)，進而影響股骨遠端外翻截骨[8-11]。

而目前對股骨遠段矢狀面前弓規(guī)律的研究相對較少。Tang等[12]較早地研究了股骨矢狀面前弓形態(tài)，他們的研究以近段、中段、遠段的曲率半徑表示股骨前弓程度，認為遠段較近段和中段屈曲程度更大。Lu等[13]的研究也表明遠段1/3較股骨其他部位弧度更明顯，曲率為16.33×10-4m-1，并且認為股骨遠端1/3的前弓形態(tài)對假體安放位置更有意義。在近些年的研究中，普遍定義PFA與DFA在矢狀面的夾角為股骨前弓角(sagittal femoral bowing angle，SFBA)，以SFBA表示股骨前弓程度[12，14-18]。Bao等[7]的研究中，定義股骨矢狀面遠段解剖軸線(distal anatomical axis，DAA)與矢狀面機械軸線(sagittal mechanical axis，SMA)的夾角為SMADAA，實則與本文研究的DFSAA為同一角度。他的研究表明SMADAA與SFBA具有顯著相關性，因此DFSAA可以反映股骨遠段前弓程度，且相較于以往的曲率、曲率半徑、SFBA等指標，我們認為DFSAA具有更好的臨床參考意義。

理由如下：a)構成DFSAA的兩條軸線分別為人工膝關節(jié)股骨髁假體定位的兩個參考線，即股骨遠段解剖軸線是傳統(tǒng)TKA股骨遠端矢狀面截骨參考線，通過髓內(nèi)桿定位實現(xiàn)；而股骨機械軸線則是CAS-TKA及PSI-TKA確定矢狀位股骨遠端截骨方向的參考線，通過計算機軟件設計實現(xiàn)。如按相應的參考線截骨則會產(chǎn)生較大的偏差(見圖2)，股骨遠端截骨平面顯然不一致。箭頭1代表股骨機械軸線為參考截出的平面，箭頭2代表股骨遠段解剖軸線為參考截出的平面，后者比較前者明顯前傾。所以當DFSAA較大時，參考股骨機械軸線截骨有可能發(fā)生股骨前方皮質(zhì)出現(xiàn)切跡(notch)(見圖3)。有研究認為該切跡將增加假體安放后股骨髁上骨折的風險[18-19]。b)對于參考股骨遠段解剖軸線的傳統(tǒng)TKA來說，也存在notch風險。例如使用長髓內(nèi)定位桿，或開髓點開口較大時則會出現(xiàn)定位桿尾端上移。上移的過程可以認為是髓內(nèi)定位桿自動糾正股骨遠段的前弓。如果按照此時的定位桿定位截骨，則會導致股骨前髁形成notch(見圖4)。所以在傳統(tǒng)TKA中，如果術前測得DFSAA較大時，宜采用短髓內(nèi)桿，避免插入超過股骨遠段1/3。且開髓口應剛剛合適定位桿通過，防止桿尾端傾斜。雖然會出現(xiàn)術后假體矢狀面位置屈曲，但有研究表明屈曲角度介于±10°之間對于功能恢復無顯著影響[20]。

本組膝骨關節(jié)炎患者的股骨DFSAA平均值為(2.51±1.50)°，最大最小差值達到5.69°，提示在個體間有高度差異性。當DFSAA超過3°時，notch的發(fā)生率明顯增高。孫云波等[20]的研究也表明股骨前側皮質(zhì)notch的發(fā)生以及切跡深度與股骨遠端屈曲角度具有相關性。因此我們建議行全膝關節(jié)置換術前應了解患側股骨矢狀面前弓程度。隨著計算機導航技術及3D打印技術的快速發(fā)展，CAS及PSI越來越多地應用在TKA。不論是CAS還是PSI輔助TKA均較傳統(tǒng)TKA更易獲得精確的截骨及假體安放位置[21]。CAS需要在術中由導航系統(tǒng)確認股骨機械軸線；PSI需要術前依據(jù)3D股骨模型的機械軸線設計個體化截骨導板。對于DFSAA超過3°的患者，不建議參考股骨機械軸線行遠端截骨，建議參考股骨遠段解剖軸線(圖2a線)，但應注意選擇短髓內(nèi)定位桿或髓內(nèi)定位桿插入深度不超過股骨遠段1/3；而小于3°DFSAA的患者，建議參考股骨機械軸線(圖2b線)，以獲得更精確股骨側假體安放位置。

注：箭頭1為參考下肢力線做出的股骨遠端截骨面，箭頭2為參考解剖力線做的截面

圖2 參照股骨遠段解剖軸線和機械軸線做股骨遠端截骨出現(xiàn)不同截骨面

圖3 股骨髁前方截骨出現(xiàn)notch

圖4 股骨遠段前弓對髓內(nèi)定位的影響

本組資料顯示男性患者和女性患者的DFSAA沒有顯著性差異。該結果和我們預期的不一樣，可能和男性的樣本數(shù)有關。同一患者左、右股骨DFSAA并不一樣，本研究顯示相差最大的有3°，原因不清，這可能足以影響股骨遠段截骨參考線的選擇，術前應該慎重。

了解DFSAA的基本規(guī)律，對于術前預判股骨遠端截骨參考軸線、術中分析可疑notch形成原因并行相應調(diào)整有重要參考意義。因此我們做了初步的研究及討論。既往研究股骨干各段曲率、SFBA等指標都是以X線投射獲得的測量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)較容易受到投射角度的影響。本研究基于CT掃描重建股骨影像測量獲得的數(shù)據(jù)可以減少投射及體位帶來的影響。當然也存在一些局限：a)沒有將參照股骨機械軸線截骨和解剖軸線截骨的病例分開研究。因此參考股骨機械軸線的CAS-TKA、PSI-TKA中發(fā)生notch的概率和髓內(nèi)參考股骨遠段解剖軸線的傳統(tǒng)TKA發(fā)生notch概率無從比較。b)DFSAA受股骨前傾角、股骨頸長度、股骨長度等因素影響。在3D影像上股骨機械軸線是從股骨頭中心到股骨髁間窩穹窿頂中心(偏內(nèi))的連線，如果患者股骨頸前傾角增大，則DFSAA會減小。特別是先髖脫位或髖臼發(fā)育不良的患者，股骨頸前傾角和DFSAA關系密切，相關性會更明顯。本組沒有包括這類患者，所以DFSAA和股骨頸前傾角相關性如何，仍需深入研究。c)股骨矢狀面前弓與種族有相關性[22]，本組研究對象均為中國西南地區(qū)膝骨關節(jié)炎患者。因此本研究結果不能直接說明在其他地區(qū)或者其他人種中是否會有相似結論。尚需進一步多中心，多樣本的研究。

致謝：感謝北京納通骨科研究所付明俊博士在測量和軟件應用中的幫助。