回顧性分析人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后早中期脛骨平臺(tái)骨小梁方向變化

劉明昊 何沛恒 劉勇 陳偉之 葉永恒 李偉 徐棟梁

中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院關(guān)節(jié)外科（廣州510080）

Wolff 定律指出骨骼的結(jié)構(gòu)會(huì)受到應(yīng)力刺激的影響，骨小梁受到骨組織整體受力的方向影響，并沿著骨骼受力方向所排列，使之足夠承擔(dān)生物力學(xué)負(fù)荷，但不增加代謝負(fù)荷［1-2］。研究證實(shí)，動(dòng)物關(guān)節(jié)周圍骨小梁角度與不同的步態(tài)角度呈相關(guān)性［3-4］。在生物力學(xué)研究中，通過模擬單位骨組織在不同受力條件下發(fā)生變化，沿著骨組織受力的方向，骨組織整體的密度、各向異性升高，證明了Wolff 定律不單是準(zhǔn)確的，并且是敏感的［5］。

骨小梁形態(tài)學(xué)的變化可以間接反映骨骼受力的變化，對(duì)骨關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生發(fā)展做出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)［6-7］。在骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）患者中，膝關(guān)節(jié)畸形導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)負(fù)荷情況的改變，從而導(dǎo)致骨小梁結(jié)構(gòu)的改變［8］。OA 患者脛骨近端骨小梁方向較健康人排列更為豎直，且骨小梁離散加劇，垂直方向的各向異性降低［9］。研究證明，OA 患者膝關(guān)節(jié)骨小梁圖像結(jié)構(gòu)與病理分級(jí)之間存在顯著的相關(guān)性，利用圖像分析骨小梁形態(tài)可以評(píng)估OA 患者的病情進(jìn)展，并且具有相當(dāng)?shù)拿舾卸龋?0］。

在近期的研究中，使用ImageJ 軟件，通過X 線平片中的圖像結(jié)構(gòu)張量測(cè)量OA 患者股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的骨小梁方向，發(fā)現(xiàn)OA 患者隨著膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形，骨小梁方向隨著下肢力線的改變而改變，且兩者之間存在顯著的相關(guān)性［11］。而人工全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）后，由于手術(shù)過程中的截骨和金屬假體的植入，膝關(guān)節(jié)的力學(xué)負(fù)荷發(fā)生了劇烈的變化［12］，骨小梁如何對(duì)TKA 術(shù)后力學(xué)改變而進(jìn)行重構(gòu)，以及重構(gòu)的程度、進(jìn)行的速度和產(chǎn)生的結(jié)局，國(guó)內(nèi)外此前尚未有研究。另一方面，目前對(duì)于TKA 術(shù)后隨訪的影像學(xué)評(píng)估基本圍繞著假體周圍骨密度的測(cè)量［13］，對(duì)于骨小梁形態(tài)學(xué)變化的定量研究，是TKA 術(shù)后的隨訪和評(píng)估一個(gè)可能的新方向。綜上所述，本研究的目的是通過對(duì)TKA 病例術(shù)后骨小梁方向變化的回顧性研究，探索脛骨假體平臺(tái)周圍骨小梁重構(gòu)的原因、變化趨勢(shì)和術(shù)后早中期重塑的結(jié)局。

1 資料與方法

1.1 一般資料本研究回顧了于2012年6月至2016年5月于我院接受TKA 治療的患者。本研究經(jīng)中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)文號(hào)：2011［57］），所有患者均于入院治療前知情并簽署了相應(yīng)的知情同意書。收集TKA 病例術(shù)后、術(shù)后3 個(gè)月、術(shù)后1、3、5年的站立正位下肢全長(zhǎng)X 線片。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）因膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎初次行TKA 治療；（2）由同一醫(yī)療組完成診療和隨訪；（3）患者自愿參與本研究，并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）現(xiàn)存或隨訪期間有骨盆及下肢任何部位感染、腫瘤；（2）先天性和發(fā)育性畸形如先天性馬蹄內(nèi)翻足，先天性髕骨脫位，發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良等；（3）伴有循環(huán)、呼吸、消化系統(tǒng)等嚴(yán)重慢性疾?。唬?）既往或隨訪期間有影響骨代謝或運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的疾??；（5）既往或隨訪期間髖、膝關(guān)節(jié)和脊柱手術(shù)史；（6）隨訪期間因各種原因日?；顒?dòng)受限、長(zhǎng)期臥床或KSS 膝關(guān)節(jié)功能評(píng)分低于50 分；（7）術(shù)中截骨較多而導(dǎo)致可測(cè)量區(qū)域受限；（8）文盲、有嚴(yán)重認(rèn)知障礙，無自主及溝通能力。

所收集病例共術(shù)后126 例、術(shù)后3 個(gè)月104 例、術(shù)后1年58 例、術(shù)后3年35 例、術(shù)后5年17 例，具體情況見表1。在所有測(cè)量指標(biāo)中，均顯示良好的觀察者信度（ICC ＞0.75）。

表1 觀察對(duì)象一般資料Tab.1 Demographic data of patients±s

表1 觀察對(duì)象一般資料Tab.1 Demographic data of patients±s

組別術(shù)后術(shù)后3 個(gè)月術(shù)后1年術(shù)后3年術(shù)后5年例數(shù)126 104 58 35 17男/女34/92 25/79 12/46 8/27 4/13年齡（歲）66.4±6.81 65.9±4.62 67.2±7.99 70.9±7.28 70.2±9.31 BMI（kg/m2）23.8±2.65 23.1±2.16 23.9±2.32 24.8±1.79 22.8±3.24

1.2 方法X 線攝片及數(shù)字圖像獲取使用Digital Diagnost Application（V1.5.3.1 Philips Medical Systems DMC，Germany）軟件所得?；颊咧绷⒂诠潭ㄐD(zhuǎn)方向支架上，以脛前束縛帶和第一、二趾間插栓將雙下肢固定于0°正位進(jìn)行攝片（圖1）。數(shù)字圖像使用ImageJ 軟件進(jìn)行處理和分析：（1）測(cè)量下肢力線，即股骨頭中心、股骨假體髁間窩中點(diǎn)連線與脛骨假體平臺(tái)中點(diǎn)、距骨關(guān)節(jié)面中點(diǎn)連線之間的夾角；（2）測(cè)量脛骨假體力線，即脛骨假體縱軸與脛骨機(jī)械軸之間的夾角；（3）選擇相應(yīng)的興趣域（region of interest，ROI）：過腓骨頭頂點(diǎn)垂直于脛骨機(jī)械軸做垂線為下界；上界為脛骨假體；內(nèi)側(cè)界為脛骨假體柄；外側(cè)界為脛骨平臺(tái)皮質(zhì)骨。將所選定矩形區(qū)域上側(cè)四分之一與外側(cè)四分之一去除以排除骨贅、骨水泥和假體周圍骨溶解對(duì)測(cè)量的影響（圖2）；（4）使用ImageJ 插件OrientationJ 的OrientationJ Dominant Direction 功 能 測(cè) 量ROI 內(nèi) 骨小梁方向數(shù)值，所得數(shù)值為骨小梁方向與圖像水平面間的夾角，利用此結(jié)果與脛骨機(jī)械軸、地面之間的夾角計(jì)算骨小梁方向與脛骨機(jī)械軸之間的夾角，所得結(jié)果定義為骨小梁角度（圖3）。

圖1 固定旋轉(zhuǎn)方向攝片F(xiàn)ig.1 Rotation-fixed plain radiograph

圖2 ROI 的選擇Fig.2 Selection of ROIs

圖3 骨小梁角度示意圖Fig.3 Diagram of trabecular orientation

每次測(cè)量由研究人員于1 周內(nèi)完成，然后至少間隔1 周后再進(jìn)行二次測(cè)量，由同一研究人員測(cè)量3 次，研究人員對(duì)之前的測(cè)量結(jié)果為盲。以3 次測(cè)量平均值為最終測(cè)量結(jié)果。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法所得數(shù)據(jù)使用SPSS 20.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。利用多因素線性混合效應(yīng)模型對(duì)各個(gè)隨訪時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析，因變量分別為脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)骨小梁角度，自變量為術(shù)后下肢力線與脛骨假體力線，協(xié)變量為性別、年齡與BMI，病例設(shè)為隨機(jī)效應(yīng)。其中骨小梁角度數(shù)據(jù)經(jīng)混合效應(yīng)模型殘差直方圖證實(shí)符合正態(tài)分布。隨后于各個(gè)隨訪時(shí)間點(diǎn)使用線性混合效應(yīng)模型篩查出具有顯著效應(yīng)的參數(shù)與脛骨平臺(tái)內(nèi)外側(cè)骨小梁角度分別做Pearson 相關(guān)性分析。因不同隨訪時(shí)間點(diǎn)病例互有重合，各個(gè)隨訪時(shí)間點(diǎn)與上一隨訪時(shí)間點(diǎn)間骨小梁角度均值比較采用部分重疊樣本的t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 TKA 術(shù)后脛骨平臺(tái)骨小梁角度變化病例脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)假體周圍骨小梁角度于術(shù)后3 個(gè)月自25.1°± 3.35°平均減小5.3°± 2.65°至19.8°±4.84°，于術(shù)后1年平均減小8.3° ± 3.03°）至14.8° ±6.21°，外側(cè)骨小梁角度于術(shù)后3 個(gè)月自22.1° ±4.21°平均減小4.5° ± 1.71°至17.6° ± 3.89°，于術(shù)后1年平均減小7.6°±2.43°至14.5°±5.21°，術(shù)后1年后至術(shù)后3年、5年均無顯著變化（圖4）。

圖4 術(shù)后脛骨平臺(tái)骨小梁角度變化Fig.4 Change in trabecular orientation in postoperative tibia platform

2.2 脛骨平臺(tái)骨小梁角度與術(shù)后下肢力線的關(guān)系多因素線性混合效應(yīng)模型顯示，術(shù)后力線對(duì)脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)骨小梁角度于術(shù)后3 個(gè)月、術(shù)后1、3、5年有顯著影響（P＜0.05）；對(duì)脛骨平臺(tái)外側(cè)骨小梁角度于術(shù)后3 個(gè)月、術(shù)后1年和術(shù)后5年有顯著影響（P＜0.05），術(shù)后3年脛骨平臺(tái)外側(cè)骨小梁角度并無顯著影響。此外，脛骨假體力線和性別、年齡、BMI 等協(xié)變量對(duì)TKA 術(shù)后脛骨平臺(tái)骨小梁角度無顯著影響。利用Pearson 對(duì)各個(gè)有意義隨訪時(shí)間點(diǎn)的脛骨平臺(tái)骨小梁角度與術(shù)后下肢力線做相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。

3 討論

Wolff 定律指出，骨小梁受到骨組織整體受力的方向影響，并沿著骨骼主要方向排列。OA 患者股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端的小梁方向與下肢力線有顯著的相關(guān)性［11］。本研究中，在術(shù)后脛骨平臺(tái)骨小梁角度和術(shù)后下肢力線間也呈現(xiàn)了弱至中等程度的相關(guān)性，與上述研究相符。這個(gè)相關(guān)性在手術(shù)后1年起至術(shù)后5年于脛骨平臺(tái)內(nèi)側(cè)和外側(cè)均可以觀察到，意味著術(shù)后下肢力線作為TKA 手術(shù)的關(guān)鍵因素，顯著影響了TKA 術(shù)后脛骨假體周圍骨小梁的重構(gòu)。有研究報(bào)道骨小梁結(jié)構(gòu)在不同性別和體質(zhì)量中的差異［11，14］，在本研究中，上述協(xié)變量對(duì)骨小梁方向變化并無顯著影響，但本研究所選擇的ROI 因TKA 術(shù)中截骨和假體遮擋，和上述研究有所不同。

表2 術(shù)后下肢力線與骨小梁角度的相關(guān)性Tab.2 Correlation between postoperative mechanical axis and trabecular orientation

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在被施加了異常力學(xué)負(fù)重后數(shù)周內(nèi)，就可以觀察到骨小梁方向的顯著改變［4］，但并沒有探究骨小梁方向的改變會(huì)持續(xù)多久，變化的終點(diǎn)如何。而在本研究中，在TKA術(shù)后3 個(gè)月的早期即可以發(fā)現(xiàn)小梁方向的顯著變化，而在術(shù)后1年至3、5年并沒有顯著的變化，這意味著骨小梁方向的重構(gòu)基本在1年內(nèi)就已經(jīng)完成。

OA 患者脛骨平臺(tái)骨小梁比健康人的骨小梁排列更為垂直，在靠近關(guān)節(jié)面的層面尤為明顯，這可能是關(guān)節(jié)軟骨退化和損傷的結(jié)果［9］。本研究中，脛骨內(nèi)側(cè)和外側(cè)的骨小梁角度在術(shù)后顯著降低，脛骨平臺(tái)假體周圍的骨小梁向更為垂直于假體脛骨平臺(tái)的角度重塑。對(duì)于術(shù)后骨小梁方向變化，有兩個(gè)可能的原因：（1）從整體的角度，OA 患者由于膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形，脛骨平臺(tái)原本在垂直方向的所受的應(yīng)力分為了側(cè)向的剪切力，而TKA糾正了患者下肢力線，恢復(fù)了脛骨平臺(tái)垂直方向上的力學(xué)負(fù)荷［12］。（2）從局部的角度，關(guān)節(jié)軟骨相當(dāng)于在骨骼上提供了一個(gè)緩沖表面，減輕并延緩了骨骼所承受的應(yīng)力［15］。在接受TKA 治療的患者中，關(guān)節(jié)軟骨和部分軟骨下骨被切除，而在本研究選擇的ROI 中的骨組織層與骨水泥和脛骨假體直接相鄰，相當(dāng)于代替了原本軟骨下骨層面的作用。這兩個(gè)因素可能共同造成了TKA 術(shù)后骨小梁方向的改變，但它們具體的作用和機(jī)制仍需要進(jìn)一步的研究。

盡管TKA 的重要目標(biāo)之一是將患者下肢力線恢復(fù)至中立位，即術(shù)后MA 及脛骨假體力線小于±3°，但非中立位的術(shù)后下肢力線對(duì)TKA患者的手術(shù)效果和假體生存率是否有影響有較大的爭(zhēng)議［16-17］。本研究中，雖然脛骨平臺(tái)骨小梁方向與術(shù)后MA 相關(guān)，在術(shù)后早中期，術(shù)后MA 大于±3°的病例與中立位病例的骨小梁方向之間沒有顯著差異，脛骨假體力線大于±3°的病例與中立位病例的骨小梁方向之間亦沒有顯著差異。這意味著盡管TKA術(shù)后骨小梁重構(gòu)的方向?qū)πg(shù)后下肢力線的改變是敏感的，但非中立位的下肢力線和脛骨假體力線在術(shù)后早中期對(duì)骨小梁重構(gòu)的結(jié)局并沒有顯著影響。

本研究也存在著不足：（1）本研究中僅選擇了在隨訪終點(diǎn)沒有出現(xiàn)各種原因?qū)е碌氖中g(shù)失敗的患者，后續(xù)的研究應(yīng)納入手術(shù)遠(yuǎn)期的病例以及將手術(shù)效果作為相關(guān)因素進(jìn)行研究；（2）盡管有研究報(bào)道了通過X 線平片測(cè)量骨小梁結(jié)構(gòu)與三維測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性［18］，但對(duì)下肢正位X 線平片的研究仍缺少了部分矢狀面或橫切面的信息，有可能影響測(cè)量的結(jié)果和結(jié)論，不過本研究采用固定旋轉(zhuǎn)方向攝片的病例，一定程度上減少了三維結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在對(duì)于TKA 患者的CT 和MRI 掃描中，已不斷有研究通過改良算法、改良測(cè)量條件等方法減少了金屬偽影等因素對(duì)這些檢測(cè)手段的影響，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可信度［19-20］，但X 線平片作為一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的工具，相對(duì)于CT、MRI 等工具仍有一定的優(yōu)勢(shì)，從大規(guī)模臨床應(yīng)用的角度，二維圖像骨小梁參數(shù)測(cè)量的方法具有明顯的速度、成本上的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)階段是三維檢測(cè)手段難以取代的。

綜上所述，骨小梁隨著術(shù)后下肢力線的改變而適應(yīng)，在術(shù)后1年即與術(shù)后下肢力線呈現(xiàn)相關(guān)性，骨小梁方向可于1年內(nèi)觀察到顯著的變化，整體向垂直于脛骨平臺(tái)的方向重構(gòu)。當(dāng)前對(duì)于TKA術(shù)后的臨床影像學(xué)隨訪和評(píng)價(jià)多局限于骨密度和假體位置參數(shù)，筆者認(rèn)為，通過研究TKA 術(shù)后骨小梁形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，可以為TKA 患者的臨床隨訪和術(shù)后評(píng)估提供一個(gè)嶄新的視角，也對(duì)TKA 假體的設(shè)計(jì)、安裝以及獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的假體力學(xué)性能有指導(dǎo)意義。