保留前后交叉韧带的膝关节假体相关羊胫骨近端解剖研究

何沛恒 徐栋梁 左建伟 李帅华 瓦庆德 (中山大学附属第一医院关节外科，广东 广州 510080)

几乎所有膝关节疾病的终末期必须通过人工膝关节置换手术来解决。随着老年人口的比例快速增长，近年接受膝关节置换的老年患者逐年快速增加。几乎所有全膝关节假体设计均切除了前交又韧带或前后交又韧带，而临床研究认为保留前后双叉韧带膝关节假体的生物力学上更接近于正常人体的膝关节〔1，2〕。目前使用的保留前后叉韧带的假体，仍存在假体的锚定面积不佳、关节线改变等问题〔3，4〕，因此克服以上缺点的保留前后叉韧带的假体需进一步改良和设计。研究者常使用羊膝关节模型代替人膝关节，但羊膝关节模型与保留前后交叉韧带假体设计相关的解剖，特别是胫骨近端未曾见到过详细的报道和研究。随着计算机辅助三维重建技术广泛应用于医学领域，为解剖测量提供了精确的方法。本实验通过对正常膝关节三维数字化模型及羊的膝关节三维数字化模型进行相关的胫骨近端形态学的测量比较分析，验证在假体设计过程中应用羊膝关节作为动物模型的可行性。

1 对象与方法

1.1 对象 正常中国南方汉族志愿者，共40例。既往下肢先天性和发育性畸形，均予排除。成年健康中国山羊10只，雌雄不限，2岁，体质量40～50 kg。

1.2 方法

1.2.1 图像采集 扫描体位为人膝关节自然伸直并外旋10°～15°，羊膝关节屈曲30°(羊的中立位)。CT扫描设备 Siemens/Sensation 16(西门子公司，德国)，成像扫描参数为:120 kV，27 mA，层厚0.625 mm，每层为512×512像素。磁共振机设备为GE 1.5T超导型磁共振机(General Electric Company，通用电气公司，美国)。选择扫描矢状位3D(three-dimensional，三维)质子密度加权成像序列。成像扫描参数为:TR(重复时间)=11 000 ms，TE(回波时间)=25 ms;层厚 =1.0 mm;层间距0.2 mm;回波链14;激励次数(NEX)=2次;矩阵=192/320;FOV(视域)=18。并将获得的资料按DICOM格式存入光盘保存。

1.2.2 三维重建 将按照DICOM标准存储的膝关节CT、MRI断层影像数据在电脑(操作系统Windows 7)上导入医学有限元仿真软件Mimics 10.01(Materialise公司，比利时)进行图像分割与三维重建。依靠CT断层影像数据建立膝关节骨骼模型，使用MR断层影像数据建立膝关节骨骼及韧带模型，并利用Mimics 10.01软件的融合功能将两个模型进行融合，最终重建出完整的膝关节三维实体数字化模型，以stl格式导出保存。在三维图像处理软件Geomagic Studio 11导入膝关节三维实体数字化模型，进一步分析处理。

图1 羊及人胫骨近端的解剖测量

1.2.3 胫骨近端解剖参数测量 测量指标为X轴的方向上前后交叉韧带宽度，胫骨棘顶部及基底部的长度，胫骨棘内外侧结节的距离(图1)。胫骨近端截骨面的测量:利用Geomagic Studio 11的平面裁剪功能模拟截骨。先以前后交叉韧带的边界，与YZ轴平面平行纵向截骨，后两侧采用与XY轴平面平行，胫骨后倾截骨，截骨厚度为外侧关节面下10 mm。分别测量整个截骨面内外径、前后径、两侧截骨面的前后径及内外径(图2)。

图2 羊及人胫骨近端截骨后的解剖测量

1.3 统计学分析 所有数据均为双尾，应用SPSS12.0软件进行统计学分析，采用t检验。

2 结果

2.1 胫骨近端及截骨后的解剖参数均值及标准差 羊膝关节前后交叉韧带宽度及胫骨棘的前后径约为人膝关节的2/5(表1)，截骨后前后径及内外径约为人膝关节1/2(表2)，两者具有较高的类似性。羊及人膝关节的内外侧截骨面显示类似的非对称性。

2.2 羊与人的内外径与前后径比值的差异 见表3。羊膝关节与人膝关节内侧截骨面具有类似的椭圆结构(0.55 vs 0.54，t=1.47，P=0.13)，但外侧截骨面内外径与前后径比值大于人膝关节(0.89 vs 0.74，t=8.24，P＜0.05)。

表1 羊及人的胫骨近端的解剖参数(± s，mm)

表1 羊及人的胫骨近端的解剖参数(± s，mm)

解剖参数 人 羊 羊/人9.92±0.57 3.47±0.52 0.35后交叉韧带的宽度 9.59±1.20 3.03±1.23 0.34胫骨棘顶部的前后径 8.02±1.03 3.16±0.64 0.40胫骨棘底部的前后径 15.19±1.71 6.58±0.66 0.43胫骨棘内外侧结节的宽度前交叉韧带的宽度14.94±2.56 7.14±1.29 0.48

表2 羊及人的胫骨近端截骨后的解剖参数(± s，mm)

表2 羊及人的胫骨近端截骨后的解剖参数(± s，mm)

解剖参数 人 羊 羊/人44.83±3.34 22.35±1.54 0.50胫骨平台内外径 69.89±4.83 38.38±2.17 0.54胫骨内侧平台前后径 44.70±1.44 23.30±0.63 0.52胫骨内侧平台内外径 24.15±1.36 12.57±2.19 0.52胫骨外侧平台前后径 39.89±4.26 18.29±2.76 0.47胫骨外侧平台内外径胫骨平台前后径29.47±1.73 16.83±2.76 0.55

表3 羊与人的内外径与前后径比值的比较(±s)

表3 羊与人的内外径与前后径比值的比较(±s)

参数 人 羊 P值胫骨内侧平台内外径/前后径0.54±0.23 0.55±0.40 0.13胫骨外侧平台内外径/前后径 0.74±0.31 0.89±0.32 0.02胫骨平台内外径/前后径1.48±0.06 1.52±0.40 0.06

3 讨论

保留前后交叉韧带的膝关节假体可以获得更好的膝关节力学与膝关节本体感觉〔5〕，增加膝关节的屈曲度，从而改善整个置换术后膝关节的功能。但手术技术难度增加，假体锚定面积的不足引起假体的早期松动和下沉等问题阻碍保留前后交叉韧带的膝关节假体在临床上应用和推广。故如何在不损伤韧带的基础上尽量增加假体的锚定面积还需要在设计上不断改进和发展。而在常用的马蹄型假体植入的基础上增加胫骨棘间横行支持可能是其中的解决方法之一。因为羊膝关节在解剖及生物力学上类似人膝关节〔6，7〕，相对于其他大型动物，羊更容易饲养及实验操作处理，因而常被用作人膝关节的动物模型〔8〕。文献已报道关于使用羊膝关节进行骨性关节炎、交叉韧带重建的研究〔9～11〕。在保留前后交叉韧带的膝关节假体设计过程中，羊膝关节能否作为相应的动物模型，关键在于其需具备类似的解剖特征，但目前与假体相关解剖测量，特别是胫骨近端未曾见到过详细的报道。以CT、MRI影像数据为基础的计算机辅助三维重建技术可高度真实还原人体的解剖结构，立体直观，计算机软件对解剖参数的测量也减小了人为因素的误差，并可在三维空间中准确定位和测量各种三维数据。本实验利用minics软件重建出羊及人相应的膝关节模型，并进行与假体相关的胫骨近端的解剖测量，量化的结果显示前后交叉韧带宽度及胫骨棘的前后径约为人膝关节的2/5，提示应用保留前后交叉韧带的膝关节截骨过程需保留的骨块宽度及作为安装横杆的梯形的胫骨棘结构上，两者具有较高的类似性。保留前后交叉韧带的假体与常规假体最大区别在于保留了韧带附着的骨块，因此两者的类似性说明了羊膝关节作为假体设计的动物模型的可行性。假体形状与胫骨截骨面的匹配是假体能否获得长期成功的关键因数之一〔12〕，因而设计合适的假体必须精确测量截骨面的形态。许多研究显示非对称性的假体更有利于假体的截骨面的覆盖〔13，14〕。本实验中人膝关节结果提示外侧截骨面的前后径短于内侧的前后径，内侧截骨面的内外径短于外侧的内外径，因而保留前后交叉韧带的假体同样需要非对称性的设计。羊膝关节的内外侧截骨面的测量结果显示类似的非对称性。研究认为，内外径与前后径比值决定胫骨假体的形状及型号的选择〔11〕。正常人的膝关节内侧的比值小于外侧，所以内侧截骨面理论上应更“椭圆”。羊膝关节与人膝关节内侧截骨面具有类似的椭圆结构，但外侧截骨面内外径与前后径比值大于人膝关节，造成此现象的原因在于羊外侧胫骨平台前缘有趾长伸肌经过形成的凹陷造成外侧胫骨平台前后径的减少。同时前缘凹陷造成前外侧的相对突出，而且大部分羊膝关节缺乏腓骨引起外侧胫骨平台后外侧明显突出，假体安装后无法覆盖两个突出面，因此在分析羊膝关节模型时需考虑“覆盖不足”引起的误差。

总之，本实验对正常人及羊的膝关节进行了建模，并模拟截骨后进行保留前后交叉韧带假体相关的解剖形态测量，结果显示羊膝关节胫骨近端与人膝关节具有较高的类似性，为进一步研究保留前后交叉韧带的假体提供较好的动物模型。

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