人工膝关节假体设计中股骨下端的形态学测量

刘 斌，王永为，刘 江

(1.河北联合大学，河北唐山 063000;2.承德医学院附属医院;3.承德医学院)

人工膝关节假体设计中股骨下端的形态学测量

刘 斌1、2，王永为3，刘 江1△

(1.河北联合大学，河北唐山 063000;2.承德医学院附属医院;3.承德医学院)

人工膝关节;形态学;MRI

对于膝关节疼痛和功能丧失的膝关节疾病，全膝关节置换(TKA)是一种安全有效的缓解疼痛、重建功能的方法。但假体置换术后存在感染、假体松动等一系列问题，从而导致关节疼痛、金属摩擦感、关节绞锁等严重并发症，其中人工假体的设计不合理与安装不符合规范是造成以上并发症的主要原因[1]。设计出完全与自然膝关节完全匹配的膝关节假体才是解决上述问题的关键。而目前国外许多膝关节假体设计厂商的全膝关节假体尺寸与国人的膝关节几何形态特征不尽相同。故本研究针对国人正常膝关节的解剖学形态进行测量，期待为全膝人工关节假体的设计提供可靠的解剖学影像数据资料。

1 资料与方法

1.1 资料来源 从2010年6月-2013年11月来承德医学院附属医院就诊的患者中，选择100例(男50例、女50例，年龄18-50岁，近期无膝关节疼痛、肿胀、等临床症状，经X射线检查股骨下端骨质无明显退变或畸形)200个膝关节核磁共振成像(MRI)扫描资料。

1.2 方法 排除股骨下端骨质破坏、增生及畸形等骨骼疾病。所有病例全部应用美国通用电器公司生产的Signa Cvi型核磁共振扫描机进行扫描，扫描层厚4mm、间距1mm。在膝关节扫描的矢状位MRI图像中选取过股骨内侧髁和外侧髁最低点的层面，用Image图像处理软件进行灰度处理，去除关节软骨和周围的软组织。股骨内外侧髁用线条描边，画出内外侧髁关节面的轮廓。股骨内外侧髁关节面平均分成10等份，每一段弧度用公式算出它的曲率半径。再用Image软件测量股骨内、外侧髁关节面上曲率半径最大处与内、外侧髁关节面前、后缘的距离。使用角度测量工具测量股骨髌面的内、外侧面与膝关节正中矢状面所成的夹角。在膝关节扫描的水平位MRI图像选取过股骨内侧髁后缘最突出点和股骨外侧髁后缘最突出点两个层面，Image图像处理软件进行灰度处理，去除关节软骨和周围的软组织，确定内外侧髁的轴线和膝关节的矢状轴后，使用角度测量工具测量内侧髁轴线与膝关节矢状轴所成的内侧髁倾角和外侧髁轴线与膝关节矢状轴所成的外侧髁倾角。

2 结果

2.1 股骨内侧髁关节面曲率半径和股骨外侧髁关节面曲率半径 见附表。

附表 股骨内、外侧髁关节面的曲率半径(mm)

2.2 股骨内、外侧髁关节面上曲率半径最大处与内、外侧髁关节面前、后缘的距离 股骨内侧髁关节面上曲率半径最大处与内侧髁关节面后缘的距离为71.58±0.92mm;股骨内侧髁关节面上曲率半径最大处与内侧髁关节面前缘的距离为34.74±0.65mm;股骨外侧髁关节面上曲率半径最大处与外侧髁关节面后缘的距离为70.42±0.33mm;股骨外侧髁关节面上曲率半径最大处与外侧髁关节面前缘的距离为39.22±0.75mm。

2.3 角度测量数据 使用角度测量工具测量，股骨髌面的外侧面与膝关节正中矢状面所成的夹角为138.26±7.24°;股骨髌面的内侧面与膝关节正中矢状面所成的夹角为133.65±9.56°。内侧髁轴线与膝关节矢状轴所成的内侧髁倾角为22.52±6.23°，外侧髁轴线与膝关节矢状轴所成的外侧髁倾角为5.58±2.25°。

3 讨论

因为假体在安装后要达到恢复自然膝关节的屈伸及旋转动作的目的，所以股骨内外侧髁关节面曲率半径及弧度在膝关节假体设计中十分重要[2]。膝关节屈伸运动是围绕横轴在矢状面上进行，其运动轴不在膝关节线上，而是贯穿在两股骨髁的后上方，并且运动轴不是固定的，随膝关节的屈伸运动而移位[3]。本研究结果显示，股骨髁不是正圆形，中部扁平，曲率半径较大，后部和前部近似圆形，曲率半径较小。股骨内外侧髁关节面的曲度也不同，股骨内侧髁最后方关节面的曲率半径长为17.85±0.15mm，向中部递增至38.02±1.02mm，再向前逐渐减至15.35±0.32mm。而股骨外侧髁最后方关节面的曲率半径长为12.03±1.09mm，向中部递增达60.62±0.95mm，向前逐渐减至16.29± 0.09mm，如果将股骨髁的不同弧度的曲率半径的中心点连接起来，形成两个背靠背的螺旋线，即“J” 形瞬时旋转中心理论。其中，后半的螺旋线即是膝关节由伸到屈过程中运动轴由前向后的运动轨迹。而前半螺旋线则是髌股关节运动轴移动的轨迹[4]。

膝关节由伸到屈的过程中，在头20°范围内，股骨髁在胫骨平台上滚动，而在160°位以后，滚动逐步被滑动所代替，直到屈曲最后阶段，股骨髁只在胫骨平台上滑动，没有滚动[5]。因此，精确测量膝关节股骨内外侧髁关节面的曲率半径为膝关节假体的设计提供了参考，使全膝关节置换术后膝关节运动能力可以接近自然膝关节，降低了术后人工假体的磨损，延长假体使用寿命。

TKA手术选择设计合理的膝关节假体,使整个膝关节在屈和伸的运动过程中，髌股关节有良好的吻合,是降低膝关节前方疼痛等并发症的主要措施[6]。但现在还没有某一种膝关节假体与髌骨关节完全匹配，在运动过程中降低关节内接触应力，并能维持正常髌骨运行轨迹，从而提高伸膝装置效能, 降低TKA术后膝前疼痛发生率, 改善膝关节功能[7]。本研究中对股骨髌面进行了精确测量，发现股骨髌面内侧面明显比股骨髌面外侧面的宽度要宽，而且每一个侧面的关节面都是一个不规则的关节面，越向下关节面的宽度越宽。而股骨髌面的高度决定了股骨髌骨沟的深度。经过数据对比可以得出，股骨髌面内外侧面最高点的连线是一个弧形，其股骨髌面的高度从上下两端逐渐向中间递增，并且股骨髌面外侧面的高度明显要比内侧面的高度要高。如果在膝关节假体设计中，股骨假体的几何形态能依据此路线和数据进行改良和设计，重建自然的髌股关节的运动能力，那么在全膝关节置换术术后膝关节前方疼痛等并发症可能有下降的趋势[8]。

[1]Wright JG,Treble N,Feinstein AR.Measurement of the lower limbs alignment using long radiograghs[J].J Bone Joint Surg Br,1991,73(5):721-723.

[2]Wright TM,Bartel DL.The problem of surface damage in polyethylene total knee components [J].Clin Orthop Relat Res,1986,(205):67-74.

[3]Ryd L,Lindstrand A,Stenström A,et al.Cold flow reduced by metal backing [J].Acta Orthop Scand,1990,61(1):21-25.

[4]Mahoney OM,Noble PC,Rhoads DP,et al.Posterior cruciate function following total knee arthroplasty.A biomechanical study[J].J Arthroplasty,1994,9(6):569-578.

[5]Corces A,Lotke PA,Williams JL.Strain characteristics of the posterior cruciate ligament in total knee replacement[J].Orthop Trans,1989,13(3):527.

[6]Kwak DS,Han S,Han CW,et al.Resected femoral anthropometry for design of the femoral component of the total knee prosthesis in a Korean population[J].Anat Cell Biol,2010,43(3):252-259.

[7]曲铁兵,林源,潘江,等.保留十字韧带在活动衬垫全膝假体置换术中的问题[J].Chin J Orthop,2004,24(5):234-236．

[8]Lotke PA,Ecker ML.In fl uence of positioning of prosthesis in total knee replacement[J].J Bone Joint Surg Am,1977,59(1):77-79.

(技术方法栏目编辑:张 健)

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