三维CT重建应用于个体化全膝关节置换术的研究

鞠玉亮，管士伟，高建伟，魏开斌



·论著·

三维CT重建应用于个体化全膝关节置换术的研究

鞠玉亮，管士伟，高建伟，魏开斌

【摘要】目的探讨三维CT重建在个体化全膝关节置换术中应用的临床效果，研究两者的有机结合点，为进行标准化个体化全膝关节置换术提供依据。方法对2011年3月～2014年5月入组的72例中重度膝骨性关节炎病例行双下肢全长CT扫描并三维建模，获取关键角度和截骨数据，制定个体化截骨方案，获得最佳下肢力线和截骨参数，将术前所得数据付诸手术操作中，分别于术前和术后第2周获取下肢力线角与标准角度的偏差度数和美国特种外科医院膝关节评分(HSS)数据，计算优良率。结果术后患者的下肢力线接近理想力线，术前下肢力线角与标准角偏差度数为8.1482°±1.5957°，术后下肢力线角与标准角偏差度数为1.0627°±0.6401°，术前术后偏差度数采用配对资料t检验(t=13.6683，P=0.039)，具有统计学意义；膝关节HSS评分较高，由术前的(49.6±6.1)分提高到术后2周的(88.2±4.1)分，术后与术前相比，有统计学意义(P=0.041)；根据术后HSS评分进行评价，优58例，良10例，中3例，差1例，优良率为94.44%。结论术前三维重建膝关节，测量重要参数并制定术前规划，能够减少手术误差，提高手术精度，有助于正确重建下肢力线、准确定位截骨和植入假体，为实现全膝关节置换术的个体化和标准化提供临床依据。

【关键词】膝关节； 置换术； CT重建

作者单位： 271000 山东，泰安市第一人民医院骨二科(鞠玉亮，管士伟)，影像科(高建伟); 271000 山东，泰安市中心医院骨科(魏开斌)

人工膝关节置换术不断改进和完善，已成为治疗中晚期膝关节病变的有效手术方法之一，其成功的关键因素是假体植入的位置和角度。目前，术者主要是借助厂家器械，通过目测或经验来确定下肢力线，这种人为的因素无形中增大了误差，导致假体安装位置的偏移，影响手术效果。笔者2011年3月～2014年5月对收治的72例中重度膝骨性关节炎患者行全膝关节置换术，术前行三维CT扫描并建模，借助ADW4.5工作站获取关键角度和截骨数据，制定个体化截骨方案，将术前所得数据付诸手术操作中，术后获取研究终点并汇总分析，探讨三维CT重建在个体化全膝关节置换术中应用的临床效果，为进行标准化个体化全膝关节置换术提供依据。

资料与方法

1一般资料

本组72例均为单膝置换，左侧32例，右侧40例。其中男性30例，女性42例；年龄58～79 岁，平均67.7 岁。体重为59～85kg，平均69.6kg。术前完善各项检查，积极治疗内科病。

2研究方法

2.1术前三维建模术前行双下肢全长(股骨头中心至踝关节中心)CT扫描，利用ADW4.5工作站进行数据处理，建立下肢全长模型。

2.2确定下肢中心点在三维模型上，借助ADW4.5工作站多平面显影(MPR)技术，采用Mose同心圆法，确定股骨头中心点(图1)，膝关节中心点以股骨髁中心点为准，踝关节中心点以距骨中心点为准，用上述方法确定出各个中心点。

2.3确定下肢力线

2.3.1股骨解剖轴是经股骨髓腔中心的纵轴线，即股骨干的中心轴线。股骨机械轴是股骨头中心点与膝关节中心点的连线(图2)。

2.3.2胫骨解剖轴与机械轴胫骨机械轴：膝关节中心与踝关节中心的连线。胫骨解剖轴：经胫骨髓腔中心所划的纵轴线，即为胫骨干中心轴。一般来讲，正常成人的胫骨机械轴和解剖轴是大致重合的(图3)。

2.3.3下肢机械轴：从股骨头中心向踝关节中心划线，正常成年人下肢机械轴经过膝关节中心点，股骨机械轴和胫骨机械轴是近似重叠的关系，膝关节有病变畸形的患者，股骨机械轴和胫骨机械轴不一定重叠(图4)，该患者膝内翻，下肢机械轴在膝关节中心的内侧。

2.4确定重要角度

2.4.1股骨髁外翻角股骨髁外翻角：股骨机械轴与股骨解剖轴间的夹角，正常为5°～7°，男性略小于女性。术前此患者测量出的股骨髁外翻角为5.1°(图5)。

2.4.2股骨髁旋转轴线和外旋角股骨旋转轴以股骨内外上髁连线来确定，通过三维重建寻找到insall线和股骨内外后髁连线，获取外旋角度数(图6)。

2.4.3确定胫骨平台后倾角患者内外侧胫骨平台的后倾角度不同，本研究以内侧胫骨平台后倾角为标准，利用ADW4.5工作站在三维重建模型上进行测量(图7)，此患者测出的后倾角为6.2°。

2.5确定股骨髓内定位入点术前借助ADW4.5工作站MPR多平面成像技术，通过定位冠状面，矢状面和水平面股骨的中心，寻找股骨髓内定位入点。

2.6确定下肢力线角临床上还没有专门的机构对下肢力线进行角度的定义，骨外科专家认为，理想的下肢力线是股骨机械轴和胫骨机械轴重合，其在膝关节中心的交角为180°，但在实际测量中，笔者发现这一角度存在差异，即将股骨机械轴和胫骨机械轴的夹角命名为下肢力线角。

2.7术前模拟截骨根据标准的截骨方法进行影像学截骨，获得影像学截骨参数。

2.7.1术前确定胫骨平台的截骨参数胫骨平台截骨面在矢状面上大多垂直于下肢机械轴，此截骨方法操作简单，能够有效避免假体倾斜，后倾角根据三维重建测得的胫骨内侧平台后倾角度为依据，胫骨平台截骨厚度以内侧平台截取2mm为标准，测量外侧平台截骨厚度(图8)。

2.7.3术前确定股骨和胫骨假体型号术前模拟截骨完成后，测量股骨远端和胫骨平台大小，确定股骨和胫骨假体型号。

图1　患者男性，67岁。左膝关节骨性关节炎。MPR技术确定股骨头中心

图2线A：股骨解剖轴，线B：股骨机械轴图3胫骨机械轴和解图4下肢机械轴图5股骨髁外翻角剖轴(A线)

图6 股骨外旋角确定图7胫骨平台后倾角 图8平台截骨后图9股骨远端截骨后

3手术方法

3.1暴露腰硬联合麻醉成功后，患者平卧位，充气止血带止血，取膝关节前正中入路，经髌旁入路切开内侧支持带、关节囊和滑膜，在屈膝过程中外翻髌骨，显露髌股关节，切除增生的滑膜和部分髌下脂肪垫，切除半月板，彻底清除骨赘，前后交叉韧带和其他软组织。

3.2胫骨髓外定位并截骨胫骨髓外定位，截骨厚度以术前三维建模所得厚度为准，用2枚固定针固定截骨板，取下髓外定位系统，将截骨板推向胫骨，进行胫骨平台截骨，选用术前确定的胫骨假体型号测试，确保皮质骨的最大覆盖，但不能超出皮质边缘。

3.3股骨髓内定位并截骨屈膝90°，根据术前确定的股骨髓内定位入点，开口扩髓，插入导向杆，根据术前测量结果选择股骨远端截骨导向器，通过连接器与外翻导向器组合；按术前所测得的外翻角度数进行股骨远端标准截骨，检查膝关节的稳定性、伸直情况和下肢力线，选择外旋定位系统，按照术前测得的外旋角度数，将四合一截骨板和滑块组合固定，用摆锯行股骨前后髁和斜面截骨；安装试模，看假体大小是否合适，选择同型号的股骨髁间截骨器行髁间厢式截骨。

3.4假体安装利用冲洗枪彻底冲洗，搅拌并涂抹骨水泥，依次安装术前确定的胫骨和股骨假体，清除溢出的骨水泥，将假体衬垫装入已安装的胫骨托，在膝关节伸直位固定，直至骨水泥凝固。

3.5冲洗缝合切口冲洗切口，止血，放置引流装置，逐层缝合切口，无菌敷料并弹性绷带轻微加压包扎。

选取我院2016年7月～2018年6月我科室收治的40例脑动脉瘤患者，纳入标准：患者均符合脑动脉相关诊断，并具有手术指证；排除标准：患者资料不完全，依从性差。将以上患者随机分为观察组及对照组，各20例，对照组男12例，女8例，年龄35～62岁，平均（47.5±1.2）岁；观察组男11例，女9例，年龄37～60岁，平均（47.9±1.0）岁，比较分析两组患者一般资料差异不显著，具备组间可比性。

4疗效评价的依据

下肢力线角：本研究通过测量每例患者术前术后下肢力线角与标准角偏差度数，作为一项疗效评价依据。

美国特种外科医院膝关节评分(HSS)：比较手术前后关节功能的恢复情况，全面评价髌股关节及股胫关节的运动情况，其总分是100分，其中疼痛30分、功能22分、活动范围18分、肌力10分、屈曲畸形10分、关节稳定性10分。其中，优>85分，良70～84分，中60～69分，差<59分。本课题入组的病例排除了类风湿性关节炎等导致关节畸形的病例，且随访时间较短，所以不会随着年龄的增长或其他疾病的影响而使身体活动功能受限及评分结果偏差影响，故选择HSS评分并计算优良率作为本研究的另外两个疗效评价依据。

5统计学方法

记录分析72例结果数据，每个参数的获得均由3名研究者测量，取其平均值。使用SPSS 16．0统计软件进行统计分析，角度均数保留小数点后2位，评分均数保留小数点后1位，采用四舍五入法修正数值。术前术后数据采用配对计量资料t检验比较，P<0.05为差异具有统计学意义。

结果

1手术前后下肢力线角的比较

本组病例术前测得的下肢力线角范围为170.12°～189.57°，平均为175.41°±7.11°。经过三维重建进行个体化的膝关节置换术后，患者的下肢力线角范围为177.54°～181.32°，平均为179.44°±1.14°，术后患者的下肢力线更接近于理想力线。术前下肢力线角与标准角偏差度数为8.1482°±1.5957°，术后下肢力线角与标准角偏差度数为1.0627°±0.6401°。术前术后偏差度数采用配对资料t检验，t=13.6683，P=0.039，具有统计学意义。

2手术前后HSS评分的比较

本组病例术前HSS临床评分平均总分为(49.6±6.1)分，其中疼痛评分(11.1±2.8)分、功能评分(10.6±3.4)分、活动范围评分(9.6±1.6)分、肌力评分(6.3±1.9)分、屈曲畸形评分(6.2±1.2)分、关节稳定性评分(5.8±1.1)分；患者术后2周出院时HSS临床评分平均总分为(88.2±4.1)分，其中疼痛评分(27.3±2.2)分、功能评分(19.6±2.5)分、活动范围评分(15.7±1.1)分、肌力评分(8.8±1.2)分、屈曲畸形评分(8.9±1.1)分、关节稳定性评分(7.9±0.9)分。术后与术前相比差异有统计学意义(P=0.041)。

3手术优良率

本组病例术后HSS评价，优58例，良10例，中3例，差1例，优良率为94.44%。

讨论

1人工全膝关节置换术的发展和沿革

人工关节是骨科领域在20世纪取得的重要进展之一，近十余年，随着新理念和新材料的注入，人工关节置换术呈现出迅猛增加的趋势[1]。目前，全膝关节置换术中所使用的人工假体包括标准系列和定制系列两种[2]，其中标准系列人工关节在临床应用较广泛，是按照西方人膝关节的解剖参数进行设计加工，国内使用的人工膝关节假体多为进口假体，假体不仅种类有限、费用高，而且假体参数与国内患者膝关节匹配度不佳，符合国人的膝关节假体设计的相关参数还不完善，因此，假体很难和骨质应力准确匹配，进而影响假体的稳定性和手术的成功率。

人工全膝关节置换术中，假体的位置精度直接影响手术的效果。多年来，临床专家一直致力于探索更精准更方便地确定下肢力线和股骨髓内定位入点的方法。计算机辅助膝关节置换手术于20世纪90年代初期出现，最早由Leitner等于1997年提出，其原理是利用光学定位追踪仪，通过追踪股骨、胫骨以及踝部的解剖点来确定下肢力线[3]，但其较高的专业性和定位的单一性，成为此项研究的瓶颈。国内学者研究了胫骨平台聚乙烯假体的承受应力，表明膝关节假体应力分布的均匀匹配可以降低错误的对线损害程度，至此，虚拟解剖的重要性逐渐被国内外的研究者们认识并了解[4]。三维重建技术始于20世纪80年代，通过计算机对CT扫描数据进行处理，获得三维立体图像，为临床医生提供个体化的膝关节解剖图像，促使医学技术向精确化、微创化及个性化方向快速发展。近几年，三维重建的精确度和清晰度大大提高，越来越多的研究者开始追逐三维重建和医疗领域更有效的结合点。

2膝/踝关节中心的确定

临床上，膝关节中心有5种方法可以获得，分别为膝关节平面的软组织中心、胫骨平台中心、股骨髁中心、胫骨棘突中心和股骨髁间凹中心。这5个中心间的误差最大为5mm，其中最内侧为股骨髁间凹中心，最外侧为胫骨平台中心；踝关节中心有3种方法获得，分别为踝关节平面的软组织中心，内、外踝在踝关节平面间的中心和距骨中心，这3种确定踝关节中心的方法误差仅为2～3mm。本研究为了减少误差，更加精密准确地评价手术前后疗效，分别选取股骨髁中心和距骨中心为膝/踝关节中心。

3胫骨平台后倾角的确定

正常胫骨平台有一定后倾斜角度(3°～10°)，因此要求术后假体关节面有一向后3°～10°的倾斜角，以方便膝关节屈曲，如果术后平台没有后倾，甚至出现前倾，屈膝就会受到限制，平台前方应力过分集中会造成假体磨损和松动。每个患者的后倾角度存在个体化和差异化，过大过小都不利于膝关节功能的恢复，甚至会造成诸多并发症[5]。本研究采用内测平台后倾角确定为胫骨平台的后倾角，利用ADW4.5工作站在三维重建模型上进行测量。

4股骨髓内定位点的确定

目前，多数专家[6]认为股骨髓内定位对于股骨远端截骨更为准确，本研究入组患者股骨无明显解剖畸形变异，均采用股骨髓内定位法进行定位。传统手术中，髓内定位常常是通过临床经验和肉眼在术中确定，但股骨髓腔粗细不等，髓内定位入点判断的人为误差均会引起误差累及，最终导致手术失败。本研究术前借助ADW4.5工作站MPR多平面成像技术，通过定位冠状面、矢状面和水平面股骨的中心寻找股骨髓内定位入点，尽可能减少了误差。

综上所述，三维重建应用于全膝关节置换术中，利用CT数据重建膝关节，术前确定重要参数并制定术前规划，将术前所得数据付诸手术操作中，有助于正确重建下肢力线，准确定位截骨并植入假体，可以减少手术误差，提高手术精度，改善临床效果，增加患者术后的满意度，为实现全膝关节置换的个体化和标准化提供临床依据，值得在临床推广使用。

参考文献：

[1] 胥少汀，葛宝丰，徐印坎.实用骨科学[M].4版.北京:人民军医出版社，2012:2512-2527.

[2] 裴国献，张元智.数字骨科学:骨科学新分支的萌生阴[J]．中华创伤骨科杂志，2007，9(7):601-604.

[3] Wiltfang J，Schlegel KA，Schultze-Mosgau S，et al.Sinus floor augmentation with betatricalciumphosphate (beta-TCP):does platelet-rich plasma promote its osseous integration and degradation[J].Clin Oral Implants Res，2003,14(2):213-218.

[4] 张鹤，周跃，韩建达.计算机辅助手术系统概述及其在骨科中的应用[J]．中华创伤骨科杂志，2011，13 (7):677-680．

[6] 曲铁兵，曾纪洲，林源,等.华北地区成人正常胫骨内侧平台后倾角的测量及临床意义[J].中华骨科杂志，2003，23(8)：455．

[6] 王亦璁.骨与关节损伤[M].3版.北京:人民卫生出版社，2003:1034-1035.

(本文编辑： 黄小英)

Application of three-dimensional CT reconstruction techniques in individualized total knee replacement

JUYu-liang1,GUANShi-wei1,GAOJian-wei2，WEIKai-bin3

(1.Department of Orthopedics,First People’s Hospital of Tai’an,Tai’an271000,China； 2.Department of Imaging,First People’s Hospital of Tai’an,Tai’an271000,China;3.Department of Orthopedics,Tai’an Center Hospital,Tai’an271000,China)

【Abstract】ObjectiveTo discuss the clinical effects of using three-dimensional CT reconstruction techniques in developing individualized knee model and to explore the combining site to provide basis for the individualized knee replacement surgery. MethodsCT-scan of lower limbs of 72 cases of severe knee osteoarthritis from Mar.2011 to May 2014 were done to complete the three-dimensional model of the lower limbs. Critical angle and bone cutting data were achieved to set individualized bone cutting plan. The best power line of the lower limbs reconstruction,osteotomy parameters and placement angle of prosthesis were achieved. Data was applied during the operations. The degree of hip-knee-ankle angle and the standard deviation and HSS on the second week before and after the operation were recorded and the excellent rate was calculated. ResultsThe lower limb power lines of the patients were close to ideal power lines. The degree of hip-knee-ankle angle and the standard deviation was 8.1482°±1.5957°before surgery，while 1.0627°±0.6401° after surgery. Paired t-test was used(t=13.6683，P= 0.039)，which had statistical significance. HSS score of the knee joints was improved from (49.6±6.1) points before surgery to (88.2±4.1) points two weeks after surgery with statistical significance (P=0.041). According to the HSS score after surgery，there were 58 excellent cases，10 good，3 fair and 1 poor. The excellent and good rate was 94.44%. ConclusionThree-dimensional CT reconstruction techniques combined with measurement of important parameters and plan making before surgery can reduce mistakes and improve surgery accuracy. It is helpful to reconstruct lower limb power line correctly，cut bone accurately，and implant prosthesis. It can also provide clinical basis for realizing the individualization and standardization of total knee arthroplasty.

【Key words】knee joint; replacement; CT reconstruction

(收稿日期：2014-09-19； 修回日期： 2015-02-03)

【中图分类号】R 684

【文献标识码】A【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2016.02.007

文章编号：1009-4237(2016)02-0085-04