内侧撑开胫骨高位截骨骨性合页与胫骨平台后倾角改变的三维CT模型研究

张海龙 冯华 洪雷 王雪松 张辉 张晋 刘心 薛喆

北京积水潭医院运动医学科（北京 100035）

膝关节的稳定性对于竞技以及娱乐性体育运动的发挥都有着至关重要的作用，膝关节不稳定的原因除韧带损伤外，许多情况下还包含骨性结构畸形和力线异常，最常见的是前交叉韧带损伤伴发的内侧间室骨性关节炎及内翻畸形[1，2]。慢性的前交叉韧带断裂合并内翻畸形会使后外侧结构受到进行性的牵拉并导致松弛，如果只采取单纯前交叉韧带重建的手术而没有纠正内翻畸形，长期力线异常会影响前交叉韧带重建的效果并导致骨性关节炎的发生[3-5]。前交叉韧带重建结合内侧撑开胫骨高位截骨治疗前交叉韧带损伤合并膝内翻畸形的文献报道提示其可以改善膝关节稳定性并延缓骨性关节炎的进展[6，7]。

然而，近些年的研究发现内侧撑开胫骨高位截骨在矫正内翻的同时常常会意外造成胫骨平台后倾角的增加，导致胫骨前移及前交叉韧带张力的增加[8-11]。少数学者发现内侧撑开时合页轴的方向及内翻的矫正程度对胫骨平台后倾角的改变有着重要的影响[12]，然而目前对影响术后胫骨平台后倾角改变的因素尚缺乏系统的研究。在本课题中，我们利用CT数据进行三维重建得到胫腓骨近端模型，并以此模拟胫骨高位截骨。通过对内侧撑开矫正内翻这一过程的模拟，研究合页轴方向与胫骨平台后倾角改变之间的定量关系，以及内翻矫正角度对此关系的影响。该项研究有助于实现对内侧撑开胫骨高位截骨术后胫骨平台后倾角改变的预测，从而为优化术前规划、改善膝关节功能提供新的理论依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择2016年1月至2016年12月于我单位接受胫骨高位截骨的患者20人，其中男性14人，女性6人。患者平均年龄44.6岁（31～57岁）。获取患者膝关节CT数据进行三维重建。

1.2 三维模型建立

将膝关节CT数据导入Mimics软件（Mimics，Materialise Inc，Leuven，Belgium）进行三维重建并将重建的胫腓骨近端模型以点云形式导入MatLab软件（Mat-Lab，the MathWorks，Inc，MA）（图1）。

图1 基于CT数据重建的胫腓骨近端三维模型及其点云形式

使用坐标旋转算法使三维模型置于标准坐标系下。依据国际生物力学学会关于膝关节标准坐标系的定义，选取胫骨各截面髓腔中心点并连接，即胫骨解剖轴p并设为垂直轴z，标记胫骨平台内外侧髁（点M和点L），则通过胫骨平台内外侧髁的直线为冠状轴x，与垂直轴和冠状轴均垂直的直线记为矢状轴y。以此三条轴为参照建立标准坐标系，并依据空间几何中的坐标旋转公式设计算法，使胫骨近端三维模型置于标准坐标系下。见图2。

图2 使用坐标旋转算法使胫腓骨近端模型置于标准坐标系下

1.3 胫骨平台内翻角及后倾角的测量

将胫腓骨近端模型分别在冠状面及矢状面做投影，得到模拟的前后位片和侧位片，测量胫骨平台内外侧髁的连线与水平线的夹角（即胫骨平台内翻角a）和胫骨平台前后缘的连线与水平线的夹角（即后倾角b）。见图3。

1.4 模拟内侧撑开胫骨高位截骨

于胫骨内侧自胫骨结节水平至外侧上胫腓关节连线为截骨方向，模拟胫骨高位截骨术，合页轴在水平面内，在其与矢状轴夹角c分别为0°及45°情况下，坐标旋转算法抬起近端骨折块过度矫正内翻至外翻3°（图4）。将矫正后的胫腓骨近端模型分别在冠状面及矢状面做投影，得到模拟的前后位片和侧位片，测量新的胫骨平台后倾角并计算其改变。

1.5 统计学方法

使用专业统计学软件包SPSS17.0进行分析。对后倾角改变与内翻角矫正之间的关系使用Pearson相关分析，对合页轴分别指向不同方向术后后倾角改变之间的比较使用配对方差分析。当P＜0.05时，结果有统计学意义。

图3 胫骨平台内翻角及后倾角

图4 内翻矫正过程中合页轴的方向

2 结果

当合页轴与矢状轴夹角为0°时，术后胫骨平台后倾角改变与内翻矫正角度无线性相关（P=0.2，R2=0.17）。当合页轴与矢状轴夹角分别为15°，30°及45°时，术后胫骨平台后倾角改变与内翻矫正角度均成线性相关（P=0.00，R2=0.99），回归方程分别为y=0.23x+0.96；y=0.46x+1.71；y=0.66x+2.36。当合页轴与矢状轴夹角分别为0°，15°，30°及45°时，术后胫骨平台后倾角改变随夹角增加而增加，结果有统计学差异（F=897.65，P=0.00）。见图5。

图5 术后胫骨平台后倾角与初始内翻角及合页轴方向的关系

3 讨论

内侧撑开胫骨高位截骨术可有效地矫正膝内翻畸形，但目前众多的研究提示其术后引起的胫骨平台后倾角的改变对膝关节矢状面的生物力学环境造成影响[11]。本研究利用膝关节CT数据建立三维模型，并据此模拟内侧撑开胫骨高位截骨术，通过对合页轴方向的控制，研究不同内翻矫正角度条件下截骨术后胫骨平台后倾角的改变。研究结果表明：（1）与标准矢状位前后方向相比，合页轴的方向指向前外侧方向会导致术后胫骨平台后倾角增加；（2）在合页轴指向前外侧时，增加内翻矫正角度会导致术后胫骨平台后倾角增加。

内侧撑开胫骨高位截骨矫正膝内翻的目的在于矫正下肢力线由通过膝关节内侧间室转移至通过外侧间室，在技术上多采取过度矫正即通过Fujisawa点或矫正至外翻3°～5°[13]。术后胫骨平台后倾角的改变情况目前缺乏定论，部分学者认为术后后倾角不变或减小[14]，但多数报道提示其存在不同程度的增加[15，16]。为了消除这一负面效应，多项研究分析了造成胫骨平台后倾角增加的因素。Noyes及Song等均认为胫骨平台后倾角的增加与术中截骨后胫骨前缘与后缘张开程度比值相关，当该比值控制在0.5～0.67范围内可避免胫骨平台后倾角的增加[16-18]。Marti等的研究表明截骨时把胫骨后缘皮质完全截断可避免胫骨平台后倾角的增加[8]。Hinterwimmer建议术中将撑开器及钢板的位置偏后放置可以减少胫骨平台后倾角的增加[19]。基于上述研究结果，在术中采取的改进措施均在一定程度上降低了胫骨平台后倾角的增加程度，但造成其胫骨平台后倾角增加的原因仍不十分明确。

Wang[12]等于2009年提出截骨矫正时合页轴的角度是造成后倾角增加的重要因素，当胫骨后侧皮质被完全截断而仅保留外侧皮质作为合页轴时，合页轴的方向指向前后方向，因此内侧撑开时仅在冠状面内翻畸形；当后侧皮质没有完全截断时，合页轴指向前外侧方向，内侧撑开时会在矫正冠状面内翻畸形的同时也引起矢状面后倾角的改变。Moon等[20]的研究结果再次提示了合页轴方向与后倾角改变之间的相关性。我们的研究采用模拟手术的方法，系统定量地分析了合页轴与后倾角之间的关系，通过对比不同合页轴方向条件下矫正内翻的结果，发现当合页轴指向前外侧时，术后胫骨平台后倾角显著增加。本研究的结果与上述文献结果相一致，进一步揭示了合页轴方向在术后胫骨平台改变中的作用。

初始膝内翻角度与术后胫骨平台后倾角之间的关系目前尚缺乏大宗病例的报道。少数小样本的报道认为二者之间无相关关系[20，21]。本研究对不同合页轴方向条件下矫正内翻的结果进行分析，当合页轴指向前后方向（即0°）时，术后胫骨平台后倾角与初始内翻角度无相关关系；但当合页轴指向前外侧方向时，术后胫骨平台后倾角随内翻矫正角度的增加而显著增加。当合页轴指向前外侧方向，内侧撑开时会在矫正冠状面内翻畸形的同时也引起矢状面后倾角的改变，初始内翻角度越大，需要撑开矫正的幅度也越大，因此矢状面胫骨平台后倾角改变也会相应增大。

本研究尚有一些不足之处：（1）本研究样本量较小，给实验结果带来误差；（2）研究中仅考虑了水平截骨，在手术操作中为增大截骨断面的横截面积促进骨愈合，截骨平面可能会与水平面存在一定夹角。该因素在本研究中未予探讨。

4 结论

内侧撑开胫骨高位截骨术后胫骨平台后倾角的变化与截骨矫正过程中合页轴的方向及内翻矫正角度密切相关，确保合页轴沿矢状面前后方向是维持术后胫骨平台后倾角不变的重要方法。