人工单髁膝关节置换术后CT 三维图像评价

徐汝斌付志厚*刘士明

人工单髁膝关节置换术后CT 三维图像评价

徐汝斌1付志厚2*刘士明1

目的对Oxford人工单髁膝关节置换术治疗膝关节内侧间室骨性关节炎的患者进行术后X线及CT三维图像评价，阐明应用CT三维图像重建技术测量假体位置的可行性和优越性。方法 回顾性分析2013年4月～2014 年12月28例（32膝），男10例，女18例，左膝12例，右膝14例，双膝3例6膝，收集内侧间室人工单髁膝关节置换术的相关资料，平均年龄67岁（62～73岁），平均随访时间3.8个月（1～12个月），无一例失访，无术后感染、假体松动。术后常规行标准位X线检查及双下肢全长CT平扫。两种方法分两次对下肢力线角及假体角度进行测量，并运用统计软件SPSS19.0对其统计描述和分析。结果 ①X线和CT测量的B角和E角变异率较大。②两次X线测量的A角、B角和E角两组间差异有统计学意义，两次CT测量的各指标值组间差异无统计学意义。结论人工单髁膝关节置换术后股骨假体屈伸角和胫骨假体内外翻角变异率大。基于 CT扫描的三维重建图像评估术后假体位置更精确，可重复性高；CT三维图像可以测量假体的旋转角，假体旋转角度的变化可能与单髁膝关节置换术后并发症有关。

人工单髁膝关节置换术；假体旋转；CT扫描；三维图像

膝关节骨性关节炎多发于中老年人，据报道60岁以上的老年人群中，X线片上有骨性关节炎表现的人群占50%，其中伴有临床表现的占30%～50%[1]。根据病人身体情况及病变轻重程度可选择关节冲洗清理术、胫骨高位截骨术，对于严重的膝关节炎的治疗，最终选择行人工全膝关节置换术。其中，约有5%～20%的患者仅存在膝关节内侧间室的严重病变[2]。应用OxfordphaseⅢ单髁置换治疗膝关节内侧间室骨性关节炎,中期疗效满意[3]。近年来，因为严格掌握了手术适应症、手术技术的不断成熟以及单髁假体设计的不断改良，牛津单髁10年的假体生存率达到了94%～98%[4]，术中假体的安放位置对于手术效果的影响也越来越成为骨科医师的焦点。对于单髁假体位置，大部分的研究都是基于冠状位和矢状位的分析[5]。郭万首[6]、李相伟[7]等曾用X线测量人工单髁膝关节置换术后假体冠状位和矢状位对线。Campbell等[8]应用CT扫描分析了单髁置换术后假体位置，也只是在二维图像上做研究。本研究采用Oxford phase 3单髁假体系统治疗2013年4月～2014年12月28例膝关节内侧间室骨性关节炎患者（32膝），手术效果满意。对患者术后行X线及下肢CT断层扫描，在二维图像和三维图像上测量术后下肢力线角、股骨髁假体的屈伸角及内外翻角，胫骨平台假体的内外翻角及后倾角，并在CT三维图像上测量股骨髁和胫骨平台假体的旋转角度，第一次测量后一个月，由同一测量者完成第二次测量，对比两种方法两次测量的差异，选出最精确的测量方法。

1 资料和方法

1.1 一般资料

2013年4月～2014年12月28例（32膝），其中男10例，女18例，左膝12例，右膝14例，双膝3例6膝。平均年龄67岁（62～73岁），体重指数平均26kg/m2（22～29kg/ m2），膝关节疼痛时间平均2.5年（4.5～8年），均严格按照单髁置换手术适应症进行筛选。

1.2 研究方法

平均随访时间3.8个月（1～12个月），所有患者均行X线和CT检查。X线成像前后位要求膝关节屈曲20°，X线球管朝向足端10°投影，侧位X线检查要求膝关节屈曲45°，内外侧髁重叠，双下肢全长正位片拍摄体位要求双下肢并拢伸直，双足尖垂直向上。CT成像要求患者取仰卧位，膝关节伸直位，双下肢穿防旋鞋固定，使双下肢保持中立位，双侧脚尖与检查台保持垂直，踝关节下垫一沙袋以尽量使胫骨和股骨于地面平行，要求CT扫描射线垂直于胫骨和股骨的机械轴线，采用1mm薄层扫描，要清晰显示5个位置：股骨头、股骨上髁轴、股骨假体、胫骨假体、内外踝。把所得连续 CT断层扫描数据保存为DICOM格式，并将其导入Mimics14.11医学图像处理软件中，三维重建出下肢骨关节及假体的数字化模型。

1.2.1 确定下肢中心点

在Mimics软件中，借助MPR多平面成像技术在股骨水平面、冠状面、矢状面上确定股骨头中心点、膝关节中心点、踝关节中心点位置（如图1.1-1.3），记录中心点坐标位置（如图1.4-1.6）。

图1.1 股骨头中心

图1.2 膝关节中心

图1.3 踝关节中心

图1.4 股骨头中心点（白点）

图1.5 膝关节中图 心点（白点）

图1.6 踝关节中 心点（白点）

1.2.2 获取下肢三维测量参数

分别连接股骨头中心与膝关节中心点的坐标、连接膝关节中心和踝关节中心点的坐标，得到的直线为股骨力线（如图2.1）和胫骨力线（如图2.2）。建立股骨髁三维模型，将模型置于仰视位，左右上下旋转股骨髁模型，仔细观察，连接股骨外侧髁最突出点与股骨内侧髁最凹点所得的直线为股骨髁外科上髁线（如图2.3）。

图2.2

图2.3

将股骨头中心的坐标点与股骨外上髁最突出点与股骨内上髁最凹点连接所得的平面，做为股骨冠状面（如图2.4）。将膝关节中心的坐标点与内踝最突出点与内踝最突出点连接所得的平面，做为胫骨冠状面（如图2.5）。

图2.4

图2.5

1.2.3 获取假体三维测量参数

选取股骨假体中轴栓的近端中心点和最远端中心点，将两点连接所得的直线为股骨假体中轴线（如图3.1）。在三维图像中，连接股骨假体最上端中点、最近端中点、股骨假体后髁中点所得平面做为股骨假体中线面（如图3.2）。选取胫骨假体近端内侧突出部中轴的最前端中心点与最后端中心点，将两点连接所得的直线做为胫骨假体中轴线（如图3.3）。三维图像中，在胫骨假体平面上取三个点，将三点连接所得的平面即为胫骨假体平面（如图3.4）。

图3.1

图3.2

图3.3

图3.4

1.3 观察指标

在二维图像和三维图像上分别对下肢力线角（C角）、股骨假体屈伸角（B角）、股骨假体内外翻角（A角）、股骨假体旋转角（G角）、胫骨假体后倾角（F角）、胫骨假体内外翻角（E角）、胫骨假体旋转角（H角）进行测量。

1.3.1 X线测量

C角为股骨解剖轴线内翻6°之后与胫骨解剖轴线的夹角（如图4.1）。侧位片上，B角为股骨解剖轴线和股骨假体中央栓直线之间的夹角（如图4.2）。正位片上，A角为股骨假体中轴线与解剖轴线内翻6°后的夹角（如图4.3）。正位片上，E角为胫骨假体横轴的垂直线与胫骨解剖轴线的夹角（如图4.4）。侧位片上，F角为胫骨假体横轴的垂直线与胫骨解剖轴线之间的夹角（如图4.5）。

图4.1

图4.2

图4.3

图4.4

图4.5

1.3.2 CT三维图像测量

将上述所得三维图像中的测量参数以IGS格式导出，并导入 UGNX10.0测量软件，在三维空间内测量相关参数之间的角度。

C角为股骨力线与外科上髁线的内侧夹角加上胫骨力线与外科上髁线的内侧夹角之和。B角为股骨假体中轴线与股

2 结果

骨冠状面之间的夹角。A角为股骨假体中线面与股骨力线之间的夹角。G角为股骨假体中线面的垂线与外科上髁线之间的夹角。F角为胫骨假体平面的垂线与胫骨冠状面之间的夹角。E角为胫骨假体平面与外科上髁线之间的夹角。H角为胫骨假体中线在冠状面上的垂线与外科上髁线之间的夹角。

将测量的数据通过SPSS 19.0进行统计描述和分析。

在二维图像和三维图像上分别对C角、B角、A角、G角、F角、E角、H角的测量结果见表1。

表1 X线测量与CT三维测量各指标的结果（单位°）（注：第二次测量在第一次测量后一个月由同一测量者完成）

由于本研究所测得角度正常值不同，两两间比较无意义，所以不能用假设检验方法比较各组之间的差异，故采用比较变异个数百分比的方法来分析各组之间的误差大小。X线测量的C角、A角、B角、E角、F角的变异百分比分别为3.13%、0、34.38%、18.75%、3.13%。CT测量的C角、A角、B角、E角、F角的变异百分比分别为0、0、31.25%、15.63%、3.13%。通过分析，B角和E角最易出现偏差。两次X线及CT三维测量的各指标值经检验均为非正态分布数据，故两组间差异采用非参数 Wilcoxon符号秩和检验，P＜0.05有统计学意义，结果如下（表2、表3）：

表2 X线测量值检验统计量（单位°）

表3 CT测量值检验统计量（单位°）

3 讨论

人工单髁膝关节置换术创伤小，出血少，手术时间短，术后患者膝关节功能恢复快，且恢复良好。黄淑梅[9]等报道单髁膝关节置换治疗膝关节内侧间室骨性关节炎中短期疗效肯定。张催[10]等报道单髁膝关节置换的近中期治疗效果已达到或超过全膝关节置换术。据报道[11]，单髁置换术后的严重并发症及死亡率均较低。

由于单髁膝关节置换术中假体的植入的位置较大程度依赖术者操作经验和肉眼判断，使得单髁操作系统仍存在潜在的不精确性。据报道，这种不精确率达到了30%[12]。临床研究发现，放置假体的位置与术后的临床疗效及假体的生存率有一定的相关性[13]。全膝关节置换术后的下肢力线大部分决定于相对于中立位机械轴最佳对线的术中定位[14]，而单髁置换术的下肢力线决定于韧带张力、术前的下肢力线以及术中半月板衬垫厚度的选择。

本研究中，下肢力线平均内翻1.99°，与Bellamy[15]提倡的2～3°的内翻相符。Perkins[16]报道单髁膝关节置换术后关节对线控制在内翻2°～外翻6°内。本研究中，下肢力线角的测量选择股骨力线与外科上髁线的夹角，加上胫骨力线与外科上髁线的夹角，这样可以避免因病人扫描体位不严格而导致的测量误差，Stishl[17]等研究结果表明，外科上髁轴线是膝关节的旋转中心，并垂直于下肢机械轴线，而这种垂直关系在膝关节屈伸时始终恒定不变。本研究中，股骨假体内外翻角度平均值为内翻1.22°，与假体相对于股骨机械轴的0°翻转目标接近，所有病例在Oxford推荐的10°变异范围之内。Muller[18]等报道开放方式和微创方式进行单髁膝关节置换术，术后股骨假体分别平均外翻3°和外翻4°，其中3%超出了Oxford推荐的10°波动范围。股骨假体屈曲角度的测量，以股骨头中心点与外科上髁线的两端点连接所得的平面为股骨冠状面做为参考平面，是基于股骨头中心为髋关节的旋转中心，而外科上髁线是膝关节的旋转固定轴线确定的。本研究中，31.25%的膝关节股骨假体屈曲角度超出了目标值范围。胫骨平台假体的内外翻角度的测量亦以股骨外科上髁线为参考线，同样基于外科上髁线是膝关节固定旋转轴确定的，本研究中，胫骨平台假体平均内翻2.85°与其他膝关节系统应用髓外定位的胫骨假体平均2°～5°的内翻相符，本研究中15.63%假体内翻超出了Oxford推荐的胫骨平台假体内翻小于10°的范围，与Muller等的报道相符。Hernigou[19]等推荐胫骨平台假体后倾5～7°截骨效果最好。本研究中胫骨假体后倾角度为平均后倾6.29°，于其报道结果相符。

股骨上髁线分为外科上髁线和临床上髁线，临床上髁线为内上髁最突出点和外上髁最突出点的连线，外科上髁线为内上髁最凹点和外上髁最突出点的连线。Suterd[20]、Yoshino[21]等研究发现CT二维图像上股骨临床上髁线更容易找到，Matsuda[22]认为外科上髁轴为股骨髁的功能屈曲轴，本研究中有10例膝术后CT水平图像上股骨髁内侧髁最凹点不能定位，在三维图像上左右旋转股骨髁模型，能清楚的标出外上髁最突出点和内上髁最凹点，故选择外科上髁线做为假体旋转角度测量的参考线。本研究中，胫骨假体的旋转变异最大，这也是预期的发现，因为术中未用机械装备导向截骨来决定胫骨平台假体的旋转力线。众所周知，全膝关节置换术后假体的旋转与术后髌骨的运动轨迹有明显的相关性，而人工单髁膝关节置换术后假体旋转的意义未被描述过，至今仍不知人工单髁膝关节置换术后假体旋转的临床启示。

人工单髁膝关节置换术已在全球范围内得到广泛推广，但是对于术后假体位置许多参数的评估没有统一的标准。传统的X线平片是二维图像，由于解剖结构前后重叠，不易观察，常规CT扫描的横断面二维图像，各解剖标志在同一张断层图像上并不能完全显示，缺乏立体感，容易产生测量误差。三维图像可以从任意角度、任意方向上观察，即可增加解剖标志的准确性，也可以排除二维图像上假体扫描伪影导致的测量误差。

4 结论

①人工单髁膝关节置换术后股骨假体屈伸角和胫骨假体内外翻角变异率大；

②基于CT扫描的三维重建图像能清楚的显示假体与肢体的空间关系，评估术后假体位置更精确，可重复性高；

③CT三维图像可以测量假体的旋转角，假体旋转角度的变化可能与单髁膝关节置换术后并发症有关。

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The assessment of the postoperative prosthesis position of unicomp-artmental knee arthroplasty by CT 3D images

Xu Rubin1,Fu Zhihou2,Liu Shiming1.1 Department of Joint Surgery,the Second People's Hospital of Liaocheng City. Linqing Shandong,252600;2 The Jinan Military Region General Hospital,Jinan Shandong,250031,China

Objective To evaluate the postoperative prosthesis position of the medial compartment osteo-arthritis patients who underwenttheOxford unicompartmentalknee arthroplasty usingX-rayandthree-dimensional CTimages.To explain the advantage and feasibility of the measurement of postoperative prosthesis position by three-dimensional CT images reconstruction techniques.Methods A retrospective analysis was conducted on 28 patients(32 knees)who underwent OxfordPhase3 unicompartmentalknee arthroplasty for the medial unicompartmentalknee osteoarthritis,applicationduring the period Apr 2013 to Dec 2014.Ten were males and eighteen were felames.There were 12 cases of left knee,and 14 cases of right knee.The mean age of the 28 patients was 67 years(range 62 to 73)at the time of surgery and the mean follow-up was 3.8 months(range 1 to 12)and none of the patients was lost follow-up.There was no postoperative infection and prosthesis loosening happening on any patient.After the operation,get the images of lower limb by X-ray andCT scanning.To measure the limbalignment angle and theprosthesis angles using two methods intwice.To analyze the datas using spss 19.0 software.Results①The percentage variations of the femoral flexion-extension angle and the tibial varus-valgus angel were larger measured using two methods.②There were significant differences in A angle,B angle and E angle in the two measurement by X-ray.There were no significant differences in all angles in the two measurement by CT.Conclusion The percentage variations of the femoral flexion-extension angle and the tibial varus-valgus angle were larger.The 3D resconstrcution technique can accurately calibrate anatomical position based on CT scaning, and it’s more accurately to select the reference line in 3D images than do it in 2D images,and we also can measure the rotationl angle of prosthesis in 3D images.We remain unsure of the implications of com-ponent rotation,but it may be the aetiology of instability and mechanical symptoms seen in some UKA.

UKA;Rotational axis;CT scaning;Three-dimensional image

R684

B

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.02.004

swgk2016-11-00268

徐汝斌（1988-）男，硕士，住院医师。研究方向：骨外科。

*[通讯作者]付志厚（1962-）男，博士，主任医师。研究方向：骨外科。

2016-11-14）

作者单位：1聊城市第二人民医院关节外科，山东临清252600；2济南军区总医院骨病科，山东济南250031