基于CT三维重建测量膝关节骨关节炎患者股骨远段前偏角的初步研究

柯松，王敏，徐源，宋鑫，吕明锐，刘娇

(中国人民解放军陆军军医大学第二附属医院骨科，重庆 400037)

全膝关节置换术(total knee arthroplasty，TKA)是治疗各类膝关节炎终末阶段最有效的术式之一[1]。假体位置的安放准确对于TKA效果及远期假体生存率至关重要[2-3]。我们观察到股骨远段解剖轴线和股骨机械轴线在矢状面成一定角度[4]，解剖轴线相对机械轴线前倾。这两条线分别为人工膝关节股骨髁假体定位的两个参考线，即股骨远段解剖轴线是传统TKA股骨远端矢状面截骨参考线，通过髓内杆定位实现；而股骨机械轴线则是计算机导航辅助TKA(computer-assisted surgery in total knee arthroplasty，CAS)及3D打印个性化截骨导板辅助TKA(Patient-specific instrumentation development in TKA，PSI)确定矢状位股骨远端截骨方向的参考线，通过计算机软件设计实现。该角度目前尚无统一认识，为方便研究，我们且定义该角为股骨远段前偏角(distal femoral sagittal anterior angle，DFSAA)。理论上，如果DFSAA过大，参考股骨远段解剖轴线的传统TKA安装的股骨部件位置将和参考股骨机械轴线的CAS-TKA或PSI-TKA安装位置在矢状面上产生较大的差距。在判断股骨前偏角度是否影响股骨髁部假体位置等问题之前，需要了解DFSAA的基本规律。本研究收集131例拟行关节置换的膝骨关节炎患者，对上述DFSAA进行初步研究分析，报告如下。

1 资料与方法

1.1 对象 收集2017年1月至2018年1月间在重庆新桥医院骨关节外科就诊，按照2016年美国骨科医师协会(American academy of orthopaedic surgeons，AAOS)《膝关节骨关节炎循证医学指南》(第2版)[5]标准诊断为双膝骨关节炎患者131例。男25例，女106例，年龄49～84岁，平均(66.2±8.0)岁。纳入标准：Kellgren-Lawrence分级为Ⅳ级，膝骨关节炎拟行全膝关节置换患者。排除标准：a)严重膝关节内外翻畸形(>15°)，其他明显关节外畸形；b)严重骨缺损和骨赘；c)骨肿瘤及骨折病史；d)类风湿性关节炎、痛风性关节炎等炎性关节疾病。

1.2 方法 摄片及测量方法：患者常规做双膝站立位关节X线片，除外严重畸形、骨缺损等情况。并行64排CT双下肢薄层平扫，层厚0.625 mm，扫描范围从髂前上棘到跟骨下缘。体位：双腿自然并拢中立位，髌骨朝上。获得双下肢骨骼CT扫描数据，将所得数据以DICOM3.0格式存储于计算机中。使用Mimics 17.0软件，将CT-DICOM数据导入软件，对股骨进行三维重建，获得股骨的3D图像。在Creo2.0矢状位图像中建立圆柱模拟股骨髓内导向杆，模拟髓内导向杆的中心轴线即为股骨远段解剖轴线a；从股骨头中心到模拟髓内导向杆开髓口中心即为股骨机械轴线b。两条轴线远端位点相交于股骨髁间窝穹窿顶偏内位置点c(见图1)。两线夹角由软件自动测出并记录。为保证测量的准确性，对每个股骨样本测量3次，每次由不同的工程师测量，得到的数据结果误差在±0.15°范围内，显示通过该软件测量结果具有高度的可靠性。术后常规摄手术侧膝关节正侧位片，我们定义在侧位片上股骨远段前方皮质与假体连续部出现骨质缺损为股骨形成切迹(notch)。记录发生notch的例数。

注：a线为股骨远段解剖轴线；b线为股骨机械轴线；c为矢状位a线和b线的交点。

图1 股骨远段前偏角示意图

1.3 统计学方法 所有数据采用SPSS 13.0统计软件进行分析。首先对数据进行Kolmogorov-Smirnov检验评价是否遵循正态分布。对正态分布数据采用t检验。对非正太分布数据采用非参数秩和检验。对率的比较采用χ2检验。检验水准α=0.05。

2 结 果

本组131例患者均为双侧膝骨关节炎患者，共获得262个股骨3D影像并有效测量，其中DFSAA度数最小为0.05°，最大5.74°，平均(2.51±1.50)°。有50%的患者DFSAA小于2.23°，另外50%患者则在2.23°～5.74°之间。男性DFSAA最小值为0.05°，最大值为5.64°，平均为(2.58±1.59)°；女性DFSAA最小值为0.19°，最大值为5.74°，平均为(2.50±1.49)°；男性女性组间比较，差异无统计学意义(P=0.389)；每个患者的左右DFSAA并不一致，最小的相差0.01°，最大的相差3.08°，平均为1.0397°，90%患者相差在2°以内。

131例患者中患侧DFSAA超过3°有49例，0°～3°之间的有82例；其中超过3°发生notch9例；0°～3°之间发生notch4例。DFSAA超过3°的notch发生率为18.37%；0°～3° notch的发生率为4.88%；使用四格表χ2检验，P=0.028。

3 讨 论

正确的下肢力线和良好的假体位置是全膝关节置换术后功能恢复及假体长期生存的重要前提[6]。股骨髁部假体位置安放准确的前提是股骨远端截骨在冠状面和矢状面均垂直于股骨机械轴线。假体要放置正确，术前需了解股骨干在冠状面和矢状面的解剖形态[7]。国内外关于股骨冠状面解剖形态的相关研究较多，这些研究发现膝骨关节炎患者股骨远端在冠状面上存在向外的侧弓。普遍认为股骨近端解剖轴线(proximal femoral anatomical axis，PFA)与远端解剖轴线(distal femoral anatomical axis，DFA)在冠状面的夹角为股骨侧弓角(lateral femoral bowing angle，LFBA)；并且认为LFBA会影响股骨外翻角(femoral valgus angle，FVA)，进而影响股骨远端外翻截骨[8-11]。

而目前对股骨远段矢状面前弓规律的研究相对较少。Tang等[12]较早地研究了股骨矢状面前弓形态，他们的研究以近段、中段、远段的曲率半径表示股骨前弓程度，认为远段较近段和中段屈曲程度更大。Lu等[13]的研究也表明远段1/3较股骨其他部位弧度更明显，曲率为16.33×10-4m-1，并且认为股骨远端1/3的前弓形态对假体安放位置更有意义。在近些年的研究中，普遍定义PFA与DFA在矢状面的夹角为股骨前弓角(sagittal femoral bowing angle，SFBA)，以SFBA表示股骨前弓程度[12，14-18]。Bao等[7]的研究中，定义股骨矢状面远段解剖轴线(distal anatomical axis，DAA)与矢状面机械轴线(sagittal mechanical axis，SMA)的夹角为SMADAA，实则与本文研究的DFSAA为同一角度。他的研究表明SMADAA与SFBA具有显著相关性，因此DFSAA可以反映股骨远段前弓程度，且相较于以往的曲率、曲率半径、SFBA等指标，我们认为DFSAA具有更好的临床参考意义。

理由如下：a)构成DFSAA的两条轴线分别为人工膝关节股骨髁假体定位的两个参考线，即股骨远段解剖轴线是传统TKA股骨远端矢状面截骨参考线，通过髓内杆定位实现；而股骨机械轴线则是CAS-TKA及PSI-TKA确定矢状位股骨远端截骨方向的参考线，通过计算机软件设计实现。如按相应的参考线截骨则会产生较大的偏差(见图2)，股骨远端截骨平面显然不一致。箭头1代表股骨机械轴线为参考截出的平面，箭头2代表股骨远段解剖轴线为参考截出的平面，后者比较前者明显前倾。所以当DFSAA较大时，参考股骨机械轴线截骨有可能发生股骨前方皮质出现切迹(notch)(见图3)。有研究认为该切迹将增加假体安放后股骨髁上骨折的风险[18-19]。b)对于参考股骨远段解剖轴线的传统TKA来说，也存在notch风险。例如使用长髓内定位杆，或开髓点开口较大时则会出现定位杆尾端上移。上移的过程可以认为是髓内定位杆自动纠正股骨远段的前弓。如果按照此时的定位杆定位截骨，则会导致股骨前髁形成notch(见图4)。所以在传统TKA中，如果术前测得DFSAA较大时，宜采用短髓内杆，避免插入超过股骨远段1/3。且开髓口应刚刚合适定位杆通过，防止杆尾端倾斜。虽然会出现术后假体矢状面位置屈曲，但有研究表明屈曲角度介于±10°之间对于功能恢复无显著影响[20]。

本组膝骨关节炎患者的股骨DFSAA平均值为(2.51±1.50)°，最大最小差值达到5.69°，提示在个体间有高度差异性。当DFSAA超过3°时，notch的发生率明显增高。孙云波等[20]的研究也表明股骨前侧皮质notch的发生以及切迹深度与股骨远端屈曲角度具有相关性。因此我们建议行全膝关节置换术前应了解患侧股骨矢状面前弓程度。随着计算机导航技术及3D打印技术的快速发展，CAS及PSI越来越多地应用在TKA。不论是CAS还是PSI辅助TKA均较传统TKA更易获得精确的截骨及假体安放位置[21]。CAS需要在术中由导航系统确认股骨机械轴线；PSI需要术前依据3D股骨模型的机械轴线设计个体化截骨导板。对于DFSAA超过3°的患者，不建议参考股骨机械轴线行远端截骨，建议参考股骨远段解剖轴线(图2a线)，但应注意选择短髓内定位杆或髓内定位杆插入深度不超过股骨远段1/3；而小于3°DFSAA的患者，建议参考股骨机械轴线(图2b线)，以获得更精确股骨侧假体安放位置。

注：箭头1为参考下肢力线做出的股骨远端截骨面，箭头2为参考解剖力线做的截面

图2 参照股骨远段解剖轴线和机械轴线做股骨远端截骨出现不同截骨面

图3 股骨髁前方截骨出现notch

图4 股骨远段前弓对髓内定位的影响

本组资料显示男性患者和女性患者的DFSAA没有显著性差异。该结果和我们预期的不一样，可能和男性的样本数有关。同一患者左、右股骨DFSAA并不一样，本研究显示相差最大的有3°，原因不清，这可能足以影响股骨远段截骨参考线的选择，术前应该慎重。

了解DFSAA的基本规律，对于术前预判股骨远端截骨参考轴线、术中分析可疑notch形成原因并行相应调整有重要参考意义。因此我们做了初步的研究及讨论。既往研究股骨干各段曲率、SFBA等指标都是以X线投射获得的测量数据，这些数据较容易受到投射角度的影响。本研究基于CT扫描重建股骨影像测量获得的数据可以减少投射及体位带来的影响。当然也存在一些局限：a)没有将参照股骨机械轴线截骨和解剖轴线截骨的病例分开研究。因此参考股骨机械轴线的CAS-TKA、PSI-TKA中发生notch的概率和髓内参考股骨远段解剖轴线的传统TKA发生notch概率无从比较。b)DFSAA受股骨前倾角、股骨颈长度、股骨长度等因素影响。在3D影像上股骨机械轴线是从股骨头中心到股骨髁间窝穹窿顶中心(偏内)的连线，如果患者股骨颈前倾角增大，则DFSAA会减小。特别是先髋脱位或髋臼发育不良的患者，股骨颈前倾角和DFSAA关系密切，相关性会更明显。本组没有包括这类患者，所以DFSAA和股骨颈前倾角相关性如何，仍需深入研究。c)股骨矢状面前弓与种族有相关性[22]，本组研究对象均为中国西南地区膝骨关节炎患者。因此本研究结果不能直接说明在其他地区或者其他人种中是否会有相似结论。尚需进一步多中心，多样本的研究。

致谢：感谢北京纳通骨科研究所付明俊博士在测量和软件应用中的帮助。