内侧撑开胫骨高位截骨术中骨性合页与胫骨轴向旋转改变的三维CT模型研究

张海龙 姜春岩 洪雷 张辉 冯华

北京积水潭医院运动医学科（北京100035）

内侧撑开胫骨高位截骨已成为目前治疗膝关节早期骨性关节炎的重要治疗手段，该术式可以将下肢力线由膝关节内侧间室转移至外侧间室，纠正冠状面的内翻畸形，从而改善症状，延缓关节炎进展[1-2]。然而，内侧撑开胫骨高位截骨在改善冠状面内翻畸形的同时也对其他截面产生影响。多项研究发现，在前交叉韧带重建合并内侧撑开胫骨高位截骨时，常常会出现胫骨平台后倾角的改变，这将会影响前交叉韧带张力，甚至导致术后重建韧带失效[3-5]。然而近年来只有少数几项研究分析内侧撑开胫骨高位截骨与术后胫骨轴向旋转的关系。而胫骨轴向旋转改变，即胫骨内旋或外旋，会直接影响整个下肢的受力状况和步态[6-8]。在本研究中，我们提取膝关节CT三维数据并以此重建得到胫腓骨近端的几何模型。基于此模型，我们通过几何操作模拟内侧撑开胫骨高位截骨术矫正内翻。通过对这一手术操作的模拟仿真，我们分析合页轴方向与胫骨轴向旋转之间的定量关系；同时，我们进一步分析了内翻矫正程度对前述定量关系的间接影响。这一实验结果将可定量地实现对内侧撑开胫骨高位截骨术后胫骨轴向旋转的预测，从而为进一步改善下肢生物力学状态及缓解膝关节早期骨关节炎症状提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究共纳入患者19 人（男12 人，女7 人），均诊断为前交叉韧带损伤合并膝关节内翻并在我科行内侧撑开胫骨高位截骨手术，且内翻角度覆盖3°至12°范围。患者平均年龄45.2 岁（33～58 岁）。提取患者术前膝关节CT三维数据进行后续重建及手术模拟。

1.2 胫腓骨近端三维几何模型建立

使用Mimics 软件（Mimics，Materialise Inc，Leuven，Belgium）将提取的薄层CT 数据进行三维重建（图1A），重建结果以点云形式输入MatLab软件（Mat-Lab，the MathWorks，Inc，MA）得到三维胫腓骨近端几何模型（图1B）。

通过设计坐标转换算法将胫腓骨近端三维模型置于标准坐标系下。具体方法为：首先连接胫骨各截面髓腔中心点标记胫骨解剖轴并以此设为垂直轴z，与轴z 垂直的平面标记为r，然后标记并设术前胫骨平台内外侧间室的最后缘分别为点M 和点N，连接点M 及点N，以直线MN（即后髁线）在平面r内的投影M’N’为冠状轴x，与冠状轴x 和垂直轴z 均垂直的直线记为矢状轴y。在此基础上建立标准坐标系，并设计坐标转换算法，将胫腓骨近端三维模型通过几何操作置于标准坐标系下（图2）。

1.3 测量胫骨平台内翻角及轴向旋转角

为得到测量所用的膝关节前后片及横断面图像，分别将胫腓骨近端三维重建模型在冠状面及横断面做投影，得到模拟的前后位片和横断面，连接胫骨平台内外侧间室最后缘，记该连线为MN并测量其在冠状面的投影M1N1 与水平线的夹角，即胫骨平台内翻角（图3A）；在横断面上直线MN 的投影M2N2 与x 轴的夹角即胫骨轴向旋转角（图3B）。

1.4 内侧撑开胫骨高位截骨术的仿真模拟

基于CT 三维数据并以Matlab 软件重建的三维胫腓骨近端几何模型，我们通过几何操作模拟了内侧撑开胫骨高位截骨术，其具体过程为首先设计截骨线，自胫骨内侧胫骨结节水平至上胫腓关节，合页轴在水平面内。当合页轴方向与矢状轴夹角c 分别为0°、15°、30°及45°情况下，使用坐标转换算法及几何操作升高近端骨折块内侧，从而实现矫正膝关节内翻至外翻3°（图4A、B）。将模拟手术操作后的胫腓骨近端三维几何模型在冠状面及横断面进行投影，测量术后胫骨轴向旋转角的改变数值。

1.5 统计学方法

使用SPSS17.0软件对结果进行统计分析，并以P＜0.05时认为差异有统计学意义。合页轴角度与术后胫骨轴向旋转角度之间的关系使用Friedman 检验；胫骨轴向旋转角与内翻角矫正之间的关系使用Pearson 相关分析。

图1 基于CT三维数据的胫腓骨近端模型

图2 通过坐标转换使胫腓骨近端三维模型位于标准坐标系中

图3 胫骨平台内翻角及轴向旋转角

图4 内翻矫正过程中合页轴的方向

2 结果

当合页轴位于矢状面时，内翻角的矫正程度与胫骨轴向旋转之间不存在线性相关关系（P=0.36，r2=0.12）。当合页轴的方向与标准矢状轴存在15°、30°及45°角度时，术后胫骨轴向旋转角度与内翻矫正角度均成线性相关（P=0.00，r2=0.96），回归方程分别为y=0.05x－0.26，y=0.11x－0.55，y=0.17x－0.91。当合页轴方向与矢状轴夹角依次增大为0°、15°、30°及45°时，胫骨内旋依次增加，经统计学分析差异有统计学意义（χ2=13，P＜0.001）（图5）。

3 讨论

膝关节内翻是临床常见的病理状态，内侧撑开胫骨高位截骨术已经成为有效且广泛应用的手术治疗方法，对于预防膝关节进一步退变有重要作用，但目前相关生物力学及临床研究发现其术后引起胫骨轴向旋转改变，而这将会影响膝关节的局部解剖、生物力学环境以及生理功能[9]。本研究中，我们利用膝关节CT 三维数据重建胫腓骨近端的几何模型，并据此模拟内侧撑开胫骨高位截骨术。通过模拟手术过程中对合页轴角度的调整，分析不同内翻矫正角度及合页轴方向对术后胫骨轴向旋转改变的影响。结果发现，与标准矢状轴相比，合页轴指向前外侧方向会导致术后胫骨内旋增加；同时增加内翻矫正角度会导致术后胫骨内旋进一步增加。

膝关节骨关节炎多导致膝关节内翻，胫骨高位截骨以矫正膝内翻已经在临床上广泛应用。Fujisawa 等[10]对该手术进行了系统总结，认为其原理是通过调整下肢力线，使下肢力线通过膝关节外侧间室来减少内侧间室的压力，并提出了Fujisawa 点，即使力线通过平台外侧62.5%的位置，约外翻3°～5°。越来越多的研究者开始关注术后胫骨平台后倾角及胫骨轴向改变对膝关节生物力学环境的影响。已有文献报道术后胫骨平台后倾角存在不同程度的增加[11-12]。近些年来少数研究者发现术后胫骨轴向旋转出现改变。Baumgarten 等[13]的一项尸体研究结果表明，内侧撑开胫骨高位截骨术后胫骨出现外旋。作者在文章中进行了分析，认为出现外旋是由于尸体的软组织缺乏生理性张力所致。Kendoff 等[14]的研究发现术后胫骨远端出现轻度外旋，但无统计学意义，其认为可能的原因是术中没有实施腓骨截骨。然而也有研究持不同意见，Kuwashima等[15]的研究结果表明，外侧闭合胫骨高位截骨会导致胫骨内旋，而内侧撑开胫骨高位截骨不会导致胫骨轴向旋转的变化。

Lee 等[16]于2017年提出截骨矫正时合页轴的方向是造成胫骨轴向旋转的重要因素，并发现内侧撑开胫骨高位截骨会导致胫骨内旋。截骨术中需保留胫骨外侧皮质的完整性并以此作为合页轴。当合页轴的方向沿矢状轴方向为前后方向时，内侧撑开仅纠正冠状面的内翻畸形而不会引起胫骨平台后倾角及轴向旋转的变化。但是如果后侧皮质有所保留造成合页轴指向前外侧方向时，内侧撑开手术除了会矫正冠状面内翻畸形，也引起胫骨轴向旋转的改变。针对这一现象，本研究采用计算机模型重建并仿真模拟胫骨高位截骨术，定量探讨合页轴角度与胫骨轴向旋转之间的数学关系。结果表明当设定不同合页轴角度来实现矫正内翻的目的时，合页轴指向前外侧时会导致术后胫骨内旋显著增加。本研究结果与既往文献报道相吻合，并从几何本质上进一步阐明了合页轴方向在术后胫骨轴向旋转改变中的作用。

尽管已有文献关注合页轴角度与胫骨轴向旋转之间的关系，但有关初始膝内翻角度，或者内翻矫正程度与术后胫骨轴向旋转角度之间定量关系的研究却鲜有报道，研究样本均较小且结果各异。本研究通过设定膝关节内翻矫正术中不同的合页轴角度，采用定量的方法对术后胫骨轴向旋转变化进行分析。结果表明当合页轴指向矢状轴（即0°）时，初始内翻角度与术后胫骨轴向旋转角度的相关关系无统计学意义；但当合页轴指向前外侧方向时，术后胫骨会出现内旋，且内旋角度随内翻矫正角度的增加而显著增加。需要矫正的内翻角度越大，术后引发的胫骨内旋角度也会越大。

本研究存在一些需要完善的方面：（1）研究中合页轴角度仅考虑了0°、15°、30°及45°这四种情况，进一步的研究可分析合页轴角度与术后胫骨轴向旋转之间的定量关系。（2）在实际手术中，截骨平面可能会因操作因素出现倾斜。本研究仅就理论上的一种情况进行探讨，未对其他可能的截骨角度进行深入研究。

4 结论

内侧撑开胫骨高位截骨术中合页轴的方向及内翻矫正角度是影响术后胫骨内旋的重要因素，术中准确测量合页轴角度使其沿矢状面维持标准的前后方向可有效防止术后出现胫骨内旋。