回顾性分析人工全膝关节置换术后早中期胫骨平台骨小梁方向变化

刘明昊 何沛恒 刘勇 陈伟之 叶永恒 李伟 徐栋梁

中山大学附属第一医院关节外科（广州510080）

Wolff 定律指出骨骼的结构会受到应力刺激的影响，骨小梁受到骨组织整体受力的方向影响，并沿着骨骼受力方向所排列，使之足够承担生物力学负荷，但不增加代谢负荷［1-2］。研究证实，动物关节周围骨小梁角度与不同的步态角度呈相关性［3-4］。在生物力学研究中，通过模拟单位骨组织在不同受力条件下发生变化，沿着骨组织受力的方向，骨组织整体的密度、各向异性升高，证明了Wolff 定律不单是准确的，并且是敏感的［5］。

骨小梁形态学的变化可以间接反映骨骼受力的变化，对骨关节疾病的发生发展做出预测和评价［6-7］。在骨性关节炎（osteoarthritis，OA）患者中，膝关节畸形导致膝关节负荷情况的改变，从而导致骨小梁结构的改变［8］。OA 患者胫骨近端骨小梁方向较健康人排列更为竖直，且骨小梁离散加剧，垂直方向的各向异性降低［9］。研究证明，OA 患者膝关节骨小梁图像结构与病理分级之间存在显著的相关性，利用图像分析骨小梁形态可以评估OA 患者的病情进展，并且具有相当的敏感度［10］。

在近期的研究中，使用ImageJ 软件，通过X 线平片中的图像结构张量测量OA 患者股骨远端和胫骨近端的骨小梁方向，发现OA 患者随着膝关节内外翻畸形，骨小梁方向随着下肢力线的改变而改变，且两者之间存在显著的相关性［11］。而人工全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）后，由于手术过程中的截骨和金属假体的植入，膝关节的力学负荷发生了剧烈的变化［12］，骨小梁如何对TKA 术后力学改变而进行重构，以及重构的程度、进行的速度和产生的结局，国内外此前尚未有研究。另一方面，目前对于TKA 术后随访的影像学评估基本围绕着假体周围骨密度的测量［13］，对于骨小梁形态学变化的定量研究，是TKA 术后的随访和评估一个可能的新方向。综上所述，本研究的目的是通过对TKA 病例术后骨小梁方向变化的回顾性研究，探索胫骨假体平台周围骨小梁重构的原因、变化趋势和术后早中期重塑的结局。

1 资料与方法

1.1 一般资料本研究回顾了于2012年6月至2016年5月于我院接受TKA 治疗的患者。本研究经中山大学附属第一医院伦理委员会批准（批准文号：2011［57］），所有患者均于入院治疗前知情并签署了相应的知情同意书。收集TKA 病例术后、术后3 个月、术后1、3、5年的站立正位下肢全长X 线片。纳入标准：（1）因膝关节骨性关节炎初次行TKA 治疗；（2）由同一医疗组完成诊疗和随访；（3）患者自愿参与本研究，并签署知情同意书。排除标准：（1）现存或随访期间有骨盆及下肢任何部位感染、肿瘤；（2）先天性和发育性畸形如先天性马蹄内翻足，先天性髌骨脱位，发育性髋关节发育不良等；（3）伴有循环、呼吸、消化系统等严重慢性疾病；（4）既往或随访期间有影响骨代谢或运动神经系统的疾病；（5）既往或随访期间髋、膝关节和脊柱手术史；（6）随访期间因各种原因日常活动受限、长期卧床或KSS 膝关节功能评分低于50 分；（7）术中截骨较多而导致可测量区域受限；（8）文盲、有严重认知障碍，无自主及沟通能力。

所收集病例共术后126 例、术后3 个月104 例、术后1年58 例、术后3年35 例、术后5年17 例，具体情况见表1。在所有测量指标中，均显示良好的观察者信度（ICC ＞0.75）。

表1 观察对象一般资料Tab.1 Demographic data of patients±s

表1 观察对象一般资料Tab.1 Demographic data of patients±s

组别术后术后3 个月术后1年术后3年术后5年例数126 104 58 35 17男/女34/92 25/79 12/46 8/27 4/13年龄（岁）66.4±6.81 65.9±4.62 67.2±7.99 70.9±7.28 70.2±9.31 BMI（kg/m2）23.8±2.65 23.1±2.16 23.9±2.32 24.8±1.79 22.8±3.24

1.2 方法X 线摄片及数字图像获取使用Digital Diagnost Application（V1.5.3.1 Philips Medical Systems DMC，Germany）软件所得。患者直立于固定旋转方向支架上，以胫前束缚带和第一、二趾间插栓将双下肢固定于0°正位进行摄片（图1）。数字图像使用ImageJ 软件进行处理和分析：（1）测量下肢力线，即股骨头中心、股骨假体髁间窝中点连线与胫骨假体平台中点、距骨关节面中点连线之间的夹角；（2）测量胫骨假体力线，即胫骨假体纵轴与胫骨机械轴之间的夹角；（3）选择相应的兴趣域（region of interest，ROI）：过腓骨头顶点垂直于胫骨机械轴做垂线为下界；上界为胫骨假体；内侧界为胫骨假体柄；外侧界为胫骨平台皮质骨。将所选定矩形区域上侧四分之一与外侧四分之一去除以排除骨赘、骨水泥和假体周围骨溶解对测量的影响（图2）；（4）使用ImageJ 插件OrientationJ 的OrientationJ Dominant Direction 功 能 测 量ROI 内 骨小梁方向数值，所得数值为骨小梁方向与图像水平面间的夹角，利用此结果与胫骨机械轴、地面之间的夹角计算骨小梁方向与胫骨机械轴之间的夹角，所得结果定义为骨小梁角度（图3）。

图1 固定旋转方向摄片Fig.1 Rotation-fixed plain radiograph

图2 ROI 的选择Fig.2 Selection of ROIs

图3 骨小梁角度示意图Fig.3 Diagram of trabecular orientation

每次测量由研究人员于1 周内完成，然后至少间隔1 周后再进行二次测量，由同一研究人员测量3 次，研究人员对之前的测量结果为盲。以3 次测量平均值为最终测量结果。

1.3 统计学方法所得数据使用SPSS 20.0 进行统计分析，以P＜0.05 为差异有统计学意义。利用多因素线性混合效应模型对各个随访时间点进行分析，因变量分别为胫骨平台内外侧骨小梁角度，自变量为术后下肢力线与胫骨假体力线，协变量为性别、年龄与BMI，病例设为随机效应。其中骨小梁角度数据经混合效应模型残差直方图证实符合正态分布。随后于各个随访时间点使用线性混合效应模型筛查出具有显著效应的参数与胫骨平台内外侧骨小梁角度分别做Pearson 相关性分析。因不同随访时间点病例互有重合，各个随访时间点与上一随访时间点间骨小梁角度均值比较采用部分重叠样本的t检验。

2 结果

2.1 TKA 术后胫骨平台骨小梁角度变化病例胫骨平台内侧假体周围骨小梁角度于术后3 个月自25.1°± 3.35°平均减小5.3°± 2.65°至19.8°±4.84°，于术后1年平均减小8.3° ± 3.03°）至14.8° ±6.21°，外侧骨小梁角度于术后3 个月自22.1° ±4.21°平均减小4.5° ± 1.71°至17.6° ± 3.89°，于术后1年平均减小7.6°±2.43°至14.5°±5.21°，术后1年后至术后3年、5年均无显著变化（图4）。

图4 术后胫骨平台骨小梁角度变化Fig.4 Change in trabecular orientation in postoperative tibia platform

2.2 胫骨平台骨小梁角度与术后下肢力线的关系多因素线性混合效应模型显示，术后力线对胫骨平台内侧骨小梁角度于术后3 个月、术后1、3、5年有显著影响（P＜0.05）；对胫骨平台外侧骨小梁角度于术后3 个月、术后1年和术后5年有显著影响（P＜0.05），术后3年胫骨平台外侧骨小梁角度并无显著影响。此外，胫骨假体力线和性别、年龄、BMI 等协变量对TKA 术后胫骨平台骨小梁角度无显著影响。利用Pearson 对各个有意义随访时间点的胫骨平台骨小梁角度与术后下肢力线做相关性分析，结果见表2。

3 讨论

Wolff 定律指出，骨小梁受到骨组织整体受力的方向影响，并沿着骨骼主要方向排列。OA 患者股骨远端和胫骨近端的小梁方向与下肢力线有显著的相关性［11］。本研究中，在术后胫骨平台骨小梁角度和术后下肢力线间也呈现了弱至中等程度的相关性，与上述研究相符。这个相关性在手术后1年起至术后5年于胫骨平台内侧和外侧均可以观察到，意味着术后下肢力线作为TKA 手术的关键因素，显著影响了TKA 术后胫骨假体周围骨小梁的重构。有研究报道骨小梁结构在不同性别和体质量中的差异［11，14］，在本研究中，上述协变量对骨小梁方向变化并无显著影响，但本研究所选择的ROI 因TKA 术中截骨和假体遮挡，和上述研究有所不同。

表2 术后下肢力线与骨小梁角度的相关性Tab.2 Correlation between postoperative mechanical axis and trabecular orientation

在动物实验中，实验动物在被施加了异常力学负重后数周内，就可以观察到骨小梁方向的显著改变［4］，但并没有探究骨小梁方向的改变会持续多久，变化的终点如何。而在本研究中，在TKA术后3 个月的早期即可以发现小梁方向的显著变化，而在术后1年至3、5年并没有显著的变化，这意味着骨小梁方向的重构基本在1年内就已经完成。

OA 患者胫骨平台骨小梁比健康人的骨小梁排列更为垂直，在靠近关节面的层面尤为明显，这可能是关节软骨退化和损伤的结果［9］。本研究中，胫骨内侧和外侧的骨小梁角度在术后显著降低，胫骨平台假体周围的骨小梁向更为垂直于假体胫骨平台的角度重塑。对于术后骨小梁方向变化，有两个可能的原因：（1）从整体的角度，OA 患者由于膝关节内外翻畸形，胫骨平台原本在垂直方向的所受的应力分为了侧向的剪切力，而TKA纠正了患者下肢力线，恢复了胫骨平台垂直方向上的力学负荷［12］。（2）从局部的角度，关节软骨相当于在骨骼上提供了一个缓冲表面，减轻并延缓了骨骼所承受的应力［15］。在接受TKA 治疗的患者中，关节软骨和部分软骨下骨被切除，而在本研究选择的ROI 中的骨组织层与骨水泥和胫骨假体直接相邻，相当于代替了原本软骨下骨层面的作用。这两个因素可能共同造成了TKA 术后骨小梁方向的改变，但它们具体的作用和机制仍需要进一步的研究。

尽管TKA 的重要目标之一是将患者下肢力线恢复至中立位，即术后MA 及胫骨假体力线小于±3°，但非中立位的术后下肢力线对TKA患者的手术效果和假体生存率是否有影响有较大的争议［16-17］。本研究中，虽然胫骨平台骨小梁方向与术后MA 相关，在术后早中期，术后MA 大于±3°的病例与中立位病例的骨小梁方向之间没有显著差异，胫骨假体力线大于±3°的病例与中立位病例的骨小梁方向之间亦没有显著差异。这意味着尽管TKA术后骨小梁重构的方向对术后下肢力线的改变是敏感的，但非中立位的下肢力线和胫骨假体力线在术后早中期对骨小梁重构的结局并没有显著影响。

本研究也存在着不足：（1）本研究中仅选择了在随访终点没有出现各种原因导致的手术失败的患者，后续的研究应纳入手术远期的病例以及将手术效果作为相关因素进行研究；（2）尽管有研究报道了通过X 线平片测量骨小梁结构与三维测量结果之间的相关性［18］，但对下肢正位X 线平片的研究仍缺少了部分矢状面或横切面的信息，有可能影响测量的结果和结论，不过本研究采用固定旋转方向摄片的病例，一定程度上减少了三维结构对测量结果的影响。在对于TKA 患者的CT 和MRI 扫描中，已不断有研究通过改良算法、改良测量条件等方法减少了金属伪影等因素对这些检测手段的影响，提高了检测的准确性和可信度［19-20］，但X 线平片作为一种简单、经济的工具，相对于CT、MRI 等工具仍有一定的优势，从大规模临床应用的角度，二维图像骨小梁参数测量的方法具有明显的速度、成本上的优势，在现阶段是三维检测手段难以取代的。

综上所述，骨小梁随着术后下肢力线的改变而适应，在术后1年即与术后下肢力线呈现相关性，骨小梁方向可于1年内观察到显著的变化，整体向垂直于胫骨平台的方向重构。当前对于TKA术后的临床影像学随访和评价多局限于骨密度和假体位置参数，笔者认为，通过研究TKA 术后骨小梁形态结构的变化，可以为TKA 患者的临床随访和术后评估提供一个崭新的视角，也对TKA 假体的设计、安装以及获得长期稳定的假体力学性能有指导意义。