基于CT的中国正常成人踝关节三维形态学分析及应用研究

薛浩文， 褚虹宇， 左解鹏， 武珂卉， 韩青， 程凯亮， 杨艳艳， 朱庆三

1.吉林大学第二医院骨科，长春 130041； 2.吉林大学中日联谊医院胃肠结直肠肛门外科，长春 130043；3.吉林大学中日联谊医院影像科，长春 130043； 4.吉林大学中日联谊医院骨科，长春 130043

随着人口老龄化，晚期踝关节关节炎、缺血性骨坏死及踝关节骨髓炎等疾患由于治疗方案有限仍是足踝外科领域的挑战[1～4]。国内踝关节置换术已广泛开展，手术操作技术趋于成熟，其对于关节炎的早期疗效特别是对生活质量的改善明显好于踝关节融合术[5～7]。临床选择符合患者踝关节形态的良好设计假体是踝关节置换手术成功的关键[8,9]。然而，国内关节置换术假体主要来源于西方，并有研究表明，中国人群与西方人群的关节大小和形态存在差异[10～12]。应用依据西方人群踝关节形态设计假体时，会因匹配不良、松动等而增加术后并发症风险[13～15]。其中，假体下沉是踝关节置换术的最主要的并发症，且主要发生在距骨侧[16]。随着截骨厚度的增加距骨松质骨强度不断减少，下沉风险也相应增加[17],因此，假体的形态学设计应当匹配国人踝关节的形态学特征[18]，且对距骨体形态学进行单独分析是十分必要的。目前，关于踝关节形态学的研究主要基于X线，Kuo等[19]和Hayes等[20]利用CT对踝关节形态进行了研究，但其样本量小、测量技术手段不规范、测量参数略少。本研究利用CT影像三维重建技术，对191例中国东北地区人群踝关节进行测量、评估，同时分析了地域、方法和性别对于踝关节形态学的影响，填补了中国人群踝关节三维形态学的数据空缺，为踝关节置换术假体的设计和开发应用奠定形态学基础。

1 材料与方法

1.1 样本来源

本研究已通过吉林大学中日联谊医院伦理委员会审查。使用的CT图像来自吉林大学中日联谊医院影像科数据库，于1000例样本中筛选出191例（男106例、85例），年龄为20～80岁，平均(51.0±15.6)岁。筛选方法为：排除CT结果下肉眼可见占位病变、骨折、炎症、内翻和外翻畸形、踝关节发育异常和关节体位异常的样本。由于需要拟合胫骨轴线以确定测量基准平面，因此样本须为包含自足底至胫骨中上1/3交点处的全部CT影像片。

1.2 主要仪器和软件

SIE-MENS64层螺旋CT（西门子公司，德国），扫描参数:电压140 kV，重建层厚0.625 mm，扫描层厚0.5 mm。CT数据记录为DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）文件并转到MIMICS 19.0（Materialise公司，比利时）和MAGICS 21.0（Materialise公司，比利时）进行三维重建和测量。

1.3 参数测量方法与指标

对踝关节进行三维重建后，分别对于胫骨和距骨在其冠状面、矢状面、横断面上进行测量。本研究由两名接受过相同培训的人员进行测量，每人测量2次，最终取4次测量均值。根据Fessy[15]、Stagni[9]、ABD-ELALEEM[21]等描述共测量32个指标，包括：

1.3.1 冠状面 胫骨远端关节面宽(TiW)：胫骨远端关节面顶部切线与内、外踝内侧切线相交的两交点间距；外踝最低点到胫骨远端顶部切线距离（DLA）；内踝最低点到胫骨远端顶部切线距离（DMA）；外踝关节面拟合线和胫骨远端顶部切线夹角（ALA）；内踝关节面拟合线和胫骨远端顶部切线夹角（AMA）；冠状面上内外踝最低点连线与横断面夹角（MLATi）；内外踝最大间距（MalW）：内踝最内侧点和外踝最外侧点在冠状轴方向距离；距骨滑车左右间距（TaW）：距骨顶部切线与距骨内外缘切线相交的两交点间距（图1）。

1.3.2 矢状面 胫骨下端最大前后径（MTiTh） 胫骨下段最前点（C）与沿着胫骨前后轴相对应的后点（D）间距；滑车切迹前缘最低点（A）与线段CD间距（MDA）；滑车切迹最高点（V）与线段CD间距（MDV）；踝穴前后距（APG）：胫骨滑车切迹最前点（A）和最后点（B）在胫骨中轴线上的直线距离；踝穴前后倾斜角（APA）：线段AB和横断面夹角；胫骨远端滑车切迹长（TiAL）：矢状面上滑车切迹前缘最低点（A）与最后点（B）间距；踝关节间距（SDTaTi）：胫骨和距骨顶点沿胫骨中轴线的距离；胫骨滑车切迹弦高（TDV）：胫骨远端滑车切迹弦长到滑车切迹的最大距离；距骨滑车弦长（TaAL）：距骨滑车最前点和最后点间距；距骨滑车弦高（Th）：距骨滑车顶点到距骨滑车弦长所在间距；距骨滑车中弦长中点到跟结节距离（DMN）；距骨滑车中弦长中点和跟结节连线与横断面的夹角（AMN）；距骨体长（TBL）：距骨体最前点（R）与最后点（S）间距；距骨体高（TBH）：距骨体最高点（T1）与最低点（T）间距（图1）。

1.3.3 横断面 距骨滑车内外侧缘切线间夹角（TaIa）；前、中、后侧距骨滑车左右间距[TaW(a,p,c)]；前、中、后侧胫骨远端关节面宽[TiW(a,p,c)]；距骨体宽（TBB）：距骨体最内侧点（U）与最外侧点（V）间距（图1）。

图1 CT重建图像中踝关节各个参数测量示意图 A：三维重建整体观B、D、E：矢状面 C：冠状面F：横断面Fig.1 Measurement of each parameter of the ankle joint in CTreconstruction imagesA:Wholeview of 3D reconstruction model;B,D,E:Sagittal plane;C:Coronal plane;F:Cross plane

1.4 统计学分析

使用SPSS 23.0（IBM公司，美国）分析软件进行统计分析，对各参数行正态性检验、方差齐性检验。数据以平均值±标准差（±s）表示。采用独立样本t检验对本男、女受试者比较分析。本研究CT与X线间的比较用独立样本t检验分析。当P<0.05时认为存在显著性差异。

2 结果

2.1 性别间差异比较

结果见表1、图2，32个参数均符合正态分布，其中男性（n=106）和女性（n=85）受试者所检验的32组参数中有23组存在显著性差异（P<0.05）；除踝穴前后倾斜角（APA）、踝穴前后距（APG）和内踝关节面拟合线和胫骨远端顶部切线夹角（AMA）等3个参数外，其余20个为男性大于女性。平均纵横比胫骨（MTiTh/TiW）性别间无显著差异，而距骨（TaAL/TaW）性别间差异显著（P<0.05）。

表1 踝关节CT重建图像形态学参数结果（±s）Tab.1 CT-reconstruction morphological parametersof ankle joint(Mean±SD)

表1 踝关节CT重建图像形态学参数结果（±s）Tab.1 CT-reconstruction morphological parametersof ankle joint(Mean±SD)

参数Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP参数Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP参数Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP MLATi(°)15.20±3.14 15.10±2.66 15.31±3.67-0.44 0.66 DMN(mm)68.10±5.43 69.19±4.58 66.74±6.09 3.19 0.00*TiWa(mm)33.39±2.21 34.24±2.03 32.33±1.95 6.57 0.00*参数Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP MTiTh(mm)40.80±2.76 42.00±2.38 39.34±2.52 7.41 0.00*DMA(mm)13.79±1.71 13.87±1.51 13.68±1.93 0.79 0.43 AMN(°)38.13±5.20 37.60±5.02 38.79±5.36 1.57 0.12 TiWc(mm)28.93±2.47 30.06±1.99 27.52±2.28 8.22 0.00*MDA(mm)9.27±1.28 9.63±1.24 8.83±1.20 4.57 0.00*DLA(mm)25.76±3.65 26.05±3.43 25.40±3.90 1.23 0.22 TaWa(mm)31.29±2.16 32.53±2.13 29.74±2.42 8.47 0.00*TiWp(mm)24.91±2.16 25.51±1.90 24.16±2.25 4.48 0.00*MDV(mm)6.18±1.29 6.47±1.31 5.82±1.18 3.57 0.00*AMA(°)114.59±4.22 113.85±4.18 115.50±4.10-2.73 0.01*TaWc(mm)28.46±2.13 29.26±1.85 27.46±2.03 6.42 0.00*Thm(mm)9.32±1.44 9.55±1.48 9.02±1.33 2.59 0.01*APG(mm)4.76±0.99 4.55±0.88 5.03±1.05-3.41 0.00*ALA(°)96.14±2.95 96.43±3.06 95.77±2.78 1.53 0.13 TaWp(mm)24.78±2.90 25.47±2.42 23.92±3.21 3.80 0.00*Thl(mm)9.39±1.22 9.54±1.12 9.07±1.30 2.02 0.05*TiAL(mm)29.29±1.70 29.76±1.50 28.70±1.76 4.49 0.00*TaIa(°)14.61±4.73 14.54±4.13 14.70±5.41-0.23 0.82 TBL(mm)55.69±3.41 57.49±2.96 53.45±2.48 10.07 0.00*Thc(mm)10.52±1.37 10.64±1.32 10.37±1.42 1.38 0.17 APA(°)9.12±2.01 8.77±1.94 9.56±2.02-2.74 0.01*TaALm(mm)34.65±2.71 35.23±2.55 33.92±2.73 3.43 0.00*TBB(mm)44.50±4.14 45.64±3.82 43.07±4.10 4.48 0.00*MTiTh/TiW 1.22±0.07 1.23±0.07 1.22±0.07 0.95 0.35 MalW(mm)66.65±4.00 67.87±3.84 65.13±3.67 5.00 0.00*TaALc(mm)34.59±2.96 35.39±3.05 33.60±2.51 4.37 0.00*TBH(mm)31.07±2.26 31.93±2.23 30.00±1.79 6.50 0.00*TaAL/TaW 1.18±0.10 1.16±0.09 1.19±0.11-2.25 0.03*TDV(mm)4.94±1.02 5.01±1.03 4.86±1.00 1.03 0.31 TaALl(mm)33.45±2.79 34.00±2.63 32.76±2.85 3.11 0.00*SDTaTi(mm)1.68±0.53 1.66±0.56 1.69±0.49-0.39 0.70 MalW/TiW 2.00±0.12 1.99±0.12 2.02±0.12-1.86 0.07

图2 性别间踝关节形态学参数的比较 A：胫骨远端的比较B：距骨的比较*P<0.05 Fig.2 Comparison of morphological parameters of ankle joint between gendersA:Comparison of thedistal tibia;B:Comparison of theastragalus;*P<0.05

2.2 测量方法对参数结果的影响

本研究与中国东北地区踝关节X线结果比较，所对比的11个参数均为X线大于CT，且除踝穴前后倾斜角（APA）、胫骨远端滑车切迹长（TiAL）、踝穴前后距（APG）外，其他8个参数均存在显著性差异（P<0.05），见表2。

表2 踝关节CT重建图像和X线片参数测量结果间比较(±s)Tab.2 Comparison of the measurement results of the ankle joint parameters measured by CT-reconstruction imagesand X-ray images(Mean±SD)

表2 踝关节CT重建图像和X线片参数测量结果间比较(±s)Tab.2 Comparison of the measurement results of the ankle joint parameters measured by CT-reconstruction imagesand X-ray images(Mean±SD)

**P<0.01,*P<0.05

MalW(mm)66.65±4.00 70.87±5.75-7.61 0.00**MalW/TiW 2.00±0.12 2.08±0.15-4.87 0.00**参数/Parameter CT(n=191)X-ray（n=120）tP参数/Parameter CT(n=191)X-ray（n=120）tP MTiTh(mm)40.80±2.76 43.22±3.90-6.38 0.00**TaAL(mm)33.45±2.79 39.45±4.56-14.36 0.00**MDA(mm)9.27±1.28 11.54±2.26-11.25 0.00**Th(mm)9.32±1.44 12.94±2.90-14.6 0.00**MDV(mm)6.18±1.29 9.24±2.24-15.23 0.00**TiW(mm)33.39±2.21 34.29±3.37-2.85 0.01**APG(mm)4.76±0.99 4.85±1.70-0.6 0.55 TaW(mm)28.46±2.13 32.23±3.47-11.84 0.00**TiAL(mm)29.29±1.70 29.52±3.38-0.81 0.42 MTiTh/TiW 1.22±0.07 1.27±0.11-4.23 0.00**APA(°)9.12±2.00 9.24±3.30-0.39 0.7 TaAL/TaW 1.18±0.10 1.23±0.16-3.7 0.00**

2.3 区域间差异比较

本研究与不同地区踝关节形态结果比较。与法国人群对比的5个参数，除踝穴前后倾斜角（APA）外，均较小。与意大利人群对比的10个参数，除踝穴前后距（APG）、踝穴前后倾斜角（APA）、胫骨宽（TiW）外，均较小。与韩国及中国台湾人群对比的11个参数，有5个参数较韩国人群大，7个参数较中国台湾人群大。相较其他地区人群，中国东北地区人群胫骨（MTiTh/TiW）和距骨（TaAL/TaW）平均纵横比均接近于1，见表3。

表3 不同地区间踝关节形态学参数结果比较（±s）Tab.3 Comparison of the measurement results of the morphology parametersof the ankle joint in different regions(Mean±SD)

表3 不同地区间踝关节形态学参数结果比较（±s）Tab.3 Comparison of the measurement results of the morphology parametersof the ankle joint in different regions(Mean±SD)

参数/Parameter中国东北地区Northeast China法国/France意大利/Italy韩国/Korea中国台湾/Taiwan参数/Parameter中国东北地区Northeast China法国/France意大利/Italy韩国/Korea中国台湾/Taiwan APG(mm)4.8±1.0 MTiTh(mm)40.8±2.8 MDA(mm)9.3±1.3 MDV(mm)6.2±1.3 2.7±1.8 4.2±1.7 3.6±2.8 TaAL(mm)33.5±2.8 38.5±2.2 41.7±4.4 35.3±3.6 32.3±4.1 TiAL(mm)29.3±1.7 30.8±3.0 31.4±3.5 29.2±2.9 28.4±2.9 TaW(mm)28.5±2.1 32.4±2.5 30.4±4.4 35.0±3.0 20.9±3.0 APA(°)9.1±2.0 8.3±1.4 5.0±3.4 8.2±3.2 7.4±5.7 MalW(mm)66.7±4.0 41.4±3.9 39.4±3.6 42.0±5.1 Th(mm)9.3±1.4 11.5±3.5 12.4±2.7 11.4±4.0 MTiTh/TiW 1.2±0.1 8.7±3.5 10.0±10.0 4.0±2.2 TaAL/TaW 1.2±0.1 TiW(mm)33.4±2.2 34.5±2.3 31.9±3.5 31.1±3.1 33.3±2.5 MalW/TiW 2.0±0.1 69.0±7.0 69.6 63.1±3.4 10.5±1.1 11.9±1.8 1.3 1.27±0.13 1.26 1.37 1.16±0.14 1.55±0.20 2.20±0.14 2.2 1.89

比较不同地区间距骨体参数结果，与希腊和埃及人群相比，中国东北地区人群男性的距骨体长（TBL）和距骨体高（TBH）均较小，而距骨体宽（TBB）较大，中国东北地区人群女性距骨体宽（TBB）同样较大。与中国华北地区人群比较，本研究结果均较大，见图3。

图3 男性和女性地区间距骨体形态学参数比较Fig.3 Comparison of the morphology parameters of the corpus taliin different regions of male and female

3 讨论

目前测量踝关节形态学参数的方法有尸体标本、X线片和CT等；尸体标本是最常用的方法,但其获取难度大、数量有限，难以进行大样本测量；基于X线片测量会因影像重叠、密度分辨率低等因素对结果产生一定影响；CT图像样本采集量大、密度分辨率高、扫描层厚薄、重建图像清晰并可行三维测量，其旋转、平移等功能可实现测量平面确定，既方便又具灵活性，是目前分析骨形态学特点，测量骨解剖形态最真实有效的方法。

3.1 性别间的比较

对胫骨下端最大前后径(MTiTh)等32个参数在性别间比较发现23个参数存在显著性差异（P<0.05），且除踝穴前后倾斜角（APA）、踝穴前后距（APG）和内踝关节面拟合线和胫骨远端顶部切线夹角（AMA）等3个参数外，其余20个参数均为男大于女。而在Stagni等[9]研究中,由于样本量(n=36)和测量参数少，不具备性别比较的基本条件，故其认为性别间不存在显著性差异的结论不具有说服力。Kwon等[22]则未行性别差异对比。Kuo等[19]与我们共有的18个参数中仅有3个被认为在性别间存在差异（P<0.05），本研究则有15个参数存在差异（P<0.05）。以上结果说明同一地域男女之间测量参数存在差异，而西方人群未对比性别差异。此外，男性和女性膝关节形态大小曾被发现存在显著性差异,但骨骼形状无显著性差异[23]。胫骨宽（TiW）、胫骨远端滑车切迹长（TiAL）和距骨滑车左右间距（TaW）、距骨滑车弦长（TaAL）的结果显示，男性均大于女性，说明在胫骨远端与距骨的接触面间，男性的接触面积更大。胫骨平均纵横比（MTiTh/TiW）在性别间并不存在显著性差异，而距骨纵横比（TaAL/TaW）差异显著（P<0.05），且女性的距骨纵横比（TaAL/TaW）大于男性，而距骨滑车弦长（TaAL）、距骨滑车左右间距（TaW）和距骨体参数（TBL、TBB、TBH）结果均为男性大于女性，说明相比于女性，男性的距骨顶面更接近正方形且体积更大。因此，性别可作为踝关节假体设计的分类依据，且应重视距骨假体形态的设计，见图2。

3.2 测量方法间的比较

本实验选取了同一地区、同一测量工具下行观测踝关节CT与X线片。表2所示除踝穴前后倾斜角（APA）、胫骨远端滑车切迹长（TiAL）、踝穴前后距（APG）外，其他参数均为CT测量值小于X线且存在显著性差异（P<0.05）。这进一步证实了X线测量法会产生影像重叠和边界不清等影响，从而导致所测结果与实际数值存在差异。正如Hayes等[20]所指出平面X线摄影不允许对三维形态学进行真正的估计。2004年Stagni等[24]曾利用CT和X线进行对比，认为对于大部分参数，X射线测量值与CT测量数据间存在差异,这和本文结论一致，但可能由于其样本量较小（仅36例），其结果未能明确说明CT测量值明显小于X线值。本文和Kuo等[19]的研究同属于CT测量，所以结果更为相似，见表2。

3.3 不同地区间的比较

与国内外相关研究对比发现，本研究胫骨远端滑车切迹长（TiAL）结果与Kwon[22]等之间的差异最小；胫骨宽（TiW）和Kuo[19]等结果差异最小，这可能是因两者都同属于东亚地区，结果具有相似性。除踝穴前后倾斜角（APA）外，中国人群其他参数均较法国人群小；除踝穴前后距（APG）、踝穴前后倾斜角（APA）、胫骨宽（TiW）外，中国人群的其他参数均比意大利人群小，表明国内人群踝关节形态明显偏小。与西方人群间较大的差异性说明根据西方人群踝关节形态设计的假体可能并非适合中国人群。胫骨和距骨平均纵横比均接近于1，表明中国人群胫骨远端和距骨在横断面上形态更加接近于正方形，见表3。

比较不同地区间距骨体长、宽、高发现，与PECKMANN等[25]和ABD-ELALEEM[21]等测得的希腊和埃及人群相比，中国东北地区人群男性的距骨体长（TBL）和距骨体高（TBH）均较小，而距骨体宽（TBB）较大，且女性距骨体宽（TBB）也较大。因此，使用根据希腊和雅典人群形态学设计的假体对中国人群进行截骨时，可能会因为截骨量过大而增加假体下沉的风险。以上结果说明不同地区和种群间距骨体存在差异，相较于希腊和埃及人群，中国人群的距骨体几何形态更扁平。因此，依照国外距骨设计的踝关节假体可能并非适合中国人群。HE等[26]测得的中国华北地区距骨体参数相比较，其距骨体参数结果均小于本研究所测，可能是由于HE等[26]直接基于CT模型进行测量，而本研究则利用MAGICS进行三维重建，将模型固定的立方体框架内，因此结果几乎不会受到几何体转动的影响。因此，结果间的差异可能是测量方法间的差异和地域的不同所致，见图3。

3.4 与常用全踝关节置换术假体的比较

目前常用的全踝关节置换术假体有STAR(Waldemar Link,Hamburg,Germany）,TNK（Kyocera Corporation,Kyoto,Japan）等。STAR在胫骨远端关节面前端宽(TiWa)上的最小值为30.0 mm，而我们所测得的最小为26.6 mm。因此，术中使用STAR假体由于尺寸过大导致截骨量大可造成内外踝的破坏和损伤。TNK假体在胫骨下端最大前后径(MTiTh)为32.0 mm，而中国人群最小值为31.8 mm，术中安装过程中会因假体与骨之间接触面积少，导致应力改变产生松动。

综上所述，本研究多方面证实中国人群踝关节形态学参数与西方人群之间存在差异，根据西方人群踝关节形态设计的假体不适合中国人群，在假体形态设计方面还应考虑性别和测量方法的影响。