基于三维重建技术对国人胫骨近端截面的形态学测量.doc

基于三维重建技术对国人胫骨近端截面的形态学测量作者：李钰军，余斌，罗彪，周然，胡岩君，王博伟【摘要】 目的通过建立正常膝关节数字模型，测量胫骨近端不同截面线性参数，探讨性别及截骨厚度差异对胫骨假体基底部形态设计的影响。方法选取36例正常成人左侧膝关节，男女各半，年龄1855岁，平均43岁；利用原始CT扫描图像资料重建膝关节，对胫骨近端进行模拟截骨，测量各截面内外侧前后径和横径。比较各测量值在性别间及截骨面间的差异。结果获取正常胫骨近端截面内外侧前后径、横径、前后径与横径的比值，内外侧前后径、横经、前后径与横径的比值在不同性别的差异具有统计学意义，内外侧前后径、前后径与横径的比值在不同截骨面高度的差异具有统计学意义。结论胫骨平台截面的几何形态不同于西方人，应用进口胫骨假体要考虑国人的特点；性别及胫骨截骨厚度会影响胫骨假体的设计和置换术中假体的选择。 【关键词】 全膝关节置换术； 胫骨近端截面； 假体； 性别Measurement of proximal tibia in normal Chinese people with digital three-dimensional reconstruction techniqueLI Yu-jun, YU bin,LUO Biao，et al. Orthopaedic Department, Guangzhou Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou ,510515, China Abstract: ObjectiveTo obtain the normal linear parameters of different resection levels of normal proximal tibia in Chinese people, and discuss the influence of the gender and resection level on the design of the tibia prosthesis. MethodsThirty-six normal Chinese people (36 left knees, 18 males and 18 females), with an average age of 43 years (range 1855 years) were enrolled in this study.Original CT image data were used to set up three-dimensional model of Chinese normal knees.The related linear parameters of different proximal tibia sections were measured and compared.ResultsParameters of mediolateral (ML) ,medial and latera anteroposteriordimensions(MAP/ LAP) and the aspect ratio(AP/ML) of the resect proximal tibia surface were obtained. The parameters were confirmed by statistics analysis.ConclusionThe geometry and anatomy of the knee in Chinese people have significant differences from the western people.The prosthesis designed by western people should be choosen carefully.Sex and resection levels should be taken into account in designing tibia prosthesis and or choosing the imported prosthesis in the total knee arthroplasty. Key words：total knee arthroplasty; proximal tibia; prosthesis; sex; resection 人工关节假体和骨截面的吻合度是影响全膝关节置换的重要因素1。如果组件过小，容易导致假体下沉和松动2。2006年瑞典的一份调查报告显示1995年2004年该国膝关节翻修的主要原因是假体松动3。假体过大,将刺激关节囊和韧带引起疼痛和膝关节活动受限。因此良好的假体设计除可降低翻修率，也能提高初次关节置换病人的生活质量。我国膝关节假体设计尚处初级阶段，缺乏针对关节形态的解剖研究，加之尸体标本缺乏，无法通过大样本测量获取数据。为此，作者运用三维重建技术建立国人正常胫骨近端的数字模型，对截面线形参数进行测量，为胫骨假体基底部的设计及膝关节置换手术提供参考依据。 1 研究材料和方法 1.1 研究对象 1.1.1 对象的选取 选取南方医院患者及健康志愿者共36例(均为左膝)，其中男性18例（18膝），女18例（18膝）;年龄1855岁，平均43岁。入选条件：无膝关节炎或创伤所导致的关节面改变；膝关节X线片检查无明显骨骼发育畸形，骨质无明显退变，无内外翻畸形；征得受试者同意。 1.1.2 分组 受试者分组：按性别分为男女2组；按胫骨截骨厚度分为H1、H2、H3 3组。 1.2 图像资料获取 1.2.1 扫描条件与方法 轴向层厚0.6 mm，持续时间2.5 s，电压110140 kV，电流强度250450 mA，扫描视野50 cm；扫描方向垂直于下肢机械轴，设定扫瞄范围是膝关节线上10 cm，膝关节线下20 cm。 1.2.2 扫描体位 受试者仰卧于CT床中央，双侧膝关节伸直，保持双下肢取旋转中立位，髌骨朝正前，目测使受试者的肢体胫骨干解剖轴尽量平行水平面，踝关节后侧垫沙袋，拍摄时嘱受试者肢体制动。 1.3 研究方法 1.3.1 数字模型建立 受试者按照上述方法进行CT扫描，获得DICOM格式的原始图像资料，应用Mimics软件实现国人膝关节三维重建；获得膝关节三维图像。 1.3.2 参数测量与方法 旋转三维图像，建立坐标系。股骨内外上髁外科轴（SEA）可代表内外侧轴向,常在术中作为参考轴线，也作为坐标轴线出现在实验当中4，故定为x轴。同时垂直于x轴和解剖轴的定义为y轴。z轴同时垂直于x轴和y轴。冠状面胫骨截骨线平行于TEL以保持伸展间隙对称，矢状面则平行于胫骨平台。在内外侧平台上各取间距相等的10点，寻找并确定尽可能多的穿越这20点的1个平面，定为最佳适配面。胫骨3个截骨面均平行于最佳适配面，并分别经过最佳适配面下的5 mm、7 mm和9 mm（z轴上平移）。 将与SEA平行并通过胫骨截面左右最长距离定义为胫骨横径，将分别经过胫骨内外侧平台后缘最凸点并与横径垂直的前后距离定义为内外侧前后径；描记各距离进行测量(图14)。所有病例均由2位观察者进行，意见一致时方可确定。 图1三维坐标系示意图 图2最佳适配面 图3截骨距离的确定 图4截面中AB为横径，CD及EF为内外侧前后径1.3.3 观察指标 包括：胫骨近端截面横径、内外侧前后径，截面前后径/横径比值（R）。 1.3.4 统计学方法 对不同观察指标进行统计，求出均值及标准差。并用统计软件包(SSPS for Windows Release 13.0)进行统计学分析，P<0.05认为有统计学差异，P<0.01有显著的统计学差异。 2 结果 2.1 参数均值和标准差 比较男女膝关节截骨面线形参数大小，男性均值大于女性(表1)，但女性前后径/横径比值大于男性（表1，图57）。 2.2 差异性分析 经正态性检验，各测量参数P值均>0.05，可认为数据近似正态分布；经方差齐性检验，总体方差齐同。经独立样本t检验，男女胫骨横径、前后径、前后径/横径比值都有显著统计学差异(P<0.01)（表1）；经单向方差分析，5 mm和9 mm截面内外侧前后径、前后径/横径比值有统计学差异(P<0.01),5 mm和7 mm以及7 mm和9 mm截面的内外侧前后径、前后径/横径比值无统计学差异(P>0.05)（表2）。表1 36膝线性参数均值和标准差表2 36膝各截面测量参数的多重比较的P值观察指标注：H1、H2、H3分别代表软骨下5 mm、7 mm、9 mm截骨厚度 截面前后径、横径分布散点图可以直观的表现参数间的性别差异，如下所示（图57）。 3 讨论 3.1 胫骨近端截面形态学测量的临床意义 人工膝关节置换自发展20余年，厂家目前能努力的方向大多在提供更多尺寸、或不同尺寸比率来得到最大的截骨覆盖率，重建膝关节。有关膝关节形态学研究文献不少,但大多数检测关节面的线形直径5或者轴线排列，很少针对关节置换术中截骨面的研究，后者才真正决定了假体的尺寸和覆盖面积。本课题通过对国人正常膝关节进行三维重建，模拟术中胫骨近端截骨，对不同截骨面进行测量，探讨国人胫骨近端截面的形态学差异，比较和西方人的形态学差异，寻找适合国人胫骨假体的设计参数。 图5横径1 胫骨平台下5 mm截骨 图6横径2 胫骨平台下7 mm截骨图7横径3 胫骨平台下9 mm截骨 3.2 胫骨截骨面的确定 膝关节置换胫骨近端截骨主要有2种方法。第1种是与胫骨平台平行截骨，保留后倾角；第2种是与胫骨解剖纵轴线呈90截骨，使用前厚后薄呈斜面的衬垫假体。因为胫骨前侧骨质的硬度在关节面下1 cm后迅速变弱，为此尽量保留胫骨前侧骨质，以防术后假体下沉。目前学者多主张第1种截骨方法，本课题依据此法进行切割。考虑软骨自身3 mm的厚度6，胫骨截骨5 mm、7 mm和9 mm分别相当于术中8 mm、10 mm和12 mm截骨面，国内术者常用的胫骨近端截骨高度为10 mm左右，较为真实的反应手术情况。 3.3 胫骨截骨面形态学测量 胫骨近端内外侧前后径、横径及两者比值可形象的表达胫骨截面的轮廓形态。经测量胫骨内侧前后径均大于外侧，前后径/横径比值（下文简称R值）男女不等，证实了胫骨平台各截面内外侧不对称，截面轮廓亦存在性别差异。先前一些研究报道膝关节的检测存在性别差异，Siu等报道性别之间存在大小差异，但没有报道存在形态差异。 各参数测量值存在明显性别差异，女性胫骨截面相对男性较方圆。若使用和男性尺寸比例相同的假体，将无法获取很好的截骨面覆盖，即选择横径匹配的假体，则前后径不足，假体过小，增加假体松动、假体下沉的机会；选择前后径匹配的假体，则横径偏大，假体向内外两侧悬出，刺激周缘软组织，引起骨和假体接触面积不对称，固定强度减弱，甚至导致伤口延期愈合。解决方法可以是选择小一号的假体，但不可避免的会带来“假体过小”的问题。目前全球最大的人工关节假体制造商捷迈公司（Zimmer）提供6种型号基本满足国人需要，该系列的R值约0.66，与本课题得出的男性R值相近，但与女性的R值相差较大。在进行膝关节假体设计以及全膝关节置换术时，除了考虑人种差异，还应该注意男女性别间的差异，适量调整R值进行假体设计对女性患者尤显重要。 测量结果发现国人胫骨截面横径和韩国、日本7、8等亚洲国家的相近，小于西方人横径，但胫骨内外侧前后径却大于西方人。亦有学者发现台湾市面上出售的多款进口膝关节假体多呈“扁长”，无法完整覆盖当地患者的胫骨切面。可以预期，在进行国产假体设计适当延长胫骨假体前后径、减少横径，可以增加截骨面的覆盖率及膝后滚距离，提高假体稳定性，延长假体使用寿命。 课题设计不同截骨厚度，旨在考察进行膝关节置换术不同截骨距离对胫骨假体型号有否影响。实验发现，随着胫骨截骨厚度加大，内外侧前后径以及R值也逐渐增大。尽管胫骨横径数值变化不大，软骨下5 mm和7 mm以及7 mm和9 mm之间参数差异不明显，但软骨下5 mm和9 mm两截面的参数差异有显著统计学意义。关节置换术中胫骨截骨过多（如本实验中的9 mm），选择假体就需有别于截骨过少（如5 mm）的情况。前者需选择前后径更大、基底部更方圆的假体型号为宜。国外有学者提出胫骨截骨厚度可能影响胫骨假体型号大小，本研究得出的结论则证实了这一点。 3.4 本课题的不足和展望 运用三维重建技术进行测量研究，初步获得了胫骨近端截面各线性参数的参考值。本研究