基于X线、CT三维重建分析股骨解剖形态与矢状位力线相关性.pdf

基金项目：国家自然科学基金地区科学基金项目（）；内蒙古自治区科技计划项目（）；内蒙古自治区卫生健康委医疗卫生科技计划项目（）通讯作者：包呼日查【临床医学】基于 线、三维重建分析股骨解剖形态与矢状位力线相关性赵安全，齐岩松，徐永胜，包呼日查（包头医学院研究生学院，内蒙古 包头 ；内蒙古自治区人民医院骨关节科）摘要 目的：通过对负重下肢全长正侧位 线片、股骨 三维模型测量和分析股骨相关解剖参数，明确股骨解剖形态与矢状位力线的相关性，进而为膝关节假体安放和人工全膝关节置换术中精确恢复下肢力线提供帮助。方法：招募 名健康志愿者，拍摄标准负重正侧位下肢全长线片，确定冠状位、矢状位下肢力线及负重比例；收集 例行双下肢全长 患者影像学资料，通过 软件对 数据进行三维重建，结合二维图像和三维重建模型测量相关解剖参数，对数据采用 检验，并对所得数据进行分析。结果：（）标准负重正位承重轴通过点位于股骨内侧髁 位点，侧位承重轴通过点位于股骨髁横轴线前 位点。（）股骨三维模型测量股骨外翻角、股骨侧弓角、股骨前弓角、股骨近端偏心距、股骨颈前倾角、股骨颈干角、股骨长度分别为：、；股骨解剖轴与冠状面、矢状面的夹角为 、，股骨力线与冠状面、矢状面的夹角为 、。（）相关分析显示股骨外翻角与股骨侧弓角呈显著正相关（，），股骨外翻角与股骨近端偏心距呈正相关（，），股骨前弓角与股骨颈前倾角呈正相关（，）；股骨力线和矢状面平面夹角与股骨前弓角呈显著正相关（，），股骨力线和矢状面平面夹角与股骨颈前倾角呈正相关（，）。结论：本研究发现，股骨力线与矢状面的夹角和股骨前弓角、股骨颈前倾角呈正相关，因此术前对股骨前弓角和股骨颈前倾角较大者，应相应调整截骨角度，有利于达到更加合理的力线对齐；本研究所述股骨解剖形态与股骨矢状位力线的相关关系对膝关节假体安放和全膝关节置换术具有重要参考意义。关键词 全膝关节置换术；矢状位力线；三维建模；股骨解剖 ：，（，；，）年第 卷第 期 ：，：（），（），；，；，（）（，），（，），（，）；（，），（，）：，；人工全膝关节置换术（，）被认为是治疗严重膝关节损伤及晚期膝关节骨性关节炎的有效手段，而影响膝关节置换术的远期疗效的因素很多，其中下肢力线对齐和软组织平衡作用的重要作用被学术界广泛认可，良好的力线对位可以有效提高膝关节假体的使用寿命、改善关节活动及减少术后疼痛 。既往研究指出，在下肢力线的对位中，胫骨假体垂直于胫骨解剖长轴可获得良好的力线。股骨侧假体主要通过髓内定位装置和股骨外翻角来设置股骨冠状面机械轴力线，提 年第 卷第 期 出将冠状面力线应控制在（）以内 ；而学者对此进行了大量随访发现，仍有约 患者对 术后关节功能活动感到不满意 。目前临床上主要通过冠状位下肢全长 线片进行下肢力线测量，但其有多方面的局限性，如无法精确识别股骨解剖和矢状位力线，此外关于股骨解剖和矢状位力线相关研究报道较少，且没有公认的关于股骨矢状位力线定义及测量方法。基于此，本研究通过负重侧位 线片测量下肢和股骨矢状位力线，利用下肢全长 三维模型测量股骨解剖形态和矢状位力线的相关性，从而为后续的膝关节假体安放和人工全膝关节置换术中精确恢复下肢力线提供帮助。对象与方法 下肢负重矢状位力线测量 线研究对象招募 名中国健康志愿者，男女比例为 ，平均年龄 （）岁，双侧下肢无疼痛、无创伤史、无下肢影像学异常。知情同意参与本研究。线研究方法下肢全长正侧位片的拍摄（根据 、等 人表述的方法）：（）拍摄体位：下肢全长正位：受试者前后位姿势站立在摄片架的踏板上，后背贴近摄影架，双手自然下垂、对于站立不稳患者作者采取握紧摄影架两侧的把手、膝关节尽量伸直，足部与双肩同宽，并内旋 左右，使腓骨小头与胫骨重叠接近 ，髌骨垂直指向正前方。下肢全长侧位：受试者侧位姿势站立在摄片架的踏板上，侧身贴近摄影架，双手抓住扶手，稳定身体，受试肢体靠近摄片架，单腿站立，膝盖完全伸直。未负重下肢后伸，减少或避免双侧下肢骨性结构的重叠。受试肢体使股骨内侧和外侧髁的后缘对齐，以拍摄标准化的侧位 线照片。如果两个股骨后髁未对齐，则重新拍摄 线照片。（）图片获取：经过影像工作站后处理技术从而得到图像、仔细观察有无拼接断开、移位情况、经过后处理技术从而得到一幅完整清晰的全长片。（）测量：正侧位下肢全长图片以图像以医学数字成像与通信（，）格式导出，导入医学数字成像和通信软件（）后进行相关测量、标记。在下肢全长正位片上测量股骨力线轴、股骨干的解剖轴、股骨 胫骨角、冠状位下肢力线以及负重比率等参数。冠状位力线是连接股骨头中心和距骨穹窿中心的直线。通过测量从股骨近端内侧边缘到力线与股骨近端相交点的距离，然后将该测量值除以股骨近端的整个宽度，计算负重比率。将该比率乘以 得到一个百分比（图 ）。在下肢全长侧位片上画一条从股骨头中心到距骨关节中心的直线。作者认为矢状位力线是分析负重时下肢矢状面对线的基线。测量参数有股骨矢状位解剖轴、股骨矢状位力线与髁间切迹垂直距离以及负重比率等参数（图 ）。图 下肢全长正侧位 线负重比例：冠状位力线和负重比例；：矢状位力线和负重比例 股骨解剖形态与下肢矢状位力线相互关系的三维测量 三维模型研究对象收集内蒙古自治区人民医院因怀疑有骼血管、下肢血管疾病行骨盆及双下肢全长 造影患者影像学资料。根据纳入和排除标准筛选后，共选入 例患者，其中男 例，女 例，平均年龄 （）岁，平均身高 （）。纳入标准：具备骨盆及双下肢全长的 数据；年龄为 岁；无膝关节自身病变引起的疼痛、畸形及功能障碍；扫描显示股骨、胫骨、腓骨及足部骨骼完整且发育正常。排除标准：膝 年第 卷第 期 外翻及严重骨缺损患者；膝关节周围既往手术史及下肢骨性组织存在创伤史、疾病史患者；严重的膝关节及股骨畸形患者；股骨重度骨质增生、大量骨赘形成患者。对符合标准的 数据进行重建和三维测量，并进一步对得到的数据进行分析。三维模型研究方法（）股骨解剖学形态的三维测量：使用软件包括：交互式医学影像控制系统软件 （公司，比利时），逆向 工 程 和 三 维 检 测 软 件 （公司，美国）。将下肢全长 扫描数据以 格式导入 软件进行股骨三维模型重建：应用 软件对图像进行数据处理，阈值分割及填充修补后进行三维重建计算。获得股骨三维模型（图 ，图 ），将股骨三维模型以光固化立体造型术（，）文件格式导出至 软件，运用软件功能精确定位股骨外上髁最突点及股骨内上髁邻近的凹陷点（图 ）。（）建立股骨冠状面和矢状面：通过三个点（股骨头中心点、股骨外上髁最突点及股骨内上髁邻近的凹陷点）建立股骨冠状位平面（图 ）；以通过股骨解剖轴并垂直于股骨冠状面的平面为股骨矢状面（图 ）。（）三维模型股骨力线：根据第一部分研究内容在下肢全长侧位片上找出股骨矢状位的精确位置，并通过各参数比例将股骨力线在三维模型上精确标记。图 股骨三维模型及平面建立：三维模型冠状位股骨力线；：三维模型矢状位股骨力线；：股骨外上髁最突点和股骨内上髁邻近的凹陷点；：建立股骨冠状平面；：建立股骨矢状平面 测量参数在三维模型上对具有代表股骨标志的参数进行测量研究分别选择股骨小粗隆下缘 、髓腔中心点连线做股骨近端解剖轴、股骨滑车顶点上 、髓腔中心点连线做股骨远端解剖轴。测量参数包括：（）股骨三维模型参数：股骨外翻角（，）、股骨侧弓 角（，）、股 骨 前 弓 角（，）、股骨近端偏心距（，）、股骨颈前倾角（，）、股骨颈干角（，）、股骨长度（，）；（）股骨解剖参数：股骨近端解剖轴与股骨冠状面夹角（角 ），股骨远端解剖轴与股骨冠状面夹角（角 ），股 骨 近 端 解 剖 轴 与 股 骨 矢 状 面 夹 角（角 ），股骨远端解剖轴与矢状面夹角（角 ），股骨力线与股骨冠状面夹角（角 ，图 ），股骨力线与股骨矢状面夹角（角 ，图 ）。所有参数均由经验丰富的 名外科医生使用图像分析仪 、进行测量，计算结果取两者测量数据平均值，并保留至小数点后二位。为了评估观察者间误差，作者使用相同的方法测量了 条下肢的 个参数（、）次，再由另一名外科医生使用相同的方法测量了相同 条下肢的 个参数。所得数据保存至 表格中，以便于后期对其进行数据整合、制表及相关统计学分析。图 股骨力线与股骨冠、矢状面的夹角测量：股骨力线与股骨冠状面夹角；：股骨力线与股骨矢状面夹角 统计学分析应用统计学软件 （，美国）对数据进行统计学分析，计量资料经 检验正态性，符合正态分布的数据以（）表示。不同界别和性别间各参数差异采用独立样本 检验比较；采用 相关分析法明确三维模型各参数的相关性，并计算相关系数；以 为差异有统计学意义。结果 正态检验各参数行 检验结果显示不同 性 别、界 别 和 相 关 参 数 均 服 从 正 态 分 布 年第 卷第 期 （）。二维图像下肢力线及承重轴 名健康志愿者标准负重正位平均股骨 胫骨角为 ，平均承重轴通过点位于股骨内侧髁 位点，标准负重侧位平均股骨 胫骨角为 ，平均承重轴通过点位于股骨髁横轴线前 位点，股骨矢状位力线与髁间切迹的平均距离为 ；正侧位股骨 胫骨角、承重轴在不同性别、界别间差异无统计学意义（）。股骨三维模型测量 股骨三维模型各测量参数各测量参数之间的差异有统计学意义（），而各测量参数在不同界别之间的差异无统计学意义（）。根据不同性别对比发现，除 外（），其他参数差异无统计学意义（）。相关分析表明：与 呈正相关 （），与 呈正相关 （），和 呈正相关 （）。见表 。表 股骨三维模型不同界别及不同性别测量参数（，）参数侧别男女 （）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 注：股骨外翻角；：股骨侧弓角；：股骨前弓角；：股骨近端偏心距；：股骨颈前倾角；：股骨颈干角；：股骨长度 股骨解剖参数角 和角 差异有显著性（，），角 和 角差异有显著性（，）；角 、角 、角 、角 、角、角 在不同性别、界别间差异无统计学意义（）。此外股骨力线和冠状面、矢状面夹角与解剖角度相关分析表明，角 与 呈显著正相关，（），角 与 呈正相关，（）。见表 。表 股骨解剖与平面的夹角（，）角度侧别男女（）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 （）左 右 注：股骨近端解剖轴与股骨冠状面夹角；：股骨远端解剖轴与股骨冠状面夹角；：股骨近端解剖轴与股骨矢状面夹角；：股骨远端解剖轴与矢状面夹角；：股骨力线与股骨冠状面夹角；：股骨力线与股骨矢状面夹角 讨论 股骨解剖形态和特点股骨在解剖形态上可分为股骨上段、中段和远段，正常生理情况下即存在一定程度的前外侧弓，股骨上段虽在外观存在后弓，然而髓腔轴线呈直线 ；在股骨中段水平，股骨弓向前，冠状面主要通过外侧弓所体现，矢状面通过前弓所体现；而股骨远端解剖形态较为复杂，不仅具有股骨内、外侧上髁及滑车结构，此外还存在许多肌肉和韧带的附着，股骨远端 弯曲程度明显高于股骨其他部分 ，；以上解剖结构构成了股骨的整体，最终在冠状面呈轻微外侧弯曲状，矢状面呈向前弯曲呈弓形，并且在不同人群之间股骨解剖形态略有差异。既往研究指出，术前通过下肢全长正侧位 线对股骨形态进行分析，仍存在放大率及拍摄角度所带来的误差 ；此外上述解剖结构的存在，使得难以通过二维图像准确评估股骨解剖特点及矢状位力线走行，从而影响整个下肢力线的测量结果。股骨解剖形态和矢状位力线相关性分析下肢力线对齐是 成功的重要因素之一，力线不良可导致关节假体松动和术后功能障碍 。传统 是对二维图像冠状位力线进行测量，并常规股骨远端外翻 截骨，随着计算机导航辅助技术 年第 卷第 期 在全膝关节置换术的应用发展，更加注重多平面力线对齐与软组织平衡状态；然而对于重度膝关节骨性关节炎患者，无论传统 技术或计算机导航辅助技术都无法达到更为理想的力线对齐效果 ；并且市面上所使用大部分膝关节假体是根据白种人膝关节数据设计，不符合国人股骨解剖形态和角度；单纯通过下肢全长 线测量，易受到肢体旋转的影响，使精确恢复下肢力线更加困难，以上可能是影响 术后患者满意度的原因之一。等 人通过将股骨标本自外旋 至内旋 分析股骨相关角度变化，发现其角度变化最大可相差 ；这一点与 等 人的研究结果相似，说明良好的控制肢体旋转对精确恢复力线具有重要意义。本研究通过负重下肢全长正侧位 线确定下肢力线及负重比例，采用 、等 人所描述的方法，根据物理特点和放射学特征有效控制下肢的旋转影响，在此基础上对 名健康志愿者测量发现，标准负重正位 线负重轴通过点距股骨内侧髁 位点，标准负重侧位 线承重轴通过点距股骨髁横轴前 位点，这与 、等人的测量结果相似，且正侧位 线负重轴测量位点在不同性别、界别间差异无统计学意义（），表明股骨力线在冠状面、矢状面并不总是通过膝关节中心，而是偏前偏内。股骨矢状位力线作为 技术重要组成部分，其作用越来越受临床医师及学者的关注。股骨形态与解剖轴线密不可分，在人工膝关节置换术中股骨解剖轴线被股骨髓内定位杆的位置所体现，而股骨髓内定位杆的位置又决定着股骨假体的位置 。既往研究认为，保持股骨远端解剖髓腔与髓内定位杆一致性，即能达到机械对齐；经过技术水平的提高和长时间探索发现，股骨解剖在正常范围时，髓内定位装置可以提供足够的精确度；当股骨过度伸直可能导致术后假体周围骨折 ；而当股骨弯曲过度会使股骨髓内定位杆插入点以及股骨外翻截骨角度产生偏差，进而影响整体力线对齐，加速膝关节假体撞击和聚乙烯磨损 。现有研究大多就股骨冠状位进行测量。股骨作为下肢重要的承重骨，其解剖结构为空间三维结构，这就要求冠状位和矢状位力线的一致性以及空间结构的稳定性。作者通过 数据进行股骨三维模型建立。相较于以往研究，本研究利用股骨较易识别的解剖位点建立冠状面和矢状面方法，并将负重下肢全长正侧位 线测量股骨力线和负重比例精确标记于所建三维模型，测量和分析股骨解剖参数与矢状位力线相关关系。等 人通过磁共振成像对 名患者股骨矢状面形态弯曲在性别中的差异测量发现，当股骨矢状弓较大时，股骨远端解剖轴相对于股骨机械轴更容易弯曲，而这在类风湿、身材矮小人群中更为明显，故采用固定髓内定位杆，可能产生股骨假体弯曲 ，侧面证实了股骨前弓的个体差异和重要性。本研究发现，股骨力线与矢状面夹角和 、股骨力线与矢状面夹角和 呈正相关，作者认为在 术前对 和 较大者，应相应调整截骨角度，以利于 股骨矢状面力线恢复；而 和 存在正相关关系，此结果与左建林等 的研究相同。此外，作为 冠状面截骨重要参数，与 的正相关性得到了大量文献和学者的支持。由此可知在 术前不仅需要关注 和 的变化，同样需要考虑 和 带来的影响。股骨解剖形态与矢状位力线相关统计数据验证了股骨力线在 技术中的重要性，同时证明了本研究方法的可行性。相信通过本研究方法和结果，使 精确恢复下肢力线相关数据更加趋于完善，并为临床医师和相关研究者提供参考。但本研究样本人群以我国北方人为主，且样本数量有限；在后续的研究中，将从不同地区收集样本人群并增加样本量，使研究数据更具有代表性。其次，本研究在定位解剖层面和选择解剖标志点时手动进行操作，由此存在一定的主观性，从而影响测量结果。为了减少误差，作者在 个月后再次测量，最后取数据平均值。最后，本研究所得数据，存在于理论阶段，缺少生物力学研究以及实际的假体植入的数据，将来，模拟膝关节假体安放及实际操作将为其提供有力支撑。年第 卷第 期 综上所述，在全膝关节置换术中，股骨力线的精确恢复不仅需要冠状位对齐，矢状位力线对齐同样重要。本研究结果表明，股骨力线与矢状面的夹角和股骨前弓角、股骨颈前倾角呈正相关，因此术前对股骨前弓角和股骨颈前倾角较大者，应相应调整截骨角度，有利于达到更加合理的力线对齐；本研究所述股骨解剖形态与股骨矢状位力线的相关关系对膝关节假体安放和全膝关节置换术具有重要参考意义。参考文献 ，（）：，（）：，：（），（）：，（）：，?，（）：，：？，（）：，：，（）：，（）：，（）：左建林，柳林，应洪亮，等基于三维 多平面重建股骨近段髓腔的形态学实验 中国组织工程研究与临床康复，（）：，？，（）：李超，程静波，冯明利从生物力学角度认识股骨解剖结构对膝关节置换的影响 中国组织工程研究，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：（收稿日期：）年第 卷第 期