外翻膝骨性結構的形態學及分型研究

陳文昊，周一新，劉文革

合并有外翻畸形的膝關節置換是一個具有挑戰性的手術。外翻畸形約占全部膝關節置換手術的10%～15%，但這常被認為是最難處理的畸形之一［1－2］，而對外翻膝形態學的理解與手術及術后臨床效果密切相關。本文收集外翻膝患者的臨床資料，研究外翻膝的影像學資料，探究外翻膝畸形的主要來源及側副韌帶張力情況，為外翻膝全膝關節置換術提供參考，并提出外翻膝新的分型方法。

1 材料與方法

1.1 樣本收集 收集2007年8月－2012年2月行CT 掃描的外翻膝容積性數據。納入標準為因骨性關節炎、類風濕性關節炎、創傷性關節炎、代謝性骨病等骨科疾病導致外翻膝的成年患者。排除任何可能對外翻膝形態學結構造成影響的樣本，包括累及膝關節的骨折、腫瘤、既往手術史以及掃描范圍不夠。共有滿足條件的外翻膝畸形患者75例76膝，其中男性8例8膝，女性67例68膝，年齡中位數63歲（44～84歲），病程中位數12年（5～50年）。骨性關節炎71例72膝，類風濕性關節炎3例3膝，創傷性關節炎1例1膝?；贾芾矍闆r為右49膝，左27膝。

1.2 三維模型建立 術前均行負重位膝關節正側位、下肢全長像及髕骨切線位等X線檢查，并在同一臺螺旋CT（Aquilion 64排螺旋CT 機，Toshiba，日本Otawara公司）機器上行患側膝關節CT 平掃，以獲取膝關節容積性數據。掃描時保證患者處于仰臥位，雙髖雙膝盡量伸直，下肢貼近檢查臺，使之保持中立位且力線盡量平行于檢查臺面，掃描范圍至少包括膝關節近端40mm 及遠端40mm，掃描層厚1mm。將膝關節X線平片及CT 容積性數據導入醫學圖像處理軟件MIMICS 10.1（Materialise，Leuven，Belgium），重建膝關節三維模型，對患者的影像學資料進行圖片處理及測量，并獲取相關數據。軟件提供4個窗口，分別是冠狀面、矢狀面和橫斷面界面，以及三維模型界面（圖1）。

圖1 MIMICS軟件提供的四個界面Fig 1 Four dimensions in MIMICS

1.3 CT 數據的形態學測量 本研究中膝關節的冠狀面是由矢狀面上股骨的解剖軸與股骨內外側髁的通髁線決定的，同時股骨內外側髁的通髁線是三維坐標系的X 軸。為減少誤差，在MIMICS軟件內將所有的膝關節模型統一調整成標準體位后進行測量，即將外翻膝按上述坐標軸在軟件中再次重建，重新擺放。在膝關節的三維重建圖像中，外側副韌帶于股骨外側髁的附著點通常表現為外上髁一個骨性突起，而內側副韌帶與股骨內側髁的附著點通常表現為股骨內上髁內側一個相應的骨性凹陷。膝關節的外科通髁線即為兩點間的連線。對于CT 容積性數據，主要測量外科通髁線與股骨髁遠端關節面切線的夾角（Distal Condylar Angle，DCA），外科通髁線與股骨髁后方關節面切線的夾角（Posterior Condylar Angle，PCA）。測量方法如圖2。正常情況下，DCA 約為4°，PCA 約為3°［3－4］。當股骨外側髁遠端關節面發育不良或存在骨缺損時，應有DCA 增大；當股骨外側髁后方關節面發育不良或存在骨缺損時，應有PCA 增大。因此，筆者把DCA＞4°定義為DCA 增大，PCA＞3°定義為PCA 增大（圖3）。

圖2 膝關節CT 上的參數測量Fig 2 The measurement in CT scan

圖3 DCA 與PCA增大的意義Fig 3 The meaning of increased DCA and PCA

1.4 對膝關節平片二維數據的形態學測量 對于所有患者均測量股脛角（Angle between Femur and Tibia，FTA），以FTA 外翻5°～10°為正常標準，≥10°定為外翻畸形［1］。為表現膝關節的走行方向，測量股骨解剖軸與股骨遠端關節面的外側夾角（anatomical Lateral Distal Femoral Angle，aLDFA）與脛骨解剖軸與脛骨近端關節面的內側夾角（anatomical Medial Posterior Tibial Angle，aMPTA）。命名原則是測量與解剖軸之間的夾角記為a，與軸線內側成角為M，與外側成角為L，與股骨（F）或脛骨（T）的近端或者遠端關節走行方向的夾角分別為P或D。aLDFA 正常值為81°（79°～83°），aLDFA減小表示股骨干骺端或股骨外側髁存在畸形，aMPTA 正常值為87°（85°～90°），aMPTA 增大表示脛骨干骺端或脛骨平臺存在畸形［5］（圖4）。

圖4 膝關節平片上的參數測量Fig 4 The measurement in full－length view of knee

1.5 各節段畸形的量化 外翻膝可能存在畸形的節段包括股骨關節內、股骨關節外（股骨干骺端）、脛骨。具體畸形節段提供的外翻角記為角S。股骨關節內畸形記為S1，S1＝DCA－4°。股骨關節外畸形（股骨干骺端畸形）記為S2，由于aLDFA 減小值包括股骨干骺端的畸形及股骨關節內畸形，所以S2＝81°－aLDFA－S1。脛骨畸形記為S3，S3＝aMPTA－87°。由于多數患者的外翻膝畸形并非單一來源，而各節段畸形在總體外翻畸形中所占的比重也有所不同，因此有必要定義外翻畸形的主要來源：如果存在Sx／（S1＋S2＋S3）≥50%，則該Sx為主要外翻畸形來源。（Sx代表某一節段畸形，S1＋S2＋S3代表總體外翻畸形。若某節段畸形占總體外翻畸形超過50%，有理由認為該節段是外翻膝的主要畸形節段。）如不存在Sx／（S1＋S2＋S3）≥50%，或有兩個Sx／（S1＋S2＋S3）＝50%，認為屬于多節段畸形。

2 結果

2.1 股骨外側髁的形態學測量 根據股骨外側髁的形態學測量結果，將總體分為（1）DCA、PCA 均增大；（2）DCA 增大PCA 正常；（3）DCA 正常共3組，分別測量是否存在股骨干骺端（股骨關節外）、脛骨來源的畸形，并計算各畸形在總體外翻膝畸形中所占的比重，再次按主要畸形來源進行分組，以研究在外翻膝畸形中常見的部位，和在總體外翻膝畸形中占比重較大的部位（表1～4）。

表1 DCA 和PCA的測量結果Tab 1 The measurement results of DCA and PCA

表2 DCA、PCA 均增大的外翻膝的測量結果Tab 2 The measurement results of the valgus knee with increased DCA and PCA

表3 DCA 增大、PCA 正常的外翻膝的測量結果Tab 3 The measurement results of the valgus knee with increased DCA but normal PCA

表4 DCA 正常的外翻膝的測量結果Tab 4 The measurement results of the valgus knee with normal DCA

2.2 外翻膝的新分型 由表2～4可見，在形態學上，總體76例外翻膝按畸形位置及嚴重程度上的不同，又可作如下分組：a：股骨關節外畸形為主，畸形主要來源于股骨干骺端：23膝；b：股骨關節內畸形為主，畸形主要來源于股骨外側髁發育不良或骨缺損：15膝；c：脛骨畸形為主，畸形主要來源于脛骨平臺骨缺損或脛骨干骺端：20膝；d：多節段畸形，患膝多個節段存在嚴重程度相當的畸形：18膝?；谏鲜龇纸M，如果忽略次要畸形，則按照外翻膝的病理解剖，可將外翻膝簡化為如下5型（圖5）。

（1）F1a型（股骨關節內畸形）：DCA 增大，PCA正常。其臨床表現為膝關節伸直位外翻，屈曲位不外翻。

（2）F1b型（股骨關節外畸形）：DCA、PCA 均正常。其臨床表現為膝關節伸直位外翻，屈曲位不外翻。

（3）F2型（股骨關節內畸形）：DCA、PCA 均增大。其臨床表現為膝關節伸直位屈曲位均外翻。

（4）T1型（脛骨關節內畸形）：脛骨平臺骨缺損，DCA、PCA 均正常。其臨床表現為膝關節伸直位屈曲位均外翻。

（5）T2型（脛骨關節外畸形）：脛骨干骺端畸形，DCA、PCA 均正常。其臨床表現為膝關節伸直位屈曲位均外翻。

圖5 外翻膝的新分型示意圖Fig 5 The new classification of the valgus knee

3 討論

精確而詳細地測量外翻膝形態學改變對外翻膝矯形手術具有重要意義。為了更好地研究外翻膝的形態學，筆者使用MIMICS軟件重建外翻膝的三維模型并統一調整為標準體位進行測量，這能修正CT 掃描時體位不正造成的誤差影響。此軟件能清晰地給出四個界面的信息，測量方便，結果準確可靠。外翻膝常同時存在骨與軟組織的問題，其骨性結構的發育不良及缺損多發生在股骨外側髁的遠端和后方，亦或脛骨平臺。外翻膝可合并外側軟組織（包括髂脛束、外側副韌帶、腘肌腱、后外側韌帶等）的攣縮，伴或不伴內側結構的松弛［6－12］。研究外翻膝的詳細解剖，了解哪些結構的病變是造成外翻膝的主要原因，或者外翻膝造成了哪些結構的畸變，對于指導全膝關節置換術（Total Knee Arthro－plasty，TKA）中如何進行截骨，采用何種類型的軟組織平衡方法，選用何種限制程度的假體具有重要意義。另外，對外翻膝形態學的詳細研究也有助于探索外翻膝的發病規律和進展過程，從而對這一疾病有更深入的理解。

本研究中，所有樣本股脛角均＞10°，總體FTA（18.4±6.3）°。由表1 可見，92.1%的患膝存在DCA 增大，其中44膝（57.9%）合并PCA 增大，說明在所收集的外翻膝中，近半數患者存在股骨外側髁遠端關節面的骨缺損或發育不良，其中近2／3的患者同時存在股骨外側髁后方關節面的骨性結構異常。通過對于股骨干骺端和脛骨干骺端的測量，發現存在股骨干骺端畸形的患者占總體的78.9%，存在脛骨干骺端畸形的患者占總體的73.7%，均小于存在股骨外側髁畸形的患者（92.1%）。因此股骨外側髁畸形是在本樣本中占大多數。由表2～4可見，以股骨關節外畸形為主的外翻膝占30.3%；26.3%的外翻膝患者以脛骨來源的畸形為主；雖然普遍認為股骨關節內畸形在膝外翻患者中較為常見［6－12］，只有少數患者（19.7%）的外翻畸形以股骨關節內畸形為主；另外，23.7%的患者屬于多節段畸形，畸形來源比較復雜，各節段畸形嚴重程度也相當。

通過對外翻膝的形態學研究，提出了上述外翻膝分型，有利于在術前判斷外側副韌帶的張力情況。外翻膝患者的膝關節外側軟組織可能是攣縮的，但外翻膝不一定合并外側副韌帶緊張。當患者DCA 增大，PCA 正常，而外翻畸形存在，說明股骨外側髁遠端發育不良或有骨缺損，外側副韌帶長度正常，但在伸膝時處于相對松弛狀態；當患者DCA、PCA 均增大，而外翻畸形存在，說明股骨外側髁的遠端及后方均存在骨性結構的異常，此時外側副韌帶攣縮；當患者DCA 正常，而存在下肢直立位冠狀面的外翻畸形，說明脛骨平臺骨缺損或關節外畸形是膝外翻畸形的來源；此時若脛骨平臺骨缺損存在，則外側副韌帶攣縮；若僅存在關節外畸形，則外側副韌帶長度正常，張力合適。上述機制如圖5所示，當外側副韌帶攣縮時，膝關節側副韌帶框架（圖中矩形框架）不再是矩形，外側邊不再平直。因此，武斷地認為外翻膝一定合并外側副韌帶緊張，在術中錯誤地對可能并不攣縮的外側副韌帶進行松解，可能將膝關節外側軟組織過度松解，進而導致術后膝關節不穩定。術前對外翻膝患者進行上述分型，可以有效地判定外側副韌帶是否攣縮，避免這類錯誤的發生。

應用上述膝外翻分型在術前判斷外側副韌帶的張力情況有助于術中選擇合適的軟組織松解順序。在作外側結構的松解時，判斷外側副韌帶的張力情況，對于軟組織松解順序及假體選擇具有重要意義。Aglietti與Engh認為：膝關節外側的主要韌帶包括外側副韌帶、弓狀韌帶和豆腓韌帶，這些韌帶都延伸止于腓骨頭，僅外側副韌帶及腘肌腱起源于股骨外側髁，并維持屈膝狀態下膝關節的外側穩定性。因此在膝外翻TKA 中，作外側軟組織松解時，松解外側副韌帶會影響膝關節穩定性。如果同時松解外側副韌帶及腘肌腱，就會出現屈膝時膝關節不穩，增加人工膝關節的翻修率。如果松解了外側副韌帶，就必須保留腘肌腱［10，13］。對于輕度的外翻畸形，可通過松解髂脛束、后外側關節囊即可矯正［9］；但對于嚴重的外翻畸形，特別當外側副韌帶嚴重攣縮時，又不得不松解外側副韌帶，否則難以實現內外側軟組織張力的平衡［14］，或必須使用限制型假體［15－17］。以往，在術前很難判斷外側副韌帶的張力情況，一般是通過術中觸診膝關節外側各軟組織結構，來判斷哪些結構是攣縮的，是需要松解的，這不免使手術醫師在術中處于被動地位。而采用上述外翻膝分型，在術前對外側副韌帶張力情況進行判定，事先設計出最合適的松解順序，或預備合適的限制型假體，無疑可以使得手術效果更符合預期。

另外，利用術前影像學資料對外翻膝患者進行上述分型，容易明確外翻畸形的來源，便于采用最適宜的術式矯正畸形。對于F1a型，外側副韌帶的長度還保留完好，它在膝關節伸直位時松弛。提供固定外翻畸形的是：髂脛束、后外關節囊而不是外側副韌帶和腘肌腱。通過松解髂脛束和后外關節囊，植骨或使用金屬墊片來補充股骨外側髁遠端的骨缺損就可以矯正。F1b型外翻膝實際上來自股骨髁上，畸形臨近側副韌帶框架，根據畸形的嚴重程度、患者的年齡、術者的傾向，可以采用以下幾種方法：（1）外側髁滑移截骨，可以實現外側副韌帶的精確延長［18］；（2）對于老年、活動少的患者，行限制型假體的全膝關節置換［15］；（3）股骨髁上截骨＋全膝關節置換。F2型不論在屈曲位還是在伸直位均存在外翻，提示股骨外側髁遠端和后方均存在發育不良或骨缺損，外側副韌帶是攣縮的。此時外側軟組織松解，包括外側副韌帶甚至腘肌腱是不可避免。T 型的畸形相對少見。T1型常見于類風濕關節炎，而T2型常為醫源性（脛骨高位截骨過度矯正）或脛骨干骺端或骨干骨折后的畸形愈合［19］。對于T1型可以嘗試填充脛骨外側平臺的骨缺損，松解外側軟組織。但對于T2型的，通常在全膝置換的基礎上還需要截骨矯正。

經典的外翻膝分型包括Hungerford 分型（1984年）、Krackow 分型（1991年）、Ranawat分 型（2004年）。Hungerford分型根據外翻關節的內側穩定性分為二型：Ⅰ型為外側骨缺失、短縮，外側軟組織結構緊張而內側結構正常、關節穩定；Ⅱ型為內側結構松弛，關節間隙增寬［20］。Krackow 分型：Ⅰ型為繼發于膝關節外側室骨缺失、外側軟組織攣縮但內側軟組織結構完整；Ⅱ型為內側關節囊和側副韌帶復合結構明顯變薄，內側間隙增寬；Ⅲ型為繼發于脛骨近端截骨矯形矯枉過正導致的嚴重外翻膝畸形伴脛骨近端關節線位置異常［21］。Ranawat分型：Ⅰ型為輕微的外翻畸形（＜10°），內側軟組織完好，該型最為常見；Ⅱ型為更顯著（10°～20°）的外翻畸形，內側軟組織被拉伸但仍存在功能；Ⅲ型為外翻畸形超過20°，有嚴重的骨性畸形，內側軟組織功能喪失，最好使用限制型或鉸鏈式假體［1］。

KrackowⅠ、Ⅱ型外翻與HungerfordⅠ、Ⅱ型相對應。KrackowⅢ型多發生在脛骨高位截骨過度矯正或脛骨干骺端、脛骨骨干骨折后的畸形愈合，相當于上述新分型的T2型，該型膝關節內外側軟組織在通常情況下都是完好的。該型患者通常需要在全膝置換的基礎上進行截骨矯正，治療方法較其他外翻膝分型區別較大。Hungerford 分型與Krackow 分型主要依據外翻關節的內側穩定性劃分。其意義在于，膝外翻可能造成膝關節內側結構拉伸及薄弱，這可導致整個膝關節的不穩定。判定膝關節內側結構是否存在松弛，可以決定術中是否需要選擇髕旁內側入路對內側結構進行處理或重建，或可能需要植入限制型假體。換言之，Hungerford分型與Krackow 分型對臨床的指導意義在于：通過判斷內側副韌帶的張力情況，在某種程度上決定了手術方法的不同選擇（是否需要做內側軟組織松解、是否需要使用限制型假體、是否需要在關節置換的基礎上加做截骨矯正）。但Hungerford 分型與Krackow 分型對外翻畸形的具體來源及外側副韌帶的張力情況考慮不足，膝外翻并非僅來源于股骨外側髁的骨性結構異常，外翻膝的外側副韌帶也并不一定總是攣縮的。

Ranawat分型主要依據外翻畸形的程度與內側副韌帶的松弛程度進行劃分。與前兩種分型相比，Ranawat分型繼承了以內側副韌帶張力進行分型的優點，即根據內側副韌帶的松弛程度可以針對性地采用不同的手術方法。同時，Ranawat分型引入外翻角，更加直觀地評估外翻膝的嚴重程度，類似于臨床的常用分級。但同樣也存在對外翻畸形的具體來源及外側副韌帶的張力情況考慮不足的缺點。

外翻膝的新分型與經典的外翻膝分型相比，其優點在于：（1）從三維的角度考慮股骨外側髁的發育不良；（2）可以方便地明確外翻畸形的來源，便于采用最適宜的術式矯正畸形；（3）可以進一步推斷外側副韌帶的張力，有助于術中選擇合適的軟組織松解順序。其缺點在于并不包含內側軟組織結構張力情況的判斷。因此，既往的外翻膝分型多依據內側副韌帶的松弛程度分型，抓住了"內側副韌帶松弛"這一外翻膝的共性，根據內側副韌帶張力情況的不同來指導手術選擇。而外翻膝的新分型更著重于描寫外翻膝的個性，行全膝關節置換術前應用該分型在術前對膝外翻病人進行劃分，可以采取個性化的術式，根據患者個體外翻膝形態學改變的不同，對提供外翻畸形的每個節段分別進行針對性的處理。本分型在臨床中已得到初步應用，收到了預期的效果.但仍需臨床積累更多病例，以進一步驗證。因此，本研究對外翻膝骨性結構的形態學進行精確測量，發現股骨外側髁的畸形是膝外翻的最常見畸形。但通常并非外翻膝的最嚴重畸形；股骨外側髁、股骨干骺端、脛骨干骺端都可能成為外翻畸形的主要來源。筆者在此基礎上提出了外翻膝的新分型，可以在術前明確外翻畸形的來源，便于采用最適宜的術式矯正畸形；并在術前判斷外側副韌帶的張力情況，有助于術中選擇合適的軟組織松解順序。與以往的膝外翻分型相比，筆者認為該新分型能更好地為臨床上矯正外翻膝畸形提供指導。

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