改良三維數字技術測量股骨遠端旋轉力線的臨床研究

李光旭，周榮，黃偉*

(1.重慶醫科大學附屬第一醫院骨科，重慶 400016；2.重慶市永川區人民醫院骨科，重慶 402160)

股骨遠端旋轉力線的測量是保證全膝關節置換手術成功的關鍵因素之一，按照旋轉力線進行準確股骨遠端截骨，使股骨假體適當外旋、維持膝關節屈伸平衡，以恢復健康的關節生物力學穩定。而股骨遠端旋轉解剖標志存在人種差異，股骨髁發育異?；蝼聊p等因素也會造成股骨遠端旋轉力線差異；股骨假體都按照歐美的外旋3°或按異常的外旋測量結果截骨安放假體，將會導致假體旋轉力線不良。如果股骨假體旋轉力線不良將導致髕股關節不穩，出現髕骨軌跡不良、剪切扭轉應力增加、髕前疼痛、假體磨損、松動等并發癥[1-2]。因此尋求合適的測量方法和國人的股骨遠端旋轉參數一直是膝關節外科關注的焦點。

傳統的股骨形態測量多采用X線片法和簡單的CT斷層法，無法準確根據股骨全長形態進行符合生物力軸視角的旋轉力線參數的定位和測量，測量結果存在較大誤差，并且其實際臨床運用意義也不大。新近出現的以股骨機械軸參考的CT方法較為精確，得到大家的公認，廣泛應用于臨床。隨著高分辨率薄層CT技術的發展，3D數字化重建技術能夠精確模擬出股骨全長形態，并根據生物力軸對股骨遠端形態進行準確的測量，不受體位限制，對個體化、精確的膝關節置換術前設計至關重要[3]。作者對傳統3D技術進行改良，找到一種相對精確的基于3D數字化重建技術的股骨遠端形態測量方法。本研究的目的即是以廣泛采用的CT技術作為參照，探討改良技術的可靠性。

1 臨床資料及方法

1.1 研究對象 本研究選擇重慶地區健康漢族志愿者22名。應用下肢全長螺旋CT薄層掃描結合三維重建技術對雙側股骨旋轉對線的相關解剖及標志進行研究和測量。有關節疼痛、活動異常、任一股骨短縮或成角畸形、外傷骨折、手術、跛行步態、佝僂病、侏儒癥均排除在外。該研究經過醫院臨床倫理委員會批準，在志愿者知情同意的情況下進行。

共22名重慶市健康志愿者中男女各11名，平均年齡(32.55±18.33)歲，平均體重(59.07±8.45)kg，平均身高(163.82±8.59)cm，平均體重指數(21.92±1.77)kg/m2。22例共掃描44個股骨樣本。

1.2 掃描設備與方法 采用BrightSpeed計算機斷層掃描系統(GE Medical Systems，美國)，對受試者下肢掃描范圍自髂棘最高點至腳底，受試者仰臥在水平床面上，雙下肢完全伸直置中立位，股四頭肌完全放松，踝關節置功能位，雙足并攏，足尖朝上，以髕骨作為中心點層厚0.625 mm，間隔0.625 mm，進行CT斷層掃描以獲取橫斷面的精確圖像。受試者的CT掃描圖像數據以“.dicom”格式保存。

將CT掃描圖像數據導入Mimics 17.0軟件，在視窗中得到下肢全長的冠狀位、矢狀位和橫斷位連續圖像，建立三維重建立體模型。分割骨盆、股骨、髕骨、脛骨。初次造模，再次分割計算后，用區域增長方式進行二次造模。成功后再進行反復平順，包裹，填充等處理，得到股骨全長三維立體重建模型。

股骨機械軸的建立和模型的重新分割：選擇MedCAD-DrawSphere建立一個球體，充滿股骨頭，生成股骨頭中心點(01)。在股骨遠端連續橫斷位圖像上找到股骨髁間連接處最低點，選擇Circle做圓圈中心點，即為股骨遠端中心點(02)，連接兩中心點并延長即為機械軸線。應用軟件的“reslice project”(重新切割規劃)功能，建立垂直于股骨機械軸的橫斷位連續斷層圖像，同時建立三維重建立體模型(見圖1)。

注：01-股骨頭中心點；02-股骨遠端中心點

1.3 股骨遠端解剖標志點的定位和測量 斷層測量法：從垂直于股骨機械軸獲得的橫斷位連續斷層圖像中，裁剪包含股骨外上髁的最高點(A1)、股骨內上髁的最凹點(B1)、股骨內上髁最高點(C1)、股骨內后髁(D1)和股骨外后髁的切線最低點(E1)的幾張圖片，導入Photoshop軟件并依次重疊、融合，形成旋轉軸線A1B1，A1C1，D1E1。調整不透明度，將各層面均得以顯現。連接外科上髁軸線、臨床上髁軸線、股骨后髁軸線。然后用標尺工具測量各角度。所有的測量解剖標志點均由兩人共同確定，觀測值取3次測量的平均值(見圖2)。

注：A1-股骨外上髁的最高點；B1-股骨內上髁的最凹點；C1-股骨內上髁最高點；D1-股骨內后髁的切線最低點；E1-股骨外后髁的切線最低點

改良三維測量法：在三維重建立體模型股骨正位中，內外旋轉，定位股骨外上髁的最高點(A2)，股骨內上髁的最凹點(B2)，連接兩點成一直線即為股骨的外科上髁軸線。然后在股骨遠端的軸位圖像上，透明化股骨，標出股骨內上髁最高點(C2)，股骨內后髁和股骨外后髁的切線最低點(D2和E2)，最后用Photoshop軟件打開，用軟件中的角度測量工具進行測量。所有的測量解剖標志點均由兩人共同確定，觀測值取3次測量的平均值(見圖3)。

測量指標：股骨后髁角(posteriorcondylar angle，PCA)：外科上髁軸線與后髁軸線的夾角。外科上髁軸線與臨床上髁軸線的夾角(angle between CEA and STEA，CSA)。髁扭轉角(condyle twist Angle，CTA)：臨床上髁軸線與后髁軸線的夾角。

A2-股骨外上髁的最高點；B2-股骨內上髁的最凹點；C2-股骨內上髁最高點；D2-股骨內后髁的切線最低點；E2-股骨外后髁的切線最低點

2 結 果

股骨后髁角用斷層測量法測值為(3.24±1.18)°，三維測量法測值為(3.26±1.23)°，差異均無統計學意義(P>0.05)；髁扭轉角用斷層測量法測值為(7.11±1.06)°，三維測量法測值為(7.15±1.13)°，差異均無統計學意義(P>0.05)；外科上髁軸線與臨床上髁軸線的夾角用斷層測量法測值為(3.85±0.43)°，三維測量法測值為(3.92±0.41)°，差異均無統計學意義(P>0.05)。左右側不同數據之間的比較見表1。從表1可以看出在測量PCA時，同樣方法左右兩側對比差異無統計學意義。采用不同方法，左右側數據差異無統計學意義。從表1可以看出在測量CTA時，同樣方法左右兩側對比差異無統計學意義。采用不同方法，左右側數據差異無統計學意義。從表1可以看出在測量CSA時，同樣方法左右兩側對比差異無統計學意義。采用不同方法，左右側數據差異無統計學意義。從表2可以看出，兩種方法測量各角度，男女之間結果相似，差異無統計學意義。

3 討 論

3.1 股骨遠端旋轉力線的重要性 為獲得TKA的成功，在先不需要進行軟組織松解的情況下為獲得正確的軸線，股骨側截骨需要放在一定的外旋位置上以獲得屈伸間隙平衡，如果股骨假體旋轉位置不良會導致屈伸間隙不平衡和髕股關節問題[4]。膝關節旋轉對線是由股骨遠端的解剖形態決定的，當然也受一定軟組織條件的影響。如何準確快捷的獲得股骨遠端解剖旋轉參數并指導個體化的膝關節置換一直困擾著臨床手術醫生。

3.2 目前獲取股骨遠端旋轉力線的方法及其利弊 傳統獲取股骨遠端形態參數的測量方法有X線片測量法、斷層CT測量法，這兩種方法存在諸多問題。如Mehdi Moghtadaei等[5]，覃承訶等[6]采用過股骨遠端軸位X線片測量評估股骨遠端旋轉力線，但X線技術有一些弊端。a)X線是二維投影圖像，股骨遠端的解剖標志點不容易確定，用它來描述人體三維骨骼的特征和計算軸線位置會帶來較大的誤差；b)照射體位不易掌握，如果遇到股骨弧度大、旋轉等畸形程度較大的患者則測量的誤差更大，進而影響手術的質量。隨著CT技術的發展，CT掃描骨窗像中對骨質結構顯示比較清楚，很多學者[7-9]應用CT斷層掃描圖像對股骨遠端進行測量以指導臨床。在應用CT斷層掃描測量中，又存在著兩個問題：a)在早期應用CT斷層掃描測量中，選擇在同一張CT片上確認骨的解剖標志點進行測量，現在我們知道由于體位或掃描原因股骨內上髁最高點、最凹點及外上髁最高點多數出現在不同斷層圖像上，如果在同一張影像上測量就會存在較大測量誤差；于是一些學者利用圖像處理軟件將多個包含解剖點的斷層圖像重疊在一個層面上就能取得比較準確的測量結果。b)如果CT斷層掃描的方向不是垂直于下肢的機械軸，斷層圖像上所確定的解剖標志點往往是不正確的，其基礎投視角度的差異必然帶來測量角度的不準確，不能為手術截骨提供正確的參考。同時隨著薄層CT技術的發展，蔡俊豐等[10]利用醫學三維數字軟件如Mimics等軟件技術進行三維重建，掃描體位不再受限制，就可以從任意角度觀察并進行測量；如以下肢機械軸來模擬手術操作的方式進行測量，能給外科術前計劃提供大量的信息。確定股骨機械軸是該技術的重點。股骨機械軸向力線的定義要求股骨頭中心、膝關節中心應處于一條直線上，根據Lee等[11]以及Xiao等[12]關于建立股骨頭中心和標記膝關節中點即髁間窩最高點為股骨遠端中心的方法，連接股骨頭中心和髁間窩最高點的連線即為股骨機械軸。

在股骨遠端旋轉力線的測量方面，1993年Berger[13]等提出了外髁上髁軸線(Surgical transepiccondylar axis，STEA)和股骨后髁角(the posteriorcondylar angle，PCA)的概念；生物力學證明STEA接近平行于膝關節的屈伸軸線，是股骨遠端旋轉定位最可靠的標準[14-15]。而STEA與股骨后髁軸線(posterior condylar line，PCL)的夾角即為PCA，在股骨后髁發育正常的情況下就應該是股骨外旋截骨的角度。

3.3 本改良技術的操作要點 結合以往股骨遠端測量方法，作者改良了現有的三維測量技術。作者選擇垂直于股骨機械軸的斷層測量法和三維測量法測量股骨遠端旋轉力線角度來進行比較。本研究采用數字化技術將三維重建模型垂直于股骨機械軸進行重新切割及重建，能盡最大限度模仿手術操作的視角來確立股骨遠端外旋數據，兩種測量方法也均在此基礎上獲得各項數據并確定解剖標志點。本技術的操作要點在于股骨內上髁最高點、股骨內后髁和股骨外后髁的切線最低點的確定。a)從股骨遠端向股骨頭側投照，隨著投照的角度不同，股骨內上髁最高點不同，形成內上髁上方嵴的弧形軌跡，股骨內后髁和股骨外后髁的切線最低點也形成兩弧形軌跡；b)在垂直于下肢生物力線下，將股骨遠端投射到二維的圖像上，即股骨三維模型的遠端軸位圖像上，用Photoshop軟件打開，這時往往很容易確定圖像上股骨內上髁最高點和后髁線的位置，能夠獲得精確的角度測量數據。

表1 兩種方法分別測量左右側PCA、CTA、CSA數據比較

表2 男女角度測量值的比較

3.4 改良技術的結果分析 本研究中，作者采用兩種方法測量相同旋轉角的角度值間差異均無統計學意義，均能比較準確的反應股骨遠端旋轉角度，其中側別、性別間差異也均無統計學意義。用三維測量法測得股骨后髁角值為(3.26±1.23)°，同黃美賢等[16]研究結果PCA(3.21±1.35)°一致，而張建雷等[17]PCA(3.54±0.61)°要稍高，可能存在區域和樣本量差異所致，但都接近目前主流基于PCL的股骨側旋轉定位導板系統的平均外旋3°截骨角度[18]；但同時我們應該看到個體之間的差異性，術前需要精準測量以指導術中旋轉截骨角度。Fabricio等[19]和Olcott等[20]比較了股骨內外上髁最突出點兩線即CEA和STEA同股骨后髁連線PCL之間的關系，CEA和STEA在全膝關節置換中均能提供最好最穩定的股骨旋轉定位方法，而兩者之間存在著一定夾角。我們在三維數字技術重建模型中測得CTA為(7.15±1.13)°，CSA為(3.85±0.43)°，其結果同潘江等[21]測量結果接近。在測量中我們也發現個體間CTA偏離幅度較大，CSA幅度較小，因此借助于后髁做外旋截骨時應同時參照外科上髁軸線進行，特別是股骨后髁明顯磨損、骨贅增生、髁發育或磨損不對稱的情況。

綜上所述，改良三維測量法能得到精確的股骨遠端旋轉角度參數，可得到與CT測量法相似的結果，兩種方法測量數據無明顯差異。經本研究證實，新改良方法得到結果可靠，同時操作簡單、形象直觀、耗時明顯縮短，可指導臨床應用。目前三維數字化技術飛速發展，提供了很好的便捷的股骨遠端形態測量方法，還需要進一步將數據和軟件結合服務于臨床，為各類膝關節疾病患者的測量評估和個體化治療設計提供科學、便捷、精準的技術幫助。