脛骨高位截骨術相關角度的X線片測量及3D重建測量差異分析

吳廈，王君玲，曹光磊，安帥，楊光中，王研農

(1.首都醫科大學宣武醫院骨科，北京 100053；2.清華大學附屬北京清華長庚醫院，北京 102218；3.北京納通醫學科技研究院有限公司，北京 100094)

隨著中國社會老齡化的加劇，膝骨關節炎患者數量與日俱增[1]。然而與過去不同的是，隨著社會進步及民眾就醫意識的提高，越來越多的早中期骨關節炎來院就診。早期骨關節炎的進展多以內側間室的磨損開始，稱之為前內側骨關節炎(anteriomedial osteoarthritis，AMOA)[2]。然而，不同原因引起的AMOA合并內翻畸形所對應的最佳手術方案也存有爭議[3-6]，一般認為，當內翻畸形主要來源于關節內磨損時宜選用單髁關節置換術(unicompartmentknee arthroplasty，UKA)[7]，當內翻畸形來源于脛骨內翻畸形時，脛骨高位截骨術(high tibial osteotomy，HTO)則是更好的選擇[3，5]。準確的膝關節周圍解剖角度測量是評定關節畸形來源的關鍵所在，尤其是對于HTO，精準的角度計算直接影響著術后關節功能及預后。在眾多的解剖角度中尤以后傾角、股骨遠端外側角及脛骨近端內側角對膝關節的影響最為重要。

對于HTO的術前預案，目前公認的測量方法是采用站立位下肢全長X線片直接測量，這種傳統方法存在其弊端。首先，國內目前為止少有下肢全長X線片一次投照即可成像，多是由多張多次的拍攝后拼接完成[8-9]，這就導致X線片本身存在誤差。其次，任何的膝關節X線片都無法保證絕對的中立位，微小的旋轉、傾斜及內外翻等都會帶來接下來測量的巨大誤差。而采用CT數據3D重建后進行相關測量即可有效避免上述情況的發生[10]。

目前，國內外還沒有對3D重建測量與普通下肢全長X線片測量的比較研究，本研究旨在驗證普通X線片測量與3D重建測量在HTO術前測量之間是否存在差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取我院骨科2016年6月至2018年7月擬行HTO的22例內側單間室骨關節炎患者，共計23膝，因我院行3D打印截骨導板輔助HTO技術，所有患者術前均行下肢全長X線片及下肢全長CT平掃，其中男6例，女16例；年齡60.9歲。平均BMI 28.4 kg/m2。

1.2 納入與排除標準 納入標準：a)術前有標準下肢全長X線片；b)術前有下肢全長CT薄掃(64排螺旋CT機(GE，美國)，掃描范圍包括股骨頭至踝穴，層厚1 mm，電壓120 kV，電流200 mA)；c)屈曲畸形<10°；d)膝關節內側間室病變，外側軟骨和半月板功能正常。排除標準：a)屈曲畸形≥10°患者；b)累及多間室的重度骨關節炎患者；c)患類風濕性關節炎、患骨腫瘤或Paget病。

1.3 測量方法 3D測量方法：將CT得到的斷層圖像保存為DICOM格式并導入CAD醫學圖像處理軟件Mimics 20.0中，進行股骨、脛骨表面重建、網格劃分和初步結構優化，并以STL格式輸出至geomagics studio 2013中進行噪音去除、孔洞修復以及面片數量優化，在Creo 2.0中設置冠狀位、矢狀位及水平位。取脛骨冠狀位重建象，脛骨平臺最內側及最外側兩點連線與脛骨機械軸夾角定義為脛骨近端內側角(medial proximal tibia angle，MPTA)(見圖1)，在脛骨矢狀位，脛骨內側平臺中心點前后緣連線與機械軸垂線的夾角定義為脛骨平臺后傾角(posterior slope angle，PSA)(見圖2)。取股骨冠狀位重建像，股骨內外髁最遠點連線與股骨機械軸的夾角定義為股骨遠端外側角(lateral distal femoral angle，LDFA)(見圖3)。

普通X線片測量方法：在標準下肢全長片上，取正位像，其中脛骨平臺切線與脛骨機械軸夾角定義為MPTA[11](見圖4)，股骨遠端內外髁關節面連線與股骨機械軸夾角定義為LDFA[11](見圖5)，取下肢全長側位片，脛骨內側平臺切線與脛骨機械軸垂線夾角定義為PSA[12](見圖6)。

所有數據由兩位骨科醫生分別按照每一位患者測量MPTA，LDFA，PSA的順序測量完所有23例樣本。而后兩位醫生所得數據之間取平均值。

2 結果

通過X線測得MPTA為(84.5±3.9)°，與3D重建后測量的MPTA(82.0±3.1)°差異有統計學意義(P=0.02)；通過X線測得LDFA為(87.7±2.7)°，與3D重建后測量的LDFA(88.0±2.3)°差異無統計學意義(P=0.77)；通過X線測得PSA為(11.4±3.9)°，與3D重建后測量的PSA(12.5±3.5)°差異無統計學意義(P=0.35)。

3 討論

對于早中期內側單間室骨關節炎患者，術式的選擇至關重要。然而無論是術式的選擇還是手術預案的設計，相關解剖角度測量的精確性都是至關重要的一環[13]。目前，絕大部分解剖角度及力線等最常用的測量方法仍然是基于普通X線片，但是在實際臨床工作中很難獲得絕對滿意的標準正位或側位X線片，加之放大率的不可控性及讀片人員的主觀差異，都會影響我們獲得準確的解剖角度，繼而對后續的治療帶來不利影響。

圖1 3D重建測量MPTA圖2 3D重建測量PSA圖3 3D重建測量LDFA

圖4 X線片測量MPTA圖5 X線片測量LDFA圖6 X線片測量PSA

Jones等[10]在其文章中提出基于CT掃描的3D重建技術還原下肢股骨及脛骨的三維圖像，在此基礎上進行的測量可有效避免X線片測量的相關誤差。Ariumi[14]也提出類似結論，通過下肢全長CT數據進行重建，然后作相關角度及活動度的測量才能更準確地還原最真實的數據，對生物力學的研究具有著重要的意義。Rohan[15]等在其研究中提出傳統的X線投射僅能將三維結構二維化，難免存在放大倍數誤差、圖像失真誤差及投照誤差等，繼而導致相關臨床參數的改變，而通過3D重建的方法進行測量可獲得更可靠的結果。Sutter[16]等認為，普通X線片需要人為閱讀，而不同讀片者間的差異有可能帶來后續治療措施及治療結果的不同。而基于正側位X線片進行三維重建后的測量結果明顯優于普通X線的測量，且測量結果完全不受投照目標位置的改變而變化，可以為下一步的診治提供更為精確的指導。

本研究中納入所有樣本均為預行HTO手術患者，所以其MPTA均有不同程度的畸形[17-18]。通過研究結果可以看出，MPTA角在X線片測量及3D重建測量中差異有統計學意義，但是除此之外的正常解剖角度，如LDFA、PSA角在兩種測量方法中沒有明顯差異。這在一定程度上提示我們，對于預期正常的解剖角度測量，單純通過X線片測量即可提供相對可靠的結果，但是對于有可能存在異常的解剖角度，尤其是該角度可能影響手術選擇、手術預案及術后療效等方面，3D重建后的測量更為準確。

作者分析原因可能是異常MPTA伴早中期內側單間室骨關節炎患者，下肢多有內翻畸形，站立時不可避免有一定程度的下肢旋轉，加之下肢全長片的拍攝為多次投照拼接而成，準確度有待進一步研究，綜合上述原因不可避免地帶來X線片測量的不準確性，而3D重建則與之不同，基于CT掃描數據，可完全避免上述弊端，帶來更為可靠的結果。

由于我院僅有3D打印導板輔助HTO手術的患者術前才會行下肢全長的CT薄掃，所以本研究在樣本選擇方面存在一定偏倚，雖然結果提出對異常解剖角度X線片測量的質疑，但此處仍為本研究的局限性。本實驗作為單中心回顧性研究，還存在樣本量較少等局限性，仍需要國內進一步大樣本、多中心的前瞻性研究，為3D重建測量與普通X線片測量的差異提供理論依據。