基于磁共振成像測量的中國人群膝關節形態學指標對國產關節假體研發的價值

關 清 湯光宇 華 婷 阮建萍

全膝關節置換術是治療終末期骨關節炎的首選術式，可有效緩解疼痛、恢復膝關節功能[1-2]。術中精確的截骨是保證下肢機械力學和旋轉穩定性的前提，匹配的脛骨、股骨假體的選擇更是保證手術成敗的關鍵[3]。目前，國產膝關節假體未在臨床廣泛應用，而進口假體體系的設計均來自于西方人的膝關節形態學參數[4]。由于種族間差異的存在，進口假體應用于中國患者時，常發生不匹配。為設計與中國人群相匹配的膝關節假體，提高手術效果并減少術后并發癥的發生，設計此項橫斷面研究。應用MRI測量股骨遠端和脛骨近端一系列參數，了解中國人膝關節的解剖和形態學特點，為國產全膝關節置換的假體設計提供研發數據。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2018年1—6月因膝關節疼痛或軟組織損傷在同濟大學附屬上海市第十人民醫院放射科行膝關節MRI檢查的患者412例，男192例、女220例，年齡19～63歲，平均年齡為(44.5±12.7)歲。排除標準：年齡<18歲，存在骨缺損或者嚴重的膝關節退變，嚴重的內外翻畸形(>10°)，外籍患者，既往曾行膝關節手術。本研究經醫院倫理委員會審批。

1.2 檢查方法 應用西門子3.0T(Magnetom Verio)超導型MRI掃描儀(德國西門子公司)。患者取仰臥位，膝關節自然伸直放松，膝關節髕骨下緣置于膝關節線圈中心位置。掃描參數：矢狀位快速自旋回波序列(TSE)質子加權像(PDWI)[重復時間(TR)/恢復時間(TE)為3 000/33 ms]和T2加權像(T2WI)/脂肪抑制像(FS，TR/TE為3 500/98 ms)，冠狀位PDWI/FS(TR/TE為3 000/33 ms)，矩陣320×224，視野(FOV)180 mm×100 mm，層厚/層間距3.0/0.3 mm；軸位快速自回旋波(FSE)序列T1加權像(T1WI，TR/TE為610/17 ms)，矩陣320×240，FOV 160 mm×100 mm，層厚/層間矩3.0/0.3 mm。應用RadiAnt DICOM viewer 4.0.3軟件，根據膝關節軸位的圖像，由兩名醫師測量患者膝關節股骨遠端和脛骨近端的一系列線性參數和角度參數，如果測量線性參數相差>3 mm或者角度參數相差>3°，則由第3名醫師進行重復測量加以校對。取兩名醫師測量數據的平均值進行統計分析。

1.3 膝關節股骨遠端線性參數和角度參數測量 以股骨內外上髁水平為測量平面，在MRI圖像上依次標記股骨外上髁最高點A，股骨內上髁最高點B，髁間凹最低點O。依次連接AB即上髁距離(AML)、AO、BO，∠AOB為上髁間角；連接內外上髁即通髁軸(TEA)；內外側后髁的切線為后髁線(PCL)；內外側上髁的切線為上髁線(ACL)；ACL與TEA的夾角為上髁角(∠ACT)，PCL與TEA的夾角為后髁角(∠PCT)；內外后髁切線上兩切點的距離為后髁距離(PML)；TEA在PCL上的投影距離為股骨髁內外側寬度(ML)，A點至PCL的垂直距離為外側髁高度(AP)，AP/ML為股骨面率；LAP為A點至PCL外側切點的距離；MAP為B點至PCL內側切點的距離。依次測量∠AOB、∠ACT、∠PCT、TEA、AML、ML、AP、LAP、MAP、PML。見圖1。

1.4 膝關節脛骨近端線性參數測量 膝關節置換術中脛骨截骨平面位于腓骨頭略上方，作為脛骨近端測量平面。依次作脛骨結節中內1/3與后交叉韌帶的中點連線為脛骨前后徑最大值(AP’)，脛骨平臺內外徑最大值(ML’)。依次測量AP’、ML’、內側脛骨平臺的寬度(MPW)、脛骨外側平臺寬度(LPW)、脛骨內側平臺高度(MPH)和脛骨外側平臺高度(LPH)，AP’/ML’為脛骨面率。以上線性標志中，MPW、LPW、ML三者平行，MPH、LPH、AP三者平行。見圖2。

圖1 股骨遠端線性參數和角度參數示意圖

圖2 脛骨近端線性參數示意圖

1.5 軟骨厚度測量 于MRI冠狀位圖像上依次測量股骨遠端股骨外側髁和內側髁的軟骨厚度，測量脛骨近端脛骨外側平臺、脛骨內側平臺的軟骨厚度；于MRI矢狀位髕骨最大截面上測量髕骨的軟骨厚度。

2 結 果

2.1 膝關節股骨遠端線性參數和角度參數比較 男性患者的股骨遠端線性參數，TEA、ML、AP、LAP、MAP、PML、AML均顯著大于女性患者(P值均<0.01)。男性與女性患者間角度參數，股骨遠端∠AOB、∠ACT、∠PCT的差異均無統計學意義(P值均>0.05)。見表1。

2.2 膝關節脛骨近端線性參數比較 男性患者的脛骨近端線性參數，AP’、ML’、MPW、LPW、MPH、LPH均顯著大于女性患者(P值均<0.01)，見表2。

2.3 膝關節股骨和脛骨形態學比例比較 男性患者的股骨面率顯著大于女性患者(P<0.01)，PML/AML和MAP/LAP與女性患者的差異均無統計學意義(P值均>0.05)；男性與女性患者間脛骨面率、LPW/LPH和MPW/MPH的差異均無統計學意義(P值均>0.05)。見表3。

表1 男性與女性患者膝關節股骨遠端線性參數和角度參數比較

與男性患者比較：①P<0.01

表2 男性與女性患者膝關節脛骨近端線性參數比較

與男性患者比較：①P<0.01

表3 男性與女性患者膝關節股骨和脛骨形態學比例比較

與男性患者比較：①P<0.01

2.4 膝關節表面不同區域軟骨厚度比較 男性與女性患者間股骨外側髁、股骨內側髁、脛骨外側平臺、脛骨內側平臺、髕骨的軟骨厚度的差異均無統計學意義(P值均>0.05)，見表4。

表4 男性與女性患者膝關節表面不同區域軟骨厚度比較

3 討 論

膝關節解剖形態學存在性別和種族的差異。有研究[5-6]結果顯示，亞洲、非洲和歐美人膝關節股骨遠端、脛骨近端的形態學存在差異。目前國內廣泛使用的膝關節假體均來自于歐美國家，假體的不匹配問題時有發生。中國人群較西方人群股骨前髁較低平而股骨后髁較大[7]。因此，股骨假體的不匹配經常發生在前后髁的截骨上，影響了髕股關節和膝關節伸直的壓力；若過多地截去股骨后髁會增加屈曲間隙導致屈膝狀態下膝關節不穩定；股骨前側皮質骨的切傷又可能增加了股骨髁上骨折的發生風險[8-9]。本研究通過MRI影像學圖像觀察中國人股骨遠端和脛骨近端的形態學特點，從臨床實際問題出發，進一步明確中國人膝關節的形態學特征。

股骨旋轉對線問題導致的髕股關節軌跡異常是影響膝關節活動度的主要因素[10]。Griffin等[6]的研究結果顯示，男性股骨后髁角平均內旋3°，故股骨遠端的截骨需外旋3°，或者股骨假體組件帶有3°的外翻角。與西方人相比，中國人的股骨內側髁較大，尤其是女性[11-12]。Yip等[7]對41具尸體的股骨后髁角進行測量，發現中國男性股骨∠PCT為(5.1±1.9)°，略小于女性的(5.8±1.8)°。本研究結果顯示，男性股骨∠PCT為(5.2±1.7)°，略小與女性的(5.6±1.4)°，與上述研究結果相似。Berger等[5]對75例西方人股骨遠端解剖標本進行研究發現，男性股骨∠PCT平均內旋(3.5±1.2)°，女性平均內旋(0.3±1.2)°；Griffin等[6]對107例西方人全膝關節置換術中的股骨髁進行測量發現，平均股骨∠PCT為(3.7±2.2)°，其中男性為(3.6±1.8)°，女性為(3.7±2.6)°。以上研究結果表明，中國人與西方人的股骨∠PCT存在差異。

股骨面率可作為股骨表面形態的估算指標，假體的高度與寬度的比值決定了假體與股骨表面的匹配程度，股骨假體與股骨表面不匹配可給患者帶來負面影響[13]。Hitt等[14]研究證實，股骨或脛骨假體內外側過剩(假體過大)可引起軟組織激惹；而假體覆蓋不充分則會導致截骨面松質骨無法覆蓋而使手術后的失血量增多。不同性別、種族間股骨面率存在差異。Chin等[15]報道男性股骨面率為1.27，女性為1.22；李梁等[16]報道男性股骨面率為1.26，女性為1.24。本研究結果顯示，男性和女性的股骨面率分別為1.29±0.06、1.24±0.07，與上述兩項研究結果相似；男性股骨面率顯著大于女性，證實女性的股骨表面較男性窄。因此，對于女性患者，應用較窄的股骨假體組件可避免假體覆蓋剩余。目前尚無西方人股骨面率的報道，現在使用的進口假體的股骨面率最大參數為1.16，故推測西方人股骨面率較中國人小。

合適的脛骨假體組件不僅可充分覆蓋脛骨平臺，也能夠在屈伸運動時增加膝關節的穩定性，減少應力集中[3-4]。不同性別、種族間脛骨平臺的形態存在差異。茅凌洲等[17]對中國女性膝關節脛骨平臺假體的研究結果顯示，中國人脛骨平臺小于白種人。本研究結果顯示，男性患者脛骨近端線性參數AP’、ML’、MPW、LPW、MPH、LPH均顯著大于女性患者，男、女性患者的脛骨面率、LPW/LPH和MPW/MPH的差異均無統計學意義；LPH較MPH高約5 mm，LPW較MPW寬約10 mm，上述結果與Hitt等[14]的研究結果一致。

膝關節的軟骨形態學對于膝關節假體的設計意義重大。本研究結果顯示，膝關節表面不同區域軟骨分布不均勻，其中髕骨軟骨厚度最大，股骨外側髁軟骨厚度最小；男性與女性患者間各區域的關節軟骨厚度的差異均無統計學意義。這些軟骨形態學上的特征，可能與膝關節在運動時關節面的負重密切相關[18]。

本研究存在以下不足：①病例來源于單中心，可能無法代表整體中國人群；②本研究無三維重建的膝關節影像學資料，一些參數如股骨曲率無法測量；③由于MRI掃描層面的差異，對測量平面的選擇和參數測量可能存在一定的偏倚。

本研究通過MRI測量中國成人膝關節股骨遠端和脛骨近端的一系列參數，發現不同性別間膝關節形態學參數存在差異，并與文獻所示西方人的數據存在差異，為今后國產膝關節假體的個性化設計提供了理論基礎。