利用計算機三維空間測量技術研究前交叉韌帶單束重建時內口位置的選擇

汪益 董啟榕 陸守榮 鄭祖根 金志高

蘇州大學附屬第二醫(yī)院骨科（蘇州215004）

前交叉韌帶重建手術時，韌帶內口的位置選擇非常重要。在膝關節(jié)屈曲活動過程中，兩內口間的距離保持不變是前交叉韌帶重建手術成功的重要條件。選擇何內口位置滿足這一條件目前尚有爭議。以往學者多以尸體膝關節(jié)進行研究。隨著影像醫(yī)學的發(fā)展，利用CT或MR進行三維重建已成為可能。利用活體膝關節(jié)的三維重建模型進行測量，可以得到生理狀態(tài)下更為真實的資料。本研究建立了正常膝關節(jié)在不同屈曲角度狀態(tài)下的三維模型，測量股骨髁間外側面和脛骨髁間脊之間各個點之間的距離，并測量這些距離在不同屈曲角度下的變化值，從而探尋到符合或接近于等距特性的點。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

10名健康志愿者的10個膝關節(jié)，其中左膝7個，右膝3個。男性6名，女性4名；年齡20歲～32歲，平均28歲。既往無關節(jié)疼痛病史，無膝關節(jié)外傷史。

1.2 實驗方法

1.2.1 掃描方法

采用意大利百勝公司生產的關節(jié)專用磁共振E-san，永磁型，場強0.2T。膝關節(jié)表面線圈，受試者側臥位，髕骨下極位于線圈中心。分別于膝關節(jié)伸直位0°、屈曲30°、60°、90°、120°位進行掃描（圖 1）。采用 Turbo T1 序列進行矢狀面掃描，掃描范圍包括股骨遠端，脛骨近端及髕骨。TR 38ms，TE 16ms，層厚 1.25mm，層間距1.25mm，F(xiàn)OV 180×180mm，矩陣 256×256，共 52層，激勵次數(shù)1次。

1.2.2 三維重建

將掃描后獲得的數(shù)據(jù)以標準DICOM格式保存，并將其導入三維建模軟件mimics 10.01。使用Dynamic region growing等命令在每個層面上描記股骨遠端和脛骨近端。使用Edit mask等命令進行修正。描記邊緣結束后使用calculate 3D命令進行三維重建，并且將參數(shù)Resolution設為1，保證重建出來的三維物體表面分辨率最高。重建后采用Smoothing命令光滑物體表面，消除毛刺。

1.2.2.1 股骨定位點的確定

（1）A點:股骨髁間窩頂后緣邊界的最高點。F點:股骨髁間窩頂前緣邊界的最高點。A-F點連線即Blumensaat’s線。G點:股骨外髁內側面上距離 Blumensaat’s線最遠的點。

（2）將Blumensaat’s線分成完全相等的6段，并在靠后的4段邊界5個點上分別繪制5個完全垂直于Blumensaat’s線的面。分別命名為A面、B面、C面、D面和E面。該5個面均與股骨髁間窩外側面相交（圖2）。

（3）繪制一個通過G點、并且與Blumensaat's線平行且完全垂直于正中矢狀面的斜冠狀面，稱為G面。在Blumensaat's與G面的垂線中點上繪制一條與Blumensaat's完全平行的線稱α線（圖3）。

（4）繪制7個圍繞α線旋轉的面。該7個面均與股骨外髁相交，并且與正中矢狀面的角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和 90°。并且分別命名為 0 面、15 面、30面、45面、60面、75面和90面。該7個面也各自與股骨髁間窩外側面相交（圖4）。

（5）A面、B面......E面和 0面、15面......90面在髁間窩位外側面上分別交匯出35個點，分別為A0、A15...A90，B0、B15......E90 點（圖 5，圖 6）。

（6）對同一患者的5個屈曲角度的模型分別進行以上處理，獲得所有的點。

1.2.2.2 脛骨定位點的確定（圖7）

X點:前交叉韌帶脛骨附著處前緣中點。Y點:前交叉韌帶脛骨附著處中心。Z點:前交叉韌帶脛骨附著處后緣中點（注:因模型的建立是基于MR圖像，因此很容易確認這3個點）。

所有的股骨點與脛骨點分別進行組合，共可獲得105個組合，測量每個組合兩點間的距離（圖8）。

1.2.2.3 找出每一個組合在不同屈曲角度下的最大值和最小值，兩者相減得到最大變化值。

1.2.3 統(tǒng)計學分析

所有數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示。采用統(tǒng)計軟件SPSS13.0進行統(tǒng)計學分析。采用雙因素方差分析對組間數(shù)據(jù)進行比較，A因素為股骨各點，剔除明顯不屬于等距點范圍的點（這些點的均數(shù)±標準差均大于3mm），B因素為脛骨的X、Y、Z點。P<0.05認為有統(tǒng)計學意義。

2 結果

當膝關節(jié)從0°屈曲到120°的過程中，股骨與脛骨各點間的距離變化相當復雜，并不能用最大變化值來一概描述。其變化方向并不是單一的變長或縮短。特別是在有等距特性的點附近經常出現(xiàn)先縮短，后變長。而不具有等距特性的點則出現(xiàn)順序的變長或縮短。所有膝關節(jié)數(shù)據(jù)的均值見圖 9、10、11。

符合生理等距的組合:脛骨點為前點（X點）時的股骨等距點（以小于 3mm 為標準，下同）:A0（1.68±0.96），A15（1.58±0.96），A30（1.48±0.97），A45（2.08±0.92）。脛骨點為中點（Y 點） 時的股骨等距點:B0（2.09±0.69），B15（2.07±0.70），B30（2.05±0.71），B45（2.28±0.71）。脛骨點為后點（Z 點） 時的股骨等距點:C0（1.94±0.81），C15（1.92±0.78），C30（1.91±0.77），C45（1.97±0.77），C60（2.03±0.78）。

雙因素方差分析結果:A因素為A0、A15、A30、A45、B0、B15、B30、B45、C0、C15、C30、C45、C60，B 因 素為X、Y、Z。經方差檢驗證實，A因素（股骨各個點）的效應顯著，其統(tǒng)計值F=10.08，P＜0.001，具有統(tǒng)計學意義；B因素（脛骨各個點）的效應顯著，其統(tǒng)計值F=63.453，P＜0.001，具有統(tǒng)計學意義。

3 討論

3.1 研究現(xiàn)狀

Hey Groves等[1]在 1917年進行了第 1例前交叉韌帶重建術。Odensten等[2]在1985年首次提出了等距的概念。所謂等距是指膝關節(jié)在伸直位0°到屈曲120°范圍內前交叉韌帶移植物的最大長度變化等于或小于1mm，如果長度變化量過大，將導致手術失敗，比如在膝關節(jié)屈曲位放入長度合適的前交叉韌帶移植物，在膝關節(jié)伸直過程中兩個內口間距離增加，將會受到移植物的牽拉，導致不能伸直，強力伸直的話將會導致移植物斷裂，反之，如果伸直過程中兩內口的距離減小，將導致移植物松弛，不能維持膝關節(jié)穩(wěn)定[3，4]。多數(shù)的學者認為，絕對等距并不存在，故臨床上醫(yī)師多接受生理等距的概念，即在整個膝關節(jié)活動范圍內，移植物的股骨和脛骨附著點之間的距離變化不超過3mm[5]。前交叉韌帶重建手術中選擇什么樣的隧道內口才能保持等距是業(yè)界爭論的焦點。Odensten等[2]認為前交叉韌帶在股骨和脛骨的附著點中心就是等距點。Hefzy[6]等則認為在前交叉韌帶附著點中心附近有一個帶狀的區(qū)域，最接近等距。Cazenave等[7]認為股骨外側髁后緣的弧度恰好是一個圓的1/3，而這個圓的中心就是等距點。Zavras等[8]在2001年對先前有文獻報道過的多種等距點進行總結，認為等距點應位于股骨Blumensaat’s線的近端末端附近，靠近“over the top”的位置。然而最新研究表明，雖然等距對于內口的選擇很重要，但也不是需要考慮的唯一因素，適當傾斜的重建韌帶有助于恢復膝關節(jié)的旋轉穩(wěn)定性[9-11]。

3.2 三維模型的優(yōu)勢

以往研究絕大多數(shù)是在尸體上進行，需要切除膝關節(jié)的部分穩(wěn)定結構，暴露股骨髁間窩的外側面，這樣膝關節(jié)的穩(wěn)定性很難維持，影響數(shù)據(jù)的可靠性。股骨髁間窩外側面的面積很小，在上面鉆孔固定鋼絲難度很大，能固定的點的數(shù)量也有限。也有學者在X線片上研究，但利用二維圖像研究三維空間的距離本身存在缺陷。本研究采用三維重建膝關節(jié)的方法。三維模型可以對立體空間的任意兩點進行精確測量，仿佛實體上的測量，避免了在尸體上測量遇到的種種麻煩和缺陷，比如不需要切除所覆蓋的組織即可深入內部測量，可以任意增加測量點。本研究利用這些測量上的便利，加大了測量點的數(shù)量，使測量點在股骨髁間窩外側面上均勻分布，范圍甚至超出了前交叉韌帶原本附著點的范圍，這樣有利于了解整個髁間窩外側面在運動過程中的軌跡，找出最符合等距特性的點。三維模型的立體優(yōu)勢還使本研究可以采用與外科手術一致的定位方法，使研究成果可以立即應用到手術中去。本研究將Blumensaat’s線分段，在縱向上進行定位，體現(xiàn)了外科手術中的深（deep）、淺（superficial）概念[12]。繪制圍繞髁間窩中心旋轉的面則在橫向上進行定位，它與外科手術中的時鐘定位方法完全一致。這樣的定位方法外科醫(yī)師容易接受，易于應用。

3.3 結果分析

通過分析圖9、10、11的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，兩點間的距離在膝關節(jié)屈曲過程中所發(fā)生的變化相當復雜。當股骨點的位置設置偏前時，距離的變化值大，變化方向呈單一的增高，比如在D面水平和E面水平（相當于Blumensaat’s線中點及以前的范圍），最大變化量可達15mm以上，在這一區(qū)域放置重建韌帶會導致手術失敗。股骨點放置在Blumensaat’s線后半部則可能出現(xiàn)距離先縮短后拉長的現(xiàn)象，這種情況的出現(xiàn)可以使最大變化值明顯減小。在橫向方面，存在著越靠近中線等距特性越明顯的趨勢，比如當脛骨點為Y時，B90點的最大變化值在6mm左右，而B0點僅為2mm左右。根據(jù)Scopp等的觀點，在保證生理等距的前提下選擇遠離中線的點作為內口是最佳的選擇，這樣既可以保證等距，又可以恢復膝關節(jié)的旋轉穩(wěn)定性。

根據(jù)生理等距的概念，A0-X、A15-X、A30-X、A45-X、B0-Y、B15-Y、B30-Y、B45-Y、C0-Z、C15-Z、C30-Z、C45-Z和 C60-Z這13個組合的最大變化值（±s）均在3mm以內，具有等距特性。也就是說在股骨髁間窩深度的后1/3范圍（10～12mm）內，及左膝 0點至 2點，右膝 10點至12點之間均有可能。但這些點是否成為等距點還與脛骨點的定位有很大關系。如果脛骨點定為X點（前點），則A0、A15、A30、A45點為等距點。如果脛骨點定位 Y點（中點），則 B0、B15、B30、B45點為等距點。如果脛骨點定為 Z 點（后點），則 C0、C15、C30、C45、C60點為等距點。從中我們發(fā)現(xiàn)，股骨等距點并不是完全固定的，當脛骨點向前移動時，相應的股骨等距點則向后移動，如果脛骨點向后移動時，則剛好相反。這一觀點與Hefzy等[6]所得的結論一致，他們認為在股骨外側髁上存在一個條狀的等距區(qū)域，這個區(qū)域是隨著脛骨的位置不同而變化的，如果脛骨點后移，這個區(qū)域就會前移，而這個區(qū)域的近端移動范圍比遠端大。這一發(fā)現(xiàn)對臨床手術具有指導意義，術中脛骨、股骨隧道內口的位置應該綜合考慮，才能達到最佳效果。

A0、A15、A30、A45這幾個股骨點雖然具有等距特性，但這幾個點與股骨后緣骨皮質過于接近，有的與骨皮質相重疊，無法鉆入螺釘，沒有實用性。在余下的幾個點中，根據(jù)Scopp等的觀點，B45-Y和C60-Z這兩個組合即符合等距的要求，又可恢復旋轉穩(wěn)定性。C60-Z這一組合所建立的韌帶在前后方向上比較垂直，而B45-Y則在前后方向上比較傾斜，更有利于恢復ACL的前向穩(wěn)定性。

3.4 統(tǒng)計學分析

通過雙因素析因設計的方差分析發(fā)現(xiàn)，在以上可能成為等距點的范圍內，股骨點和脛骨點的移動均可顯著影響等距特性，而且脛骨點的顯著性（F=63.453）大于股骨點（F=10.08）。也就是說，在這些范圍內，脛骨點的移動對等距特性的影響更大，這與一些學者所持的意見不一致[13]，他們認為脛骨隧道內口位置對移植物長度變化的影響非常小。

3.5 問題和不足

本研究所采用的膝關節(jié)三維模型均采集自非負重狀態(tài)下的膝關節(jié)，描述的是平臥位膝關節(jié)伸屈過程中的狀態(tài)，尚不能反映運動中負重狀態(tài)下膝關節(jié)的情況，還有待進一步的研究。

4 總結

綜上所述，股骨髁間外側面與脛骨髁間隆突間存在生理等距點。股骨、脛骨的隧道內口位置應綜合考慮確定，脛骨位置若偏后，則股骨點應偏前，脛骨位置若偏前，則股骨位置應偏后。脛骨點前后移動對等距特性的影響比股骨點更大。B45-Y是推薦的重建韌帶內口位置。

[1]Hey-Groves E.Operation for the repair of the crucial ligament.Lancet，1917，190（4914）:674-6.

[2]Odensten M，Gillquist J.Functional anatomy of the anterior cruciate ligament and a rationale for reconstruction.J Bone Joint Surg Am，1985，67（2）:257-62.

[3]Bylski-Austrow DI，Grood ES，Hefzy MS，et al.Anterior cruciate ligament replacements:a mechanical study of femoral attachment location，flexion angle at tensioning，and initial tension.J Orthop Res，1990，8（4）:522-31.

[4]Bradley J，F(xiàn)itzpatrick D，Daniel D，et al.Orientation of the cruciate ligament in the sagittal plane.A method of predicting its length-change with flexion.J Bone Joint Surg Br，1988，70（1）:94-9.

[5]Good L，Gillquist J.The value of intraoperative isometry measurements in anterior cruciate ligament reconstruction:an in vivo correlation between substitute tension and length change.Arthroscopy，1993，9（5）:525-32.

[6]Hefzy MS，Grood ES，Noyes FR.Factors affecting the region of most isometric femoral attachments.Part II:The anterior cruciate ligament.Am J Sports Med，1989，17（2）:208-16.

[7]Cazenave A，Laboureau JP.Reconstruction of the anterior cruciate ligament.Determination of the pre-and peroperative femoral isometric point.Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot，1990，76（4）:288-92.

[8]Zavras TD，Race A，Bull AM，et al.A comparative study of‘isometric’points for anterior cruciate ligament graft attachment.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2001，9（1）:28-33.

[9]Loh JC，F(xiàn)ukuda Y，Tsuda E，et al.Knee stability and graft function following anterior cruciate ligament reconstruction:Comparison between 11 o’clock and 10 o'clock femoral tunnelplacement.2002 Richard O’ConnorAward paper.Arthroscopy，2003，19（3）:297-304.

[10]Yamamoto Y，Hsu WH，Woo SL，et al.Knee stability and graft function after anterior cruciate ligament reconstruction:a comparison of a lateral and an anatomical femoral tunnel placement.Am J Sports Med，2004，32（8）:1825-32.

[11]Scopp JM，Jasper LE，Belkoff SM，et al.The effect of oblique femoral tunnel placement on rotational constraint of the knee reconstructed using patellartendon autografts.Arthroscopy，2004，20（3）:294-9.

[12]Amis AA，Beynnon B，Blankevoort L，et al.Proceedings of the ESSKA scientific workshop on reconstruction of the anterior and posterior cruciate ligaments.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，1994，2（3）:124-32.

[13]Mohammed A，曾炳芳，趙金忠.前交叉韌帶重建術中隧道定位對移植物等距特性影響的研究.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2006，8（7）:663-67.