基于CT三維重建對股骨髓內(nèi)定位桿進針點位置的研究

劉珈　裴曉東　劉陽子

作者單位：1.014040 內(nèi)蒙古 包頭，內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市第四醫(yī)院骨二科；3.大連大學(xué)附屬新華醫(yī)院

?

基于CT三維重建對股骨髓內(nèi)定位桿進針點位置的研究

劉珈1裴曉東2劉陽子3

作者單位：1.014040 內(nèi)蒙古 包頭，內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市第四醫(yī)院骨二科；3.大連大學(xué)附屬新華醫(yī)院

【摘要】目的 通過利用股骨遠端三維重建模型，探討股骨髁間窩最高點與股骨髓內(nèi)定位桿進針點位置之間的關(guān)系，為全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的精確截骨提供解剖學(xué)依據(jù)。方法 應(yīng)用PET-CT和Mimics 15.0軟件分別建立20位健康志愿者的股骨遠端三維立體模型，以股骨髁間窩最高點為參照，對進針點的位置進行測量、描述及分析。結(jié)果 在冠狀面上，股骨髓內(nèi)定位桿進針點位于髁間窩最高點內(nèi)（3.03±2.00）mm（-1.00～7.03 mm）；在矢狀面上，位于髁間窩最高點前（8.36±3.31）mm（1.42～14.69mm）。結(jié)論 本實驗提供了一種在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中確定髓內(nèi)定位桿進針點位置的方法，術(shù)前實施三維測量可協(xié)助個體化治療，提高手術(shù)成功率。

【關(guān)鍵詞】全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)；三維重建；髓內(nèi)定位桿進針點；髁間窩最高點

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty， TKA）是目前治療膝關(guān)節(jié)疾病的主要手術(shù)方法之一，已有30余年的發(fā)展歷程［1］。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)成功的關(guān)鍵在于下肢力線的恢復(fù)。目前，臨床上普遍采用股骨髓內(nèi)定位系統(tǒng)指導(dǎo)術(shù)中截骨，而在該系統(tǒng)中，股骨髓內(nèi)定位桿進針點位置的準確選取對術(shù)后下肢力線的恢復(fù)起到至關(guān)重要的作用。本實驗嘗試在三維立體模型上，以髁間窩最高點為參照，對入髓點的位置進行測量和描述。同時建議術(shù)前實施三維測量，以期真正實現(xiàn)個體化治療。

1　對象與方法

1.1研究對象 于2014年1月—2015年8月在內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院隨機選取20例國人志愿者，其中女12例、男8例；年齡18～61歲，平均36.5歲；行雙下肢PET-CT掃描；志愿者雙下肢骨性組織均無創(chuàng)傷史、疾病史及手術(shù)史。

1.2三維模型的建立 將經(jīng)PET-CT掃描獲取的DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 15.0軟件中，通過“閾值分割”功能獲取原始蒙板，再經(jīng)“蒙板編輯”對各個骨性結(jié)構(gòu)進行分割，從而創(chuàng)建新蒙版，通過“三維重建”建立股骨遠端三維立體可視化模型。

1.3股骨解剖軸、股骨髓內(nèi)定位桿進針點及髁間窩最高點的確定 應(yīng)用Mimics 15.0軟件中的圓形擬合功能標記股骨干中點所處平面的髓腔圓心，以及膝關(guān)節(jié)平面上10 cm處的髓腔圓心，連接上述兩點并延長至股骨遠端平面，此連線即為股骨解剖軸（圖1），而該線與股骨遠端平面的交點即為理論上股骨髓內(nèi)定位桿的進針點（圖2）。由股骨近端向遠端觀察，選取最后出現(xiàn)股骨內(nèi)、外髁皮質(zhì)相連的圖像，圓形擬合該皮質(zhì)的上、下邊緣并標記其圓心，該圓心即為股骨髁間窩最高點（圖2）。

1.4測量入髓點與髁間窩最高點之間的距離 在冠狀位及矢狀位上，分別測量股骨髓內(nèi)定位桿進針點位置與髁間窩最高點之間的距離。

2　結(jié)果

在冠狀位上，股骨髓內(nèi)定位桿進針點位于髁間窩最高點偏內(nèi)（3.03±2.00）mm（-1.00～7.03 mm）；在矢狀位上，股骨髓內(nèi)定位桿進針點位于髁間窩最高點偏前（8.36±3.31）mm（1.42～14.69 mm）。

分布圖顯示，股骨髓內(nèi)定位桿進針點位于髁間窩最高點偏內(nèi)0～6 mm、偏前1～12 mm各占總數(shù)的90%（僅1例男性偏外1.00 mm）（圖3）。

圖1　灰色圓柱即為三維重建模型中的股骨解剖軸

圖2　在三維重建模型中標記入髓點及髁間窩最高點

圖3　股骨髓內(nèi)定位桿進針點與髁間窩最高點位置關(guān)系分布圖

3　討論

對于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)而言，目前臨床上普遍采用股骨髓內(nèi)定位系統(tǒng)指導(dǎo)術(shù)中截骨。然而，該系統(tǒng)并非絕對精確、無誤差，也曾出現(xiàn)過術(shù)后下肢力線過度內(nèi)翻或外翻的報道［2-4］。在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中采用股骨髓內(nèi)定位系統(tǒng)出現(xiàn)術(shù)后下肢力線對位不良的原因可能包括：患肢關(guān)節(jié)畸形、股骨非正常生理性彎曲、股骨髓腔異常寬大、股骨髓內(nèi)定位桿進針點位置偏移或進針方向偏差、定位桿長度或直徑不適宜等。

就入髓點而言，國內(nèi)外眾多學(xué)者已通過各種實驗方法對其進行描述。1997年，Reed等［5］對X線平片進行觀察和測量得出：股骨髓內(nèi)定位桿的進針點應(yīng)在股骨解剖軸與股骨遠端關(guān)節(jié)面的交點上，且入髓點平均位于髁間窩偏內(nèi)6.6 mm處。1999年，Jeffery等［6］對25例病人的雙下肢X線平片進行測量，結(jié)果為：股骨解剖軸與股骨髁之間的交點距滑車頂點偏外平均3.4 mm。2001年，Novotny等［7］對45例股骨標本的正、側(cè)位X線平片進行測量，結(jié)果顯示：從冠狀面上觀察，入髓點位于外側(cè)皮質(zhì)內(nèi)0.53×股骨遠端內(nèi)外髁皮質(zhì)的寬度；從矢狀面上觀察，則位于前皮質(zhì)偏后0.33×前后皮質(zhì)的寬度。2009年，Wangroongsub等［8］通過研究尸體標本的正、側(cè)位X線平片，認為股骨髓內(nèi)定位桿的最佳進針點應(yīng)位于髁間窩內(nèi)（1.5±2.0）mm、上（12.0±2.7）mm處。我國學(xué)者盧宏章等［9］于2004年對40例病人進行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)術(shù)前、術(shù)后膝關(guān)節(jié)正、側(cè)位X線平片的拍攝，并在此基礎(chǔ)上進行標記和測量，結(jié)果顯示：股骨髓內(nèi)定位桿的進針點位于股骨解剖軸上，此點與滑車中心的距離平均為7 mm。

上述研究多以二維圖片為基礎(chǔ)進行觀察和測量，數(shù)據(jù)的客觀性、真實性可能會因操作技巧、攝片角度、股骨的前弓、股骨頭的旋轉(zhuǎn)、放大比率、測量方法及骨性疾病等出現(xiàn)偏差［10-12］。除此之外，在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，國內(nèi)普遍采用的假體尺寸、手術(shù)操作方案等多以西方人的骨性結(jié)構(gòu)為參考標準，但眾所周知，就解剖學(xué)特點而言，東、西方人種之間存在顯著差異，這可能會導(dǎo)致入髓點的位置在二者之間略有不同。對于手術(shù)的精細化而言，差之毫厘，謬以千里，幾毫米的誤差也可能會對術(shù)后效果產(chǎn)生巨大的影響。若入髓點的位置不慎選擇在股骨解剖軸之外，則股骨髓內(nèi)定位桿尖端的內(nèi)移會增大外翻誤差；反之，若入髓點的位置在股骨解剖軸之內(nèi)，則會增大內(nèi)翻誤差［13-15］。

本實驗嘗試在三維立體模型上進行測量，以期最大限度避免二維攝片時所出現(xiàn)的角度誤差和測量誤差，使所得數(shù)據(jù)的準確度及精確度均高于X線平片。本次實驗結(jié)果與國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究不盡相同，這可能與實驗材料、對象、方法等不同有關(guān)。本實驗以活體CT圖像為基礎(chǔ)，利用三維重建技術(shù)進行測量，而有些研究會選擇尸體標本或活體、尸體標本的X線平片作為實驗材料；不同的實驗方法會以不同的角度對股骨遠端的解剖學(xué)構(gòu)象進行展示，并選擇不同的參照物對股骨遠端的髓腔進行標記，而測量方法又有人工和機械之分；另外，人種間的解剖學(xué)差異也是重要的影響因素。

本實驗結(jié)果顯示，無論在冠狀位還是矢狀位上，股骨髓內(nèi)定位桿進針點與髁間窩最高點之間的距離均有較大波動，這提示：入髓點的位置可能存在較大的個體差異。在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前，通過應(yīng)用本實驗所提供的方法，在股骨遠端三維重建模型上測量并標記股骨髓內(nèi)定位桿入針點的位置，對確保后續(xù)術(shù)中的精確截骨和假體的適宜安置有重要的現(xiàn)實意義，真正實現(xiàn)個體化治療。本研究的局限：未對術(shù)前實施入髓點三維定位的病人進行5年隨訪，沒有在關(guān)節(jié)功能與放射學(xué)檢查等方面與實施傳統(tǒng)手術(shù)的病人進行對比評估。但術(shù)前三維重建及測量對術(shù)中精細化操作的重要性是毋庸置疑的。

參考文獻：

［1］ 呂厚山．人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的進展和現(xiàn)狀［J］．中華外科雜志，2004，42（1）：30-33．

［2］ Serbest S， Tosun HB. Dislocation of a revision total knee arthroplasty﹕ rare but serious complication［J］. Pan Afr Med J， 2015， 20（1）﹕ 193.

［3］ Thomas A， Pemmaraju G， Nagra G， et al. Complication resulting from tracker pin-sites in computer navigated knee replacement surgery［J］. Acta Orthop Belg， 2015， 81（4）﹕708-712.

［4］ Mei J. Main technique points and complication management of total knee arthroplasty［J］. Zhongguo Gu Shang， 2015， 28（10）﹕ 881-883.

［5］ Reed SC， Gollish J. The accuracy of femoral intramedullary guides in total knee arthroplasty［J］. J Arthroplasty， 1997，12（6）﹕ 677-682.

［6］ JA Jeffery. Accuracy of intramedullary femoral alignment in total knee replacement﹕ intraoperative assessment of alignment rod position［J］. The Knee， 1999， 6（6）﹕ 211-215.

［7］ Novotny J， Gonzalez MH， Amirouche FM， et al. Geometric analysis of potential error in using femoral intramedullary guides in total knee arthroplasty［J］. J Arthroplasty， 2001，16（5）﹕ 641-647.

［8］ Wangroongsub Y， Cherdtaweesup S. Proper entry point for femoral intramedullary guide in total knee arthroplasty［J］. J Med Assoc Thai， 2009， 92（Suppl 6）﹕ S1-5.

［9］ 盧宏章，朱天岳，柴衛(wèi)兵．膝關(guān)節(jié)置換時股骨髓內(nèi)定位對假體排列的影響［J］.中國矯形外科雜志，2004，12（14）：1052-1054．

［10］ Wada K， Mikami H， Hamada D， et al. Measurement of rotational and coronal alignment in total knee arthroplasty using a navigation system is reproducible［J］. Arch Orthop Trauma Surg， 2016， 136（2）﹕ 271-276.

［11］ Khuangsirkul S， Smitharak T， Chotanaphuti T. Comparative study of femoral sizing between intraoperative measurement and CT-based PSI in total knee arthroplasty［J］. J Med Assoc Thai， 2014， 97（3）﹕ 322-327.

［12］ Russell DF， Deakin AH， Fogg QA， et al. Quantitative measurement of lower limb mechanical alignment and coronal knee laxity in early flexion［J］. Knee， 2014， 21（6）﹕1063-1068.

［13］ Xiao J， Wang C， Zhu L， et al. Improved method for planning intramedullary guiding rod entry point in total knee arthroplasty［J］. Arch Orthop Trauma Surg， 2014，134（5）﹕ 693-698.

［14］ Gangadharan R， Deehan DJ， McCaskie AW. Distal femoral resection at knee replacement-the effect of varying entry point and rotation on prosthesis position［J］. Knee，2010， 17（5）﹕ 345-349.

［15］ Ng VY， DeClaire JH， Berend KR， et al. Improved accuracy of alignment with patient-specific positioning guides compared with manual instrumentation in TKA［J］. Clin Orthop Relat Res， 2012， 470（1）﹕ 99-107.

臨床經(jīng)驗薈萃

通訊作者：裴曉東，Email：peiming18@163.com

【中圖分類號】R68

【文獻標識碼】A

【文章編號】1672-7185（2016）04-0063-03 doi﹕10.3969/j.issn.1672-7185.2016.04.030

收稿日期：（2016-01-11）