脛骨高位截骨術(shù)相關(guān)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(nóng)

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院骨科，北京 100053；2.清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院，北京 102218；3.北京納通醫(yī)學(xué)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(guān)節(jié)炎患者數(shù)量與日俱增[1]。然而與過去不同的是，隨著社會進(jìn)步及民眾就醫(yī)意識的提高，越來越多的早中期骨關(guān)節(jié)炎來院就診。早期骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展多以內(nèi)側(cè)間室的磨損開始，稱之為前內(nèi)側(cè)骨關(guān)節(jié)炎(anteriomedial osteoarthritis，AMOA)[2]。然而，不同原因引起的AMOA合并內(nèi)翻畸形所對應(yīng)的最佳手術(shù)方案也存有爭議[3-6]，一般認(rèn)為，當(dāng)內(nèi)翻畸形主要來源于關(guān)節(jié)內(nèi)磨損時(shí)宜選用單髁關(guān)節(jié)置換術(shù)(unicompartmentknee arthroplasty，UKA)[7]，當(dāng)內(nèi)翻畸形來源于脛骨內(nèi)翻畸形時(shí)，脛骨高位截骨術(shù)(high tibial osteotomy，HTO)則是更好的選擇[3，5]。準(zhǔn)確的膝關(guān)節(jié)周圍解剖角度測量是評定關(guān)節(jié)畸形來源的關(guān)鍵所在，尤其是對于HTO，精準(zhǔn)的角度計(jì)算直接影響著術(shù)后關(guān)節(jié)功能及預(yù)后。在眾多的解剖角度中尤以后傾角、股骨遠(yuǎn)端外側(cè)角及脛骨近端內(nèi)側(cè)角對膝關(guān)節(jié)的影響最為重要。

對于HTO的術(shù)前預(yù)案，目前公認(rèn)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(tǒng)方法存在其弊端。首先，國內(nèi)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(dǎo)致X線片本身存在誤差。其次，任何的膝關(guān)節(jié)X線片都無法保證絕對的中立位，微小的旋轉(zhuǎn)、傾斜及內(nèi)外翻等都會帶來接下來測量的巨大誤差。而采用CT數(shù)據(jù)3D重建后進(jìn)行相關(guān)測量即可有效避免上述情況的發(fā)生[10]。

目前，國內(nèi)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(yàn)證普通X線片測量與3D重建測量在HTO術(shù)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(nèi)側(cè)單間室骨關(guān)節(jié)炎患者，共計(jì)23膝，因我院行3D打印截骨導(dǎo)板輔助HTO技術(shù)，所有患者術(shù)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(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：a)術(shù)前有標(biāo)準(zhǔn)下肢全長X線片；b)術(shù)前有下肢全長CT薄掃(64排螺旋CT機(jī)(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(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室病變，外側(cè)軟骨和半月板功能正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：a)屈曲畸形≥10°患者；b)累及多間室的重度骨關(guān)節(jié)炎患者；c)患類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)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(dǎo)入CAD醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics 20.0中，進(jìn)行股骨、脛骨表面重建、網(wǎng)格劃分和初步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并以STL格式輸出至geomagics studio 2013中進(jìn)行噪音去除、孔洞修復(fù)以及面片數(shù)量優(yōu)化，在Creo 2.0中設(shè)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(nèi)側(cè)及最外側(cè)兩點(diǎn)連線與脛骨機(jī)械軸夾角定義為脛骨近端內(nèi)側(cè)角(medial proximal tibia angle，MPTA)(見圖1)，在脛骨矢狀位，脛骨內(nèi)側(cè)平臺中心點(diǎn)前后緣連線與機(jī)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(nèi)外髁最遠(yuǎn)點(diǎn)連線與股骨機(jī)械軸的夾角定義為股骨遠(yuǎn)端外側(cè)角(lateral distal femoral angle，LDFA)(見圖3)。

普通X線片測量方法：在標(biāo)準(zhǔn)下肢全長片上，取正位像，其中脛骨平臺切線與脛骨機(jī)械軸夾角定義為MPTA[11](見圖4)，股骨遠(yuǎn)端內(nèi)外髁關(guān)節(jié)面連線與股骨機(jī)械軸夾角定義為LDFA[11](見圖5)，取下肢全長側(cè)位片，脛骨內(nèi)側(cè)平臺切線與脛骨機(jī)械軸垂線夾角定義為PSA[12](見圖6)。

所有數(shù)據(jù)由兩位骨科醫(yī)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(yī)生所得數(shù)據(jù)之間取平均值。

2 結(jié)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.35)。

3 討論

對于早中期內(nèi)側(cè)單間室骨關(guān)節(jié)炎患者，術(shù)式的選擇至關(guān)重要。然而無論是術(shù)式的選擇還是手術(shù)預(yù)案的設(shè)計(jì)，相關(guān)解剖角度測量的精確性都是至關(guān)重要的一環(huán)[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(shí)際臨床工作中很難獲得絕對滿意的標(biāo)準(zhǔn)正位或側(cè)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(zhǔn)確的解剖角度，繼而對后續(xù)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(shù)還原下肢股骨及脛骨的三維圖像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的測量可有效避免X線片測量的相關(guān)誤差。Ariumi[14]也提出類似結(jié)論，通過下肢全長CT數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，然后作相關(guān)角度及活動度的測量才能更準(zhǔn)確地還原最真實(shí)的數(shù)據(jù)，對生物力學(xué)的研究具有著重要的意義。Rohan[15]等在其研究中提出傳統(tǒng)的X線投射僅能將三維結(jié)構(gòu)二維化，難免存在放大倍數(shù)誤差、圖像失真誤差及投照誤差等，繼而導(dǎo)致相關(guān)臨床參數(shù)的改變，而通過3D重建的方法進(jìn)行測量可獲得更可靠的結(jié)果。Sutter[16]等認(rèn)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(xù)治療措施及治療結(jié)果的不同。而基于正側(cè)位X線片進(jìn)行三維重建后的測量結(jié)果明顯優(yōu)于普通X線的測量，且測量結(jié)果完全不受投照目標(biāo)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(dǎo)。

本研究中納入所有樣本均為預(yù)行HTO手術(shù)患者，所以其MPTA均有不同程度的畸形[17-18]。通過研究結(jié)果可以看出，MPTA角在X線片測量及3D重建測量中差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yù)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(jié)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(shù)選擇、手術(shù)預(yù)案及術(shù)后療效等方面，3D重建后的測量更為準(zhǔn)確。

作者分析原因可能是異常MPTA伴早中期內(nèi)側(cè)單間室骨關(guān)節(jié)炎患者，下肢多有內(nèi)翻畸形，站立時(shí)不可避免有一定程度的下肢旋轉(zhuǎn)，加之下肢全長片的拍攝為多次投照拼接而成，準(zhǔn)確度有待進(jìn)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(zhǔn)確性，而3D重建則與之不同，基于CT掃描數(shù)據(jù)，可完全避免上述弊端，帶來更為可靠的結(jié)果。

由于我院僅有3D打印導(dǎo)板輔助HTO手術(shù)的患者術(shù)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(jié)果提出對異常解剖角度X線片測量的質(zhì)疑，但此處仍為本研究的局限性。本實(shí)驗(yàn)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(nèi)進(jìn)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(jù)。