基于磁共振成像測量的中國人群膝關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)指標(biāo)對國產(chǎn)關(guān)節(jié)假體研發(fā)的價值

關(guān) 清 湯光宇 華 婷 阮建萍

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療終末期骨關(guān)節(jié)炎的首選術(shù)式，可有效緩解疼痛、恢復(fù)膝關(guān)節(jié)功能[1-2]。術(shù)中精確的截骨是保證下肢機械力學(xué)和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的前提，匹配的脛骨、股骨假體的選擇更是保證手術(shù)成敗的關(guān)鍵[3]。目前，國產(chǎn)膝關(guān)節(jié)假體未在臨床廣泛應(yīng)用，而進口假體體系的設(shè)計均來自于西方人的膝關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)參數(shù)[4]。由于種族間差異的存在，進口假體應(yīng)用于中國患者時，常發(fā)生不匹配。為設(shè)計與中國人群相匹配的膝關(guān)節(jié)假體，提高手術(shù)效果并減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，設(shè)計此項橫斷面研究。應(yīng)用MRI測量股骨遠端和脛骨近端一系列參數(shù)，了解中國人膝關(guān)節(jié)的解剖和形態(tài)學(xué)特點，為國產(chǎn)全膝關(guān)節(jié)置換的假體設(shè)計提供研發(fā)數(shù)據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2018年1—6月因膝關(guān)節(jié)疼痛或軟組織損傷在同濟大學(xué)附屬上海市第十人民醫(yī)院放射科行膝關(guān)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)：年齡<18歲，存在骨缺損或者嚴重的膝關(guān)節(jié)退變，嚴重的內(nèi)外翻畸形(>10°)，外籍患者，既往曾行膝關(guān)節(jié)手術(shù)。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審批。

1.2 檢查方法 應(yīng)用西門子3.0T(Magnetom Verio)超導(dǎo)型MRI掃描儀(德國西門子公司)。患者取仰臥位，膝關(guān)節(jié)自然伸直放松，膝關(guān)節(jié)髕骨下緣置于膝關(guān)節(jié)線圈中心位置。掃描參數(shù)：矢狀位快速自旋回波序列(TSE)質(zhì)子加權(quán)像(PDWI)[重復(fù)時間(TR)/恢復(fù)時間(TE)為3 000/33 ms]和T2加權(quán)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(quán)像(T1WI，TR/TE為610/17 ms)，矩陣320×240，F(xiàn)OV 160 mm×100 mm，層厚/層間矩3.0/0.3 mm。應(yīng)用RadiAnt DICOM viewer 4.0.3軟件，根據(jù)膝關(guān)節(jié)軸位的圖像，由兩名醫(yī)師測量患者膝關(guān)節(jié)股骨遠端和脛骨近端的一系列線性參數(shù)和角度參數(shù)，如果測量線性參數(shù)相差>3 mm或者角度參數(shù)相差>3°，則由第3名醫(yī)師進行重復(fù)測量加以校對。取兩名醫(yī)師測量數(shù)據(jù)的平均值進行統(tǒng)計分析。

1.3 膝關(guān)節(jié)股骨遠端線性參數(shù)和角度參數(shù)測量 以股骨內(nèi)外上髁水平為測量平面，在MRI圖像上依次標(biāo)記股骨外上髁最高點A，股骨內(nèi)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(nèi)外上髁即通髁軸(TEA)；內(nèi)外側(cè)后髁的切線為后髁線(PCL)；內(nèi)外側(cè)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(nèi)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(nèi)外側(cè)寬度(ML)，A點至PCL的垂直距離為外側(cè)髁高度(AP)，AP/ML為股骨面率；LAP為A點至PCL外側(cè)切點的距離；MAP為B點至PCL內(nèi)側(cè)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(guān)節(jié)脛骨近端線性參數(shù)測量 膝關(guān)節(jié)置換術(shù)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(jié)節(jié)中內(nèi)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(nèi)外徑最大值(ML’)。依次測量AP’、ML’、內(nèi)側(cè)脛骨平臺的寬度(MPW)、脛骨外側(cè)平臺寬度(LPW)、脛骨內(nèi)側(cè)平臺高度(MPH)和脛骨外側(cè)平臺高度(LPH)，AP’/ML’為脛骨面率。以上線性標(biāo)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(shù)和角度參數(shù)示意圖

圖2 脛骨近端線性參數(shù)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(cè)髁和內(nèi)側(cè)髁的軟骨厚度，測量脛骨近端脛骨外側(cè)平臺、脛骨內(nèi)側(cè)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(jié) 果

2.1 膝關(guān)節(jié)股骨遠端線性參數(shù)和角度參數(shù)比較 男性患者的股骨遠端線性參數(shù)，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(shù)，股骨遠端∠AOB、∠ACT、∠PCT的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P值均>0.05)。見表1。

2.2 膝關(guān)節(jié)脛骨近端線性參數(shù)比較 男性患者的脛骨近端線性參數(shù)，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(guān)節(jié)股骨和脛骨形態(tài)學(xué)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(tǒng)計學(xué)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(tǒng)計學(xué)意義(P值均>0.05)。見表3。

表1 男性與女性患者膝關(guān)節(jié)股骨遠端線性參數(shù)和角度參數(shù)比較

與男性患者比較：①P<0.01

表2 男性與女性患者膝關(guān)節(jié)脛骨近端線性參數(shù)比較

與男性患者比較：①P<0.01

表3 男性與女性患者膝關(guān)節(jié)股骨和脛骨形態(tài)學(xué)比例比較

與男性患者比較：①P<0.01

2.4 膝關(guān)節(jié)表面不同區(qū)域軟骨厚度比較 男性與女性患者間股骨外側(cè)髁、股骨內(nèi)側(cè)髁、脛骨外側(cè)平臺、脛骨內(nèi)側(cè)平臺、髕骨的軟骨厚度的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P值均>0.05)，見表4。

表4 男性與女性患者膝關(guān)節(jié)表面不同區(qū)域軟骨厚度比較

3 討 論

膝關(guān)節(jié)解剖形態(tài)學(xué)存在性別和種族的差異。有研究[5-6]結(jié)果顯示，亞洲、非洲和歐美人膝關(guān)節(jié)股骨遠端、脛骨近端的形態(tài)學(xué)存在差異。目前國內(nèi)廣泛使用的膝關(guān)節(jié)假體均來自于歐美國家，假體的不匹配問題時有發(fā)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(jīng)常發(fā)生在前后髁的截骨上，影響了髕股關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)伸直的壓力；若過多地截去股骨后髁?xí)黾忧g隙導(dǎo)致屈膝狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定；股骨前側(cè)皮質(zhì)骨的切傷又可能增加了股骨髁上骨折的發(fā)生風(fēng)險[8-9]。本研究通過MRI影像學(xué)圖像觀察中國人股骨遠端和脛骨近端的形態(tài)學(xué)特點，從臨床實際問題出發(fā)，進一步明確中國人膝關(guān)節(jié)的形態(tài)學(xué)特征。

股骨旋轉(zhuǎn)對線問題導(dǎo)致的髕股關(guān)節(jié)軌跡異常是影響膝關(guān)節(jié)活動度的主要因素[10]。Griffin等[6]的研究結(jié)果顯示，男性股骨后髁角平均內(nèi)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(nèi)側(cè)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(jié)果相似。Berger等[5]對75例西方人股骨遠端解剖標(biāo)本進行研究發(fā)現(xiàn)，男性股骨∠PCT平均內(nèi)旋(3.5±1.2)°，女性平均內(nèi)旋(0.3±1.2)°；Griffin等[6]對107例西方人全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的股骨髁進行測量發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(tài)的估算指標(biāo)，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(nèi)外側(cè)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(dǎo)致截骨面松質(zhì)骨無法覆蓋而使手術(shù)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(jié)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(jié)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(yīng)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(xiàn)在使用的進口假體的股骨面率最大參數(shù)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(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，減少應(yīng)力集中[3-4]。不同性別、種族間脛骨平臺的形態(tài)存在差異。茅凌洲等[17]對中國女性膝關(guān)節(jié)脛骨平臺假體的研究結(jié)果顯示，中國人脛骨平臺小于白種人。本研究結(jié)果顯示，男性患者脛骨近端線性參數(shù)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(tǒng)計學(xué)意義；LPH較MPH高約5 mm，LPW較MPW寬約10 mm，上述結(jié)果與Hitt等[14]的研究結(jié)果一致。

膝關(guān)節(jié)的軟骨形態(tài)學(xué)對于膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計意義重大。本研究結(jié)果顯示，膝關(guān)節(jié)表面不同區(qū)域軟骨分布不均勻，其中髕骨軟骨厚度最大，股骨外側(cè)髁軟骨厚度最??；男性與女性患者間各區(qū)域的關(guān)節(jié)軟骨厚度的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。這些軟骨形態(tài)學(xué)上的特征，可能與膝關(guān)節(jié)在運動時關(guān)節(jié)面的負重密切相關(guān)[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(guān)節(jié)影像學(xué)資料，一些參數(shù)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(shù)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(guān)節(jié)股骨遠端和脛骨近端的一系列參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同性別間膝關(guān)節(jié)形態(tài)學(xué)參數(shù)存在差異，并與文獻所示西方人的數(shù)據(jù)存在差異，為今后國產(chǎn)膝關(guān)節(jié)假體的個性化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。