內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)中骨性合頁與脛骨軸向旋轉(zhuǎn)改變的三維CT模型研究

張海龍 姜春巖 洪雷 張輝 馮華

北京積水潭醫(yī)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)科（北京100035）

內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨已成為目前治療膝關(guān)節(jié)早期骨性關(guān)節(jié)炎的重要治療手段，該術(shù)式可以將下肢力線由膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室轉(zhuǎn)移至外側(cè)間室，糾正冠狀面的內(nèi)翻畸形，從而改善癥狀，延緩關(guān)節(jié)炎進(jìn)展[1-2]。然而，內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨在改善冠狀面內(nèi)翻畸形的同時也對其他截面產(chǎn)生影響。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在前交叉韌帶重建合并內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨時，常常會出現(xiàn)脛骨平臺后傾角的改變，這將會影響前交叉韌帶張力，甚至導(dǎo)致術(shù)后重建韌帶失效[3-5]。然而近年來只有少數(shù)幾項(xiàng)研究分析內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨與術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)的關(guān)系。而脛骨軸向旋轉(zhuǎn)改變，即脛骨內(nèi)旋或外旋，會直接影響整個下肢的受力狀況和步態(tài)[6-8]。在本研究中，我們提取膝關(guān)節(jié)CT三維數(shù)據(jù)并以此重建得到脛腓骨近端的幾何模型?；诖四Ｐ?，我們通過幾何操作模擬內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)矯正內(nèi)翻。通過對這一手術(shù)操作的模擬仿真，我們分析合頁軸方向與脛骨軸向旋轉(zhuǎn)之間的定量關(guān)系；同時，我們進(jìn)一步分析了內(nèi)翻矯正程度對前述定量關(guān)系的間接影響。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果將可定量地實(shí)現(xiàn)對內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)的預(yù)測，從而為進(jìn)一步改善下肢生物力學(xué)狀態(tài)及緩解膝關(guān)節(jié)早期骨關(guān)節(jié)炎癥狀提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究共納入患者19 人（男12 人，女7 人），均診斷為前交叉韌帶損傷合并膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻并在我科行內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨手術(shù)，且內(nèi)翻角度覆蓋3°至12°范圍?；颊咂骄挲g45.2 歲（33～58 歲）。提取患者術(shù)前膝關(guān)節(jié)CT三維數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)重建及手術(shù)模擬。

1.2 脛腓骨近端三維幾何模型建立

使用Mimics 軟件（Mimics，Materialise Inc，Leuven，Belgium）將提取的薄層CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建（圖1A），重建結(jié)果以點(diǎn)云形式輸入MatLab軟件（Mat-Lab，the MathWorks，Inc，MA）得到三維脛腓骨近端幾何模型（圖1B）。

通過設(shè)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法將脛腓骨近端三維模型置于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下。具體方法為：首先連接脛骨各截面髓腔中心點(diǎn)標(biāo)記脛骨解剖軸并以此設(shè)為垂直軸z，與軸z 垂直的平面標(biāo)記為r，然后標(biāo)記并設(shè)術(shù)前脛骨平臺內(nèi)外側(cè)間室的最后緣分別為點(diǎn)M 和點(diǎn)N，連接點(diǎn)M 及點(diǎn)N，以直線MN（即后髁線）在平面r內(nèi)的投影M’N’為冠狀軸x，與冠狀軸x 和垂直軸z 均垂直的直線記為矢狀軸y。在此基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，并設(shè)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，將脛腓骨近端三維模型通過幾何操作置于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系下（圖2）。

1.3 測量脛骨平臺內(nèi)翻角及軸向旋轉(zhuǎn)角

為得到測量所用的膝關(guān)節(jié)前后片及橫斷面圖像，分別將脛腓骨近端三維重建模型在冠狀面及橫斷面做投影，得到模擬的前后位片和橫斷面，連接脛骨平臺內(nèi)外側(cè)間室最后緣，記該連線為MN并測量其在冠狀面的投影M1N1 與水平線的夾角，即脛骨平臺內(nèi)翻角（圖3A）；在橫斷面上直線MN 的投影M2N2 與x 軸的夾角即脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角（圖3B）。

1.4 內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)的仿真模擬

基于CT 三維數(shù)據(jù)并以Matlab 軟件重建的三維脛腓骨近端幾何模型，我們通過幾何操作模擬了內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)，其具體過程為首先設(shè)計(jì)截骨線，自脛骨內(nèi)側(cè)脛骨結(jié)節(jié)水平至上脛腓關(guān)節(jié)，合頁軸在水平面內(nèi)。當(dāng)合頁軸方向與矢狀軸夾角c 分別為0°、15°、30°及45°情況下，使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法及幾何操作升高近端骨折塊內(nèi)側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)矯正膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻至外翻3°（圖4A、B）。將模擬手術(shù)操作后的脛腓骨近端三維幾何模型在冠狀面及橫斷面進(jìn)行投影，測量術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角的改變數(shù)值。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS17.0軟件對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以P＜0.05時認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。合頁軸角度與術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系使用Friedman 檢驗(yàn)；脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角與內(nèi)翻角矯正之間的關(guān)系使用Pearson 相關(guān)分析。

圖1 基于CT三維數(shù)據(jù)的脛腓骨近端模型

圖2 通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使脛腓骨近端三維模型位于標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中

圖3 脛骨平臺內(nèi)翻角及軸向旋轉(zhuǎn)角

圖4 內(nèi)翻矯正過程中合頁軸的方向

2 結(jié)果

當(dāng)合頁軸位于矢狀面時，內(nèi)翻角的矯正程度與脛骨軸向旋轉(zhuǎn)之間不存在線性相關(guān)關(guān)系（P=0.36，r2=0.12）。當(dāng)合頁軸的方向與標(biāo)準(zhǔn)矢狀軸存在15°、30°及45°角度時，術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角度與內(nèi)翻矯正角度均成線性相關(guān)（P=0.00，r2=0.96），回歸方程分別為y=0.05x－0.26，y=0.11x－0.55，y=0.17x－0.91。當(dāng)合頁軸方向與矢狀軸夾角依次增大為0°、15°、30°及45°時，脛骨內(nèi)旋依次增加，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=13，P＜0.001）（圖5）。

3 討論

膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻是臨床常見的病理狀態(tài)，內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)已經(jīng)成為有效且廣泛應(yīng)用的手術(shù)治療方法，對于預(yù)防膝關(guān)節(jié)進(jìn)一步退變有重要作用，但目前相關(guān)生物力學(xué)及臨床研究發(fā)現(xiàn)其術(shù)后引起脛骨軸向旋轉(zhuǎn)改變，而這將會影響膝關(guān)節(jié)的局部解剖、生物力學(xué)環(huán)境以及生理功能[9]。本研究中，我們利用膝關(guān)節(jié)CT 三維數(shù)據(jù)重建脛腓骨近端的幾何模型，并據(jù)此模擬內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)。通過模擬手術(shù)過程中對合頁軸角度的調(diào)整，分析不同內(nèi)翻矯正角度及合頁軸方向?qū)πg(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)改變的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)矢狀軸相比，合頁軸指向前外側(cè)方向會導(dǎo)致術(shù)后脛骨內(nèi)旋增加；同時增加內(nèi)翻矯正角度會導(dǎo)致術(shù)后脛骨內(nèi)旋進(jìn)一步增加。

膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎多導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻，脛骨高位截骨以矯正膝內(nèi)翻已經(jīng)在臨床上廣泛應(yīng)用。Fujisawa 等[10]對該手術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，認(rèn)為其原理是通過調(diào)整下肢力線，使下肢力線通過膝關(guān)節(jié)外側(cè)間室來減少內(nèi)側(cè)間室的壓力，并提出了Fujisawa 點(diǎn)，即使力線通過平臺外側(cè)62.5%的位置，約外翻3°～5°。越來越多的研究者開始關(guān)注術(shù)后脛骨平臺后傾角及脛骨軸向改變對膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)環(huán)境的影響。已有文獻(xiàn)報道術(shù)后脛骨平臺后傾角存在不同程度的增加[11-12]。近些年來少數(shù)研究者發(fā)現(xiàn)術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)改變。Baumgarten 等[13]的一項(xiàng)尸體研究結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)后脛骨出現(xiàn)外旋。作者在文章中進(jìn)行了分析，認(rèn)為出現(xiàn)外旋是由于尸體的軟組織缺乏生理性張力所致。Kendoff 等[14]的研究發(fā)現(xiàn)術(shù)后脛骨遠(yuǎn)端出現(xiàn)輕度外旋，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其認(rèn)為可能的原因是術(shù)中沒有實(shí)施腓骨截骨。然而也有研究持不同意見，Kuwashima等[15]的研究結(jié)果表明，外側(cè)閉合脛骨高位截骨會導(dǎo)致脛骨內(nèi)旋，而內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨不會導(dǎo)致脛骨軸向旋轉(zhuǎn)的變化。

Lee 等[16]于2017年提出截骨矯正時合頁軸的方向是造成脛骨軸向旋轉(zhuǎn)的重要因素，并發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨會導(dǎo)致脛骨內(nèi)旋。截骨術(shù)中需保留脛骨外側(cè)皮質(zhì)的完整性并以此作為合頁軸。當(dāng)合頁軸的方向沿矢狀軸方向?yàn)榍昂蠓较驎r，內(nèi)側(cè)撐開僅糾正冠狀面的內(nèi)翻畸形而不會引起脛骨平臺后傾角及軸向旋轉(zhuǎn)的變化。但是如果后側(cè)皮質(zhì)有所保留造成合頁軸指向前外側(cè)方向時，內(nèi)側(cè)撐開手術(shù)除了會矯正冠狀面內(nèi)翻畸形，也引起脛骨軸向旋轉(zhuǎn)的改變。針對這一現(xiàn)象，本研究采用計(jì)算機(jī)模型重建并仿真模擬脛骨高位截骨術(shù)，定量探討合頁軸角度與脛骨軸向旋轉(zhuǎn)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。結(jié)果表明當(dāng)設(shè)定不同合頁軸角度來實(shí)現(xiàn)矯正內(nèi)翻的目的時，合頁軸指向前外側(cè)時會導(dǎo)致術(shù)后脛骨內(nèi)旋顯著增加。本研究結(jié)果與既往文獻(xiàn)報道相吻合，并從幾何本質(zhì)上進(jìn)一步闡明了合頁軸方向在術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)改變中的作用。

盡管已有文獻(xiàn)關(guān)注合頁軸角度與脛骨軸向旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系，但有關(guān)初始膝內(nèi)翻角度，或者內(nèi)翻矯正程度與術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角度之間定量關(guān)系的研究卻鮮有報道，研究樣本均較小且結(jié)果各異。本研究通過設(shè)定膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻矯正術(shù)中不同的合頁軸角度，采用定量的方法對術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明當(dāng)合頁軸指向矢狀軸（即0°）時，初始內(nèi)翻角度與術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)角度的相關(guān)關(guān)系無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；但當(dāng)合頁軸指向前外側(cè)方向時，術(shù)后脛骨會出現(xiàn)內(nèi)旋，且內(nèi)旋角度隨內(nèi)翻矯正角度的增加而顯著增加。需要矯正的內(nèi)翻角度越大，術(shù)后引發(fā)的脛骨內(nèi)旋角度也會越大。

本研究存在一些需要完善的方面：（1）研究中合頁軸角度僅考慮了0°、15°、30°及45°這四種情況，進(jìn)一步的研究可分析合頁軸角度與術(shù)后脛骨軸向旋轉(zhuǎn)之間的定量關(guān)系。（2）在實(shí)際手術(shù)中，截骨平面可能會因操作因素出現(xiàn)傾斜。本研究僅就理論上的一種情況進(jìn)行探討，未對其他可能的截骨角度進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

內(nèi)側(cè)撐開脛骨高位截骨術(shù)中合頁軸的方向及內(nèi)翻矯正角度是影響術(shù)后脛骨內(nèi)旋的重要因素，術(shù)中準(zhǔn)確測量合頁軸角度使其沿矢狀面維持標(biāo)準(zhǔn)的前后方向可有效防止術(shù)后出現(xiàn)脛骨內(nèi)旋。