中國人群距骨形態(tài)學(xué)指標(biāo)的三維CT測量及其臨床意義

劉 旸，韓 青，尹唯凰，吳乃超，張奧博，陳炳鵬，王金成

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，吉林 長春 130041；2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院口腔頜面外科，吉林 長春 130021)

70%的距骨表面均被關(guān)節(jié)軟骨覆蓋，沒有獨(dú)立的血液供應(yīng)[1-2]，距骨頸骨折常常導(dǎo)致缺血性骨壞死[3-4]。隨著假體設(shè)計(jì)的進(jìn)步，距骨置換成為當(dāng)前治療距骨缺血性壞死最有效的方式之一[5-7]?，F(xiàn)有距骨假體多依據(jù)日本人群和泰國人群距骨尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，中國人、泰國人和日本人雖同屬亞洲人，但由于遺傳和環(huán)境因素對骨骼發(fā)育的影響，使得三者間骨骼尺寸存在差異[8]，因此國外設(shè)計(jì)的距骨假體與國人存在匹配性問題，目前急需一套符合中國人群形態(tài)學(xué)參數(shù)的距骨假體，而設(shè)計(jì)距骨假體的基礎(chǔ)在于獲取精確的距骨形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)作為參考[9]。

現(xiàn)有研究主要通過尸體標(biāo)本和X線來獲取精確的距骨形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)。尸體標(biāo)本獲取難度較大，無法進(jìn)行大樣本量研究[10]。X線雖然容易獲取，但拍攝角度難以保證一致，造成數(shù)據(jù)測量誤差較大。CT掃描三維重建測量則可以根據(jù)要求調(diào)整角度[11]。本研究采用CT三維重建技術(shù)對中國人距骨進(jìn)行形態(tài)學(xué)測量，提供精確的國人距骨形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，并探討其與外國人距骨的形態(tài)學(xué)差異，以期指導(dǎo)符合國人形態(tài)學(xué)特點(diǎn)的距骨假體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2018年11月—2019年5月，申請參與本研究的志愿者80人，包括男性40人和女性40人，均來自于中國東北地區(qū)。受試者80人中，因距骨有骨折史被排除的男性和女性受試者各1人，因距骨有缺血性壞死被排除的女性受試者2人，最終納入本研究76人。其中男性39人，平均年齡(28.3±2.4)歲；女性37人，平均年齡(23.0±1.7)歲。每位受試者下肢均經(jīng)CT掃描。本研究通過吉林大學(xué)第二醫(yī)院倫理委員會的審批，并獲得每位受試者的知情同意。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡20～50歲；②男性受試者身高165～185 cm, 女性受試者身高160～180 cm；③體質(zhì)量指數(shù)(BMI)<28 kg·m-2；④足踝活動(dòng)度良好。排除標(biāo)準(zhǔn)：①踝關(guān)節(jié)或足部有骨折史；②經(jīng)影像學(xué)證實(shí)的踝關(guān)節(jié)退化；③踝關(guān)節(jié)或足部先天畸形；④距骨缺血性壞死。

1.2 機(jī)器型號和測量軟件 螺旋CT掃描儀：東芝Aquilion TM ONE。測量軟件：Mimics 19.0軟件[12-13]和Magics 21.0軟件(比利時(shí)Materialise公司)。將測得的CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入到Mimics軟件進(jìn)行三維重建，通過“閾值劃分，區(qū)域增長，蒙板編輯，3D計(jì)算，距離測量”功能，CT數(shù)據(jù)被重建為三維模型且9項(xiàng)指標(biāo)被測量，將重建后的模型以STL格式導(dǎo)入到Magics軟件，通過“邊界框”功能完成剩余4項(xiàng)指標(biāo)的測量。

1.3 測量指標(biāo) 本研究對受試者距骨13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測量，包括距骨長、寬、高和體積，內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長、寬和弧度，外踝關(guān)節(jié)面長、寬和弧度，滑車前、中和后寬(圖1)。為了減少測量誤差，由2名研究者對每項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行2次測量，計(jì)算4次測量結(jié)果的平均值作為最終值。

1.4 距骨整體測量 Magics軟件中通過“邊界框功能”測得距骨的長、寬和高，通過查看模型屬性來獲得距骨體積。見圖1A。

1.5 內(nèi)踝關(guān)節(jié)面測量 內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長：內(nèi)踝關(guān)節(jié)面上滑車最前端和最后端的連線。內(nèi)踝關(guān)節(jié)面寬：垂直于內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長的位于內(nèi)踝關(guān)節(jié)面上平分內(nèi)踝關(guān)節(jié)面的寬。內(nèi)踝關(guān)節(jié)面弧度：通過內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長和寬做圓，用內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長除以直徑，所得結(jié)果即為弧度。見圖1B。

1.6 外踝關(guān)節(jié)面測量 外踝關(guān)節(jié)面長：外踝關(guān)節(jié)面上滑車最前端和最后端的連線。外踝關(guān)節(jié)面寬：垂直于外踝關(guān)節(jié)面長的位于外踝關(guān)節(jié)面上平分外踝關(guān)節(jié)面的寬。外踝關(guān)節(jié)面弧度：通過外踝關(guān)節(jié)面長和寬做圓，用外踝關(guān)節(jié)面長除以直徑，所得結(jié)果即為弧度。見圖1C。

1.7 滑車測量 滑車前寬：內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面上滑車最前端連線即為滑車前寬?；囍袑挘簝?nèi)、外踝關(guān)節(jié)面上滑車最頂端連線即為滑車中寬?；嚭髮挘簝?nèi)、外踝關(guān)節(jié)面上滑車最后端連線即為滑車后寬[14]。見圖1D。

A: Talar breadth (TB, a) and talar height (TH, b)；B: Length of medial malleolus articular surface (LMMAS, c), breadth of medial malleolus articular surface (BMMAS, d), and radian of medial malleolus articular surface (RMMAS, e)； C: Talar length (TL, f), length of lateral malleolus articular surface (LLMAS, g), breadth of lateral malleolus articular surface (BLMAS, h), and radian of lateral malleolus articular surface (RLMAS, i)； D: Anterior breadth of trochlea (ABT, j), middle breadth of trochlea (MBT, k), and posterior breadth of trochlea (PBT, l).
圖1 中國人群距骨形態(tài)測量方法示意圖
Fig.1 Schematic diagram of morphological measurement method of talus of chinese polalation

2 結(jié) 果

2.1 距骨形態(tài)學(xué)測量指標(biāo)的誤差分析 每一個(gè)變量的ICC均在95%置信區(qū)間內(nèi)，表明本研究觀察者間和觀察者內(nèi)誤差小，且測量方法具有可重復(fù)性。見表1。

2.2 整體距骨測量指標(biāo) 本組受試者距骨長、寬、高和體積均呈正態(tài)分布。男性受試者距骨長、寬、高和體積均明顯大于女性(P<0.05)。在男性和女性受試者中，左右側(cè)距骨形態(tài)學(xué)測量指標(biāo)比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

2.3 內(nèi)踝關(guān)節(jié)面測量指標(biāo) 本組受試者內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長、寬和弧度均呈正態(tài)分布。男性受試者內(nèi)踝關(guān)節(jié)面長和寬均明顯大于女性(P<0.05)。但女性受試者內(nèi)踝關(guān)節(jié)面弧度明顯大于男性(P<0.05)。在男性和女性受試者中，左右側(cè)內(nèi)踝關(guān)節(jié)面測量指標(biāo)比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

2.4 外踝關(guān)節(jié)面測量指標(biāo) 本組受試者外踝關(guān)節(jié)面長、寬和弧度均呈正態(tài)分布。男性受試者外踝關(guān)節(jié)面長和寬均明顯大于女性(P<0.05)。男性受試者外踝關(guān)節(jié)面弧度與女性比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。在男性和女性受試者中，左右側(cè)外踝關(guān)節(jié)面測量指標(biāo)比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表1 中國人群距骨形態(tài)學(xué)測量指標(biāo)觀察者間和觀察者內(nèi)可靠性的ICCTab.1 ICC of inter-observer and intra-observer reliabilities detected with talus morphological measurement indexes in Chinese population

TL: Talar length; TB: Talar breadth; TH:Talar height；LMMAS:Length of medial malleolus articular surface; BMMAS:Breadth of medial malleolus articular surface; RMMAS:Radian of medial malleolus articular surface; LLMAS:Length of lateral malleolus articular surface; BLMAS:Breadth of lateral malleolus articular surface; RLMAS:Radian of lateral malleolus articular surface;ABT:Anterior breadth of trochlea; MBT:Middle breadth of trochlea;PBT:Posterior breadth of trochlea; A1: The first measurement of the first experimenter; A2: The second measurement of the first experimenter; B1: The first measurement of the second experimenter; B2: The second measurement of the second experimenter.

2.5 滑車關(guān)節(jié)面測量指標(biāo) 本組受試者滑車前、中和后寬均呈正態(tài)分布。男性受試者滑車前寬和中寬均明顯大于女性(P<0.05)。男性受試者滑車后寬與女性比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。在男性和女性受試者中，左右側(cè)滑車關(guān)節(jié)面測量指標(biāo)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表2 不同性別中國人群距骨形態(tài)學(xué)測量指標(biāo)Tab.2 Morphological measurement indexes of talus of Chinese population with different gender

*P<0.05vsfemale group at same side.TL: Talar length; TB: Talar breadth; TH:Talar height；Volume: Volume of talus; LMMAS: Length of medial malleolus articular surface; BMMAS:Breadth of medial malleolus articular surface; RMMAS:Radian of medial malleolus articular surface; LLMAS:Length of lateral malleolus articular surface; BLMAS:Breadth of lateral malleolus articular surface; RLMAS:Radian of lateral malleolus articular surface;ABT: Anterior breadth of trochlea; MBT:Middle breadth of trochlea; PBT:Posterior breadth of trochlea.

2.6 不同研究中受試者距骨測量指標(biāo) 本研究與其他研究[11，14-15]中受試者距骨長、寬和高測量結(jié)果比較見表3。 本研究中男性和女性受試者距骨長、寬和高測量結(jié)果均大于日本人群和HE等[11]的測量結(jié)果，男性受試者距骨長、寬和高測量結(jié)果與希臘男性相近，而女性受試者距骨長、寬和高測量結(jié)果大于希臘女性。

表3 不同研究中受試者距骨長、寬和高測量指標(biāo)Tab.3 TL, TB and TH of subjects in different studie

TL: Talar length; TB: Talar breadth; TH:Talar height.

3 討 論

目前對距骨的形態(tài)學(xué)測量多以尸體標(biāo)本和X線檢查為基礎(chǔ)，尸體標(biāo)本不易獲取，且需要去除附著的軟組織，人為誤差較大，大樣本量研究很難進(jìn)行[10]。而基于X線片形態(tài)學(xué)測量角度難以統(tǒng)一且測量參數(shù)較少，難以獲得完整精確的數(shù)值以反映距骨的解剖。通過CT掃描可以較為方便測量骨的形態(tài)[16]，CT數(shù)據(jù)容易獲取和存儲，易于進(jìn)行大樣本量研究，且重建為三維模型后便于測量骨的結(jié)構(gòu)和形態(tài)[17-18]。本研究對我國東北地區(qū)76名受試者，通過CT掃描測量13個(gè)重要的距骨形態(tài)學(xué)參數(shù)，全面地對距骨的形態(tài)進(jìn)行評估，對距骨假體的設(shè)計(jì)有重要的參考意義。

本研究13項(xiàng)指標(biāo)中10項(xiàng)指標(biāo)男性受試者明顯大于女性，而內(nèi)踝關(guān)節(jié)面弧度女性受試者明顯大于男性，男性和女性受試者外踝關(guān)節(jié)面弧度和滑車后寬比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?；嚭蟛坑写罅寇浌?，且男性受試者明顯多于女性，軟骨會影響CT掃描對骨的識別[19]，進(jìn)而降低滑車后寬的測量精確度，以上男性和女性間不同的生理結(jié)構(gòu)可能是導(dǎo)致不同性別受試者滑車后寬差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的主要原因。本研究結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)距骨假體時(shí)，應(yīng)重視性別差異，否則會導(dǎo)致假體的不匹配，進(jìn)而影響患者愈后。假體過大會導(dǎo)致植入體超出原有骨骼，對其他組織產(chǎn)生負(fù)面影響；假體過小會導(dǎo)致覆蓋原有面積過小，使置換關(guān)節(jié)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使失敗率和松動(dòng)率上升[20]。本研究中受試者左右側(cè)距骨測量指標(biāo)具有高度的一致性，與現(xiàn)有研究的結(jié)論一致。ISLAM等[21]通過應(yīng)用Mimics軟件分析11名受試者左右側(cè)距骨的對稱性發(fā)現(xiàn)：受試者左右側(cè)距骨差異性低于7.5%。因此在設(shè)計(jì)距骨假體時(shí)，健側(cè)距骨的形態(tài)學(xué)參數(shù)可作為重要的參考。

目前通過CT掃描對國人距骨行形態(tài)學(xué)測量的研究較少。本研究中受試者距骨長、寬和高均偏大，男性距骨體積偏大，而女性距骨體積卻偏小，差異產(chǎn)生的主要原因可能是測量的方法不同。在HE等[11]的測量中，距骨長、寬和高是根據(jù)CT掃描不同層面的端點(diǎn)測得。而本研究通過Magics軟件中的“邊界框”功能為距骨創(chuàng)建一個(gè)立方體框架，立方體會隨著距骨的旋轉(zhuǎn)而改變位置和參數(shù)，測量者通過調(diào)整距骨位置，使其下端的3個(gè)點(diǎn)位于立方體的一個(gè)面上，此時(shí)立方體的長和寬即為距骨的長和寬。本研究測量方式更加統(tǒng)一，能夠減少測量標(biāo)志點(diǎn)的選取帶來的誤差。此外，本研究中受試者來自我國東北地區(qū)，而HE等[11]研究中的受試者來自華北地區(qū)，東北地區(qū)人群平均身高較華北地區(qū)高[22]。因此不同的測量方法和受試者來源可能是導(dǎo)致對比結(jié)果有明顯差異的主要原因。

SAKAUE[14]通過尸體標(biāo)本對日本人群的距骨形態(tài)學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量，結(jié)果顯示：男性標(biāo)本距骨長、寬和高分別為(50.70±2.60)、(40.70±2.35)和(29.45±2.00)mm。本研究中男性受試者距骨長、寬和高分別為(60.85±2.82)、(42.96±2.59)和(33.76±1.73)mm，明顯大于日本男性距骨長、寬和高的測量結(jié)果，女性距骨長、寬和高測量結(jié)果有同樣的差異。以上結(jié)果表明：中國人群距骨測量指標(biāo)明顯大于日本人群，因此為日本人群設(shè)計(jì)的距骨假體不適用于中國人群，在設(shè)計(jì)中國人群距骨假體時(shí)，日本人群距骨假體僅可作為參考。PECKMANN等[15]通過尸體標(biāo)本對希臘人群的距骨形態(tài)學(xué)進(jìn)行測量，本研究結(jié)果與之比較顯示：希臘人群中女性距骨長、寬和高測量結(jié)果均小于本研究中女性受試者的測量結(jié)果，而男性測量結(jié)果相近。以上結(jié)果表明：不同族群和不同地區(qū)人群中距骨形態(tài)學(xué)測量指標(biāo)比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與部分[23]研究結(jié)果相似。因此，為設(shè)計(jì)符合國人形態(tài)學(xué)特點(diǎn)的距骨假體，對國人距骨進(jìn)行精確的形態(tài)學(xué)測量是十分必要的。此外，本研究與國外距骨形態(tài)學(xué)研究采用的測量方法不同，存在一定的系統(tǒng)誤差，因此與外國人群距骨形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行比較僅可作為參考。

本研究采用CT三維重建技術(shù)對中國人群距骨進(jìn)行精確的形態(tài)學(xué)測量，提供了正常距骨的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)符合國人形態(tài)學(xué)特點(diǎn)的距骨假體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。