基于CT的中國正常成人踝關節(jié)三維形態(tài)學分析及應用研究

薛浩文， 褚虹宇， 左解鵬， 武珂卉， 韓青， 程凱亮， 楊艷艷， 朱慶三

1.吉林大學第二醫(yī)院骨科，長春 130041； 2.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院胃腸結直腸肛門外科，長春 130043；3.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院影像科，長春 130043； 4.吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院骨科，長春 130043

隨著人口老齡化，晚期踝關節(jié)關節(jié)炎、缺血性骨壞死及踝關節(jié)骨髓炎等疾患由于治療方案有限仍是足踝外科領域的挑戰(zhàn)[1～4]。國內踝關節(jié)置換術已廣泛開展，手術操作技術趨于成熟，其對于關節(jié)炎的早期療效特別是對生活質量的改善明顯好于踝關節(jié)融合術[5～7]。臨床選擇符合患者踝關節(jié)形態(tài)的良好設計假體是踝關節(jié)置換手術成功的關鍵[8,9]。然而，國內關節(jié)置換術假體主要來源于西方，并有研究表明，中國人群與西方人群的關節(jié)大小和形態(tài)存在差異[10～12]。應用依據(jù)西方人群踝關節(jié)形態(tài)設計假體時，會因匹配不良、松動等而增加術后并發(fā)癥風險[13～15]。其中，假體下沉是踝關節(jié)置換術的最主要的并發(fā)癥，且主要發(fā)生在距骨側[16]。隨著截骨厚度的增加距骨松質骨強度不斷減少，下沉風險也相應增加[17],因此，假體的形態(tài)學設計應當匹配國人踝關節(jié)的形態(tài)學特征[18]，且對距骨體形態(tài)學進行單獨分析是十分必要的。目前，關于踝關節(jié)形態(tài)學的研究主要基于X線，Kuo等[19]和Hayes等[20]利用CT對踝關節(jié)形態(tài)進行了研究，但其樣本量小、測量技術手段不規(guī)范、測量參數(shù)略少。本研究利用CT影像三維重建技術，對191例中國東北地區(qū)人群踝關節(jié)進行測量、評估，同時分析了地域、方法和性別對于踝關節(jié)形態(tài)學的影響，填補了中國人群踝關節(jié)三維形態(tài)學的數(shù)據(jù)空缺，為踝關節(jié)置換術假體的設計和開發(fā)應用奠定形態(tài)學基礎。

1 材料與方法

1.1 樣本來源

本研究已通過吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院倫理委員會審查。使用的CT圖像來自吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院影像科數(shù)據(jù)庫，于1000例樣本中篩選出191例（男106例、85例），年齡為20～80歲，平均(51.0±15.6)歲。篩選方法為：排除CT結果下肉眼可見占位病變、骨折、炎癥、內翻和外翻畸形、踝關節(jié)發(fā)育異常和關節(jié)體位異常的樣本。由于需要擬合脛骨軸線以確定測量基準平面，因此樣本須為包含自足底至脛骨中上1/3交點處的全部CT影像片。

1.2 主要儀器和軟件

SIE-MENS64層螺旋CT（西門子公司，德國），掃描參數(shù):電壓140 kV，重建層厚0.625 mm，掃描層厚0.5 mm。CT數(shù)據(jù)記錄為DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）文件并轉到MIMICS 19.0（Materialise公司，比利時）和MAGICS 21.0（Materialise公司，比利時）進行三維重建和測量。

1.3 參數(shù)測量方法與指標

對踝關節(jié)進行三維重建后，分別對于脛骨和距骨在其冠狀面、矢狀面、橫斷面上進行測量。本研究由兩名接受過相同培訓的人員進行測量，每人測量2次，最終取4次測量均值。根據(jù)Fessy[15]、Stagni[9]、ABD-ELALEEM[21]等描述共測量32個指標，包括：

1.3.1 冠狀面 脛骨遠端關節(jié)面寬(TiW)：脛骨遠端關節(jié)面頂部切線與內、外踝內側切線相交的兩交點間距；外踝最低點到脛骨遠端頂部切線距離（DLA）；內踝最低點到脛骨遠端頂部切線距離（DMA）；外踝關節(jié)面擬合線和脛骨遠端頂部切線夾角（ALA）；內踝關節(jié)面擬合線和脛骨遠端頂部切線夾角（AMA）；冠狀面上內外踝最低點連線與橫斷面夾角（MLATi）；內外踝最大間距（MalW）：內踝最內側點和外踝最外側點在冠狀軸方向距離；距骨滑車左右間距（TaW）：距骨頂部切線與距骨內外緣切線相交的兩交點間距（圖1）。

1.3.2 矢狀面 脛骨下端最大前后徑（MTiTh） 脛骨下段最前點（C）與沿著脛骨前后軸相對應的后點（D）間距；滑車切跡前緣最低點（A）與線段CD間距（MDA）；滑車切跡最高點（V）與線段CD間距（MDV）；踝穴前后距（APG）：脛骨滑車切跡最前點（A）和最后點（B）在脛骨中軸線上的直線距離；踝穴前后傾斜角（APA）：線段AB和橫斷面夾角；脛骨遠端滑車切跡長（TiAL）：矢狀面上滑車切跡前緣最低點（A）與最后點（B）間距；踝關節(jié)間距（SDTaTi）：脛骨和距骨頂點沿脛骨中軸線的距離；脛骨滑車切跡弦高（TDV）：脛骨遠端滑車切跡弦長到滑車切跡的最大距離；距骨滑車弦長（TaAL）：距骨滑車最前點和最后點間距；距骨滑車弦高（Th）：距骨滑車頂點到距骨滑車弦長所在間距；距骨滑車中弦長中點到跟結節(jié)距離（DMN）；距骨滑車中弦長中點和跟結節(jié)連線與橫斷面的夾角（AMN）；距骨體長（TBL）：距骨體最前點（R）與最后點（S）間距；距骨體高（TBH）：距骨體最高點（T1）與最低點（T）間距（圖1）。

1.3.3 橫斷面 距骨滑車內外側緣切線間夾角（TaIa）；前、中、后側距骨滑車左右間距[TaW(a,p,c)]；前、中、后側脛骨遠端關節(jié)面寬[TiW(a,p,c)]；距骨體寬（TBB）：距骨體最內側點（U）與最外側點（V）間距（圖1）。

圖1 CT重建圖像中踝關節(jié)各個參數(shù)測量示意圖 A：三維重建整體觀B、D、E：矢狀面 C：冠狀面F：橫斷面Fig.1 Measurement of each parameter of the ankle joint in CTreconstruction imagesA:Wholeview of 3D reconstruction model;B,D,E:Sagittal plane;C:Coronal plane;F:Cross plane

1.4 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 23.0（IBM公司，美國）分析軟件進行統(tǒng)計分析，對各參數(shù)行正態(tài)性檢驗、方差齊性檢驗。數(shù)據(jù)以平均值±標準差（±s）表示。采用獨立樣本t檢驗對本男、女受試者比較分析。本研究CT與X線間的比較用獨立樣本t檢驗分析。當P<0.05時認為存在顯著性差異。

2 結果

2.1 性別間差異比較

結果見表1、圖2，32個參數(shù)均符合正態(tài)分布，其中男性（n=106）和女性（n=85）受試者所檢驗的32組參數(shù)中有23組存在顯著性差異（P<0.05）；除踝穴前后傾斜角（APA）、踝穴前后距（APG）和內踝關節(jié)面擬合線和脛骨遠端頂部切線夾角（AMA）等3個參數(shù)外，其余20個為男性大于女性。平均縱橫比脛骨（MTiTh/TiW）性別間無顯著差異，而距骨（TaAL/TaW）性別間差異顯著（P<0.05）。

表1 踝關節(jié)CT重建圖像形態(tài)學參數(shù)結果（±s）Tab.1 CT-reconstruction morphological parametersof ankle joint(Mean±SD)

表1 踝關節(jié)CT重建圖像形態(tài)學參數(shù)結果（±s）Tab.1 CT-reconstruction morphological parametersof ankle joint(Mean±SD)

參數(shù)Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP參數(shù)Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP參數(shù)Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP MLATi(°)15.20±3.14 15.10±2.66 15.31±3.67-0.44 0.66 DMN(mm)68.10±5.43 69.19±4.58 66.74±6.09 3.19 0.00*TiWa(mm)33.39±2.21 34.24±2.03 32.33±1.95 6.57 0.00*參數(shù)Parameter全部All（n=191）男性Male（n=106）女性Female（n=85）tP MTiTh(mm)40.80±2.76 42.00±2.38 39.34±2.52 7.41 0.00*DMA(mm)13.79±1.71 13.87±1.51 13.68±1.93 0.79 0.43 AMN(°)38.13±5.20 37.60±5.02 38.79±5.36 1.57 0.12 TiWc(mm)28.93±2.47 30.06±1.99 27.52±2.28 8.22 0.00*MDA(mm)9.27±1.28 9.63±1.24 8.83±1.20 4.57 0.00*DLA(mm)25.76±3.65 26.05±3.43 25.40±3.90 1.23 0.22 TaWa(mm)31.29±2.16 32.53±2.13 29.74±2.42 8.47 0.00*TiWp(mm)24.91±2.16 25.51±1.90 24.16±2.25 4.48 0.00*MDV(mm)6.18±1.29 6.47±1.31 5.82±1.18 3.57 0.00*AMA(°)114.59±4.22 113.85±4.18 115.50±4.10-2.73 0.01*TaWc(mm)28.46±2.13 29.26±1.85 27.46±2.03 6.42 0.00*Thm(mm)9.32±1.44 9.55±1.48 9.02±1.33 2.59 0.01*APG(mm)4.76±0.99 4.55±0.88 5.03±1.05-3.41 0.00*ALA(°)96.14±2.95 96.43±3.06 95.77±2.78 1.53 0.13 TaWp(mm)24.78±2.90 25.47±2.42 23.92±3.21 3.80 0.00*Thl(mm)9.39±1.22 9.54±1.12 9.07±1.30 2.02 0.05*TiAL(mm)29.29±1.70 29.76±1.50 28.70±1.76 4.49 0.00*TaIa(°)14.61±4.73 14.54±4.13 14.70±5.41-0.23 0.82 TBL(mm)55.69±3.41 57.49±2.96 53.45±2.48 10.07 0.00*Thc(mm)10.52±1.37 10.64±1.32 10.37±1.42 1.38 0.17 APA(°)9.12±2.01 8.77±1.94 9.56±2.02-2.74 0.01*TaALm(mm)34.65±2.71 35.23±2.55 33.92±2.73 3.43 0.00*TBB(mm)44.50±4.14 45.64±3.82 43.07±4.10 4.48 0.00*MTiTh/TiW 1.22±0.07 1.23±0.07 1.22±0.07 0.95 0.35 MalW(mm)66.65±4.00 67.87±3.84 65.13±3.67 5.00 0.00*TaALc(mm)34.59±2.96 35.39±3.05 33.60±2.51 4.37 0.00*TBH(mm)31.07±2.26 31.93±2.23 30.00±1.79 6.50 0.00*TaAL/TaW 1.18±0.10 1.16±0.09 1.19±0.11-2.25 0.03*TDV(mm)4.94±1.02 5.01±1.03 4.86±1.00 1.03 0.31 TaALl(mm)33.45±2.79 34.00±2.63 32.76±2.85 3.11 0.00*SDTaTi(mm)1.68±0.53 1.66±0.56 1.69±0.49-0.39 0.70 MalW/TiW 2.00±0.12 1.99±0.12 2.02±0.12-1.86 0.07

圖2 性別間踝關節(jié)形態(tài)學參數(shù)的比較 A：脛骨遠端的比較B：距骨的比較*P<0.05 Fig.2 Comparison of morphological parameters of ankle joint between gendersA:Comparison of thedistal tibia;B:Comparison of theastragalus;*P<0.05

2.2 測量方法對參數(shù)結果的影響

本研究與中國東北地區(qū)踝關節(jié)X線結果比較，所對比的11個參數(shù)均為X線大于CT，且除踝穴前后傾斜角（APA）、脛骨遠端滑車切跡長（TiAL）、踝穴前后距（APG）外，其他8個參數(shù)均存在顯著性差異（P<0.05），見表2。

表2 踝關節(jié)CT重建圖像和X線片參數(shù)測量結果間比較(±s)Tab.2 Comparison of the measurement results of the ankle joint parameters measured by CT-reconstruction imagesand X-ray images(Mean±SD)

表2 踝關節(jié)CT重建圖像和X線片參數(shù)測量結果間比較(±s)Tab.2 Comparison of the measurement results of the ankle joint parameters measured by CT-reconstruction imagesand X-ray images(Mean±SD)

**P<0.01,*P<0.05

MalW(mm)66.65±4.00 70.87±5.75-7.61 0.00**MalW/TiW 2.00±0.12 2.08±0.15-4.87 0.00**參數(shù)/Parameter CT(n=191)X-ray（n=120）tP參數(shù)/Parameter CT(n=191)X-ray（n=120）tP MTiTh(mm)40.80±2.76 43.22±3.90-6.38 0.00**TaAL(mm)33.45±2.79 39.45±4.56-14.36 0.00**MDA(mm)9.27±1.28 11.54±2.26-11.25 0.00**Th(mm)9.32±1.44 12.94±2.90-14.6 0.00**MDV(mm)6.18±1.29 9.24±2.24-15.23 0.00**TiW(mm)33.39±2.21 34.29±3.37-2.85 0.01**APG(mm)4.76±0.99 4.85±1.70-0.6 0.55 TaW(mm)28.46±2.13 32.23±3.47-11.84 0.00**TiAL(mm)29.29±1.70 29.52±3.38-0.81 0.42 MTiTh/TiW 1.22±0.07 1.27±0.11-4.23 0.00**APA(°)9.12±2.00 9.24±3.30-0.39 0.7 TaAL/TaW 1.18±0.10 1.23±0.16-3.7 0.00**

2.3 區(qū)域間差異比較

本研究與不同地區(qū)踝關節(jié)形態(tài)結果比較。與法國人群對比的5個參數(shù)，除踝穴前后傾斜角（APA）外，均較小。與意大利人群對比的10個參數(shù)，除踝穴前后距（APG）、踝穴前后傾斜角（APA）、脛骨寬（TiW）外，均較小。與韓國及中國臺灣人群對比的11個參數(shù)，有5個參數(shù)較韓國人群大，7個參數(shù)較中國臺灣人群大。相較其他地區(qū)人群，中國東北地區(qū)人群脛骨（MTiTh/TiW）和距骨（TaAL/TaW）平均縱橫比均接近于1，見表3。

表3 不同地區(qū)間踝關節(jié)形態(tài)學參數(shù)結果比較（±s）Tab.3 Comparison of the measurement results of the morphology parametersof the ankle joint in different regions(Mean±SD)

表3 不同地區(qū)間踝關節(jié)形態(tài)學參數(shù)結果比較（±s）Tab.3 Comparison of the measurement results of the morphology parametersof the ankle joint in different regions(Mean±SD)

參數(shù)/Parameter中國東北地區(qū)Northeast China法國/France意大利/Italy韓國/Korea中國臺灣/Taiwan參數(shù)/Parameter中國東北地區(qū)Northeast China法國/France意大利/Italy韓國/Korea中國臺灣/Taiwan APG(mm)4.8±1.0 MTiTh(mm)40.8±2.8 MDA(mm)9.3±1.3 MDV(mm)6.2±1.3 2.7±1.8 4.2±1.7 3.6±2.8 TaAL(mm)33.5±2.8 38.5±2.2 41.7±4.4 35.3±3.6 32.3±4.1 TiAL(mm)29.3±1.7 30.8±3.0 31.4±3.5 29.2±2.9 28.4±2.9 TaW(mm)28.5±2.1 32.4±2.5 30.4±4.4 35.0±3.0 20.9±3.0 APA(°)9.1±2.0 8.3±1.4 5.0±3.4 8.2±3.2 7.4±5.7 MalW(mm)66.7±4.0 41.4±3.9 39.4±3.6 42.0±5.1 Th(mm)9.3±1.4 11.5±3.5 12.4±2.7 11.4±4.0 MTiTh/TiW 1.2±0.1 8.7±3.5 10.0±10.0 4.0±2.2 TaAL/TaW 1.2±0.1 TiW(mm)33.4±2.2 34.5±2.3 31.9±3.5 31.1±3.1 33.3±2.5 MalW/TiW 2.0±0.1 69.0±7.0 69.6 63.1±3.4 10.5±1.1 11.9±1.8 1.3 1.27±0.13 1.26 1.37 1.16±0.14 1.55±0.20 2.20±0.14 2.2 1.89

比較不同地區(qū)間距骨體參數(shù)結果，與希臘和埃及人群相比，中國東北地區(qū)人群男性的距骨體長（TBL）和距骨體高（TBH）均較小，而距骨體寬（TBB）較大，中國東北地區(qū)人群女性距骨體寬（TBB）同樣較大。與中國華北地區(qū)人群比較，本研究結果均較大，見圖3。

圖3 男性和女性地區(qū)間距骨體形態(tài)學參數(shù)比較Fig.3 Comparison of the morphology parameters of the corpus taliin different regions of male and female

3 討論

目前測量踝關節(jié)形態(tài)學參數(shù)的方法有尸體標本、X線片和CT等；尸體標本是最常用的方法,但其獲取難度大、數(shù)量有限，難以進行大樣本測量；基于X線片測量會因影像重疊、密度分辨率低等因素對結果產生一定影響；CT圖像樣本采集量大、密度分辨率高、掃描層厚薄、重建圖像清晰并可行三維測量，其旋轉、平移等功能可實現(xiàn)測量平面確定，既方便又具靈活性，是目前分析骨形態(tài)學特點，測量骨解剖形態(tài)最真實有效的方法。

3.1 性別間的比較

對脛骨下端最大前后徑(MTiTh)等32個參數(shù)在性別間比較發(fā)現(xiàn)23個參數(shù)存在顯著性差異（P<0.05），且除踝穴前后傾斜角（APA）、踝穴前后距（APG）和內踝關節(jié)面擬合線和脛骨遠端頂部切線夾角（AMA）等3個參數(shù)外，其余20個參數(shù)均為男大于女。而在Stagni等[9]研究中,由于樣本量(n=36)和測量參數(shù)少，不具備性別比較的基本條件，故其認為性別間不存在顯著性差異的結論不具有說服力。Kwon等[22]則未行性別差異對比。Kuo等[19]與我們共有的18個參數(shù)中僅有3個被認為在性別間存在差異（P<0.05），本研究則有15個參數(shù)存在差異（P<0.05）。以上結果說明同一地域男女之間測量參數(shù)存在差異，而西方人群未對比性別差異。此外，男性和女性膝關節(jié)形態(tài)大小曾被發(fā)現(xiàn)存在顯著性差異,但骨骼形狀無顯著性差異[23]。脛骨寬（TiW）、脛骨遠端滑車切跡長（TiAL）和距骨滑車左右間距（TaW）、距骨滑車弦長（TaAL）的結果顯示，男性均大于女性，說明在脛骨遠端與距骨的接觸面間，男性的接觸面積更大。脛骨平均縱橫比（MTiTh/TiW）在性別間并不存在顯著性差異，而距骨縱橫比（TaAL/TaW）差異顯著（P<0.05），且女性的距骨縱橫比（TaAL/TaW）大于男性，而距骨滑車弦長（TaAL）、距骨滑車左右間距（TaW）和距骨體參數(shù)（TBL、TBB、TBH）結果均為男性大于女性，說明相比于女性，男性的距骨頂面更接近正方形且體積更大。因此，性別可作為踝關節(jié)假體設計的分類依據(jù)，且應重視距骨假體形態(tài)的設計，見圖2。

3.2 測量方法間的比較

本實驗選取了同一地區(qū)、同一測量工具下行觀測踝關節(jié)CT與X線片。表2所示除踝穴前后傾斜角（APA）、脛骨遠端滑車切跡長（TiAL）、踝穴前后距（APG）外，其他參數(shù)均為CT測量值小于X線且存在顯著性差異（P<0.05）。這進一步證實了X線測量法會產生影像重疊和邊界不清等影響，從而導致所測結果與實際數(shù)值存在差異。正如Hayes等[20]所指出平面X線攝影不允許對三維形態(tài)學進行真正的估計。2004年Stagni等[24]曾利用CT和X線進行對比，認為對于大部分參數(shù)，X射線測量值與CT測量數(shù)據(jù)間存在差異,這和本文結論一致，但可能由于其樣本量較?。▋H36例），其結果未能明確說明CT測量值明顯小于X線值。本文和Kuo等[19]的研究同屬于CT測量，所以結果更為相似，見表2。

3.3 不同地區(qū)間的比較

與國內外相關研究對比發(fā)現(xiàn)，本研究脛骨遠端滑車切跡長（TiAL）結果與Kwon[22]等之間的差異最小；脛骨寬（TiW）和Kuo[19]等結果差異最小，這可能是因兩者都同屬于東亞地區(qū)，結果具有相似性。除踝穴前后傾斜角（APA）外，中國人群其他參數(shù)均較法國人群小；除踝穴前后距（APG）、踝穴前后傾斜角（APA）、脛骨寬（TiW）外，中國人群的其他參數(shù)均比意大利人群小，表明國內人群踝關節(jié)形態(tài)明顯偏小。與西方人群間較大的差異性說明根據(jù)西方人群踝關節(jié)形態(tài)設計的假體可能并非適合中國人群。脛骨和距骨平均縱橫比均接近于1，表明中國人群脛骨遠端和距骨在橫斷面上形態(tài)更加接近于正方形，見表3。

比較不同地區(qū)間距骨體長、寬、高發(fā)現(xiàn)，與PECKMANN等[25]和ABD-ELALEEM[21]等測得的希臘和埃及人群相比，中國東北地區(qū)人群男性的距骨體長（TBL）和距骨體高（TBH）均較小，而距骨體寬（TBB）較大，且女性距骨體寬（TBB）也較大。因此，使用根據(jù)希臘和雅典人群形態(tài)學設計的假體對中國人群進行截骨時，可能會因為截骨量過大而增加假體下沉的風險。以上結果說明不同地區(qū)和種群間距骨體存在差異，相較于希臘和埃及人群，中國人群的距骨體幾何形態(tài)更扁平。因此，依照國外距骨設計的踝關節(jié)假體可能并非適合中國人群。HE等[26]測得的中國華北地區(qū)距骨體參數(shù)相比較，其距骨體參數(shù)結果均小于本研究所測，可能是由于HE等[26]直接基于CT模型進行測量，而本研究則利用MAGICS進行三維重建，將模型固定的立方體框架內，因此結果幾乎不會受到幾何體轉動的影響。因此，結果間的差異可能是測量方法間的差異和地域的不同所致，見圖3。

3.4 與常用全踝關節(jié)置換術假體的比較

目前常用的全踝關節(jié)置換術假體有STAR(Waldemar Link,Hamburg,Germany）,TNK（Kyocera Corporation,Kyoto,Japan）等。STAR在脛骨遠端關節(jié)面前端寬(TiWa)上的最小值為30.0 mm，而我們所測得的最小為26.6 mm。因此，術中使用STAR假體由于尺寸過大導致截骨量大可造成內外踝的破壞和損傷。TNK假體在脛骨下端最大前后徑(MTiTh)為32.0 mm，而中國人群最小值為31.8 mm，術中安裝過程中會因假體與骨之間接觸面積少，導致應力改變產生松動。

綜上所述，本研究多方面證實中國人群踝關節(jié)形態(tài)學參數(shù)與西方人群之間存在差異，根據(jù)西方人群踝關節(jié)形態(tài)設計的假體不適合中國人群，在假體形態(tài)設計方面還應考慮性別和測量方法的影響。