中國南方人股骨干形態(tài)特征及其對股骨外翻角的影響

趙怡淇，黃桂武，李文昌，鄭霖力，左楠，凌千惠，時光月，鄔培慧*

1.中山大學(xué)醫(yī)學(xué)院，廣州 510080；2.中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，廣州 510080；3.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院，北京 100037；4.廣東省人民醫(yī)院，廣州 510080

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）是最常見的骨關(guān)節(jié)炎性疾病。據(jù)報道，患KOA的終生風(fēng)險為44.7%[1]。2010年全球KOA的發(fā)病率約為3.8%[2]，約占骨性關(guān)節(jié)炎總數(shù)的1/3。其患病率具有顯著的年齡特征[3]，我國66歲以上患病率女性為41%，男性為23%[4]；60歲以上有KOA癥狀的人數(shù)可能已達(dá)1500萬[5]。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）是治療嚴(yán)重KOA的唯一有效手段，其首要目標(biāo)之一是恢復(fù)下肢力線，使髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心，膝關(guān)節(jié)中點(diǎn)和踝關(guān)節(jié)中點(diǎn)均位于正常的下肢機(jī)械軸。股骨外翻角（femoral valgusangle，F(xiàn)VA）是指股骨機(jī)械軸與股骨干遠(yuǎn)端解剖軸在冠狀面上所成的夾角（圖1），正常范圍5～7°。TKA術(shù)中股骨側(cè)關(guān)節(jié)假體的髓內(nèi)定位受FVA影響顯著，對FVA的估計過大或過小，均將影響術(shù)后下肢力線和關(guān)節(jié)功能。因此，F(xiàn)VA是TKA術(shù)前影像學(xué)測量分析的一個重要參數(shù)，其準(zhǔn)確度對術(shù)中確定股骨遠(yuǎn)端截骨方向和假體安裝具有重要意義。在不同的股骨外翻情況中，股骨干遠(yuǎn)端畸形有顯著差異，而股骨旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的影響在中立位測量已存在統(tǒng)計學(xué)差異[6,7]。對亞洲人的相關(guān)研究中，Song等[8]利用118例下肢全長X線片測得韓國人FVA為（6.0±0.7）°；Lin等[9]利用214例下肢全長X線片測得臺灣人FVA為（4.70±1.50）°；Liu等[10]基于128例股骨CT數(shù)據(jù)報道我國北方人群FVA平均為（6.20±1.20）°；Wang等[11]基于199例股骨CT數(shù)據(jù)報道我國正常南方人群FVA平均為（5.1±0.9）°。上述報道證實(shí)，F(xiàn)VA在不同人種之間及國內(nèi)南、北方人群之間存在顯著的差異。

圖1 股骨外翻角示意圖由股骨力線軸與股骨干遠(yuǎn)端解剖軸在冠狀面所成夾角Fig.1 Diagram of femoral valgusangelFVA was defined as the angle between the distal anatomical axisand thefemoral mechanical axis

臨床常用的測量股骨外翻角的方法是基于下肢全長X光照片。然而，X光攝片時下肢處于過度內(nèi)旋或外旋位，可導(dǎo)致股骨的X光成像形態(tài)發(fā)生變化，影響股骨外翻角測量的準(zhǔn)確度[12]。與傳統(tǒng)X光檢查對比，3D重建對股骨各形態(tài)參數(shù)評估更為準(zhǔn)確[13]。為深入研究股骨外翻角的變異性，提高臨床對股骨外翻角準(zhǔn)確測量的認(rèn)識，本研究利用我國南方人下肢CTA掃描數(shù)據(jù)，建立下肢骨三維模型，以股骨三維形態(tài)學(xué)研究作為切入點(diǎn)，統(tǒng)計分析我國南方人群股骨干形態(tài)與股骨外翻角大小的分布特征；并對每側(cè)下肢的三維模型進(jìn)行模擬旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下肢處于內(nèi)旋位、中立位、外旋位時，研究不同形態(tài)特征的股骨外翻角測量值的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 患者資料

回顧性分析中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院2011年1月至2013年12月因診斷下肢血管性疾病而行下肢全長CTA掃描患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)。納入的患者均來源于中國南方省份，共計75例患者113側(cè)下肢，其中包括35位男性，40位女性，平均年齡48歲。排除既往下肢外傷史、手術(shù)史，以及下肢骨畸形或髖、膝、踝骨關(guān)節(jié)炎患者。

本研究通過中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院臨床科研和實(shí)驗(yàn)動物倫理委員會審批，倫審[2018]283號。

1.2 建模及測量

采用64排CT掃描機(jī)（TOSHIBA），患者平臥位，下肢自然伸直。掃描層厚2.0 mm，放射球管電流50 mA，KVP為120 kV。將下肢CTA掃描圖像以DICOM格式導(dǎo)入Mimics 16.0軟件，通過對骨CT值的提取和分割，建立包括股骨，脛骨和腓骨的下肢骨三維模型。然后對目標(biāo)解剖標(biāo)志點(diǎn)和解剖軸進(jìn)行定位。根據(jù)股骨頭形狀擬合成球體，其球心定為股骨頭旋轉(zhuǎn)中心；選擇髁間窩最遠(yuǎn)端皮質(zhì)區(qū)域中心為髁間窩中點(diǎn)，連接股骨頭旋轉(zhuǎn)中心與髁間窩中點(diǎn)為股骨機(jī)械軸。在距離股骨遠(yuǎn)端20 cm的股骨干橫斷面圖像中，根據(jù)股骨髓腔形狀擬合為圓形，將其圓心定為遠(yuǎn)段股骨干解剖軸端點(diǎn)，與髁間窩中點(diǎn)組成遠(yuǎn)段股骨干解剖軸。用相同的方法將股骨干近端三分之一節(jié)段兩端的髓腔橫斷面擬合為圓形，連接兩處圓心定為近段股骨干解剖軸。股骨外翻角定義為由股骨機(jī)械軸與遠(yuǎn)段股骨解剖軸在冠狀面上構(gòu)成的夾角；股骨彎曲角定義為近段股骨解剖軸與遠(yuǎn)端股骨解剖軸在冠狀面上向內(nèi)構(gòu)成的夾角，連接股骨內(nèi)外側(cè)后髁的后方端點(diǎn)定為股骨后髁連線，連接股骨頭旋轉(zhuǎn)中心與踝關(guān)節(jié)中心定為下肢轉(zhuǎn)軸（圖2）。

圖2 股骨外翻角，股骨干彎曲角，以及股骨后髁連線的示意圖Fig.2 The illustration of FVA,FBA and the line of posterior femoral condyleconnection axis

將三維骨模型及各條軸線導(dǎo)入3-matic軟件，將模型股骨后髁連線與X軸平行作為股骨中立位，依次使股骨繞下肢轉(zhuǎn)軸內(nèi)旋10°和20°，以及外旋10°、20°、30°和40°（圖3）。測得股骨在不同旋轉(zhuǎn)位置的股骨外翻角和股骨彎曲角，將股骨中立位時所測得的數(shù)值定義為實(shí)際股骨外翻角和實(shí)際股骨彎曲角。模型重建及形態(tài)參數(shù)測量由兩名研究者獨(dú)立完成，其中1名研究者在1個月后重復(fù)全部測量操作。

圖3 模擬下肢軸向旋轉(zhuǎn)將模型繞下肢力線方向旋轉(zhuǎn)至股骨后髁連線與X軸平行，作為股骨中立位，再分別內(nèi)旋10°和20°，以及外旋10°、20°、30°和40°Fig.3 Thesimulation of femoral axial rotationThe model was rotated until the posterior femoral condyle connection axiswas parallel to the X-axis to acquire the neutral position.Then each femoral 3D models were rotated to 6 other positions:internal rotation of 20°and 10°,and external rotations of 10°,20°,30°and 40°

按照股骨彎曲角(FBA)大小和方向的分布特征分為4組（圖4），F(xiàn)BA＞4°為股骨干嚴(yán)重內(nèi)翻畸形組；1°＜FBA≤4°為股骨干輕度內(nèi)翻畸形組；-1°≤FBA＜1°為股骨干無畸形組；FBA≤-1°為股骨干外翻畸形組。

圖4 股骨干彎曲角類型及分布a：股骨干嚴(yán)重內(nèi)翻（FBA＞4°）b：股骨干輕度內(nèi)翻（1°＜FBA≤4°）c：股骨干無畸形（-1°≤FBA＜1°）d：股骨干外翻（FBA≤-1°）Fig.4 Distribution and type of FBAa:extreme varus deformity(FBA＞4°);b:mild varus deformity(1°＜FBA≤4°);c:no deformity(-1°≤FBA＜1°);d:valgus deformity(FBA≤-1°)

1.3 統(tǒng)計分析

利用SPSS 17.0軟件，統(tǒng)計各組實(shí)際股骨外翻角和實(shí)際股骨彎曲角的平均值（均值±標(biāo)準(zhǔn)差），獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析股骨外翻角性別、側(cè)別之間的差異，并分析各組股骨外翻角和股骨彎曲角測量值隨下肢旋轉(zhuǎn)角度變化的定量關(guān)系，利用One Way ANOVA比較各組差異，變量間相關(guān)性分析采用Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)，采用Pearson檢驗(yàn)進(jìn)行兩參數(shù)間相關(guān)性分析。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）評價觀察者間及觀察者內(nèi)測量可重復(fù)性。檢驗(yàn)水準(zhǔn)a取雙側(cè)0.05。

2 結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計，由同一研究者所測得的觀察者內(nèi)可重復(fù)系數(shù)為0.94～0.98，不同研究者的觀察者間可重復(fù)系數(shù)為0.87～0.96，證實(shí)本研究測量方案具有較高的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

總體股骨外翻角平均值為（5.3±1.4）°（范圍1.7～9.1°）。其中男性股骨外翻角為（5.23±1.1）°，女性股骨外翻角為（5.46±2.5）°；左側(cè)為（5.31±1.3）°，右側(cè)為（5.29±1.0）°。經(jīng)統(tǒng)計，無性別（t＝0.30，P＝0.07）及側(cè)別差異性（t＝-0.19，P＝0.85）。股骨干嚴(yán)重內(nèi)翻畸形組占14.2%（16側(cè)），股骨干彎曲角內(nèi)翻均值為（5.6±1.1）°；股骨干輕度內(nèi)翻畸形組占43.4%（49側(cè)），股骨干彎曲角內(nèi)翻均值為（2.4±1.1）°；股骨干無畸形組占28.3%（32側(cè)），均值為（0.5±0.3）°；股骨干外翻畸形組占14.2%（16側(cè)），股骨干彎曲角外翻均值為（2.6±1.1）°。所有樣本的實(shí)際股骨彎曲角平均為（1.5±3.4）°。中立位測量股骨外翻角，股骨干嚴(yán)重內(nèi)翻畸形組為（7.2±1.1）°，股骨干輕度內(nèi)翻畸形組為（5.6±0.87）°，股骨干無畸形組為（4.7±1.0）°，股骨干外翻畸形組為（3.4±0.8）°，各組間存在顯著差異（P＜0.05，圖5，表1）。實(shí)際股骨外翻角與實(shí)際股骨彎曲角存在顯著的相關(guān)性（R2=0.6，P＜0.001，圖6，表1）。實(shí)際股骨外翻角與實(shí)際股骨彎曲角與性別或年齡無顯著相關(guān)性。

表1 各組股骨外翻角與股骨干彎曲角平均值及其相關(guān)性Tab.1 The mean valueand correlation of FVA and FBV in each group

圖5 各組股骨外翻角比較各組間實(shí)際股骨外翻角大小存在顯著差異，P＜0.05Fig.5 Thecomparison between FVA of different groupsThere were significant differences in the value of FVA among each group,P＜0.05

圖6 實(shí)際股骨外翻角與實(shí)際股骨彎曲角相關(guān)性Pearson r＝0.78 95%CI：0.69～0.84 R2＝0.6 P＜0.001Fig.6 The correlation between FVA and FBAPearson r=0.78,95%CI:0.69-0.84,R2=0.6,P＜0.001

股骨彎曲角的測量值隨下肢旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化（圖7）。股骨干嚴(yán)重內(nèi)翻組在肢體內(nèi)旋20°時，股骨干彎曲角測量值接近0°；輕度內(nèi)翻組為內(nèi)旋10°；無畸形組為中立位；外翻畸形組為外旋10°；各組股骨干彎曲角測量值隨下肢外旋或內(nèi)旋角度增大而增大。

圖7 股骨干彎曲角測量值隨下肢旋轉(zhuǎn)角度變化Fig.7 The measured values of FBA varied with the changesof therotation angleof lower limbs

下肢從內(nèi)旋20°至外旋40°，各組間股骨外翻角測量值均增大，但各組間的股骨外翻角的增幅無顯著性差異（P＞0.05，圖8）。

圖8 股骨外翻角的測量值隨下肢旋轉(zhuǎn)角度變化Fig.8 The measured values of FVA varied with the changes of the rotation angle of lower limbs

3 討論

TKA術(shù)前準(zhǔn)確評估患者實(shí)際股骨外翻角是術(shù)后重建正常下肢力線，獲得良好遠(yuǎn)期效果的重要條件。盡管已有許多報道統(tǒng)計分析不同地域正常人群的股骨外翻角的平均值和取值范圍，但對于我國南方人群股骨外翻角的報道有限，且股骨干形態(tài)特征和旋轉(zhuǎn)角度變異對股骨外翻角的影響未見報道。本研究基于113側(cè)無骨性關(guān)節(jié)炎表現(xiàn)的下肢CTA數(shù)據(jù)，測得南方正常人群的股骨外翻角平均為（5.3±1.4）°，和既往其他報道股骨外翻角平均為（5.1±0.9）°相比，具有一定的差異[11]。

本研究發(fā)現(xiàn)有14.2%股骨干呈內(nèi)翻＞4°畸形，14.2%的股骨干呈外翻畸形，股骨干輕度內(nèi)翻畸形和無內(nèi)外翻畸形的占71.6%。按照股骨干內(nèi)翻畸形程度，將所有樣本分為4組，各組股骨外翻角的大小存在顯著的差異，且證實(shí)股骨外翻角與實(shí)際股骨彎曲角存在顯著相關(guān)性。由此認(rèn)為臨床TKA術(shù)前評估股骨外翻角大小時，需同時考慮股骨干是否有內(nèi)翻或外翻畸形，對于股骨干嚴(yán)重內(nèi)翻畸形的患者可以選擇7°的股骨遠(yuǎn)端截骨；股骨干呈外翻畸形的患者，則應(yīng)該選擇4°的股骨遠(yuǎn)端截骨；而非一律采取5°或6°為股骨遠(yuǎn)端截骨角度。這一結(jié)果與Dunn等[12]的觀點(diǎn)相似：對于膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻畸形的病例一般采用7°的股骨遠(yuǎn)端截骨；膝關(guān)節(jié)外翻畸形的病例則選用4°～5°的截骨；膝關(guān)節(jié)對線正常的病例則選用6°～7°的截骨。Deakin等[14]通過臨床前瞻性研究證實(shí)個性化選擇股骨外翻角截骨的病例比一律采用7°外翻角截骨者獲得更好的術(shù)后下肢力線。近年來，個性化TKA的手術(shù)方式已有較多報道，基于CT和3D重建的個性化術(shù)前設(shè)計可以提高原發(fā)性全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中截骨的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)個性化，精準(zhǔn)化治療[15]。本研究可為臨床全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)個性化選擇股骨外翻角進(jìn)行股骨遠(yuǎn)端截骨提供影像解剖學(xué)依據(jù)。

本研究對股骨外翻角測量方法進(jìn)行了改良，通過模擬股骨軸向旋轉(zhuǎn)，測量股骨外翻角在冠狀面上投影成角。該方法既具備基于CT數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，又提高了與臨床基于X光照片測量的可比性。以往的基于下肢X光影像學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)下肢體位的軸向旋轉(zhuǎn)是測量下肢力線及股骨外翻角等指標(biāo)的重要影響因素。Okamoto等[16]的研究證實(shí)了3D測量的可靠性，而2D測量結(jié)果也可用于TKA的術(shù)前定位。有學(xué)者[17]利用股骨外翻角為6.5°的骨模型測量不同旋轉(zhuǎn)體位X光照片中的股骨外翻角，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下肢從內(nèi)旋20°至外旋20°時，股骨外翻角從4.6°逐漸增加至6.8°，與本研究結(jié)果中X組中所得到的結(jié)果相似。另外，股骨干內(nèi)翻或外翻變異會改變下肢旋轉(zhuǎn)對股骨外翻角測量值影響的程度，根據(jù)本統(tǒng)計結(jié)果，大部分我國南方人的股骨外翻角約為5°，股骨干呈輕度內(nèi)翻畸形或無內(nèi)外翻畸形，當(dāng)下肢從內(nèi)旋20°至外旋40°位時，股骨外翻角測量值從3°～4°逐漸增加至7°，約有3°的變化范圍。

冠狀面上下肢力線的測量對于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的術(shù)前分析和術(shù)后評估都有重要意義，但目前絕大多數(shù)的研究未考慮股骨或脛骨本身的解剖變異對下肢力線和股骨外翻角等的影響。本研究統(tǒng)計分析了不同股骨干形態(tài)特征的人群比例，證實(shí)股骨干內(nèi)翻畸形者其股骨外翻角顯著大于股骨干外翻畸形者，且下肢過度旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)致股骨干冠狀面成角測量值偏大。Lasam等[18]基于韓國人的X光照片測量統(tǒng)計股骨干在冠狀面的畸形角度，發(fā)現(xiàn)在60例下肢正常的病例中股骨干內(nèi)翻角平均為3°，其中有33例是輕度內(nèi)翻畸形（5°以內(nèi)），13例內(nèi)翻畸形大于5°。但本研究中基于CT數(shù)據(jù)測量股骨干輕度內(nèi)翻畸形平均為2.4°，嚴(yán)重內(nèi)翻組的股骨干內(nèi)翻角平均為5.6°。由于部分特殊患者進(jìn)行X光檢查時難以確保股骨位于標(biāo)準(zhǔn)中立位，因此對于畸形較為明顯的病例，基于CT圖像的三維測量分析更有利于TKA的術(shù)前分析和規(guī)劃。

本研究存在不足之處。首先，納入研究樣本數(shù)量有限，不過經(jīng)觀察者內(nèi)及觀察間可重復(fù)性統(tǒng)計證實(shí)本研究建模方案及測量方法具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。其次，樣本未納入膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者，而KOA患者股骨形態(tài)的分布規(guī)律可能與正常人群有顯著的不同，在需要全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的患者中，約有10%出現(xiàn)膝外翻性骨關(guān)節(jié)炎（OA）[19]。Kharwadkar等[20]基于83位高加索TKA患者術(shù)前CT圖像測量股骨外翻角平均為（5.4±1.1）°（3.3°～7.6°），顯著低于膝關(guān)節(jié)正常人群。因此，有必要擴(kuò)展研究樣本量，將KOA患者的股骨干形態(tài)及股骨外翻角的統(tǒng)計學(xué)特征納入進(jìn)一步的系列研究，更精細(xì)確定針對KOA患者的股骨外翻角的平均水平。