CT确定胫骨前后轴指导全膝关节置换过程中胫骨假体的旋转对线

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0042

摘要/Abstract

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文题释义：

股骨外科上髁轴：是股骨外上髁最突点与内上髁最凹点的连线，股骨临床上髁轴是股骨外上髁最突点与股骨内上髁最突点的连线，而股骨外科上髁轴是目前最可靠的股骨假体旋转安放的参考线，可能因为股骨外科上髁轴与膝关节屈曲活动旋转轴非常符合，而且是股骨侧副韧带的起点，但由于骨性关节炎骨质的增生，使得这些解剖标志在术中较难确定，因此利用价值受到限制。

胫骨前后轴：即垂直股骨外科上髁轴的轴线并通过后交叉韧带的中点。该概念的提出有以下几点理由：股骨外科上髁轴近似于膝关节屈伸活动的旋转轴，且膝关节置换术的股骨假体的外旋放置常以股骨外科上髁轴为参照；其次，膝关节伸直位位时胫骨假体与股骨假体前后轴相互平行；再次，位于胫骨后侧髁间窝的后交叉韧带被认为位于膝关节的中心。

摘要

背景：传统全膝关节置换的截骨及假体安放大多根据目测来完成，缺乏较为精确化的测量。

目的：通过全膝关节置换前CT测定胫骨前后轴的方法，确定胫骨假体的旋转对线；并与传统胫骨假体安放全膝关节置换的临床疗效进行对比分析。

方法：回顾2014年1月至2015年4月武汉大学人民医院骨科收治的重度膝关节炎行初次全膝关节置换患者50例，根据手术方式分为2组，CT辅助组23例(25膝)经术前CT测定胫骨前后轴确定胫骨假体的安放；传统手术组 27(29膝)经传统方法(胫骨结节中内1/3)确定胫骨假体的安放。记录2组患者的手术时间及住院时间；术前和术后评估美国特种外科医院评分、髌骨评分、膝关节活动度及目测类比评分；术后3 d拍摄X射线平片测量胫骨角β和胫骨后倾角θ。所有手术均有同一团队完成。

结果与结论：①所有患者均得到随访，2组患者一般情况比较差异无显著性意义(P > 0.05)；②CT辅助组的手术时间、胫骨角β及胫骨后倾角θ方面均小于传统手术组(P < 0.05)，但2组在住院时间上差异无显著性意义(P > 0.05)；③2组术前及术后1，3个月美国特种外科医院评分、髌骨评分、膝关节活动度及目测类比评分比较，差异均无显著性意义(P > 0.05)；术后6个月2组患者上述指标比较，CT辅助组均优于传统手术组(P < 0.05)；④结果提示，术前CT测定胫骨前后轴指导胫骨假体安放较传统方法更精确定位，使股骨假体与胫骨假体有更好的旋转对线。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-9872-5215(张雷)

关键词: 全膝关节置换, 胫骨前后轴, 胫骨假体, 旋转定位, 骨科植入物, 人工假体

Abstract:

BACKGROUND: The osteotomy and prosthesis placement of the traditional total knee arthroplasty is mostly done by visual measurement and lacks more precise measurements.

OBJECTIVE: To identify rotational alignment of tibial prosthesis using preoperative calculation of tibial anteroposterior axis by CT scan and to compare the clinical efficacy of tibial prosthesis placement in traditional total knee arthroplasty.

METHODS: Data of 50 patients with knee osteoarthritis who underwent primary total knee arthroplasty in Department of Orthopedics, Renmin Hospital of Wuhan University from January 2014 to April 2015 were retrospectively analyzed. All patients were randomly divided into two groups: 23 cases (25 knees) received preoperative CT to measure the tibial anteroposterior axis in CT assistant group; 27 cases (29 knees) received the method of medial 1/3 of the tibial tubercle in traditional surgery group. We recorded operative time and hospital time, pre- and post-operative Hospital for Special Surgery score, patellar score, knee range of motion and Visual Analogue Scale score. At 3 days after surgery, X-ray images were obtained to measure tibial valgus β and tibial slope valgus θ. All operations were performed by the same team.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) All patients were followed up. There was no significant difference between two groups in the general information (P > 0.05). (2) Operative time, tibial valgus β and tibial slope valgus θ assessed in CT assistant group were better than in traditional surgery group (P < 0.05); there was no significant difference in hospital time between the two groups (P > 0.05). (3) There was no significant difference in Hospital for Special Surgery score, patellar score, range of motion, and Visual Analogue Scale score between the two groups pre-operatively, 1 and 3 months after operation (P > 0.05). However, above indexes were better in the CT assistant group than in the traditional surgery group at 6 months after operation (P < 0.05). (4) Results indicated that the tibial anteroposterior axis measured by CT for guiding tibial prosthesis position was more precise than the traditional surgery to make the femur prosthesis and the tibial prosthesis have better rotating alignment.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Arthroplasty, Replacement, Knee, Prosthesis Implantation, Tibia, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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Zhang Lei, Lian Kai, Peng Hao, Chen Sen. Tibial anteroposterior axis measured by CT scan in optimizing tibial prosthesis rotation during total knee arthroplasty[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(3): 426-431.

图/表（结果） 3

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引言

材料方法

1.1 设计 对比观察试验。

1.2 时间及地点 于2014年1月至2015年4月在武汉大学人民医院骨科完成。

1.3 材料 文中所使用的人工膝关节分别为美国强生公司的PFC系列假体和美国捷迈公司的LPS系列假体，均属于骨水泥后稳定型人工膝关节固定平台，该假体由股骨部件、胫骨部件、胫骨垫片和胫骨托组成，其中股骨髁假体材料采用铸造钴铬钼合金，胫骨垫片材料采用超高分子聚乙烯，胫骨托材料采用钛合金，该假体材料具有较好的组织相容性，聚乙烯材料无毒无味、韧性强、高耐磨、耐冲击，极大延长假体的使用寿命。

1.4 对象 选择武汉大学人民医院2014年1月至2015年4月收治的50例重度膝关节炎行初次全膝关节置换患者，CT辅助组23例(25膝) 经术前CT测定胫骨前后轴确定胫骨假体的安放，男10例(11膝)，女13例(14膝)；年龄54-85岁，平均年龄67.1岁，体质量指数(22.9±4.45)kg/m²；其中诊断为骨性关节炎19例，类风湿性关节炎4例。传统手术组 27(29膝)经传统方法(胫骨结节中内1/3)确定胫骨假体的安放，男11例(11膝)，女16例(18膝)；年龄50-82岁，平均年龄63.0岁，体质量指数(21.6±4.96)kg/m²；其中诊断为骨性关节炎24例，类风湿性关节炎3例。2组一般资料比较差异无显著性意义(P > 0.05)，见表1。

纳入标准：符合膝关节骨关节炎诊断标准(根据2007 年版《骨关节炎诊治指南》)；术前完善双下肢负重位全长正侧位X射线片、膝关节CT；类风湿性关节炎非活动期；临床表现膝关节疼痛，且1年以上病史，经非手术治疗3个月症状反复者，符合手术适应证。

排除标准：严重膝关节内外翻畸形(>15°)；关节严重屈曲挛缩畸形；近3个月内有类固醇药物注射史或非类固醇类药物应用史者；股骨及胫骨生理性变异畸形，导致解剖结构不能辨认；膝关节及其周围严重创伤史导致关节解剖标志变异者；合并严重肝肾功能疾病及心血管疾病不能耐受手术者。

1.5 方法

1.5.1 术前CT测定方法统一采用飞利浦64排128层螺旋CT进行膝关节扫描，参数如下：扫描部位为股骨远端(股骨内外髁)、胫骨近端(胫骨结节下缘)，扫描宽度为 1 mm。

患者体位：仰卧位，双下肢完全伸直，双足固定于特制木制框架内，使足尖朝上，扫描过程中双腿保持不动。

采用医学影像学图像处理分析软件对CT影响进行测量：①股骨侧横断位图像上找出股骨外上髁最突点、股骨内上髁最突点及股骨内上髁最凹点，股骨外上髁最突点与内上髁最凹点连线即为S-TEA，股骨外上髁最突点与内上髁最突点连线即为股骨临床上髁轴，连接股骨后髁后侧最突出点的切线即为股骨后髁线，分别画出S-TEA和股骨后髁线的垂直线，两垂直线的夹角α(见图1a)；②胫骨侧横断面找出后交叉韧带止点中点O点，画出经O点并与S-TEA垂直即为胫骨前后轴，并标记出胫骨前后轴与髌韧带交点B(见图1b)。

1.5.2 手术方法患者取仰卧位，硬膜外麻醉，安放止血带。患肢膝关节屈曲90°打止血带，常规消毒铺巾。所有手术为同一组医师完成，影像学检查也为同一组医师完成，且测量数据重复3遍。

(1)CT辅助组方法：

股骨侧截骨：根据术前下肢负重位全长正侧位X射线片测量的外翻角(股骨解剖轴线与股骨力线轴线夹角)行股骨远端截骨(一般外翻角为7°)，股骨旋转定位依据术前测量的α角，使抱髁板的两脚紧贴股骨内外后髁并内外取中，前方触角对准股骨外髁前皮质最高点，测量前后髁假体型号及内外髁宽度，外旋抱髁板α角度即为股骨旋转定位，无误后即可行前后髁及斜面截骨。

胫骨侧截骨：伸直膝关节根据术前在髌韧带标记的B点，投影到胫骨前侧骨面上并用电刀标记，常规胫骨髓外定位，确定下肢力线，取胫骨平台后倾角为5°，测量截骨厚度(一般截骨厚度为9 mm)。截骨完成后用电刀在截骨面上画出胫骨前后轴(通过后交叉韧带止点到髌韧带的标记点B点)，选择合适的型号的胫骨选号模板覆盖于胫骨平台之上，使其中线正对胫骨前后轴线。安装试模再次确定下肢力线，分别在伸直位和屈曲90°位下检查膝关节内外翻稳定性及髌骨轨迹。脉冲枪清洗手术野，骨水泥固定假体，置入垫片，复位假体。冲洗后逐层缝合皮肤，留置引流管1根，加压包扎。

(2)传统手术组方法：

股骨侧截骨：根据股骨髓内定位，术前下肢负重位全长正侧位X射线片测量的外翻角行股骨远端截骨，股骨旋转定位根据内外后髁线外旋3°即为股骨前后截骨平面。

胫骨侧截骨：采用胫骨髓外定位，行标准胫骨截骨，后倾取5°，选择合适的胫骨选号模板覆盖于平台之上，使其中线正对胫骨结节中内1/3处，确保其完全覆盖于胫骨平台骨床上，且不超过骨性边缘。脉冲枪清洗手术野，骨水泥固定假体，植入垫片，复位假体。冲洗后逐层缝合皮肤，留置引流管1根，加压包扎。

1.5.3 术后处理术后常规第2天拔管，术后第1天行肌肉注射低分子肝素钠14 d。麻醉苏醒后即开始被动伸直膝关节(足根部放置一足垫，使膝关节悬空)，术后第1天开始活动趾行踝关节趾曲背伸；术后第2天拔管后，行股四头肌等长收缩及膝关节持续被动活动锻炼；术后3-5 d床上及床边主动屈伸膝关节；术后六至七天可扶双拐沿床边行走；术后两至三周床边部分负重行走，站立位床边屈曲膝关节；出院后逐步加强活动，进行日常生活训练。

1.6 主要观察指标 所有患者记录手术时间、住院时间，术后3 d拍摄膝关节正侧位X射线平片，测量胫骨角β和胫骨后倾角θ(见图2)。术后1，3，6个月行美国特种外科医院(hospital for special surgery，HSS)评分、髌骨评分、ROM测量及目测类比评分。

1.6.1 HSS评分评估标准 HSS评分为Insall等于1976年提出的评分系统，满分为100分，疼痛30分、功能22分、活动范围18分、肌力10分、屈曲畸形10分、关节稳定性10分。扣分项目内容涉及是否需要助步器，内外翻畸形及伸直不全等，优大于85分，良70-84分，中60-69分，差小于59分。

1.6.2 髌骨评分评估标准 ①膝前痛：无痛15分，轻度痛10分，中度痛5分，重度痛0分；②股四头肌肌力：5级5分，4级3分，小于4级1分；③从椅子上坐起能力：不需要上肢帮助5分，需要上肢帮助3分，坐起困难1分，不能坐起0分；④爬楼梯能力：不需要辅助连续爬楼5分，需要辅助连续爬楼4分，不需要辅助逐层台阶爬楼3分，需要辅助逐层台阶爬楼2分。

1.6.3 目测类比评分评估标准在纸上或尺上划出10 cm长的直线，按mm划格，一端为无痛，另一端为极痛。划线方法可为横线，也可为竖线。重复2次，取2次的平均值。

1.7 统计学分析 数据采用SPSS 17.0统计软件分析，计量资料均以x(_)±s表示，采用两独立样本t 检验，P < 0.05则认定为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

全膝关节置换目前是治疗各类终末期膝关节炎的金标准，虽然其治疗效果显著，假体生存率较高，然而在中国的全膝关节置换分布范围广泛，普及到县级基层医院，手术方法及技术还是有所差别，导致术后出现各种并发症，如术后患者因各种原因致膝前疼痛，髌骨轨迹不良及屈曲不稳^[8]，严重者需行二次翻修术，其中聚乙烯假体破损、接触面之间不稳以及术后感染等是致使全膝关节置换后失败最常见原因。其中主要的原因之一是旋转对线不良，对于股骨假体的旋转对线国内外研究较成熟，包括股骨远端解剖学标志定位技术和非解剖标志定位技术，前者解剖标志有股骨上髁轴、股骨后髁轴及股骨髁前后轴(Whiteside线)，后者主要技术是屈曲间隙平衡法，即松解膝关节周围的韧带和软组织维持在一张力状态，使股骨与胫骨之间获得一个矩形的平衡屈曲间隙。

股骨远端解剖学标志定位技术：股骨上髁轴分为外科上髁轴和临床上髁轴，S-TEA是股骨外上髁最突点与内上髁最凹点的连线，股骨临床上髁轴是股骨外上髁最突点与股骨内上髁最突点的连线，而S-TEA是目前最可靠的股骨假体旋转安放的参考线，可能因为S-TEA与膝关节屈曲活动旋转轴非常符合，而且是股骨侧副韧带的起点^[5-7]，但由于骨性关节炎骨质的增生，使得这些解剖标志在术中较难确定，因此利用价值受到限制。而股骨后髁线在膝关节屈曲位可以很明确观察到，因此术者通常以股骨后髁线外旋3°即可与S-TEA线平行^[9]，得到股骨假体旋转的截骨平面。然而对于后髁破坏或畸形、骨关节炎伴有膝外翻畸形，尤其是在股骨后髁发育较小或过度退变情况下，如仅参考股骨后髁线外旋3°就得不到正确的股骨前后面截骨，必然会导致旋转对线不良。股骨髁前后轴是股骨滑车最低点与髁间窝中点的连线。根据Patel等^[10]通过MRI评价股骨远端解剖学标志(S-TEA、股骨后髁线及股骨髁前后轴)之间的关系在全膝关节置换术中的应用，结果显示股骨髁前后轴-股骨上髁轴之间角度较股骨后髁线-股骨上髁轴更容易变异，因此全膝关节置换术中股骨假体应依照股骨后髁线和股骨上髁轴的解剖轴线。

股骨远端非解剖学标志定位技术：屈曲间隙平衡法即松解膝关节周围的韧带和软组织维持在一张力状态，使股骨与胫骨之间获得一个矩形的平衡屈曲间隙。这项技术没有特定的骨骼标志，其旋转对线主要参考膝关节弯曲90°和韧带装置松紧适度，从而得到一个矩形的屈曲间隙。从理论上讲，它为膝关节畸形的类型和程度提供了一个独立自行对线的体系。然而屈曲间隙的大小，是严格依赖于胫骨切割的多少。原来的方法需要首先行胫骨截骨以提供屈曲间隙，然后后续的截骨为了调整平衡差距。这种方法的主要限制是它可能会导致关节线向近端和前侧移动。屈曲间隙平衡法在伸直位和屈曲90°获得稳定和平衡，然而当屈曲45°时可能存在潜在的不稳定。需要强调的是，股骨远端的骨性解剖标志不能作为检验标准，因为依靠屈曲间隙平衡法所行的胫骨截骨不精确或韧带松解不可靠，将导致股骨旋转不良。

与股骨假体旋转定位的方法相比较，胫骨假体旋转定位方法研究较少，且多不可靠。目前常用的胫骨解剖标志包括胫骨结节中内1/3、第二跖骨、踝关节中点、胫骨前肌肌腱及足背动脉等易在体表触摸及辨识的标志^[11]，然而由于骨性关节炎、类风湿性关节炎导致骨质退变、骨赘形成、畸形等，使解剖标志较难辨识，且大部分标志易受踝关节所处位置的影响(如内旋外旋)，使胫骨机械轴力线很难具有重复性。Sun等^[12]在中国内研究以胫骨结节中内1/3为解剖标志作为胫骨假体的旋转放置，使胫骨假体相对于股骨假体外旋，这种错误的旋转放置无疑增加可中国人膝关节内翻或外翻畸形。

考虑到膝关节伸直位时胫骨假体与股骨假体前后轴相互一致的特点，Akagi等^[13]提出了胫骨前后轴的概念即垂直于S-TEA的轴线并通过后交叉韧带的中点，这主要是出于以下几点考虑：首先到如前所S-TEA近似于膝关节屈伸活动的旋转轴^[5-7]，在全膝关节置换术中股骨假体的外旋放置常以S-TEA为参照；其次，膝关节伸直位位时胫骨假体与股骨假体前后轴相互平行，再次，位于胫骨后侧髁间窝的后交叉韧带被认为位于膝关节的中心^[13]。因此，本次研究主要根据这个思路，根据术前CT确认S-TEA，并以此为指导进行股骨假体的旋转安放，在根据影像学分析软件，画出垂直于S-TEA线并投影到胫骨截骨平面上且通过后交叉韧带中点即为胫骨前后轴，以求为每位膝关节炎患者制定个体化的手术方案设计，达到较为满意的手术效果。胫骨前后轴作为一个后来者，在近10年的研究中，国内外持一致认同，Tao等^[14]在中国患者全膝关节置换术中运用胫骨前后轴指导胫骨假体的安放，证实术前CT确定胫骨前后轴作为胫骨假体的旋转是可靠且具有重复性。Kim等^[15]也证实可胫骨前后轴作为胫骨假体旋转对准可靠的解剖标志。

本研究只需术前膝关节CT检查，能精确评估膝关节各骨性标志的相互关系，确定股骨后髁线、S-TEA之间的角度，经过影像学图像处理软件，画出垂直于S-TEA的直线，投影到胫骨截骨平面上，确定胫骨前后轴以指导胫骨假体旋转安放。本研究的较传统方法的优点：根据个人的骨性标志制定个体化的设计方案，更符合生理要求；精确各解剖标志的关系，简化术中盲目操作，缩短手术时间；下肢力线较传统方法更符合生理要求。

但本研究也有不足之处，其一：未纳入严重膝关节内外翻畸形(>15°)，显示出胫骨前后轴指导胫骨假体旋转的局限性，而本研究者经查阅相关文献，Kawahara等^[16-17]在膝关节内外翻畸形达到25°或30°的全膝关节置换术，胫骨前后轴依然能指导假体的旋转安放，且获得较好的下肢力线。其二：本研究评价术后假体的旋转仅通过X射线片，可能会与CT平扫评价假体旋转相比有误差。

进几年随着计算机技术的发展，计算机辅助导航技术在骨科领域广泛应用。在计算计导航下行全膝关节置换术可以避免假体旋转不良，改善下肢旋转对线及冠状面力线，有助于术后早期功能恢复^[18-19]。计算机导航全膝关节置换相对于传统手术有以下优点：其一，能够实现评估术中膝关节在任何角度的旋转不良及畸形，而不像传统手术只在伸直位和屈曲90°位；其二，能实时计算软组织张力，使膝关节张力达到完美的平衡；其三，精确恢复下肢的机械力线；其四，减少术中失血和避免经髓内定位造成的脂肪栓塞的发生^[20]；最后，外科医生能够根据计算机导航系统所反馈的信息进行修改和控制。但作为一种新兴的技术，可不可避免有缺点：手术时间延长，平均手术延长13 min^[21]；学习曲线延长；采购和维护系统需要大额成本，这无疑增加了患者的经济负担。导航技术将是一种未来新兴的先进技术，如果一味坚持传统方法，将不利于骨科长远发展。因此本研究作为一种全膝关节置换的手术方案可供选择，以求为患者利益大化。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程