股骨内髁参数对单髁置换中截骨及假体设计的参考意义

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.09.001

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

股骨内髁参数：文中指股骨内髁在三维空间里的大小，股骨内髁在某些层面上近似圆形(相关文献报道里已形成某种共识)，具体通过对内髁上特征性的俩点所确定的圆弧进行测量获得直径大小，文中所测3组数据及其相关性直接决定了单髁置换假体的尺寸。

个性化截骨：为针对个人差异采用的特殊截骨方式，膝关节大小存在个体差异性，但是假体尺寸相对固定，选择可能性小，会存在一定程度的不完全匹配，个性化截骨能够获得更好的假体匹配。

背景：膝关节参数测量对于研究和设计适合国人的假体有着重要的意义，国内目前对全膝关节假体研究较多，单髁假体参数化测量较少。

目的：获得国人正常股骨内髁参数，探讨其对单髁置换过程中截骨及假体设计的意义。

方法：选取60例60膝国人正常膝关节，利用薄层CT平扫及后处理技术测量冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径、矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径及矢状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径，并分析其与性别、身高的关系。

结果与结论：测得所有志愿者的冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径的平均值为(42.685±1.389) mm、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径的平均值为(42.732±1.440) mm、矢状位上过股骨内髁最低点圆弧直径的平均值为(45.473±1.332) mm、矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径的平均值为(42.587±1.446) mm。结果显示，膝关节内髁相关参数与身高呈正相关，男性明显大于女性。矢状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径显著大于过股骨内后髁最远点的圆弧直径(P < 0.001)；冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径、矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径三者无明显差异。

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: 0000-0002-6042-613X(祁家龙)

关键词: 骨科植入物, 人工假体, 单髁置换, 股骨内髁参数, 股骨内髁最低端, 股骨内后髁最远点, 内髁截骨

Abstract:

BACKGROUND: Knee-parameter measurements play an important role in the designing of the knee prosthesis. Currently, we have more and more research of the total knee replacement, while uni-condylar knee replacement study is few.
OBJECTIVE: To obtain the parameters of the normal femoral condyles and explore its correlation with osteotomy and prosthesis design of the knee joint during uni-condylar knee replacement.
METHODS: Normal knee joints of 60 cases (60 knees) were selected. We measured the parameters by using thin-section CT scan and post-processing techniques, including arc diameter of the lowest point of the femoral condyle on the coronal plane, arc diameter of the distal point of the posterior condyle of the femur on the transverse plane, arc diameter of the distal point of the posterior condyle of the femur on the sagittal plane, and arc diameter of the lowest point of the femoral condyle on the sagittal plane, and analyzed the correlation with sex and height.
RESULTS AND CONCLUSION: The diameter of the arc that passes through the lowest point of femoral medial condyle in the coronal plane was (42.685±1.389) mm. The diameter of the arc that passes through the farthest point of posterior of femoral medial condyle in the cross-section was (42.732±1.440) mm. The diameter of the arc that passes through the lowest point of femoral medial condyle on the sagittal plane was (45.473±1.332) mm. The diameter of the arc that passes through the farthest point of posterior of femoral medial condyle on the sagittal plane was (42.587±1.446) mm. The results illustrate that knee condyle related parameters were positively correlated with height. Parameters in males were significantly greater than in females. The diameter of the arc that passes through the lowest point of femoral medial condyle on the sagittal plane was significantly larger than that of the farthest point of femoral posterior medial condyle on the sagittal plane (P < 0.001). There was no significant difference among the diameter of the arc that passes through the lowest point of femoral medial condyle on the coronal plane, the diameter of the arc that passes through the farthest point of posterior of femoral medial condyle on the cross-section and that of the farthest point of femoral posterior medial condyle on the sagittal plane.

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图/表（结果） 4

2.1 参与者数量分析按意向性处理，纳入正常成人志愿者60例60例膝关节，全部进入结果分析，无脱落。

2.2 性别及身高与膝关节各项参数的关系 60例志愿者膝关节各项参数描述见表1，男女志愿者膝关节各项参数比较见表2，不同身高志愿者膝关节各项参数比较见表3。结果显示，身高与膝关节大小呈正相关，男性各参数明显大于女性。

2.3 各项参数之间的比较冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径与横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径的比较见表4。

矢状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径与矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径的比较见表5。

冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径与矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径的比较见表6。

如表4-6所示，冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径与横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径比较采用配对样本t 检验，检验水准P=0.05，检验结果为t=0.352，P=0.726，即P > 0.05，两组之间差异无显著性意义。矢状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径显著与矢状位过股骨内后髁最远点的圆弧直径比较采用配对样本t 检验，检验水准P=0.05，检验结果为t=11.374，P < 0.001，说明矢状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径显著大于矢状位过股骨内后髁最远点的圆弧直径，与Googfellow等^[9]、Tu等^[10]报道结果一致。冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径、矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径三者之间的差异的比较采用单因素方差分析，检验水准P=0.05，分析结果为F=0.162，P=0.851，即 P ，三者之间的差异无显著性意义。> 0.05

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引言

材料方法

1.1 设计测量学试验。

1.2 时间及地点于2015-08-15/09-25在安徽医科大学第四附属医院影像科完成。

1.3 对象由课题组成员随机抽取正常成人志愿者60例60例膝关节，其中男32例，女28例，年龄22-50岁，身高中位值为171 cm(154 cm，185 cm)。详细如实告知志愿者检查可能风险，并签署知情同意书，试验方案经医院伦理委员会批准。

纳入标准：近期无膝关节疼痛、绞锁等症状；无外伤史；无风湿系统疾病者。

排除标准：有明显膝内、外翻畸形者。

1.4 测量方法所有膝关节进行薄层CT平扫，取伸直中立位，CT焦距中心对准膝关节中心，CT扫描范围位膝关节上下各30 cm，层厚1 mm，间隔1 mm。过股骨内髁特征性的两点可得到一固定的圆形，本研究就是测量这一圆形的直径。取得膝关节CT扫描图像后，由于CT能同时提供冠状位、矢状位和横断位的图像，并且某一固定的点对应的冠状位、矢状位和横断位的图像都是固定的。由于3个层面的图像是通过十字坐标线连动的，故测量冠状位内髁最低点参数时，只需将横断位图像选择从有到无的第一幅图像，其余参数方法同理，见图1。

1.5 主要观察指标利用后处理技术成像后采用相关测量方法测量冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径、矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径及矢状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径。

1.6 统计学分析应用SPSS 20.0统计软件对所得数据进行正态性检验、方差齐性检验。数据结果以x(_)±s 表示。两组之间比较采用t 检验，3组之间比较采用方差分析。

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讨论

3.1 膝关节运动学研究在膝关节三维立体上的运动学研究中，最早国外Churchill等^[11]学者提出了膝关节固定轴理论，通过对膝关节非负重状态体外运动模拟实验后认为膝关节运动学可以描述为发生于骨性固定轴线上的两个相似的旋转，其最佳的屈曲轴固定于股骨并通过股骨后髁，纵向旋转轴固定于胫骨，大约平行于胫骨长轴。国内王岩等^[12]学者认为股骨后髁内外侧关节面呈半径相等的圆形结构，膝关节屈伸活动轴位于股骨内外髁上髁的固定轴，胫骨内外旋转运动轴固定于胫骨长轴。故膝关节单髁置换后必须维持内侧膝关节屈曲轴维持在正常轴线上，膝关节内侧间室骨性关节炎患者股骨内后髁软骨面基本无明显磨损，故膝关节单髁置换假体设计上必须参考股骨内后髁三维层面上的曲率半径。近年的研究表明，全膝置换中这一固定轴的准确划定更多的是三维空间的概念，而不单纯是一二维结构^[13]，但单髁置换中只涉及到膝关节某一间室，并且假体的半月板衬垫可以完成前后左右4个方向的移动，代偿了在膝关节屈伸过程中这一轴线的移动，所以可以将这一过程简化为围绕某固定点以一固定的曲率半径进行移动。本课题研究表明股骨内后髁整体呈球形，与Kurosawa等^[14]的研究相仿，本研究进一步得出无论是冠状位、矢状位还是横断位都呈圆形且3个象限的半径无明显差异，所以球面的中心就是关节面的中心，故假体半径的大小应以后髁的球面半径大小为参照。

3.2 置换前预测假体的大小关节置换不同于一般手术，对准确度的要求非常高。假体过大会对周围软组织形成切割及刺激，引起疼痛；假体过小或对位对线不良，术后假体松动下沉的发生率提高^[4]。Kasis等^[15]、Bothra等^[16]研究表明术前采用模板预测法选择假体尺寸是不准确的。Fawzy等^[17]对100例患者资料进行研究发现术前采用性别结合身高预测股骨假体尺寸的准确度达到了75%，高于模板预测67%的准确度，因而他们推荐联合使用两种方法综合预测以减少错误。国内薛华明等^[18]学者对国人的临床数据进一步总结分析，建立了适合国人的单髁置换假体大小分布图，按照这一参考标准，采用相同方法得出股骨假体的预测准确度达到了84.9%，术中结合C臂辅助下对比大小这一结果更是达到了92%。本研究结果与薛华明等^[18]研究结果相似，对术前预测假体大小有一定的参考作用。

3.3 为何单髁股骨假体是球形的以及如何获得更好的假体匹配研究表明，更好的假体匹配不仅可以减少由于假体对位不良引起的磨损，而且可以改善应力分布，从而延长假体的使用寿命^[19]。本研究中通过参数测量及分析得出矢状面上股骨内髁远端关节面的曲率半径比其股骨内后髁曲率半径大(具体结果见表5)，故假体设计上只能比股骨远端关节面的曲率半径小且不能比股骨内后髁曲率半径大，否则将严重影响患者膝关节屈曲活动度。通过表6得出冠状位上过股骨内髁最低点的圆弧直径、横断位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径、矢状位上过股骨内后髁最远点的圆弧直径三者之间差异无显著性意义，这就可以理解为什么单髁置换假体股骨侧选择球面假体的原因，同时通过建立国人自己的膝关节参数将对设计适合国人的单髁置换假体提供数据支持及理论依据。

3.4 术中对股骨内髁的最低点个性化截骨的指导意义不难发现，由于单髁置换过程中股骨内后髁截骨厚度即所选假体的厚度，故矢状位上股骨内髁的曲率半径与股骨内后髁的曲率半径的差值加上假体厚度即股骨内髁的理论截骨厚度，但由于患者的股骨内髁已经存在磨损，故术中实际截骨厚度要远远小于理论截骨厚度。目前国内单髁置换术中采用的都是根据西方人的假体设计标准来截骨，但是国内王岩^[12]、Liu等^[20]学者的文献报道矢状位上国人的股骨内髁最低点的曲率半径与股骨内髁的后髁的最远点的曲率半径的差值与西方人二者之间的差值并不相同，故应根据国人的实际数据来决定股骨内髁的截骨厚度。通过上述理论，可以根据股骨解剖轴与股骨内外髁的最低点的连线存在5°的夹角来还原股骨内髁的最低点，术中测量已经磨损的厚度，进而得出术中实际需要截骨厚度。目前国内陈镇秋等^[19]已开展单髁置换三维参数化建模技术，精准度较高。考虑到手术实际，本单位应用还原技术和3D打印技术计算出所需实际截骨厚度，方便术中操作，作者所在单位已进行相关方法进行术前预测术中股骨内髁最低点截骨量，相关研究结果待后续发表。

3.5 展望与不足综上所述，本文通过对膝关节各参数的测量，对已有参数的测量结及分析与国内外众多学者的结论基本一致，并且通过对新增的测量参数进行数据统计及相关性分析得出彼此之间的关系。不仅对术中股骨内髁的准确截骨有一定的指导意义，还对设计并完善国人的单髁假体提供了理论依据和数据支持。本研究得出膝关节内髁三维层面的曲率半径之间的关系，逆向解释了为什么牛津三代单髁假体选择球面假体以及它设计的合理性，但同时也得出国人与西方人膝关节解剖参数的不同。目前国内研究较多，但由于中国是多民族国家，目前尚未形成统一标准，为了更好的选择适合国人的假体尺寸，有必要建立完整的国人膝关节参数表。与此同时，随着微创与计算机导航的快速发展、人们对生活质量的要求越来越高，未来个性化截骨以及手术精准度必将成为骨科医生的追求目标。目前已有文献报道在计算机辅助下的微创单髁置换，不仅实现了真正的微创，术后的步态更加正常，应用前景十分广阔^[21]。可以相信，怎样利用计算机技术在术前充分分析、处理影像资料，做到个性化截骨、个性化关节置换是未来的一个方向。

在测量时为了准备定位测量点，在选择测量的图像上选择了刚出现图像的第一幅图片，但由于CT测量层厚为1 mm，故各参数点实际出现的点理论上存在1 mm以内误差，但这并不影响各参数间相关性分析。课题志愿者均来自华东地区，对象分布较局限，不足以代表国人膝关节数据，同时由于样本量有限，为减少误差，有必要进一步加大样本量研究。

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