中国福建东南部成人女性胫骨近端表面及断面几何参数三维数字化测量及临床意义

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.35.012

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (35): 5250-5255.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.35.012

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中国福建东南部成人女性胫骨近端表面及断面几何参数三维数字化测量及临床意义

丁小明¹，廖丹琼²，庄跃宏²，蔡永强^3，4，李筱贺^3，4，恩和吉日嘎拉³，张少杰³，王志强³，王海燕³

¹泉州医学高等专科学校基础医学部解剖教研室，福建省泉州市 362000；²福建医科大学基础医学院人体解剖与组织胚胎学系，福建省福州市 350100；内蒙古医科大学，³基础医学院人体解剖教研室，⁴数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010110

修回日期:2016-07-08 出版日期:2016-08-26 发布日期:2016-08-26
通讯作者: 李筱贺，博士，副教授，内蒙古医科大学基础医学院人体解剖教研室，数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010110 王海燕，硕士，副教授，内蒙古医科大学基础医学院人体解剖教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010110
作者简介:丁小明，男，1976年生，汉族，江西省人，2016年福建医科大学毕业，硕士，讲师，主要从事临床解剖学相关研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(81460330)

Three-dimensional digital measurement and clinical significance of geometric parameters on proximal tibial surface and cross-section of adult women in southeastern area of Fujian province of China

Ding Xiao-ming¹, Liao Dan-qiong², Zhuang Yue-hong², Cai Yong-qiang^{3, 4}, Li Xiao-he^{3, 4}, Enhejirigala³, Zhang Shao-jie³, Wang Zhi-qiang³, Wang Hai-yan³

¹Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Quanzhou Medical College, Quanzhou 362000, Fujian Province, China; ²Department of Human Anatomy, Histology and Embryology, School of Basic Medicine, Fujian Medical University, Fuzhou 350100, Fujian Province, China; ³Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medial University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ⁴Digital Medical Center, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Revised:2016-07-08 Online:2016-08-26 Published:2016-08-26
Contact: Li Xiao-he, M.D., Associate professor, Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medial University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China; Digital Medical Center, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China Wang Hai-yan, Master, Associate professor, Department of Human Anatomy, School of Basic Medicine, Inner Mongolia Medial University, Hohhot 010110, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Ding Xiao-ming, Master, Lecturer, Department of Anatomy, School of Basic Medicine, Quanzhou Medical College, Quanzhou 362000, Fujian Province, China
Supported by:
the General Program of National Natural Science Foundation of China, No. 81460330

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

数字骨科学：是计算机科学与骨科学相结合的一门新兴交叉学科。它涉及到人体解剖学、立体几何学、生物力学、材料学、信息学、电子学及机械工程学等领域。数字骨科学涵盖的范围较广，简单地讲凡是骨科或与骨科相关的、采用数字化技术的项目均属于数字骨科学的范畴，具体包括骨科有限元分析、骨科数字解剖(三维重建)、骨科虚拟仿真手术、骨科快速成型技术、骨科逆向工程技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术、术前规划、计算机辅助骨科导航手术、骨科远程手术及骨科机器人手术等。

数字骨科技术：可以精确显示正常或病变骨骼复杂的三维结构，并可进行任意旋转、剖切等观察和操作；可以对重建的三维结构进行测量，获得长度、面积、体积和角度等大量精确的解剖参数；可以用于临床辅助诊断、辅助手术设计和手术模拟等方面。数字骨科的发展让骨科手术更为精确，有力提升了骨科技术水平，已逐步在骨科临床应用和拓展。

摘要

背景：人工膝关节置换是治疗膝关节严重形变最主要的方法，但由于现有膝关节假体型号有限，且中国福建东南部人群身材较北方人群矮小，因此临床易出现假体型号不适合，置换效果不良的现象。

目的：测量中国福建东南部成人女性胫骨近端表面及断面几何参数，为该地区女性人工膝关节设计及置换提供基础数据。

方法：选取中国福建东南部85例干燥的女性骨骼标本，测量胫骨平台宽，胫骨内侧平台宽、前后径，胫骨外侧平台宽、前后径，并选取临床正常胫骨近端CT资料36例(38-65岁)，扫描范围为30 cm(髁间隆起最高点以下30 cm)，层厚为0.625 mm，利用Mimics 16.0软件三维重建和测量以上指标并将重建模型以层厚为3 mm连续分割，共10层，将左右最宽处平均分为4等份，测量3个等分点上胫骨平台前后径，并用统计软件分析其中线形数据之间关系。

结果与结论：成功获得了中国福建东南部成人女性胫骨标本几何参数，胫骨平台内外侧前后径大于内外侧宽，内外侧前后径与内外侧宽数值相当，胫骨10个断层平面，内外侧前后径总是小于中间前后径，有3组数值先升高再降低。胫骨全长与胫骨内侧平台宽度及前后径、胫骨外侧平台宽度及前后径之间，胫骨内侧平台宽度与前后径之间，胫骨外侧平台宽度与前后径之间均呈正相关关系(P < 0.05)。结果说明，福建东南部成人女性胫骨平台相关参数的呈一定规律性变化，文章结果可能为该地区人工胫骨平台设计及手术提供量化参考数据。

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: 0000-0002-9312-1287(李筱贺)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 成人, 女性, 胫骨, 几何参数, 福建东南部, 三维数字化, 测量, 干燥骨, CT, 计算机, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Artificial knee joint replacement is the main surgical method for the treatment of severe knee joint deformation, but due to the limited existing knee prosthesis type. The stature of Fujian population in southeast China was shorter than that of the north. The size of artificial knee joint usually did not fit for patients in clinic. The substitution effect was poor.

OBJECTIVE: To measure the geometric parameters of proximal surface and cross-section of adult female tibia in southeastern area of Fujian Province of China, and provide basic data for design and replacement of artificial knee joint in females.

METHODS: We chose 85 cases of dry female skeleton in southeastern area of Fujian Province of China, measured tibial plateau width, medial tibial plateau width and anteroposterior diameter, lateral tibial plateau width and anteroposterior diameter. We collected clinical normal proximal tibial CT data of 36 patients (38-65 years old), with scan range of 30 cm (intercondylar eminence 30 cm) and layer thickness of 0.625 mm. Mimics 16.0 three-dimensional reconstruction software was used to measure above indexes and cut the reconstructed models with thickness of 3 mm, totally 10 layers. We divided its widest distance into four equal parts, and measured tibial anteroposterior diameter on three points. Statistical software was used to analyze the linear relationship between the data.

RESULTS AND CONCLUSION: The experiment has successfully obtained geometric parameters of tibial specimens of adult females in southeastern area of Fujian province of China. Tibia platform inside and outside diameters were greater than the width inside and outside; inside and outside diameter and inside and outside width were similar. Ten segment planes of tibia, inside and outside diameters were always less than middle anteroposterior diameter. Three groups of data increased firstly, and then reduced. There were positive correlations between tibia length and width of the medial tibia platform, the lateral tibia platform width and anteroposterior diameter, the medial tibia platform width and anteroposterior diameter, and the lateral tibia platform width and anteroposterior diameter (P < 0.05). These results suggested that relevant parameters of tibial plateau adult women in southeastern area of Fujian province of China showed some regular changes. Our results may provide quantitative reference data for the design and operation of artificial tibial plateau.

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: Tissue Engineering, Tibia, Computer Simulation

中图分类号:

R318

丁小明，廖丹琼，庄跃宏，蔡永强，李筱贺，恩和吉日嘎拉，张少杰，王志强，王海燕. 中国福建东南部成人女性胫骨近端表面及断面几何参数三维数字化测量及临床意义[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(35): 5250-5255.

Ding Xiao-ming, Liao Dan-qiong, Zhuang Yue-hong, Cai Yong-qiang, Li Xiao-he, Enhejirigala, Zhang Shao-jie, Wang Zhi-qiang, Wang Hai-yan. Three-dimensional digital measurement and clinical significance of geometric parameters on proximal tibial surface and cross-section of adult women in southeastern area of Fujian province of China[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(35): 5250-5255.

图/表（结果） 2

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引言

材料方法

1.1 设计 计算机模拟实验。
1.2 时间及地点 于2013年1月至2015年6月在内蒙古医科大学数字医学中心及泉州医学高等专科学校解剖实验室完成。

1.3 材料

干燥胫骨标本：为福建省泉州医学高等专科基础医学部人体解剖学教研室收集的干燥成人女性胫骨标本，所有标本均选自成套人体骨骼标本，参照骨盆等结构进行性别鉴定，标本均来源于泉州市及周边地区遗体志愿捐献，实验室有严格捐献记录，包括捐献者性别、年龄，平均年龄为47.5岁。选择胫骨全长为 30-40 cm，剔除胫骨平台严重外伤和退化的标本，最终共测量85例。

临床胫骨近端CT资料：选自泉州医学高等专科6所附属医院影像科膝关节CT资料36例，年龄38-65岁，平均44.23岁，左侧19例，右侧17例，所有患者均来自福建东南部汉族。纳入标准：由3位临床医师同时确诊非膝关节疾患的女性患者。排除标准：膝关节骨折患者或有膝关节骨折史患者，先天膝关节畸形，肿瘤等导致胫骨平台变形患者。

1.4 方法

1.4.1 测量内容及方法干燥骨组长度采用直尺测量(精度为0.1 cm，北京科教仪器厂生产)，采用电子游标卡尺对胫骨平台内外侧髁前后径和宽度进行测量(精度为0.002 cm，日本三菱电子)。测量胫骨内侧平台宽和前后径、胫骨外侧平台宽和前后径的方法如图1。

CT影像组采用16排螺旋CT扫描仪(美国GE公司)扫描范围为30 cm(胫骨髁间隆起基底部到胫骨转子最上方-胫骨平台基底部)进行扫描，扫描经过GE adw4.3工作站利用内蒙古医科大学数字医学中心Minics 16.01软件进行三维重建，其具体过程为：分别将CT扫描的数据利用工作者刻录到DVD光盘中，其文件保存格式为DICOM，利用软件将DICOM格式文件导入，分别进行方位配准，边界自动识别，噪点去除等步骤，重建胫骨平台三维立体结构(图1)，利用软件对重建胫骨平台内外侧髁前后径和宽度进行测量，然后将重建模型每隔3 mm进行切割，共10层。测量截骨平面宽和前后径，将左右最宽处平均分为4等份，测量3个等分点上胫骨平台前后径(图1-3)。

1.5 主要观察指标 分别测量两组胫骨全长，平台宽，内侧平台宽，外侧平台宽，内侧前后径，外侧前后径，测量CT影像组三维重建胫骨平台均分10层3个等分(内侧、中间和外侧)前后径；CT影像组胫骨全长与胫骨内侧平台宽度及前后径、胫骨外侧平台宽度及前后径之间，胫骨内侧平台宽度与前后径之间，胫骨外侧平台宽度与前后径之间相关系数。

1.6 统计学分析 计量资料采用x(_)±s表示，干燥骨和CT影像组测量胫骨全长与胫骨内侧平台宽度及前后径、胫骨外侧平台宽度及前后径之间，胫骨内侧平台宽度与前后径之间，胫骨外侧平台宽度与前后径之间采用SPSS 13.0软件进行直线回归相关分析，CT影像组同一侧不同层数据间比较采用单因素方差分析，P < 0.05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

3.1 胫骨平台测量研究进展与意义 骨性关节炎在中国尤其是东北地区和东南地区发病率较高，福建东南部地处中国东南、沿海地区，冬季温度低湿度大，是骨性关节炎的高发地区，再加上人口老龄化的加快，其发病率逐年增高。严重的膝关节骨性关节炎现阶段最主要的治疗方法为人工假体关节置换，在中国许多假体均为国外直接引进，其参数均为依照欧美人群设计^[3-5]，所以直接应用会造成不匹配，出现术后松动下沉，减少了使用寿命，因此全面测量膝关节骨骼径线成为膝关节置换术亟待解决的问题。

胫骨平台各径线随着人种、性别、身高及体质量的差异而不同，在临床膝关节假体更高的匹配度既能降低假体的磨损，又能改善假体的力学分布，有利于延长假体的使用寿命，如果假体尺寸大，截骨面小于假体接触面时，术后会出现固定强度减弱，增加周围韧带的张力，从而影响患者的运动^[3-5]。有研究报道，白种人胫骨与中国人比较^[6-9]，其截面较扁长，由于中国幅员辽阔，南北人群间身高和体重差异也较大，国内虽有报道，均为北方地区人群的研究^[6]，尚缺乏福建东南部人群的测量^[9-11]，而文章所测数据可以为福建东南部人群女性人工胫骨平台假体的设计提供参考数据，填补相关不足。

3.2 传统测量与三维数字化测量 人体骨性结构均较不规则，人工测量较为困难，通过计算机CT断面扫描后利用CT设备自带的工作站软件，可以清晰准确的重建骨骼三维结构，由于数据本身取自活体结构，计算机测量软件测量数据准确可重复性强，所以是传统手工测量的有益补充，甚至可以取代传统测量^[12]。三维重建的方法可以对重建立体结构进行任意切割与测量，利用微积分的原理，对不规则体进行无限层划分，即可以制造1∶1不规则假体^[13-19]，文章对胫骨平台均分10个层次进行测量，其结果可以对人工膝关节胫骨假体的制造提供参考，为制造适合福建南部地区女性人群的膝关节假体提供依据。

3.3 与以往研究比较的差异 有研究报道外侧平台前后径比内侧平台前后径小3 mm^[2]。文章的结果显示中国福建东南部正常成人的内外侧平台前后径差值达6.0-7.0 mm，显示了东西方人种间的差异^[20-26]。实验中的胫骨平台线形指标与以往研究的166-175 cm组测量数据相近^[4]，有些数据较小，这可能与实验只选择女性标本有关。实验结果与赵斌修测量的西北地区成人(男性+女性)胫骨标本相比较^[10-15]，全部测量数值均较小也验证了此结论，作者分析这可能与实验对象为女性，其身高和体重及活动度较男性低，而赵斌的研究对象部分性别有关。因此，在进行假体置换时，要考虑到东西方人群间、南北人群间胫骨近端的径线差异，而文章所测胫骨近端表面几何参数测量和10层截骨断面测量，对于福建东南部女性膝关节置换假体提供选择参数。文章不仅对福建东南部女性胫骨近端平面几何参数进行了测量，而且利用Mimics软件进行三维测量，影像学测量结果虽然大于干燥骨测量结果，临床利用术前扫描数据进行三维重建，其数据更真实，对于术前选择更合适的胫骨平台假体，制订手术方案具有重要的参考价值。

3.4 误差分析 干燥的骨骼标本，其软骨层已基本丢失，与活体的真实情况存在一定的差别^[26-31]。另外，因选用的标本资料不详，不排除一些标本存在异常病理改变，导致本测量值与正常人体的数值有一定的误差^[1-2]。而影像学三维重建测量，实验为了减少误差，采用经统一培训后由3名影像科医师分别对同一标本测量，然后将测量结果取均值，这样可以有效的减少测量人为误差。但由于条件所限，实验样本量较小，结果的代表性有所局限，因此，下一步将加大样本量，以期获得更为可靠的数据供临床参考。

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

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