利用计算机三维空间测量技术研究前交叉韧带单束重建时内口位置的选择

汪益 董启榕 陆守荣 郑祖根 金志高

苏州大学附属第二医院骨科（苏州215004）

前交叉韧带重建手术时，韧带内口的位置选择非常重要。在膝关节屈曲活动过程中，两内口间的距离保持不变是前交叉韧带重建手术成功的重要条件。选择何内口位置满足这一条件目前尚有争议。以往学者多以尸体膝关节进行研究。随着影像医学的发展，利用CT或MR进行三维重建已成为可能。利用活体膝关节的三维重建模型进行测量，可以得到生理状态下更为真实的资料。本研究建立了正常膝关节在不同屈曲角度状态下的三维模型，测量股骨髁间外侧面和胫骨髁间脊之间各个点之间的距离，并测量这些距离在不同屈曲角度下的变化值，从而探寻到符合或接近于等距特性的点。

1 材料与方法

1.1 实验对象

10名健康志愿者的10个膝关节，其中左膝7个，右膝3个。男性6名，女性4名；年龄20岁～32岁，平均28岁。既往无关节疼痛病史，无膝关节外伤史。

1.2 实验方法

1.2.1 扫描方法

采用意大利百胜公司生产的关节专用磁共振E-san，永磁型，场强0.2T。膝关节表面线圈，受试者侧卧位，髌骨下极位于线圈中心。分别于膝关节伸直位0°、屈曲30°、60°、90°、120°位进行扫描（图 1）。采用 Turbo T1 序列进行矢状面扫描，扫描范围包括股骨远端，胫骨近端及髌骨。TR 38ms，TE 16ms，层厚 1.25mm，层间距1.25mm，FOV 180×180mm，矩阵 256×256，共 52层，激励次数1次。

1.2.2 三维重建

将扫描后获得的数据以标准DICOM格式保存，并将其导入三维建模软件mimics 10.01。使用Dynamic region growing等命令在每个层面上描记股骨远端和胫骨近端。使用Edit mask等命令进行修正。描记边缘结束后使用calculate 3D命令进行三维重建，并且将参数Resolution设为1，保证重建出来的三维物体表面分辨率最高。重建后采用Smoothing命令光滑物体表面，消除毛刺。

1.2.2.1 股骨定位点的确定

（1）A点:股骨髁间窝顶后缘边界的最高点。F点:股骨髁间窝顶前缘边界的最高点。A-F点连线即Blumensaat’s线。G点:股骨外髁内侧面上距离 Blumensaat’s线最远的点。

（2）将Blumensaat’s线分成完全相等的6段，并在靠后的4段边界5个点上分别绘制5个完全垂直于Blumensaat’s线的面。分别命名为A面、B面、C面、D面和E面。该5个面均与股骨髁间窝外侧面相交（图2）。

（3）绘制一个通过G点、并且与Blumensaat's线平行且完全垂直于正中矢状面的斜冠状面，称为G面。在Blumensaat's与G面的垂线中点上绘制一条与Blumensaat's完全平行的线称α线（图3）。

（4）绘制7个围绕α线旋转的面。该7个面均与股骨外髁相交，并且与正中矢状面的角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和 90°。并且分别命名为 0 面、15 面、30面、45面、60面、75面和90面。该7个面也各自与股骨髁间窝外侧面相交（图4）。

（5）A面、B面......E面和 0面、15面......90面在髁间窝位外侧面上分别交汇出35个点，分别为A0、A15...A90，B0、B15......E90 点（图 5，图 6）。

（6）对同一患者的5个屈曲角度的模型分别进行以上处理，获得所有的点。

1.2.2.2 胫骨定位点的确定（图7）

X点:前交叉韧带胫骨附着处前缘中点。Y点:前交叉韧带胫骨附着处中心。Z点:前交叉韧带胫骨附着处后缘中点（注:因模型的建立是基于MR图像，因此很容易确认这3个点）。

所有的股骨点与胫骨点分别进行组合，共可获得105个组合，测量每个组合两点间的距离（图8）。

1.2.2.3 找出每一个组合在不同屈曲角度下的最大值和最小值，两者相减得到最大变化值。

1.2.3 统计学分析

所有数据以均数±标准差表示。采用统计软件SPSS13.0进行统计学分析。采用双因素方差分析对组间数据进行比较，A因素为股骨各点，剔除明显不属于等距点范围的点（这些点的均数±标准差均大于3mm），B因素为胫骨的X、Y、Z点。P<0.05认为有统计学意义。

2 结果

当膝关节从0°屈曲到120°的过程中，股骨与胫骨各点间的距离变化相当复杂，并不能用最大变化值来一概描述。其变化方向并不是单一的变长或缩短。特别是在有等距特性的点附近经常出现先缩短，后变长。而不具有等距特性的点则出现顺序的变长或缩短。所有膝关节数据的均值见图 9、10、11。

符合生理等距的组合:胫骨点为前点（X点）时的股骨等距点（以小于 3mm 为标准，下同）:A0（1.68±0.96），A15（1.58±0.96），A30（1.48±0.97），A45（2.08±0.92）。胫骨点为中点（Y 点） 时的股骨等距点:B0（2.09±0.69），B15（2.07±0.70），B30（2.05±0.71），B45（2.28±0.71）。胫骨点为后点（Z 点） 时的股骨等距点:C0（1.94±0.81），C15（1.92±0.78），C30（1.91±0.77），C45（1.97±0.77），C60（2.03±0.78）。

双因素方差分析结果:A因素为A0、A15、A30、A45、B0、B15、B30、B45、C0、C15、C30、C45、C60，B 因 素为X、Y、Z。经方差检验证实，A因素（股骨各个点）的效应显著，其统计值F=10.08，P＜0.001，具有统计学意义；B因素（胫骨各个点）的效应显著，其统计值F=63.453，P＜0.001，具有统计学意义。

3 讨论

3.1 研究现状

Hey Groves等[1]在 1917年进行了第 1例前交叉韧带重建术。Odensten等[2]在1985年首次提出了等距的概念。所谓等距是指膝关节在伸直位0°到屈曲120°范围内前交叉韧带移植物的最大长度变化等于或小于1mm，如果长度变化量过大，将导致手术失败，比如在膝关节屈曲位放入长度合适的前交叉韧带移植物，在膝关节伸直过程中两个内口间距离增加，将会受到移植物的牵拉，导致不能伸直，强力伸直的话将会导致移植物断裂，反之，如果伸直过程中两内口的距离减小，将导致移植物松弛，不能维持膝关节稳定[3，4]。多数的学者认为，绝对等距并不存在，故临床上医师多接受生理等距的概念，即在整个膝关节活动范围内，移植物的股骨和胫骨附着点之间的距离变化不超过3mm[5]。前交叉韧带重建手术中选择什么样的隧道内口才能保持等距是业界争论的焦点。Odensten等[2]认为前交叉韧带在股骨和胫骨的附着点中心就是等距点。Hefzy[6]等则认为在前交叉韧带附着点中心附近有一个带状的区域，最接近等距。Cazenave等[7]认为股骨外侧髁后缘的弧度恰好是一个圆的1/3，而这个圆的中心就是等距点。Zavras等[8]在2001年对先前有文献报道过的多种等距点进行总结，认为等距点应位于股骨Blumensaat’s线的近端末端附近，靠近“over the top”的位置。然而最新研究表明，虽然等距对于内口的选择很重要，但也不是需要考虑的唯一因素，适当倾斜的重建韧带有助于恢复膝关节的旋转稳定性[9-11]。

3.2 三维模型的优势

以往研究绝大多数是在尸体上进行，需要切除膝关节的部分稳定结构，暴露股骨髁间窝的外侧面，这样膝关节的稳定性很难维持，影响数据的可靠性。股骨髁间窝外侧面的面积很小，在上面钻孔固定钢丝难度很大，能固定的点的数量也有限。也有学者在X线片上研究，但利用二维图像研究三维空间的距离本身存在缺陷。本研究采用三维重建膝关节的方法。三维模型可以对立体空间的任意两点进行精确测量，仿佛实体上的测量，避免了在尸体上测量遇到的种种麻烦和缺陷，比如不需要切除所覆盖的组织即可深入内部测量，可以任意增加测量点。本研究利用这些测量上的便利，加大了测量点的数量，使测量点在股骨髁间窝外侧面上均匀分布，范围甚至超出了前交叉韧带原本附着点的范围，这样有利于了解整个髁间窝外侧面在运动过程中的轨迹，找出最符合等距特性的点。三维模型的立体优势还使本研究可以采用与外科手术一致的定位方法，使研究成果可以立即应用到手术中去。本研究将Blumensaat’s线分段，在纵向上进行定位，体现了外科手术中的深（deep）、浅（superficial）概念[12]。绘制围绕髁间窝中心旋转的面则在横向上进行定位，它与外科手术中的时钟定位方法完全一致。这样的定位方法外科医师容易接受，易于应用。

3.3 结果分析

通过分析图9、10、11的数据，我们发现，两点间的距离在膝关节屈曲过程中所发生的变化相当复杂。当股骨点的位置设置偏前时，距离的变化值大，变化方向呈单一的增高，比如在D面水平和E面水平（相当于Blumensaat’s线中点及以前的范围），最大变化量可达15mm以上，在这一区域放置重建韧带会导致手术失败。股骨点放置在Blumensaat’s线后半部则可能出现距离先缩短后拉长的现象，这种情况的出现可以使最大变化值明显减小。在横向方面，存在着越靠近中线等距特性越明显的趋势，比如当胫骨点为Y时，B90点的最大变化值在6mm左右，而B0点仅为2mm左右。根据Scopp等的观点，在保证生理等距的前提下选择远离中线的点作为内口是最佳的选择，这样既可以保证等距，又可以恢复膝关节的旋转稳定性。

根据生理等距的概念，A0-X、A15-X、A30-X、A45-X、B0-Y、B15-Y、B30-Y、B45-Y、C0-Z、C15-Z、C30-Z、C45-Z和 C60-Z这13个组合的最大变化值（±s）均在3mm以内，具有等距特性。也就是说在股骨髁间窝深度的后1/3范围（10～12mm）内，及左膝 0点至 2点，右膝 10点至12点之间均有可能。但这些点是否成为等距点还与胫骨点的定位有很大关系。如果胫骨点定为X点（前点），则A0、A15、A30、A45点为等距点。如果胫骨点定位 Y点（中点），则 B0、B15、B30、B45点为等距点。如果胫骨点定为 Z 点（后点），则 C0、C15、C30、C45、C60点为等距点。从中我们发现，股骨等距点并不是完全固定的，当胫骨点向前移动时，相应的股骨等距点则向后移动，如果胫骨点向后移动时，则刚好相反。这一观点与Hefzy等[6]所得的结论一致，他们认为在股骨外侧髁上存在一个条状的等距区域，这个区域是随着胫骨的位置不同而变化的，如果胫骨点后移，这个区域就会前移，而这个区域的近端移动范围比远端大。这一发现对临床手术具有指导意义，术中胫骨、股骨隧道内口的位置应该综合考虑，才能达到最佳效果。

A0、A15、A30、A45这几个股骨点虽然具有等距特性，但这几个点与股骨后缘骨皮质过于接近，有的与骨皮质相重叠，无法钻入螺钉，没有实用性。在余下的几个点中，根据Scopp等的观点，B45-Y和C60-Z这两个组合即符合等距的要求，又可恢复旋转稳定性。C60-Z这一组合所建立的韧带在前后方向上比较垂直，而B45-Y则在前后方向上比较倾斜，更有利于恢复ACL的前向稳定性。

3.4 统计学分析

通过双因素析因设计的方差分析发现，在以上可能成为等距点的范围内，股骨点和胫骨点的移动均可显著影响等距特性，而且胫骨点的显著性（F=63.453）大于股骨点（F=10.08）。也就是说，在这些范围内，胫骨点的移动对等距特性的影响更大，这与一些学者所持的意见不一致[13]，他们认为胫骨隧道内口位置对移植物长度变化的影响非常小。

3.5 问题和不足

本研究所采用的膝关节三维模型均采集自非负重状态下的膝关节，描述的是平卧位膝关节伸屈过程中的状态，尚不能反映运动中负重状态下膝关节的情况，还有待进一步的研究。

4 总结

综上所述，股骨髁间外侧面与胫骨髁间隆突间存在生理等距点。股骨、胫骨的隧道内口位置应综合考虑确定，胫骨位置若偏后，则股骨点应偏前，胫骨位置若偏前，则股骨位置应偏后。胫骨点前后移动对等距特性的影响比股骨点更大。B45-Y是推荐的重建韧带内口位置。

[1]Hey-Groves E.Operation for the repair of the crucial ligament.Lancet，1917，190（4914）:674-6.

[2]Odensten M，Gillquist J.Functional anatomy of the anterior cruciate ligament and a rationale for reconstruction.J Bone Joint Surg Am，1985，67（2）:257-62.

[3]Bylski-Austrow DI，Grood ES，Hefzy MS，et al.Anterior cruciate ligament replacements:a mechanical study of femoral attachment location，flexion angle at tensioning，and initial tension.J Orthop Res，1990，8（4）:522-31.

[4]Bradley J，Fitzpatrick D，Daniel D，et al.Orientation of the cruciate ligament in the sagittal plane.A method of predicting its length-change with flexion.J Bone Joint Surg Br，1988，70（1）:94-9.

[5]Good L，Gillquist J.The value of intraoperative isometry measurements in anterior cruciate ligament reconstruction:an in vivo correlation between substitute tension and length change.Arthroscopy，1993，9（5）:525-32.

[6]Hefzy MS，Grood ES，Noyes FR.Factors affecting the region of most isometric femoral attachments.Part II:The anterior cruciate ligament.Am J Sports Med，1989，17（2）:208-16.

[7]Cazenave A，Laboureau JP.Reconstruction of the anterior cruciate ligament.Determination of the pre-and peroperative femoral isometric point.Rev Chir Orthop Reparatrice Appar Mot，1990，76（4）:288-92.

[8]Zavras TD，Race A，Bull AM，et al.A comparative study of‘isometric’points for anterior cruciate ligament graft attachment.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2001，9（1）:28-33.

[9]Loh JC，Fukuda Y，Tsuda E，et al.Knee stability and graft function following anterior cruciate ligament reconstruction:Comparison between 11 o’clock and 10 o'clock femoral tunnelplacement.2002 Richard O’ConnorAward paper.Arthroscopy，2003，19（3）:297-304.

[10]Yamamoto Y，Hsu WH，Woo SL，et al.Knee stability and graft function after anterior cruciate ligament reconstruction:a comparison of a lateral and an anatomical femoral tunnel placement.Am J Sports Med，2004，32（8）:1825-32.

[11]Scopp JM，Jasper LE，Belkoff SM，et al.The effect of oblique femoral tunnel placement on rotational constraint of the knee reconstructed using patellartendon autografts.Arthroscopy，2004，20（3）:294-9.

[12]Amis AA，Beynnon B，Blankevoort L，et al.Proceedings of the ESSKA scientific workshop on reconstruction of the anterior and posterior cruciate ligaments.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，1994，2（3）:124-32.

[13]Mohammed A，曾炳芳，赵金忠.前交叉韧带重建术中隧道定位对移植物等距特性影响的研究.中华创伤骨科杂志，2006，8（7）:663-67.