外翻膝骨性结构的形态学及分型研究

陈文昊，周一新，刘文革

合并有外翻畸形的膝关节置换是一个具有挑战性的手术。外翻畸形约占全部膝关节置换手术的10%～15%，但这常被认为是最难处理的畸形之一［1－2］，而对外翻膝形态学的理解与手术及术后临床效果密切相关。本文收集外翻膝患者的临床资料，研究外翻膝的影像学资料，探究外翻膝畸形的主要来源及侧副韧带张力情况，为外翻膝全膝关节置换术提供参考，并提出外翻膝新的分型方法。

1 材料与方法

1.1 样本收集 收集2007年8月－2012年2月行CT 扫描的外翻膝容积性数据。纳入标准为因骨性关节炎、类风湿性关节炎、创伤性关节炎、代谢性骨病等骨科疾病导致外翻膝的成年患者。排除任何可能对外翻膝形态学结构造成影响的样本，包括累及膝关节的骨折、肿瘤、既往手术史以及扫描范围不够。共有满足条件的外翻膝畸形患者75例76膝，其中男性8例8膝，女性67例68膝，年龄中位数63岁（44～84岁），病程中位数12年（5～50年）。骨性关节炎71例72膝，类风湿性关节炎3例3膝，创伤性关节炎1例1膝。患肢受累情况为右49膝，左27膝。

1.2 三维模型建立 术前均行负重位膝关节正侧位、下肢全长像及髌骨切线位等X线检查，并在同一台螺旋CT（Aquilion 64排螺旋CT 机，Toshiba，日本Otawara公司）机器上行患侧膝关节CT 平扫，以获取膝关节容积性数据。扫描时保证患者处于仰卧位，双髋双膝尽量伸直，下肢贴近检查台，使之保持中立位且力线尽量平行于检查台面，扫描范围至少包括膝关节近端40mm 及远端40mm，扫描层厚1mm。将膝关节X线平片及CT 容积性数据导入医学图像处理软件MIMICS 10.1（Materialise，Leuven，Belgium），重建膝关节三维模型，对患者的影像学资料进行图片处理及测量，并获取相关数据。软件提供4个窗口，分别是冠状面、矢状面和横断面界面，以及三维模型界面（图1）。

图1 MIMICS软件提供的四个界面Fig 1 Four dimensions in MIMICS

1.3 CT 数据的形态学测量 本研究中膝关节的冠状面是由矢状面上股骨的解剖轴与股骨内外侧髁的通髁线决定的，同时股骨内外侧髁的通髁线是三维坐标系的X 轴。为减少误差，在MIMICS软件内将所有的膝关节模型统一调整成标准体位后进行测量，即将外翻膝按上述坐标轴在软件中再次重建，重新摆放。在膝关节的三维重建图像中，外侧副韧带于股骨外侧髁的附着点通常表现为外上髁一个骨性突起，而内侧副韧带与股骨内侧髁的附着点通常表现为股骨内上髁内侧一个相应的骨性凹陷。膝关节的外科通髁线即为两点间的连线。对于CT 容积性数据，主要测量外科通髁线与股骨髁远端关节面切线的夹角（Distal Condylar Angle，DCA），外科通髁线与股骨髁后方关节面切线的夹角（Posterior Condylar Angle，PCA）。测量方法如图2。正常情况下，DCA 约为4°，PCA 约为3°［3－4］。当股骨外侧髁远端关节面发育不良或存在骨缺损时，应有DCA 增大；当股骨外侧髁后方关节面发育不良或存在骨缺损时，应有PCA 增大。因此，笔者把DCA＞4°定义为DCA 增大，PCA＞3°定义为PCA 增大（图3）。

图2 膝关节CT 上的参数测量Fig 2 The measurement in CT scan

图3 DCA 与PCA增大的意义Fig 3 The meaning of increased DCA and PCA

1.4 对膝关节平片二维数据的形态学测量 对于所有患者均测量股胫角（Angle between Femur and Tibia，FTA），以FTA 外翻5°～10°为正常标准，≥10°定为外翻畸形［1］。为表现膝关节的走行方向，测量股骨解剖轴与股骨远端关节面的外侧夹角（anatomical Lateral Distal Femoral Angle，aLDFA）与胫骨解剖轴与胫骨近端关节面的内侧夹角（anatomical Medial Posterior Tibial Angle，aMPTA）。命名原则是测量与解剖轴之间的夹角记为a，与轴线内侧成角为M，与外侧成角为L，与股骨（F）或胫骨（T）的近端或者远端关节走行方向的夹角分别为P或D。aLDFA 正常值为81°（79°～83°），aLDFA减小表示股骨干骺端或股骨外侧髁存在畸形，aMPTA 正常值为87°（85°～90°），aMPTA 增大表示胫骨干骺端或胫骨平台存在畸形［5］（图4）。

图4 膝关节平片上的参数测量Fig 4 The measurement in full－length view of knee

1.5 各节段畸形的量化 外翻膝可能存在畸形的节段包括股骨关节内、股骨关节外（股骨干骺端）、胫骨。具体畸形节段提供的外翻角记为角S。股骨关节内畸形记为S1，S1＝DCA－4°。股骨关节外畸形（股骨干骺端畸形）记为S2，由于aLDFA 减小值包括股骨干骺端的畸形及股骨关节内畸形，所以S2＝81°－aLDFA－S1。胫骨畸形记为S3，S3＝aMPTA－87°。由于多数患者的外翻膝畸形并非单一来源，而各节段畸形在总体外翻畸形中所占的比重也有所不同，因此有必要定义外翻畸形的主要来源：如果存在Sx／（S1＋S2＋S3）≥50%，则该Sx为主要外翻畸形来源。（Sx代表某一节段畸形，S1＋S2＋S3代表总体外翻畸形。若某节段畸形占总体外翻畸形超过50%，有理由认为该节段是外翻膝的主要畸形节段。）如不存在Sx／（S1＋S2＋S3）≥50%，或有两个Sx／（S1＋S2＋S3）＝50%，认为属于多节段畸形。

2 结果

2.1 股骨外侧髁的形态学测量 根据股骨外侧髁的形态学测量结果，将总体分为（1）DCA、PCA 均增大；（2）DCA 增大PCA 正常；（3）DCA 正常共3组，分别测量是否存在股骨干骺端（股骨关节外）、胫骨来源的畸形，并计算各畸形在总体外翻膝畸形中所占的比重，再次按主要畸形来源进行分组，以研究在外翻膝畸形中常见的部位，和在总体外翻膝畸形中占比重较大的部位（表1～4）。

表1 DCA 和PCA的测量结果Tab 1 The measurement results of DCA and PCA

表2 DCA、PCA 均增大的外翻膝的测量结果Tab 2 The measurement results of the valgus knee with increased DCA and PCA

表3 DCA 增大、PCA 正常的外翻膝的测量结果Tab 3 The measurement results of the valgus knee with increased DCA but normal PCA

表4 DCA 正常的外翻膝的测量结果Tab 4 The measurement results of the valgus knee with normal DCA

2.2 外翻膝的新分型 由表2～4可见，在形态学上，总体76例外翻膝按畸形位置及严重程度上的不同，又可作如下分组：a：股骨关节外畸形为主，畸形主要来源于股骨干骺端：23膝；b：股骨关节内畸形为主，畸形主要来源于股骨外侧髁发育不良或骨缺损：15膝；c：胫骨畸形为主，畸形主要来源于胫骨平台骨缺损或胫骨干骺端：20膝；d：多节段畸形，患膝多个节段存在严重程度相当的畸形：18膝。基于上述分组，如果忽略次要畸形，则按照外翻膝的病理解剖，可将外翻膝简化为如下5型（图5）。

（1）F1a型（股骨关节内畸形）：DCA 增大，PCA正常。其临床表现为膝关节伸直位外翻，屈曲位不外翻。

（2）F1b型（股骨关节外畸形）：DCA、PCA 均正常。其临床表现为膝关节伸直位外翻，屈曲位不外翻。

（3）F2型（股骨关节内畸形）：DCA、PCA 均增大。其临床表现为膝关节伸直位屈曲位均外翻。

（4）T1型（胫骨关节内畸形）：胫骨平台骨缺损，DCA、PCA 均正常。其临床表现为膝关节伸直位屈曲位均外翻。

（5）T2型（胫骨关节外畸形）：胫骨干骺端畸形，DCA、PCA 均正常。其临床表现为膝关节伸直位屈曲位均外翻。

图5 外翻膝的新分型示意图Fig 5 The new classification of the valgus knee

3 讨论

精确而详细地测量外翻膝形态学改变对外翻膝矫形手术具有重要意义。为了更好地研究外翻膝的形态学，笔者使用MIMICS软件重建外翻膝的三维模型并统一调整为标准体位进行测量，这能修正CT 扫描时体位不正造成的误差影响。此软件能清晰地给出四个界面的信息，测量方便，结果准确可靠。外翻膝常同时存在骨与软组织的问题，其骨性结构的发育不良及缺损多发生在股骨外侧髁的远端和后方，亦或胫骨平台。外翻膝可合并外侧软组织（包括髂胫束、外侧副韧带、腘肌腱、后外侧韧带等）的挛缩，伴或不伴内侧结构的松弛［6－12］。研究外翻膝的详细解剖，了解哪些结构的病变是造成外翻膝的主要原因，或者外翻膝造成了哪些结构的畸变，对于指导全膝关节置换术（Total Knee Arthro－plasty，TKA）中如何进行截骨，采用何种类型的软组织平衡方法，选用何种限制程度的假体具有重要意义。另外，对外翻膝形态学的详细研究也有助于探索外翻膝的发病规律和进展过程，从而对这一疾病有更深入的理解。

本研究中，所有样本股胫角均＞10°，总体FTA（18.4±6.3）°。由表1 可见，92.1%的患膝存在DCA 增大，其中44膝（57.9%）合并PCA 增大，说明在所收集的外翻膝中，近半数患者存在股骨外侧髁远端关节面的骨缺损或发育不良，其中近2／3的患者同时存在股骨外侧髁后方关节面的骨性结构异常。通过对于股骨干骺端和胫骨干骺端的测量，发现存在股骨干骺端畸形的患者占总体的78.9%，存在胫骨干骺端畸形的患者占总体的73.7%，均小于存在股骨外侧髁畸形的患者（92.1%）。因此股骨外侧髁畸形是在本样本中占大多数。由表2～4可见，以股骨关节外畸形为主的外翻膝占30.3%；26.3%的外翻膝患者以胫骨来源的畸形为主；虽然普遍认为股骨关节内畸形在膝外翻患者中较为常见［6－12］，只有少数患者（19.7%）的外翻畸形以股骨关节内畸形为主；另外，23.7%的患者属于多节段畸形，畸形来源比较复杂，各节段畸形严重程度也相当。

通过对外翻膝的形态学研究，提出了上述外翻膝分型，有利于在术前判断外侧副韧带的张力情况。外翻膝患者的膝关节外侧软组织可能是挛缩的，但外翻膝不一定合并外侧副韧带紧张。当患者DCA 增大，PCA 正常，而外翻畸形存在，说明股骨外侧髁远端发育不良或有骨缺损，外侧副韧带长度正常，但在伸膝时处于相对松弛状态；当患者DCA、PCA 均增大，而外翻畸形存在，说明股骨外侧髁的远端及后方均存在骨性结构的异常，此时外侧副韧带挛缩；当患者DCA 正常，而存在下肢直立位冠状面的外翻畸形，说明胫骨平台骨缺损或关节外畸形是膝外翻畸形的来源；此时若胫骨平台骨缺损存在，则外侧副韧带挛缩；若仅存在关节外畸形，则外侧副韧带长度正常，张力合适。上述机制如图5所示，当外侧副韧带挛缩时，膝关节侧副韧带框架（图中矩形框架）不再是矩形，外侧边不再平直。因此，武断地认为外翻膝一定合并外侧副韧带紧张，在术中错误地对可能并不挛缩的外侧副韧带进行松解，可能将膝关节外侧软组织过度松解，进而导致术后膝关节不稳定。术前对外翻膝患者进行上述分型，可以有效地判定外侧副韧带是否挛缩，避免这类错误的发生。

应用上述膝外翻分型在术前判断外侧副韧带的张力情况有助于术中选择合适的软组织松解顺序。在作外侧结构的松解时，判断外侧副韧带的张力情况，对于软组织松解顺序及假体选择具有重要意义。Aglietti与Engh认为：膝关节外侧的主要韧带包括外侧副韧带、弓状韧带和豆腓韧带，这些韧带都延伸止于腓骨头，仅外侧副韧带及腘肌腱起源于股骨外侧髁，并维持屈膝状态下膝关节的外侧稳定性。因此在膝外翻TKA 中，作外侧软组织松解时，松解外侧副韧带会影响膝关节稳定性。如果同时松解外侧副韧带及腘肌腱，就会出现屈膝时膝关节不稳，增加人工膝关节的翻修率。如果松解了外侧副韧带，就必须保留腘肌腱［10，13］。对于轻度的外翻畸形，可通过松解髂胫束、后外侧关节囊即可矫正［9］；但对于严重的外翻畸形，特别当外侧副韧带严重挛缩时，又不得不松解外侧副韧带，否则难以实现内外侧软组织张力的平衡［14］，或必须使用限制型假体［15－17］。以往，在术前很难判断外侧副韧带的张力情况，一般是通过术中触诊膝关节外侧各软组织结构，来判断哪些结构是挛缩的，是需要松解的，这不免使手术医师在术中处于被动地位。而采用上述外翻膝分型，在术前对外侧副韧带张力情况进行判定，事先设计出最合适的松解顺序，或预备合适的限制型假体，无疑可以使得手术效果更符合预期。

另外，利用术前影像学资料对外翻膝患者进行上述分型，容易明确外翻畸形的来源，便于采用最适宜的术式矫正畸形。对于F1a型，外侧副韧带的长度还保留完好，它在膝关节伸直位时松弛。提供固定外翻畸形的是：髂胫束、后外关节囊而不是外侧副韧带和腘肌腱。通过松解髂胫束和后外关节囊，植骨或使用金属垫片来补充股骨外侧髁远端的骨缺损就可以矫正。F1b型外翻膝实际上来自股骨髁上，畸形临近侧副韧带框架，根据畸形的严重程度、患者的年龄、术者的倾向，可以采用以下几种方法：（1）外侧髁滑移截骨，可以实现外侧副韧带的精确延长［18］；（2）对于老年、活动少的患者，行限制型假体的全膝关节置换［15］；（3）股骨髁上截骨＋全膝关节置换。F2型不论在屈曲位还是在伸直位均存在外翻，提示股骨外侧髁远端和后方均存在发育不良或骨缺损，外侧副韧带是挛缩的。此时外侧软组织松解，包括外侧副韧带甚至腘肌腱是不可避免。T 型的畸形相对少见。T1型常见于类风湿关节炎，而T2型常为医源性（胫骨高位截骨过度矫正）或胫骨干骺端或骨干骨折后的畸形愈合［19］。对于T1型可以尝试填充胫骨外侧平台的骨缺损，松解外侧软组织。但对于T2型的，通常在全膝置换的基础上还需要截骨矫正。

经典的外翻膝分型包括Hungerford 分型（1984年）、Krackow 分型（1991年）、Ranawat分 型（2004年）。Hungerford分型根据外翻关节的内侧稳定性分为二型：Ⅰ型为外侧骨缺失、短缩，外侧软组织结构紧张而内侧结构正常、关节稳定；Ⅱ型为内侧结构松弛，关节间隙增宽［20］。Krackow 分型：Ⅰ型为继发于膝关节外侧室骨缺失、外侧软组织挛缩但内侧软组织结构完整；Ⅱ型为内侧关节囊和侧副韧带复合结构明显变薄，内侧间隙增宽；Ⅲ型为继发于胫骨近端截骨矫形矫枉过正导致的严重外翻膝畸形伴胫骨近端关节线位置异常［21］。Ranawat分型：Ⅰ型为轻微的外翻畸形（＜10°），内侧软组织完好，该型最为常见；Ⅱ型为更显著（10°～20°）的外翻畸形，内侧软组织被拉伸但仍存在功能；Ⅲ型为外翻畸形超过20°，有严重的骨性畸形，内侧软组织功能丧失，最好使用限制型或铰链式假体［1］。

KrackowⅠ、Ⅱ型外翻与HungerfordⅠ、Ⅱ型相对应。KrackowⅢ型多发生在胫骨高位截骨过度矫正或胫骨干骺端、胫骨骨干骨折后的畸形愈合，相当于上述新分型的T2型，该型膝关节内外侧软组织在通常情况下都是完好的。该型患者通常需要在全膝置换的基础上进行截骨矫正，治疗方法较其他外翻膝分型区别较大。Hungerford 分型与Krackow 分型主要依据外翻关节的内侧稳定性划分。其意义在于，膝外翻可能造成膝关节内侧结构拉伸及薄弱，这可导致整个膝关节的不稳定。判定膝关节内侧结构是否存在松弛，可以决定术中是否需要选择髌旁内侧入路对内侧结构进行处理或重建，或可能需要植入限制型假体。换言之，Hungerford分型与Krackow 分型对临床的指导意义在于：通过判断内侧副韧带的张力情况，在某种程度上决定了手术方法的不同选择（是否需要做内侧软组织松解、是否需要使用限制型假体、是否需要在关节置换的基础上加做截骨矫正）。但Hungerford 分型与Krackow 分型对外翻畸形的具体来源及外侧副韧带的张力情况考虑不足，膝外翻并非仅来源于股骨外侧髁的骨性结构异常，外翻膝的外侧副韧带也并不一定总是挛缩的。

Ranawat分型主要依据外翻畸形的程度与内侧副韧带的松弛程度进行划分。与前两种分型相比，Ranawat分型继承了以内侧副韧带张力进行分型的优点，即根据内侧副韧带的松弛程度可以针对性地采用不同的手术方法。同时，Ranawat分型引入外翻角，更加直观地评估外翻膝的严重程度，类似于临床的常用分级。但同样也存在对外翻畸形的具体来源及外侧副韧带的张力情况考虑不足的缺点。

外翻膝的新分型与经典的外翻膝分型相比，其优点在于：（1）从三维的角度考虑股骨外侧髁的发育不良；（2）可以方便地明确外翻畸形的来源，便于采用最适宜的术式矫正畸形；（3）可以进一步推断外侧副韧带的张力，有助于术中选择合适的软组织松解顺序。其缺点在于并不包含内侧软组织结构张力情况的判断。因此，既往的外翻膝分型多依据内侧副韧带的松弛程度分型，抓住了"内侧副韧带松弛"这一外翻膝的共性，根据内侧副韧带张力情况的不同来指导手术选择。而外翻膝的新分型更着重于描写外翻膝的个性，行全膝关节置换术前应用该分型在术前对膝外翻病人进行划分，可以采取个性化的术式，根据患者个体外翻膝形态学改变的不同，对提供外翻畸形的每个节段分别进行针对性的处理。本分型在临床中已得到初步应用，收到了预期的效果.但仍需临床积累更多病例，以进一步验证。因此，本研究对外翻膝骨性结构的形态学进行精确测量，发现股骨外侧髁的畸形是膝外翻的最常见畸形。但通常并非外翻膝的最严重畸形；股骨外侧髁、股骨干骺端、胫骨干骺端都可能成为外翻畸形的主要来源。笔者在此基础上提出了外翻膝的新分型，可以在术前明确外翻畸形的来源，便于采用最适宜的术式矫正畸形；并在术前判断外侧副韧带的张力情况，有助于术中选择合适的软组织松解顺序。与以往的膝外翻分型相比，笔者认为该新分型能更好地为临床上矫正外翻膝畸形提供指导。

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