改良三维数字技术测量股骨远端旋转力线的临床研究

李光旭，周荣，黄伟*

(1.重庆医科大学附属第一医院骨科，重庆 400016；2.重庆市永川区人民医院骨科，重庆 402160)

股骨远端旋转力线的测量是保证全膝关节置换手术成功的关键因素之一，按照旋转力线进行准确股骨远端截骨，使股骨假体适当外旋、维持膝关节屈伸平衡，以恢复健康的关节生物力学稳定。而股骨远端旋转解剖标志存在人种差异，股骨髁发育异常或髁磨损等因素也会造成股骨远端旋转力线差异；股骨假体都按照欧美的外旋3°或按异常的外旋测量结果截骨安放假体，将会导致假体旋转力线不良。如果股骨假体旋转力线不良将导致髌股关节不稳，出现髌骨轨迹不良、剪切扭转应力增加、髌前疼痛、假体磨损、松动等并发症[1-2]。因此寻求合适的测量方法和国人的股骨远端旋转参数一直是膝关节外科关注的焦点。

传统的股骨形态测量多采用X线片法和简单的CT断层法，无法准确根据股骨全长形态进行符合生物力轴视角的旋转力线参数的定位和测量，测量结果存在较大误差，并且其实际临床运用意义也不大。新近出现的以股骨机械轴参考的CT方法较为精确，得到大家的公认，广泛应用于临床。随着高分辨率薄层CT技术的发展，3D数字化重建技术能够精确模拟出股骨全长形态，并根据生物力轴对股骨远端形态进行准确的测量，不受体位限制，对个体化、精确的膝关节置换术前设计至关重要[3]。作者对传统3D技术进行改良，找到一种相对精确的基于3D数字化重建技术的股骨远端形态测量方法。本研究的目的即是以广泛采用的CT技术作为参照，探讨改良技术的可靠性。

1 临床资料及方法

1.1 研究对象 本研究选择重庆地区健康汉族志愿者22名。应用下肢全长螺旋CT薄层扫描结合三维重建技术对双侧股骨旋转对线的相关解剖及标志进行研究和测量。有关节疼痛、活动异常、任一股骨短缩或成角畸形、外伤骨折、手术、跛行步态、佝偻病、侏儒症均排除在外。该研究经过医院临床伦理委员会批准，在志愿者知情同意的情况下进行。

共22名重庆市健康志愿者中男女各11名，平均年龄(32.55±18.33)岁，平均体重(59.07±8.45)kg，平均身高(163.82±8.59)cm，平均体重指数(21.92±1.77)kg/m2。22例共扫描44个股骨样本。

1.2 扫描设备与方法 采用BrightSpeed计算机断层扫描系统(GE Medical Systems，美国)，对受试者下肢扫描范围自髂棘最高点至脚底，受试者仰卧在水平床面上，双下肢完全伸直置中立位，股四头肌完全放松，踝关节置功能位，双足并拢，足尖朝上，以髌骨作为中心点层厚0.625 mm，间隔0.625 mm，进行CT断层扫描以获取横断面的精确图像。受试者的CT扫描图像数据以“.dicom”格式保存。

将CT扫描图像数据导入Mimics 17.0软件，在视窗中得到下肢全长的冠状位、矢状位和横断位连续图像，建立三维重建立体模型。分割骨盆、股骨、髌骨、胫骨。初次造模，再次分割计算后，用区域增长方式进行二次造模。成功后再进行反复平顺，包裹，填充等处理，得到股骨全长三维立体重建模型。

股骨机械轴的建立和模型的重新分割：选择MedCAD-DrawSphere建立一个球体，充满股骨头，生成股骨头中心点(01)。在股骨远端连续横断位图像上找到股骨髁间连接处最低点，选择Circle做圆圈中心点，即为股骨远端中心点(02)，连接两中心点并延长即为机械轴线。应用软件的“reslice project”(重新切割规划)功能，建立垂直于股骨机械轴的横断位连续断层图像，同时建立三维重建立体模型(见图1)。

注：01-股骨头中心点；02-股骨远端中心点

1.3 股骨远端解剖标志点的定位和测量 断层测量法：从垂直于股骨机械轴获得的横断位连续断层图像中，裁剪包含股骨外上髁的最高点(A1)、股骨内上髁的最凹点(B1)、股骨内上髁最高点(C1)、股骨内后髁(D1)和股骨外后髁的切线最低点(E1)的几张图片，导入Photoshop软件并依次重叠、融合，形成旋转轴线A1B1，A1C1，D1E1。调整不透明度，将各层面均得以显现。连接外科上髁轴线、临床上髁轴线、股骨后髁轴线。然后用标尺工具测量各角度。所有的测量解剖标志点均由两人共同确定，观测值取3次测量的平均值(见图2)。

注：A1-股骨外上髁的最高点；B1-股骨内上髁的最凹点；C1-股骨内上髁最高点；D1-股骨内后髁的切线最低点；E1-股骨外后髁的切线最低点

改良三维测量法：在三维重建立体模型股骨正位中，内外旋转，定位股骨外上髁的最高点(A2)，股骨内上髁的最凹点(B2)，连接两点成一直线即为股骨的外科上髁轴线。然后在股骨远端的轴位图像上，透明化股骨，标出股骨内上髁最高点(C2)，股骨内后髁和股骨外后髁的切线最低点(D2和E2)，最后用Photoshop软件打开，用软件中的角度测量工具进行测量。所有的测量解剖标志点均由两人共同确定，观测值取3次测量的平均值(见图3)。

测量指标：股骨后髁角(posteriorcondylar angle，PCA)：外科上髁轴线与后髁轴线的夹角。外科上髁轴线与临床上髁轴线的夹角(angle between CEA and STEA，CSA)。髁扭转角(condyle twist Angle，CTA)：临床上髁轴线与后髁轴线的夹角。

A2-股骨外上髁的最高点；B2-股骨内上髁的最凹点；C2-股骨内上髁最高点；D2-股骨内后髁的切线最低点；E2-股骨外后髁的切线最低点

2 结 果

股骨后髁角用断层测量法测值为(3.24±1.18)°，三维测量法测值为(3.26±1.23)°，差异均无统计学意义(P>0.05)；髁扭转角用断层测量法测值为(7.11±1.06)°，三维测量法测值为(7.15±1.13)°，差异均无统计学意义(P>0.05)；外科上髁轴线与临床上髁轴线的夹角用断层测量法测值为(3.85±0.43)°，三维测量法测值为(3.92±0.41)°，差异均无统计学意义(P>0.05)。左右侧不同数据之间的比较见表1。从表1可以看出在测量PCA时，同样方法左右两侧对比差异无统计学意义。采用不同方法，左右侧数据差异无统计学意义。从表1可以看出在测量CTA时，同样方法左右两侧对比差异无统计学意义。采用不同方法，左右侧数据差异无统计学意义。从表1可以看出在测量CSA时，同样方法左右两侧对比差异无统计学意义。采用不同方法，左右侧数据差异无统计学意义。从表2可以看出，两种方法测量各角度，男女之间结果相似，差异无统计学意义。

3 讨 论

3.1 股骨远端旋转力线的重要性 为获得TKA的成功，在先不需要进行软组织松解的情况下为获得正确的轴线，股骨侧截骨需要放在一定的外旋位置上以获得屈伸间隙平衡，如果股骨假体旋转位置不良会导致屈伸间隙不平衡和髌股关节问题[4]。膝关节旋转对线是由股骨远端的解剖形态决定的，当然也受一定软组织条件的影响。如何准确快捷的获得股骨远端解剖旋转参数并指导个体化的膝关节置换一直困扰着临床手术医生。

3.2 目前获取股骨远端旋转力线的方法及其利弊 传统获取股骨远端形态参数的测量方法有X线片测量法、断层CT测量法，这两种方法存在诸多问题。如Mehdi Moghtadaei等[5]，覃承诃等[6]采用过股骨远端轴位X线片测量评估股骨远端旋转力线，但X线技术有一些弊端。a)X线是二维投影图像，股骨远端的解剖标志点不容易确定，用它来描述人体三维骨骼的特征和计算轴线位置会带来较大的误差；b)照射体位不易掌握，如果遇到股骨弧度大、旋转等畸形程度较大的患者则测量的误差更大，进而影响手术的质量。随着CT技术的发展，CT扫描骨窗像中对骨质结构显示比较清楚，很多学者[7-9]应用CT断层扫描图像对股骨远端进行测量以指导临床。在应用CT断层扫描测量中，又存在着两个问题：a)在早期应用CT断层扫描测量中，选择在同一张CT片上确认骨的解剖标志点进行测量，现在我们知道由于体位或扫描原因股骨内上髁最高点、最凹点及外上髁最高点多数出现在不同断层图像上，如果在同一张影像上测量就会存在较大测量误差；于是一些学者利用图像处理软件将多个包含解剖点的断层图像重叠在一个层面上就能取得比较准确的测量结果。b)如果CT断层扫描的方向不是垂直于下肢的机械轴，断层图像上所确定的解剖标志点往往是不正确的，其基础投视角度的差异必然带来测量角度的不准确，不能为手术截骨提供正确的参考。同时随着薄层CT技术的发展，蔡俊丰等[10]利用医学三维数字软件如Mimics等软件技术进行三维重建，扫描体位不再受限制，就可以从任意角度观察并进行测量；如以下肢机械轴来模拟手术操作的方式进行测量，能给外科术前计划提供大量的信息。确定股骨机械轴是该技术的重点。股骨机械轴向力线的定义要求股骨头中心、膝关节中心应处于一条直线上，根据Lee等[11]以及Xiao等[12]关于建立股骨头中心和标记膝关节中点即髁间窝最高点为股骨远端中心的方法，连接股骨头中心和髁间窝最高点的连线即为股骨机械轴。

在股骨远端旋转力线的测量方面，1993年Berger[13]等提出了外髁上髁轴线(Surgical transepiccondylar axis，STEA)和股骨后髁角(the posteriorcondylar angle，PCA)的概念；生物力学证明STEA接近平行于膝关节的屈伸轴线，是股骨远端旋转定位最可靠的标准[14-15]。而STEA与股骨后髁轴线(posterior condylar line，PCL)的夹角即为PCA，在股骨后髁发育正常的情况下就应该是股骨外旋截骨的角度。

3.3 本改良技术的操作要点 结合以往股骨远端测量方法，作者改良了现有的三维测量技术。作者选择垂直于股骨机械轴的断层测量法和三维测量法测量股骨远端旋转力线角度来进行比较。本研究采用数字化技术将三维重建模型垂直于股骨机械轴进行重新切割及重建，能尽最大限度模仿手术操作的视角来确立股骨远端外旋数据，两种测量方法也均在此基础上获得各项数据并确定解剖标志点。本技术的操作要点在于股骨内上髁最高点、股骨内后髁和股骨外后髁的切线最低点的确定。a)从股骨远端向股骨头侧投照，随着投照的角度不同，股骨内上髁最高点不同，形成内上髁上方嵴的弧形轨迹，股骨内后髁和股骨外后髁的切线最低点也形成两弧形轨迹；b)在垂直于下肢生物力线下，将股骨远端投射到二维的图像上，即股骨三维模型的远端轴位图像上，用Photoshop软件打开，这时往往很容易确定图像上股骨内上髁最高点和后髁线的位置，能够获得精确的角度测量数据。

表1 两种方法分别测量左右侧PCA、CTA、CSA数据比较

表2 男女角度测量值的比较

3.4 改良技术的结果分析 本研究中，作者采用两种方法测量相同旋转角的角度值间差异均无统计学意义，均能比较准确的反应股骨远端旋转角度，其中侧别、性别间差异也均无统计学意义。用三维测量法测得股骨后髁角值为(3.26±1.23)°，同黄美贤等[16]研究结果PCA(3.21±1.35)°一致，而张建雷等[17]PCA(3.54±0.61)°要稍高，可能存在区域和样本量差异所致，但都接近目前主流基于PCL的股骨侧旋转定位导板系统的平均外旋3°截骨角度[18]；但同时我们应该看到个体之间的差异性，术前需要精准测量以指导术中旋转截骨角度。Fabricio等[19]和Olcott等[20]比较了股骨内外上髁最突出点两线即CEA和STEA同股骨后髁连线PCL之间的关系，CEA和STEA在全膝关节置换中均能提供最好最稳定的股骨旋转定位方法，而两者之间存在着一定夹角。我们在三维数字技术重建模型中测得CTA为(7.15±1.13)°，CSA为(3.85±0.43)°，其结果同潘江等[21]测量结果接近。在测量中我们也发现个体间CTA偏离幅度较大，CSA幅度较小，因此借助于后髁做外旋截骨时应同时参照外科上髁轴线进行，特别是股骨后髁明显磨损、骨赘增生、髁发育或磨损不对称的情况。

综上所述，改良三维测量法能得到精确的股骨远端旋转角度参数，可得到与CT测量法相似的结果，两种方法测量数据无明显差异。经本研究证实，新改良方法得到结果可靠，同时操作简单、形象直观、耗时明显缩短，可指导临床应用。目前三维数字化技术飞速发展，提供了很好的便捷的股骨远端形态测量方法，还需要进一步将数据和软件结合服务于临床，为各类膝关节疾病患者的测量评估和个体化治疗设计提供科学、便捷、精准的技术帮助。