胫骨高位截骨术相关角度的X线片测量及3D重建测量差异分析

吴厦，王君玲，曹光磊，安帅，杨光中，王研农

(1.首都医科大学宣武医院骨科，北京 100053；2.清华大学附属北京清华长庚医院，北京 102218；3.北京纳通医学科技研究院有限公司，北京 100094)

随着中国社会老龄化的加剧，膝骨关节炎患者数量与日俱增[1]。然而与过去不同的是，随着社会进步及民众就医意识的提高，越来越多的早中期骨关节炎来院就诊。早期骨关节炎的进展多以内侧间室的磨损开始，称之为前内侧骨关节炎(anteriomedial osteoarthritis，AMOA)[2]。然而，不同原因引起的AMOA合并内翻畸形所对应的最佳手术方案也存有争议[3-6]，一般认为，当内翻畸形主要来源于关节内磨损时宜选用单髁关节置换术(unicompartmentknee arthroplasty，UKA)[7]，当内翻畸形来源于胫骨内翻畸形时，胫骨高位截骨术(high tibial osteotomy，HTO)则是更好的选择[3，5]。准确的膝关节周围解剖角度测量是评定关节畸形来源的关键所在，尤其是对于HTO，精准的角度计算直接影响着术后关节功能及预后。在众多的解剖角度中尤以后倾角、股骨远端外侧角及胫骨近端内侧角对膝关节的影响最为重要。

对于HTO的术前预案，目前公认的测量方法是采用站立位下肢全长X线片直接测量，这种传统方法存在其弊端。首先，国内目前为止少有下肢全长X线片一次投照即可成像，多是由多张多次的拍摄后拼接完成[8-9]，这就导致X线片本身存在误差。其次，任何的膝关节X线片都无法保证绝对的中立位，微小的旋转、倾斜及内外翻等都会带来接下来测量的巨大误差。而采用CT数据3D重建后进行相关测量即可有效避免上述情况的发生[10]。

目前，国内外还没有对3D重建测量与普通下肢全长X线片测量的比较研究，本研究旨在验证普通X线片测量与3D重建测量在HTO术前测量之间是否存在差异。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选取我院骨科2016年6月至2018年7月拟行HTO的22例内侧单间室骨关节炎患者，共计23膝，因我院行3D打印截骨导板辅助HTO技术，所有患者术前均行下肢全长X线片及下肢全长CT平扫，其中男6例，女16例；年龄60.9岁。平均BMI 28.4 kg/m2。

1.2 纳入与排除标准 纳入标准：a)术前有标准下肢全长X线片；b)术前有下肢全长CT薄扫(64排螺旋CT机(GE，美国)，扫描范围包括股骨头至踝穴，层厚1 mm，电压120 kV，电流200 mA)；c)屈曲畸形<10°；d)膝关节内侧间室病变，外侧软骨和半月板功能正常。排除标准：a)屈曲畸形≥10°患者；b)累及多间室的重度骨关节炎患者；c)患类风湿性关节炎、患骨肿瘤或Paget病。

1.3 测量方法 3D测量方法：将CT得到的断层图像保存为DICOM格式并导入CAD医学图像处理软件Mimics 20.0中，进行股骨、胫骨表面重建、网格划分和初步结构优化，并以STL格式输出至geomagics studio 2013中进行噪音去除、孔洞修复以及面片数量优化，在Creo 2.0中设置冠状位、矢状位及水平位。取胫骨冠状位重建象，胫骨平台最内侧及最外侧两点连线与胫骨机械轴夹角定义为胫骨近端内侧角(medial proximal tibia angle，MPTA)(见图1)，在胫骨矢状位，胫骨内侧平台中心点前后缘连线与机械轴垂线的夹角定义为胫骨平台后倾角(posterior slope angle，PSA)(见图2)。取股骨冠状位重建像，股骨内外髁最远点连线与股骨机械轴的夹角定义为股骨远端外侧角(lateral distal femoral angle，LDFA)(见图3)。

普通X线片测量方法：在标准下肢全长片上，取正位像，其中胫骨平台切线与胫骨机械轴夹角定义为MPTA[11](见图4)，股骨远端内外髁关节面连线与股骨机械轴夹角定义为LDFA[11](见图5)，取下肢全长侧位片，胫骨内侧平台切线与胫骨机械轴垂线夹角定义为PSA[12](见图6)。

所有数据由两位骨科医生分别按照每一位患者测量MPTA，LDFA，PSA的顺序测量完所有23例样本。而后两位医生所得数据之间取平均值。

2 结果

通过X线测得MPTA为(84.5±3.9)°，与3D重建后测量的MPTA(82.0±3.1)°差异有统计学意义(P=0.02)；通过X线测得LDFA为(87.7±2.7)°，与3D重建后测量的LDFA(88.0±2.3)°差异无统计学意义(P=0.77)；通过X线测得PSA为(11.4±3.9)°，与3D重建后测量的PSA(12.5±3.5)°差异无统计学意义(P=0.35)。

3 讨论

对于早中期内侧单间室骨关节炎患者，术式的选择至关重要。然而无论是术式的选择还是手术预案的设计，相关解剖角度测量的精确性都是至关重要的一环[13]。目前，绝大部分解剖角度及力线等最常用的测量方法仍然是基于普通X线片，但是在实际临床工作中很难获得绝对满意的标准正位或侧位X线片，加之放大率的不可控性及读片人员的主观差异，都会影响我们获得准确的解剖角度，继而对后续的治疗带来不利影响。

图1 3D重建测量MPTA图2 3D重建测量PSA图3 3D重建测量LDFA

图4 X线片测量MPTA图5 X线片测量LDFA图6 X线片测量PSA

Jones等[10]在其文章中提出基于CT扫描的3D重建技术还原下肢股骨及胫骨的三维图像，在此基础上进行的测量可有效避免X线片测量的相关误差。Ariumi[14]也提出类似结论，通过下肢全长CT数据进行重建，然后作相关角度及活动度的测量才能更准确地还原最真实的数据，对生物力学的研究具有着重要的意义。Rohan[15]等在其研究中提出传统的X线投射仅能将三维结构二维化，难免存在放大倍数误差、图像失真误差及投照误差等，继而导致相关临床参数的改变，而通过3D重建的方法进行测量可获得更可靠的结果。Sutter[16]等认为，普通X线片需要人为阅读，而不同读片者间的差异有可能带来后续治疗措施及治疗结果的不同。而基于正侧位X线片进行三维重建后的测量结果明显优于普通X线的测量，且测量结果完全不受投照目标位置的改变而变化，可以为下一步的诊治提供更为精确的指导。

本研究中纳入所有样本均为预行HTO手术患者，所以其MPTA均有不同程度的畸形[17-18]。通过研究结果可以看出，MPTA角在X线片测量及3D重建测量中差异有统计学意义，但是除此之外的正常解剖角度，如LDFA、PSA角在两种测量方法中没有明显差异。这在一定程度上提示我们，对于预期正常的解剖角度测量，单纯通过X线片测量即可提供相对可靠的结果，但是对于有可能存在异常的解剖角度，尤其是该角度可能影响手术选择、手术预案及术后疗效等方面，3D重建后的测量更为准确。

作者分析原因可能是异常MPTA伴早中期内侧单间室骨关节炎患者，下肢多有内翻畸形，站立时不可避免有一定程度的下肢旋转，加之下肢全长片的拍摄为多次投照拼接而成，准确度有待进一步研究，综合上述原因不可避免地带来X线片测量的不准确性，而3D重建则与之不同，基于CT扫描数据，可完全避免上述弊端，带来更为可靠的结果。

由于我院仅有3D打印导板辅助HTO手术的患者术前才会行下肢全长的CT薄扫，所以本研究在样本选择方面存在一定偏倚，虽然结果提出对异常解剖角度X线片测量的质疑，但此处仍为本研究的局限性。本实验作为单中心回顾性研究，还存在样本量较少等局限性，仍需要国内进一步大样本、多中心的前瞻性研究，为3D重建测量与普通X线片测量的差异提供理论依据。