基于CT技术评估髌骨内脱犬骨骼畸形

2023-02-27乔康佳袁占奎王佳尧

畜牧兽医学报 2023年2期

乔康佳，袁占奎,*，王佳尧，石磊，王虓，张彬

(1.中国农业大学动物医学院，北京 100193; 2.北京中农大动物医院有限公司，北京 100193;3.浙江大学教学动物医院，杭州 310014)

髌骨内侧脱位(medial patellar luxation，MPL)，简称髌骨内脱，指髌骨从滑车沟向内侧发生脱位，是膝关节最常见的骨科疾病之一，常常引起不同程度的跛行、疼痛、骨关节炎。MPL在小型犬中发病率较高，近些年，大型犬MPL发病率可能在增高[1-2]。常见的发病品种包括：博美、贵宾、牛头犭更、马尔济斯、吉娃娃、蝴蝶犬、澳洲牧牛犬、斯塔福犭更、拉布拉多、波士顿犭更和约克夏。2012年，动物骨科基金会(Orthopedic Foundation for Animals, OFA)将博美犬列为髌骨内脱发病率最高的犬种，有41.2%的博美犬受到该病影响。

MPL是遗传性发育性疾病，关于髌骨内脱的发病机制已有大量报道，然而其病因尚不完全清楚。大多数病例被认为是发育性解剖结构畸形。解剖结构异常包括髋内翻、股骨四头肌移位、股骨远端内翻、股骨外扭转、胫骨近端内翻、滑车沟浅、滑车嵴和髌骨发育不全、胫骨内扭转等。此外，在中型至大型犬中，MPL与高位髌骨和相对较长的髌韧带有关[3]，而在博美、吉娃娃、玩具贵宾等小型犬中MPL与高位髌骨没有明显联系[3-4]。X线摄影是临床中常用于评估骨骼形态的影像学技术，但很容易受到摆位影响。随着国内兽医临床的发展，CT逐渐用于评估骨骼形态[5]，且相比于X线摄影，可以很大程度消除摆位的影响。

MPL的症状是高度多变的：可能是隐匿性的，不表现出明显症状；也可能表现不同程度的跛行以及后肢形态异常。一般认为有明显症状的患犬是手术干预的候选对象，而无症状的患犬是否需要进行手术目前仍存在争议[6]。目前，尚无研究评估有、无症状的髌骨内脱患犬的后肢解剖结构差异。探究两者之间的差异有助于对患犬髌骨内脱严重程度的评估，对于治疗方案的制定也有指导意义。本研究通过X线和CT检查测量MPL和正常犬的股骨和膝关节的解剖学角度，获得正常的解剖学角度，并对比了有、无症状的髌骨内脱患犬的后肢解剖结构差异，以分析两种影像学技术的一致性和优缺点。

1 材料与方法

1.1 试验动物

2020年9月—2021年4月，在中国农业大学动物医院确诊为MPL的小型犬共20例。患犬(n=20)包括10只玩具贵宾犬、4只比熊犬、3只博美犬和3只柴犬，体重2.6～14.4 kg，年龄5月龄～11岁；5只雌性未绝育犬，13只雄性未去势犬，1只雌性已绝育犬，1只雄性已去势犬。

1.2 试验设备

X线机：西班牙赛德科有限公司，动物用数字化X线机，仪器型号 MELODY PREMIUM DR，电压380 V±38 V，频率50 Hz，输入功率64 kVA，输出功率50 kW，旋转阳极。

CT机：飞利浦医疗(苏州)有限公司，16排螺旋X射线计算机断层扫描设备，仪器型号MX16-slice，电压380V，频率50 Hz，功率65 kVA。

X线影像处理工作站：E-COM e-PACS 2000 WS 医学影像工作站软件。

飞利浦CT影像处理工作站：Philips Medical Systems Nederiand B.V. 工作站软件。

1.3 试验方法

1.3.1 动物临床信息采集在中国农业大学动物医院骨科门诊中，记录MPL患犬就诊时间、品种、年龄、性别、临床症状、X线检查结果等，根据Roush(1993)的分级标准确定每条腿MPL分级。有症状的标准包括不同程度的跛行、后肢形态异常(弓腿、外旋等)。

1.3.2 动物CT扫描前的准备参与本研究的犬均在全身麻醉下进行CT检查。X线检查在正常状态下进行。

动物麻醉前禁食8 h，禁水3 h以上，根据动物体况进行术前输液。麻醉前用药包括盐酸右美托咪定 3～5 μg·kg-1、舒泰 501 mg·kg-1、布托啡诺0.2 mg·kg-1，诱导麻醉药为阿法沙龙(3 mg·kg-1)(或丙泊酚,5 mg·kg-1)，然后气管插管，异氟烷或七氟烷维持麻醉。

出苗后30～40天，抽蔓期开始，吉林省无霜期短，一般都移栽到大棚里，抽蔓后，在大棚钢筋框架上栓两条尼龙绳，起垄时，按框架的方向，起两垄，垄宽0.6～0.7米，栽苗时两垄上的苗要对齐，以便栓绳，尼龙绳栓在蔓的基部，并将蔓均匀分布于尼龙上。

1.3.3 CT扫描和X线检查将麻醉的动物侧躺在扫描床上，双后肢平行于扫描床，调节扫描床，使扫描垂直中心线处于膝关节高度水平；尽量保证髌骨位于滑车沟内，调整动物摆位，让扫描水平中心线处于膝关节中央，双侧膝关节角度呈自然位(120°)。扫描范围为髋关节至跗关节，扫描条件为120 kV管电压，100～120 mAs管电流，层厚1 mm，重建算法为骨算法。扫描完成后，将膝关节角度调整为屈曲位(90°)再次进行扫描。

X线片包括正位和侧位，尽量保证髌骨位于滑车沟内，拍摄正位片要求股骨长轴平行于髂骨长轴，股骨远端平分两侧腓肠豆，小转子适度突出皮质；拍摄侧位片要求股骨远端两侧髁对齐，无内旋。

1.3.4 分组将参与研究的患犬以单后肢为单位进行分组，根据其临床症状分为正常组、MPL无症状组、MPL有症状组；根据膝关节角度分为90°组和120°组；根据图像获得方式分为CT扫描组和X线片组；

1.4 数据测量及分析

所有膝关节的CT图像都是在窗位500 HU、窗宽1600 HU条件下进测量和分析，在多平面重建(multi-planner reformation，MPR)中测量髌韧带长度、髌骨长度、髌骨最大厚度、滑车沟最大深度；通过容积重建测量股骨远端解剖轴外侧角(anatomic latero-distal femoral angle, aLDFA)、股骨远端机械轴外侧角(mechanical latero-distal femoral angle, mLDFA)、股骨近端解剖轴外侧角(anatomic latero-proximal femoral angle, aLPFA)、股骨近端机械轴外侧角(mechanical latero-proximal femoral Angle, mLPFA)及股骨颈干角(femoral inclination angle, FIA)。

1.4.1 MPR中的测量髌骨长度、髌韧带长度与髌骨最大厚度：在MPR的冠状面和矢状面中确定髌骨的解剖长轴，髌骨解剖长轴的定义为冠状面和矢状面中髌骨最远点和最近点的连线。在MPR中得到垂直于髌骨解剖长轴的横断面作为测量面，将测量面从远端向近端移动，测量髌骨最高点到最低点的最大距离即为髌骨长度，此时在冠状面或矢状面中测量髌骨最近端到最远端的长度即为髌骨长度，髌韧带长度为髌骨远端到胫骨粗隆的长度(图1)。

A.髌骨长度、髌韧带长度的测量示意图；B.髌骨厚度的测量示意图

滑车沟最大深度：首先在MPR中确定股骨解剖轴(femoral anatomic axis，FAA)，FAA的定义为在冠状面和矢状面中股骨全长的1/2和1/3处中心的连线[7](图2A和B)。以垂直于股骨解剖轴的横断面作为测量面，将测量面从远端移动，测量滑车底到两侧滑车脊连线的最大距离即为滑车沟最大深度(图2C)。

A.冠状面；B.矢状面；C.轴状面

1.4.2 容积重建的测量将扫描得到的CT图像进行容积重建，通过图像剪裁工具仅保留下股骨部分。对股骨的3D模型在冠状面进行摆位，要求股骨在冠状面长度最大，股骨远端平分两侧腓肠豆，小转子突出股骨皮质。

确定股骨冠状面解剖轴、机械轴(mechanical axis，MA)、股骨远端参考线(distal joint orientation line，DRL)、股骨近端参考线(proximal joint orientation line，PRL)、股骨颈轴(the axis of the neck of the femur，CA)。其中股骨远端参考线(DRL)的定义为股骨两侧髁远端最大的凸点之间的连线即与股骨两侧髁相切的线[8]；机械轴(MA)的定义为股骨头的中心到股骨两侧髁远端最大的凸点连线的中点的连线[8]；股骨近端参考线(PRL)的定义为股骨头的中心到大转子近端的尖端的连线[8]；股骨颈轴(CA)的定义为股骨头中心到股骨颈处于其最窄宽度的中点的连线[8]，见图3。

FAA.股骨解剖轴；CA.股骨颈轴；FIA.股骨颈干角

PRL.股骨近端参考线；aLPFA.股骨近端解剖轴外侧角；aLDFA.股骨远端解剖轴外侧角；DRL.股骨远端参考线；mLPFA.股骨近端机械轴外侧角；mLDFA.股骨远端机械轴外侧角

1.4.3 X线图像的测量在正位片上测量aLDFA、mLDFA、mLPFA、aLPFA、FIA，在侧位片上测量髌骨长度与髌韧带长度。测量方法与CT测量相同。每个值分别测量3次取其平均值。

以上数据均通过DICOM图像处理软件RadiAnt DICOM Viewer获得。

1.5 数据分析

通过夏批洛-威尔克检验每组中膝关节屈曲角度为90°时的aLDFA、mLDFA、mLPFA、aLPFA、FIA、滑车沟深度/髌骨厚度、髌韧带长度/髌骨长度是否符合正态分布，然后检查不同分组的同一测量指标的方差齐性，确定是否可以采用参数检验。在正常组、MPL无症状组、MPL有症状组中，通过ANOVA单因素分析组间各项测量值的差异。在X线、CT组中，通过成对样本T检验进行分析各项测量值之间的差异。此外通过ANOVA单因素分膝关节在90°和膝关节在120°时髌韧带长度/髌骨厚度的差异。P<0.01表示差异极显著，0.010.05表示无显著性差异。数据分析软件为Statistical Product and Service Solutions, SPSS 26。

2 结果

2.1 病例分组

参与试验的病例共20只犬，合计40条后肢，剔除病史不清以及影像缺失和影像质量差的后肢，以单条后肢为单位，其中，正常组n=9、无症状组n=9、有症状组n=16；在比较不同膝关节伸展角度对髌韧带/髌骨长度的影响，测量了所有参与CT扫描的后肢(n=34)髌韧带长度/髌骨长度；X线和CT组中，髌韧带长度/髌骨长度n=12，其他测量值n=16。

2.2 正常组、无症状组、有症状组

正常组的滑车沟深度/髌骨厚度、aLDFA、mLDFA平均值分别为0.47±0.068、(89.7±4.1)°、(95.6±3.3)°；无症状组的滑车沟深度/髌骨厚度的平均值为0.27±0.14,；有症状组的滑车沟深度/髌骨厚度、aLDFA、mLDFA 平均值分别为0.35±0.14、(97.4±6.2)°、(101.2±6.1)°，见表1。正常组与无症状组之间的滑车沟深度/髌骨厚度存在极显著性差异(P=0.003)，其他测量值无显著性差异；正常组与有症状组之间的滑车沟深度/髌骨厚度存在显著性差异(P=0.032)，aLDFA(P=0.003)和mLDFA(P=0.004)存在极显著性差异，各组之间的其他测量值均不存在显著性差异(P>0.05)。

表1 正常组、无症状组、有症状组各测量值

2.3 不同角度髌韧带长度/髌骨长度

通过膝关节屈伸90°和120°的CT图像来评估不同屈伸角度下髌韧带/髌骨长度的差异，其中，屈曲位(90°)下髌韧带长度/髌骨长度平均值为1.60±0.21，自然位(120°)下平均值为1.64±0.22，两者不存在统计学差异(P>0.05)。

2.4 CT组和X线组

CT组和X线组的髌韧带长度/髌骨长度(P=0.001)、aLPFA(P<0.01)、mLPFA(P<0.01)存在极显著性差异，mLDFA存在显著性差异(P=0.029)，见表2。

表2 CT组、X线组各测量值

3 讨论

在对MPL犬的影像学的既往研究中，均为分析MPL等级与骨骼畸形严重程度之间关系[9-11]。然而临床中，MPL的等级与症状并非严格相关，目前还没有评估MPL犬中有症状和无症状的解剖结构的差异的报道。本研究通过CT评估有症状和无症状的MPL犬的股骨、膝关节的形态结构差异，发现有症状MPL犬更倾向于表现出股骨远端畸形。此外在本研究中，CT和X线检查在股骨、膝关节的测量值存在显著性差异。

3.1 正常组、MPL无症状组、MPL有症状组的解剖学指标的差异

参与本研究中的20只犬均为好发MPL的小型犬品种。本研究中用于评估股骨和膝关节解剖结构的指标分别为滑车沟深度/髌骨厚度、滑车沟宽度/髌骨宽度、髌韧带长度/髌骨长度、aLDFA、mLDFA、aLPFA、mLPFA、FIA。其中，滑车沟深度/髌骨厚度能够表示滑车沟的相对深度；髌韧带长度/髌骨长度表示髌骨的位置，既往研究指出，矢状面中髌骨位置越靠近滑车近端，该处的滑车沟深度相对越浅，髌骨容易向两侧脱出[12]；aLDFA、mLDFA分别为股骨解剖轴和股骨机械轴与股骨远端参考线的夹角，能够反应股骨远端内翻程度。某些研究指出MPL与髋关节内翻或髋关节外翻相关[13-14]，本研究选择了aLPFA、mLPFA、FIA等指标来评估髋关节构象。

在本研究中，正常组中滑车沟深度与髌骨厚度比值的平均值为0.47±0.07，这与Perry等[12]的研究相近。无症状和有症状组的滑车沟深度/髌骨厚度的平均值分别为0.27±0.14、0.35±0.14，不存在显著性差异，但均显著低于正常组(P<0.05)。一般认为浅滑车沟成因是在生长过程中髌骨脱位使得滑车沟软骨受到的压力减少，滑车没有正常发育。也就是说浅滑车沟是髌骨脱位作用的结果而非髌骨脱位的成因，这也解释了本研究中MPL患犬无论是否表现出明显症状，其滑车沟深度/髌骨厚度的值均远小于正常组。此外在CT的MPR中测量滑车沟最大深度时，有部分患犬患肢的滑车沟有严重骨关节炎，使得滑车沟的测量值受到影响。一些研究认为滑车沟的软骨缺损和膝关节的骨关节炎常常提示预后不良，这提示应该尽早干预MPL，避免渐进性退变对膝关节功能恢复的影响[15]。然而，髌骨并非常常位于滑车最大深度处，使用滑车沟最大深度/髌骨最大厚度作为对滑车深浅的评估可能不够准确，然而目前仍没有适当的标志物对滑车进行形态学的评估，需要进一步研究以建立更合适的方法。

除了滑车沟深度/髌骨厚度，无症状组和正常组的各项测量值均不存在统计学差异。这提示无症状的MPL患犬往往骨骼畸形程度较轻或者不存在骨骼畸形。本研究中正常组aLDFA、mLDFA的平均值分别为(89.7±4.1)°和(95.6±3.3)°，与Yasukawa等[9]的研究相近。有症状组与正常组的aLDFA(P<0.01)和mLDFA(P<0.01)存在极显著差异，这表示有症状的MPL患犬常常伴有明显的股骨远端内翻。此结果表明，有症状的MPL患犬可能需要股骨畸形的矫正。

aLPFA、mLPFA及FIA能够在一定程度上反映髋关节内翻程度[13]。本研究中的正常犬和患有MPL犬的aLPFA、mLPFA、FIA均不存在显著性差异，这与既往报道相符[9,11,16]，这表明MPL与髋关节构象无关。也有研究报道，MPL可能与髋关节内翻或者外翻相关[13,14]，但是这些研究评估髋关节内翻所用的指标FIA与本研究的定义不同，这些研究的FIA的定义在X线头尾位片中为股骨长轴最细处的中点与该处上下20 mm处中点的连线与股骨颈干轴(CA)的夹角。这可能提示该研究所用的FIA对髋关节的构象的指示更加敏感，但也可能与这些研究未使用单一品种小型犬造成的误差有关。

在中、大型犬中，MPL与髌骨高度相关，当髌韧带/髌骨长度>1.97时被认为是高位髌骨，容易发生MPL[3]。在本研究中髌韧带长度/髌骨长度在3个试验组中不存在显著性差异，同时膝关节在90°和120°时髌韧带长度/髌骨厚度不存在显著性差异，这表明在小型犬中，MPL与高位髌骨无关，并且膝关节屈伸对髌骨位置的变化影响很小，这与Wangdee等[4]的报道相同。

3.2 CT和X线摄像的差异

在兽医临床中，X线检查广泛应用于评估后肢骨骼形态，但是存在因摆位导致的测量误差。根据既往研究，CT适用于对严重骨骼畸形的评估，在评估股骨内翻和胫骨扭转比X线检查更加准确[17]。在一项大型的回顾性研究中指出，在IV级MPL组中，X线和CT在对股骨、胫骨和髌骨的骨形态评估中存在显著性差异[9]，但是也有报道指出，在准确的摆位下，X线和CT的测量值不存在显著性差异[18]。此外摆位良好的X线片和CT已被报道在大型犬中测量正常后肢的股骨远端角度是准确的[19]。本研究通过对同一组犬进行X线和CT检查，分析两种影像学技术在评估后肢畸形时的差异，确定最适合评估与MPL相关的骨骼畸形的影像学技术。

X线组在髌韧带长度/髌骨长度、aLPFA、mLPFA、mLDFA与CT组存在显著性差异，与既往报道相似[9]。两种影像技术得到的数据存在较大的差异，说明X线对骨骼畸形的评估并不准确。两组在髌韧带长度/髌骨长度的差异，可能是在拍摄X线片时髌骨和髌韧带与接收屏不平行有关。

在本研究对aLPFA、mLPFA的评估中，X线组的测量平均值分别为(98.3±8.4)°和(94.9±6.4)°，CT组测量的平均值分别为(117.9±6.8)°和(113.3±6.9)°，存在极显著性差异(P<0.01)。这是因为在X线检查摆位过程中，股骨近端比股骨远端更难以操作，轻微的摆位误差可能会导致大转子的倾斜，从而直接影响股骨的近端关节参考线，所以在评估股骨近端畸形时最好避免采用X线检查[19]。

aLDFA和mLDFA是评估股骨远端内翻的指标，CT和X线组在mLDFA上存在统计学差异，所以使用mLDFA在评估股骨远端内翻时，X线片是不准确的。而在aLDFA的测量上两组不存在显著性差异，意味着可以使用X线片测量aLDFA来评估MPL犬股骨内翻。

从放射学角度来看，通过二维图像来评估三维结构是受限制的。在X线片中，准确地测量对动物的摆位要求非常高。相比之下，CT可以评估三维骨骼形态，更准确地评估骨畸形。此外X线的轴位图很难获得，故而在轴位上进行评估的指标如滑车沟深度、股骨扭转、胫骨粗隆内侧移位只能通过CT获得。不过X线检查不需要麻醉，比较易于获得，花费较小，在MPL的初步评估上是不可替代的。