何沛恒 徐棟梁 左建偉 李帥華 瓦慶德 (中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院關(guān)節(jié)外科，廣東 廣州 510080)

幾乎所有膝關(guān)節(jié)疾病的終末期必須通過人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)來解決。隨著老年人口的比例快速增長，近年接受膝關(guān)節(jié)置換的老年患者逐年快速增加。幾乎所有全膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計均切除了前交又韌帶或前后交又韌帶，而臨床研究認(rèn)為保留前后雙叉韌帶膝關(guān)節(jié)假體的生物力學(xué)上更接近于正常人體的膝關(guān)節(jié)〔1，2〕。目前使用的保留前后叉韌帶的假體，仍存在假體的錨定面積不佳、關(guān)節(jié)線改變等問題〔3，4〕，因此克服以上缺點的保留前后叉韌帶的假體需進(jìn)一步改良和設(shè)計。研究者常使用羊膝關(guān)節(jié)模型代替人膝關(guān)節(jié)，但羊膝關(guān)節(jié)模型與保留前后交叉韌帶假體設(shè)計相關(guān)的解剖，特別是脛骨近端未曾見到過詳細(xì)的報道和研究。隨著計算機輔助三維重建技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為解剖測量提供了精確的方法。本實驗通過對正常膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型及羊的膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型進(jìn)行相關(guān)的脛骨近端形態(tài)學(xué)的測量比較分析，驗證在假體設(shè)計過程中應(yīng)用羊膝關(guān)節(jié)作為動物模型的可行性。

1 對象與方法

1.1 對象 正常中國南方漢族志愿者，共40例。既往下肢先天性和發(fā)育性畸形，均予排除。成年健康中國山羊10只，雌雄不限，2歲，體質(zhì)量40～50 kg。

1.2 方法

1.2.1 圖像采集 掃描體位為人膝關(guān)節(jié)自然伸直并外旋10°～15°，羊膝關(guān)節(jié)屈曲30°(羊的中立位)。CT掃描設(shè)備 Siemens/Sensation 16(西門子公司，德國)，成像掃描參數(shù)為:120 kV，27 mA，層厚0.625 mm，每層為512×512像素。磁共振機設(shè)備為GE 1.5T超導(dǎo)型磁共振機(General Electric Company，通用電氣公司，美國)。選擇掃描矢狀位3D(three-dimensional，三維)質(zhì)子密度加權(quán)成像序列。成像掃描參數(shù)為:TR(重復(fù)時間)=11 000 ms，TE(回波時間)=25 ms;層厚 =1.0 mm;層間距0.2 mm;回波鏈14;激勵次數(shù)(NEX)=2次;矩陣=192/320;FOV(視域)=18。并將獲得的資料按DICOM格式存入光盤保存。

1.2.2 三維重建 將按照DICOM標(biāo)準(zhǔn)存儲的膝關(guān)節(jié)CT、MRI斷層影像數(shù)據(jù)在電腦(操作系統(tǒng)Windows 7)上導(dǎo)入醫(yī)學(xué)有限元仿真軟件Mimics 10.01(Materialise公司，比利時)進(jìn)行圖像分割與三維重建。依靠CT斷層影像數(shù)據(jù)建立膝關(guān)節(jié)骨骼模型，使用MR斷層影像數(shù)據(jù)建立膝關(guān)節(jié)骨骼及韌帶模型，并利用Mimics 10.01軟件的融合功能將兩個模型進(jìn)行融合，最終重建出完整的膝關(guān)節(jié)三維實體數(shù)字化模型，以stl格式導(dǎo)出保存。在三維圖像處理軟件Geomagic Studio 11導(dǎo)入膝關(guān)節(jié)三維實體數(shù)字化模型，進(jìn)一步分析處理。

圖1 羊及人脛骨近端的解剖測量

1.2.3 脛骨近端解剖參數(shù)測量 測量指標(biāo)為X軸的方向上前后交叉韌帶寬度，脛骨棘頂部及基底部的長度，脛骨棘內(nèi)外側(cè)結(jié)節(jié)的距離(圖1)。脛骨近端截骨面的測量:利用Geomagic Studio 11的平面裁剪功能模擬截骨。先以前后交叉韌帶的邊界，與YZ軸平面平行縱向截骨，后兩側(cè)采用與XY軸平面平行，脛骨后傾截骨，截骨厚度為外側(cè)關(guān)節(jié)面下10 mm。分別測量整個截骨面內(nèi)外徑、前后徑、兩側(cè)截骨面的前后徑及內(nèi)外徑(圖2)。

圖2 羊及人脛骨近端截骨后的解剖測量

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析 所有數(shù)據(jù)均為雙尾，應(yīng)用SPSS12.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，采用t檢驗。

2 結(jié)果

2.1 脛骨近端及截骨后的解剖參數(shù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差 羊膝關(guān)節(jié)前后交叉韌帶寬度及脛骨棘的前后徑約為人膝關(guān)節(jié)的2/5(表1)，截骨后前后徑及內(nèi)外徑約為人膝關(guān)節(jié)1/2(表2)，兩者具有較高的類似性。羊及人膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)截骨面顯示類似的非對稱性。

2.2 羊與人的內(nèi)外徑與前后徑比值的差異 見表3。羊膝關(guān)節(jié)與人膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)截骨面具有類似的橢圓結(jié)構(gòu)(0.55 vs 0.54，t=1.47，P=0.13)，但外側(cè)截骨面內(nèi)外徑與前后徑比值大于人膝關(guān)節(jié)(0.89 vs 0.74，t=8.24，P＜0.05)。

表1 羊及人的脛骨近端的解剖參數(shù)(± s，mm)

表1 羊及人的脛骨近端的解剖參數(shù)(± s，mm)

解剖參數(shù) 人 羊 羊/人9.92±0.57 3.47±0.52 0.35后交叉韌帶的寬度 9.59±1.20 3.03±1.23 0.34脛骨棘頂部的前后徑 8.02±1.03 3.16±0.64 0.40脛骨棘底部的前后徑 15.19±1.71 6.58±0.66 0.43脛骨棘內(nèi)外側(cè)結(jié)節(jié)的寬度前交叉韌帶的寬度14.94±2.56 7.14±1.29 0.48

表2 羊及人的脛骨近端截骨后的解剖參數(shù)(± s，mm)

表2 羊及人的脛骨近端截骨后的解剖參數(shù)(± s，mm)

解剖參數(shù) 人 羊 羊/人44.83±3.34 22.35±1.54 0.50脛骨平臺內(nèi)外徑 69.89±4.83 38.38±2.17 0.54脛骨內(nèi)側(cè)平臺前后徑 44.70±1.44 23.30±0.63 0.52脛骨內(nèi)側(cè)平臺內(nèi)外徑 24.15±1.36 12.57±2.19 0.52脛骨外側(cè)平臺前后徑 39.89±4.26 18.29±2.76 0.47脛骨外側(cè)平臺內(nèi)外徑脛骨平臺前后徑29.47±1.73 16.83±2.76 0.55

表3 羊與人的內(nèi)外徑與前后徑比值的比較(±s)

表3 羊與人的內(nèi)外徑與前后徑比值的比較(±s)

參數(shù) 人 羊 P值脛骨內(nèi)側(cè)平臺內(nèi)外徑/前后徑0.54±0.23 0.55±0.40 0.13脛骨外側(cè)平臺內(nèi)外徑/前后徑 0.74±0.31 0.89±0.32 0.02脛骨平臺內(nèi)外徑/前后徑1.48±0.06 1.52±0.40 0.06

3 討論

保留前后交叉韌帶的膝關(guān)節(jié)假體可以獲得更好的膝關(guān)節(jié)力學(xué)與膝關(guān)節(jié)本體感覺〔5〕，增加膝關(guān)節(jié)的屈曲度，從而改善整個置換術(shù)后膝關(guān)節(jié)的功能。但手術(shù)技術(shù)難度增加，假體錨定面積的不足引起假體的早期松動和下沉等問題阻礙保留前后交叉韌帶的膝關(guān)節(jié)假體在臨床上應(yīng)用和推廣。故如何在不損傷韌帶的基礎(chǔ)上盡量增加假體的錨定面積還需要在設(shè)計上不斷改進(jìn)和發(fā)展。而在常用的馬蹄型假體植入的基礎(chǔ)上增加脛骨棘間橫行支持可能是其中的解決方法之一。因為羊膝關(guān)節(jié)在解剖及生物力學(xué)上類似人膝關(guān)節(jié)〔6，7〕，相對于其他大型動物，羊更容易飼養(yǎng)及實驗操作處理，因而常被用作人膝關(guān)節(jié)的動物模型〔8〕。文獻(xiàn)已報道關(guān)于使用羊膝關(guān)節(jié)進(jìn)行骨性關(guān)節(jié)炎、交叉韌帶重建的研究〔9～11〕。在保留前后交叉韌帶的膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計過程中，羊膝關(guān)節(jié)能否作為相應(yīng)的動物模型，關(guān)鍵在于其需具備類似的解剖特征，但目前與假體相關(guān)解剖測量，特別是脛骨近端未曾見到過詳細(xì)的報道。以CT、MRI影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計算機輔助三維重建技術(shù)可高度真實還原人體的解剖結(jié)構(gòu)，立體直觀，計算機軟件對解剖參數(shù)的測量也減小了人為因素的誤差，并可在三維空間中準(zhǔn)確定位和測量各種三維數(shù)據(jù)。本實驗利用minics軟件重建出羊及人相應(yīng)的膝關(guān)節(jié)模型，并進(jìn)行與假體相關(guān)的脛骨近端的解剖測量，量化的結(jié)果顯示前后交叉韌帶寬度及脛骨棘的前后徑約為人膝關(guān)節(jié)的2/5，提示應(yīng)用保留前后交叉韌帶的膝關(guān)節(jié)截骨過程需保留的骨塊寬度及作為安裝橫桿的梯形的脛骨棘結(jié)構(gòu)上，兩者具有較高的類似性。保留前后交叉韌帶的假體與常規(guī)假體最大區(qū)別在于保留了韌帶附著的骨塊，因此兩者的類似性說明了羊膝關(guān)節(jié)作為假體設(shè)計的動物模型的可行性。假體形狀與脛骨截骨面的匹配是假體能否獲得長期成功的關(guān)鍵因數(shù)之一〔12〕，因而設(shè)計合適的假體必須精確測量截骨面的形態(tài)。許多研究顯示非對稱性的假體更有利于假體的截骨面的覆蓋〔13，14〕。本實驗中人膝關(guān)節(jié)結(jié)果提示外側(cè)截骨面的前后徑短于內(nèi)側(cè)的前后徑，內(nèi)側(cè)截骨面的內(nèi)外徑短于外側(cè)的內(nèi)外徑，因而保留前后交叉韌帶的假體同樣需要非對稱性的設(shè)計。羊膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)截骨面的測量結(jié)果顯示類似的非對稱性。研究認(rèn)為，內(nèi)外徑與前后徑比值決定脛骨假體的形狀及型號的選擇〔11〕。正常人的膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)的比值小于外側(cè)，所以內(nèi)側(cè)截骨面理論上應(yīng)更“橢圓”。羊膝關(guān)節(jié)與人膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)截骨面具有類似的橢圓結(jié)構(gòu)，但外側(cè)截骨面內(nèi)外徑與前后徑比值大于人膝關(guān)節(jié)，造成此現(xiàn)象的原因在于羊外側(cè)脛骨平臺前緣有趾長伸肌經(jīng)過形成的凹陷造成外側(cè)脛骨平臺前后徑的減少。同時前緣凹陷造成前外側(cè)的相對突出，而且大部分羊膝關(guān)節(jié)缺乏腓骨引起外側(cè)脛骨平臺后外側(cè)明顯突出，假體安裝后無法覆蓋兩個突出面，因此在分析羊膝關(guān)節(jié)模型時需考慮“覆蓋不足”引起的誤差。

總之，本實驗對正常人及羊的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了建模，并模擬截骨后進(jìn)行保留前后交叉韌帶假體相關(guān)的解剖形態(tài)測量，結(jié)果顯示羊膝關(guān)節(jié)脛骨近端與人膝關(guān)節(jié)具有較高的類似性，為進(jìn)一步研究保留前后交叉韌帶的假體提供較好的動物模型。

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