鞠玉亮，管士偉，高建偉，魏開斌

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·論著·

三維CT重建應用于個體化全膝關節(jié)置換術的研究

鞠玉亮，管士偉，高建偉，魏開斌

【摘要】目的探討三維CT重建在個體化全膝關節(jié)置換術中應用的臨床效果，研究兩者的有機結(jié)合點，為進行標準化個體化全膝關節(jié)置換術提供依據(jù)。方法對2011年3月～2014年5月入組的72例中重度膝骨性關節(jié)炎病例行雙下肢全長CT掃描并三維建模，獲取關鍵角度和截骨數(shù)據(jù)，制定個體化截骨方案，獲得最佳下肢力線和截骨參數(shù)，將術前所得數(shù)據(jù)付諸手術操作中，分別于術前和術后第2周獲取下肢力線角與標準角度的偏差度數(shù)和美國特種外科醫(yī)院膝關節(jié)評分(HSS)數(shù)據(jù)，計算優(yōu)良率。結(jié)果術后患者的下肢力線接近理想力線，術前下肢力線角與標準角偏差度數(shù)為8.1482°±1.5957°，術后下肢力線角與標準角偏差度數(shù)為1.0627°±0.6401°，術前術后偏差度數(shù)采用配對資料t檢驗(t=13.6683，P=0.039)，具有統(tǒng)計學意義；膝關節(jié)HSS評分較高，由術前的(49.6±6.1)分提高到術后2周的(88.2±4.1)分，術后與術前相比，有統(tǒng)計學意義(P=0.041)；根據(jù)術后HSS評分進行評價，優(yōu)58例，良10例，中3例，差1例，優(yōu)良率為94.44%。結(jié)論術前三維重建膝關節(jié)，測量重要參數(shù)并制定術前規(guī)劃，能夠減少手術誤差，提高手術精度，有助于正確重建下肢力線、準確定位截骨和植入假體，為實現(xiàn)全膝關節(jié)置換術的個體化和標準化提供臨床依據(jù)。

【關鍵詞】膝關節(jié)； 置換術； CT重建

作者單位： 271000 山東，泰安市第一人民醫(yī)院骨二科(鞠玉亮，管士偉)，影像科(高建偉); 271000 山東，泰安市中心醫(yī)院骨科(魏開斌)

人工膝關節(jié)置換術不斷改進和完善，已成為治療中晚期膝關節(jié)病變的有效手術方法之一，其成功的關鍵因素是假體植入的位置和角度。目前，術者主要是借助廠家器械，通過目測或經(jīng)驗來確定下肢力線，這種人為的因素無形中增大了誤差，導致假體安裝位置的偏移，影響手術效果。筆者2011年3月～2014年5月對收治的72例中重度膝骨性關節(jié)炎患者行全膝關節(jié)置換術，術前行三維CT掃描并建模，借助ADW4.5工作站獲取關鍵角度和截骨數(shù)據(jù)，制定個體化截骨方案，將術前所得數(shù)據(jù)付諸手術操作中，術后獲取研究終點并匯總分析，探討三維CT重建在個體化全膝關節(jié)置換術中應用的臨床效果，為進行標準化個體化全膝關節(jié)置換術提供依據(jù)。

資料與方法

1一般資料

本組72例均為單膝置換，左側(cè)32例，右側(cè)40例。其中男性30例，女性42例；年齡58～79 歲，平均67.7 歲。體重為59～85kg，平均69.6kg。術前完善各項檢查，積極治療內(nèi)科病。

2研究方法

2.1術前三維建模術前行雙下肢全長(股骨頭中心至踝關節(jié)中心)CT掃描，利用ADW4.5工作站進行數(shù)據(jù)處理，建立下肢全長模型。

2.2確定下肢中心點在三維模型上，借助ADW4.5工作站多平面顯影(MPR)技術，采用Mose同心圓法，確定股骨頭中心點(圖1)，膝關節(jié)中心點以股骨髁中心點為準，踝關節(jié)中心點以距骨中心點為準，用上述方法確定出各個中心點。

2.3確定下肢力線

2.3.1股骨解剖軸是經(jīng)股骨髓腔中心的縱軸線，即股骨干的中心軸線。股骨機械軸是股骨頭中心點與膝關節(jié)中心點的連線(圖2)。

2.3.2脛骨解剖軸與機械軸脛骨機械軸：膝關節(jié)中心與踝關節(jié)中心的連線。脛骨解剖軸：經(jīng)脛骨髓腔中心所劃的縱軸線，即為脛骨干中心軸。一般來講，正常成人的脛骨機械軸和解剖軸是大致重合的(圖3)。

2.3.3下肢機械軸：從股骨頭中心向踝關節(jié)中心劃線，正常成年人下肢機械軸經(jīng)過膝關節(jié)中心點，股骨機械軸和脛骨機械軸是近似重疊的關系，膝關節(jié)有病變畸形的患者，股骨機械軸和脛骨機械軸不一定重疊(圖4)，該患者膝內(nèi)翻，下肢機械軸在膝關節(jié)中心的內(nèi)側(cè)。

2.4確定重要角度

2.4.1股骨髁外翻角股骨髁外翻角：股骨機械軸與股骨解剖軸間的夾角，正常為5°～7°，男性略小于女性。術前此患者測量出的股骨髁外翻角為5.1°(圖5)。

2.4.2股骨髁旋轉(zhuǎn)軸線和外旋角股骨旋轉(zhuǎn)軸以股骨內(nèi)外上髁連線來確定，通過三維重建尋找到insall線和股骨內(nèi)外后髁連線，獲取外旋角度數(shù)(圖6)。

2.4.3確定脛骨平臺后傾角患者內(nèi)外側(cè)脛骨平臺的后傾角度不同，本研究以內(nèi)側(cè)脛骨平臺后傾角為標準，利用ADW4.5工作站在三維重建模型上進行測量(圖7)，此患者測出的后傾角為6.2°。

2.5確定股骨髓內(nèi)定位入點術前借助ADW4.5工作站MPR多平面成像技術，通過定位冠狀面，矢狀面和水平面股骨的中心，尋找股骨髓內(nèi)定位入點。

2.6確定下肢力線角臨床上還沒有專門的機構(gòu)對下肢力線進行角度的定義，骨外科專家認為，理想的下肢力線是股骨機械軸和脛骨機械軸重合，其在膝關節(jié)中心的交角為180°，但在實際測量中，筆者發(fā)現(xiàn)這一角度存在差異，即將股骨機械軸和脛骨機械軸的夾角命名為下肢力線角。

2.7術前模擬截骨根據(jù)標準的截骨方法進行影像學截骨，獲得影像學截骨參數(shù)。

2.7.1術前確定脛骨平臺的截骨參數(shù)脛骨平臺截骨面在矢狀面上大多垂直于下肢機械軸，此截骨方法操作簡單，能夠有效避免假體傾斜，后傾角根據(jù)三維重建測得的脛骨內(nèi)側(cè)平臺后傾角度為依據(jù)，脛骨平臺截骨厚度以內(nèi)側(cè)平臺截取2mm為標準，測量外側(cè)平臺截骨厚度(圖8)。

2.7.3術前確定股骨和脛骨假體型號術前模擬截骨完成后，測量股骨遠端和脛骨平臺大小，確定股骨和脛骨假體型號。

圖1　患者男性，67歲。左膝關節(jié)骨性關節(jié)炎。MPR技術確定股骨頭中心

圖2線A：股骨解剖軸，線B：股骨機械軸圖3脛骨機械軸和解圖4下肢機械軸圖5股骨髁外翻角剖軸(A線)

圖6 股骨外旋角確定圖7脛骨平臺后傾角 圖8平臺截骨后圖9股骨遠端截骨后

3手術方法

3.1暴露腰硬聯(lián)合麻醉成功后，患者平臥位，充氣止血帶止血，取膝關節(jié)前正中入路，經(jīng)髕旁入路切開內(nèi)側(cè)支持帶、關節(jié)囊和滑膜，在屈膝過程中外翻髕骨，顯露髕股關節(jié)，切除增生的滑膜和部分髕下脂肪墊，切除半月板，徹底清除骨贅，前后交叉韌帶和其他軟組織。

3.2脛骨髓外定位并截骨脛骨髓外定位，截骨厚度以術前三維建模所得厚度為準，用2枚固定針固定截骨板，取下髓外定位系統(tǒng)，將截骨板推向脛骨，進行脛骨平臺截骨，選用術前確定的脛骨假體型號測試，確保皮質(zhì)骨的最大覆蓋，但不能超出皮質(zhì)邊緣。

3.3股骨髓內(nèi)定位并截骨屈膝90°，根據(jù)術前確定的股骨髓內(nèi)定位入點，開口擴髓，插入導向桿，根據(jù)術前測量結(jié)果選擇股骨遠端截骨導向器，通過連接器與外翻導向器組合；按術前所測得的外翻角度數(shù)進行股骨遠端標準截骨，檢查膝關節(jié)的穩(wěn)定性、伸直情況和下肢力線，選擇外旋定位系統(tǒng)，按照術前測得的外旋角度數(shù)，將四合一截骨板和滑塊組合固定，用擺鋸行股骨前后髁和斜面截骨；安裝試模，看假體大小是否合適，選擇同型號的股骨髁間截骨器行髁間廂式截骨。

3.4假體安裝利用沖洗槍徹底沖洗，攪拌并涂抹骨水泥，依次安裝術前確定的脛骨和股骨假體，清除溢出的骨水泥，將假體襯墊裝入已安裝的脛骨托，在膝關節(jié)伸直位固定，直至骨水泥凝固。

3.5沖洗縫合切口沖洗切口，止血，放置引流裝置，逐層縫合切口，無菌敷料并彈性繃帶輕微加壓包扎。

選取我院2016年7月～2018年6月我科室收治的40例腦動脈瘤患者，納入標準：患者均符合腦動脈相關診斷，并具有手術指證；排除標準：患者資料不完全，依從性差。將以上患者隨機分為觀察組及對照組，各20例，對照組男12例，女8例，年齡35～62歲，平均（47.5±1.2）歲；觀察組男11例，女9例，年齡37～60歲，平均（47.9±1.0）歲，比較分析兩組患者一般資料差異不顯著，具備組間可比性。

4療效評價的依據(jù)

下肢力線角：本研究通過測量每例患者術前術后下肢力線角與標準角偏差度數(shù)，作為一項療效評價依據(jù)。

美國特種外科醫(yī)院膝關節(jié)評分(HSS)：比較手術前后關節(jié)功能的恢復情況，全面評價髕股關節(jié)及股脛關節(jié)的運動情況，其總分是100分，其中疼痛30分、功能22分、活動范圍18分、肌力10分、屈曲畸形10分、關節(jié)穩(wěn)定性10分。其中，優(yōu)>85分，良70～84分，中60～69分，差<59分。本課題入組的病例排除了類風濕性關節(jié)炎等導致關節(jié)畸形的病例，且隨訪時間較短，所以不會隨著年齡的增長或其他疾病的影響而使身體活動功能受限及評分結(jié)果偏差影響，故選擇HSS評分并計算優(yōu)良率作為本研究的另外兩個療效評價依據(jù)。

5統(tǒng)計學方法

記錄分析72例結(jié)果數(shù)據(jù)，每個參數(shù)的獲得均由3名研究者測量，取其平均值。使用SPSS 16．0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，角度均數(shù)保留小數(shù)點后2位，評分均數(shù)保留小數(shù)點后1位，采用四舍五入法修正數(shù)值。術前術后數(shù)據(jù)采用配對計量資料t檢驗比較，P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

結(jié)果

1手術前后下肢力線角的比較

本組病例術前測得的下肢力線角范圍為170.12°～189.57°，平均為175.41°±7.11°。經(jīng)過三維重建進行個體化的膝關節(jié)置換術后，患者的下肢力線角范圍為177.54°～181.32°，平均為179.44°±1.14°，術后患者的下肢力線更接近于理想力線。術前下肢力線角與標準角偏差度數(shù)為8.1482°±1.5957°，術后下肢力線角與標準角偏差度數(shù)為1.0627°±0.6401°。術前術后偏差度數(shù)采用配對資料t檢驗，t=13.6683，P=0.039，具有統(tǒng)計學意義。

2手術前后HSS評分的比較

本組病例術前HSS臨床評分平均總分為(49.6±6.1)分，其中疼痛評分(11.1±2.8)分、功能評分(10.6±3.4)分、活動范圍評分(9.6±1.6)分、肌力評分(6.3±1.9)分、屈曲畸形評分(6.2±1.2)分、關節(jié)穩(wěn)定性評分(5.8±1.1)分；患者術后2周出院時HSS臨床評分平均總分為(88.2±4.1)分，其中疼痛評分(27.3±2.2)分、功能評分(19.6±2.5)分、活動范圍評分(15.7±1.1)分、肌力評分(8.8±1.2)分、屈曲畸形評分(8.9±1.1)分、關節(jié)穩(wěn)定性評分(7.9±0.9)分。術后與術前相比差異有統(tǒng)計學意義(P=0.041)。

3手術優(yōu)良率

本組病例術后HSS評價，優(yōu)58例，良10例，中3例，差1例，優(yōu)良率為94.44%。

討論

1人工全膝關節(jié)置換術的發(fā)展和沿革

人工關節(jié)是骨科領域在20世紀取得的重要進展之一，近十余年，隨著新理念和新材料的注入，人工關節(jié)置換術呈現(xiàn)出迅猛增加的趨勢[1]。目前，全膝關節(jié)置換術中所使用的人工假體包括標準系列和定制系列兩種[2]，其中標準系列人工關節(jié)在臨床應用較廣泛，是按照西方人膝關節(jié)的解剖參數(shù)進行設計加工，國內(nèi)使用的人工膝關節(jié)假體多為進口假體，假體不僅種類有限、費用高，而且假體參數(shù)與國內(nèi)患者膝關節(jié)匹配度不佳，符合國人的膝關節(jié)假體設計的相關參數(shù)還不完善，因此，假體很難和骨質(zhì)應力準確匹配，進而影響假體的穩(wěn)定性和手術的成功率。

人工全膝關節(jié)置換術中，假體的位置精度直接影響手術的效果。多年來，臨床專家一直致力于探索更精準更方便地確定下肢力線和股骨髓內(nèi)定位入點的方法。計算機輔助膝關節(jié)置換手術于20世紀90年代初期出現(xiàn)，最早由Leitner等于1997年提出，其原理是利用光學定位追蹤儀，通過追蹤股骨、脛骨以及踝部的解剖點來確定下肢力線[3]，但其較高的專業(yè)性和定位的單一性，成為此項研究的瓶頸。國內(nèi)學者研究了脛骨平臺聚乙烯假體的承受應力，表明膝關節(jié)假體應力分布的均勻匹配可以降低錯誤的對線損害程度，至此，虛擬解剖的重要性逐漸被國內(nèi)外的研究者們認識并了解[4]。三維重建技術始于20世紀80年代，通過計算機對CT掃描數(shù)據(jù)進行處理，獲得三維立體圖像，為臨床醫(yī)生提供個體化的膝關節(jié)解剖圖像，促使醫(yī)學技術向精確化、微創(chuàng)化及個性化方向快速發(fā)展。近幾年，三維重建的精確度和清晰度大大提高，越來越多的研究者開始追逐三維重建和醫(yī)療領域更有效的結(jié)合點。

2膝/踝關節(jié)中心的確定

臨床上，膝關節(jié)中心有5種方法可以獲得，分別為膝關節(jié)平面的軟組織中心、脛骨平臺中心、股骨髁中心、脛骨棘突中心和股骨髁間凹中心。這5個中心間的誤差最大為5mm，其中最內(nèi)側(cè)為股骨髁間凹中心，最外側(cè)為脛骨平臺中心；踝關節(jié)中心有3種方法獲得，分別為踝關節(jié)平面的軟組織中心，內(nèi)、外踝在踝關節(jié)平面間的中心和距骨中心，這3種確定踝關節(jié)中心的方法誤差僅為2～3mm。本研究為了減少誤差，更加精密準確地評價手術前后療效，分別選取股骨髁中心和距骨中心為膝/踝關節(jié)中心。

3脛骨平臺后傾角的確定

正常脛骨平臺有一定后傾斜角度(3°～10°)，因此要求術后假體關節(jié)面有一向后3°～10°的傾斜角，以方便膝關節(jié)屈曲，如果術后平臺沒有后傾，甚至出現(xiàn)前傾，屈膝就會受到限制，平臺前方應力過分集中會造成假體磨損和松動。每個患者的后傾角度存在個體化和差異化，過大過小都不利于膝關節(jié)功能的恢復，甚至會造成諸多并發(fā)癥[5]。本研究采用內(nèi)測平臺后傾角確定為脛骨平臺的后傾角，利用ADW4.5工作站在三維重建模型上進行測量。

4股骨髓內(nèi)定位點的確定

目前，多數(shù)專家[6]認為股骨髓內(nèi)定位對于股骨遠端截骨更為準確，本研究入組患者股骨無明顯解剖畸形變異，均采用股骨髓內(nèi)定位法進行定位。傳統(tǒng)手術中，髓內(nèi)定位常常是通過臨床經(jīng)驗和肉眼在術中確定，但股骨髓腔粗細不等，髓內(nèi)定位入點判斷的人為誤差均會引起誤差累及，最終導致手術失敗。本研究術前借助ADW4.5工作站MPR多平面成像技術，通過定位冠狀面、矢狀面和水平面股骨的中心尋找股骨髓內(nèi)定位入點，盡可能減少了誤差。

綜上所述，三維重建應用于全膝關節(jié)置換術中，利用CT數(shù)據(jù)重建膝關節(jié)，術前確定重要參數(shù)并制定術前規(guī)劃，將術前所得數(shù)據(jù)付諸手術操作中，有助于正確重建下肢力線，準確定位截骨并植入假體，可以減少手術誤差，提高手術精度，改善臨床效果，增加患者術后的滿意度，為實現(xiàn)全膝關節(jié)置換的個體化和標準化提供臨床依據(jù)，值得在臨床推廣使用。

參考文獻：

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(本文編輯： 黃小英)

Application of three-dimensional CT reconstruction techniques in individualized total knee replacement

JUYu-liang1,GUANShi-wei1,GAOJian-wei2，WEIKai-bin3

(1.Department of Orthopedics,First People’s Hospital of Tai’an,Tai’an271000,China； 2.Department of Imaging,First People’s Hospital of Tai’an,Tai’an271000,China;3.Department of Orthopedics,Tai’an Center Hospital,Tai’an271000,China)

【Abstract】ObjectiveTo discuss the clinical effects of using three-dimensional CT reconstruction techniques in developing individualized knee model and to explore the combining site to provide basis for the individualized knee replacement surgery. MethodsCT-scan of lower limbs of 72 cases of severe knee osteoarthritis from Mar.2011 to May 2014 were done to complete the three-dimensional model of the lower limbs. Critical angle and bone cutting data were achieved to set individualized bone cutting plan. The best power line of the lower limbs reconstruction,osteotomy parameters and placement angle of prosthesis were achieved. Data was applied during the operations. The degree of hip-knee-ankle angle and the standard deviation and HSS on the second week before and after the operation were recorded and the excellent rate was calculated. ResultsThe lower limb power lines of the patients were close to ideal power lines. The degree of hip-knee-ankle angle and the standard deviation was 8.1482°±1.5957°before surgery，while 1.0627°±0.6401° after surgery. Paired t-test was used(t=13.6683，P= 0.039)，which had statistical significance. HSS score of the knee joints was improved from (49.6±6.1) points before surgery to (88.2±4.1) points two weeks after surgery with statistical significance (P=0.041). According to the HSS score after surgery，there were 58 excellent cases，10 good，3 fair and 1 poor. The excellent and good rate was 94.44%. ConclusionThree-dimensional CT reconstruction techniques combined with measurement of important parameters and plan making before surgery can reduce mistakes and improve surgery accuracy. It is helpful to reconstruct lower limb power line correctly，cut bone accurately，and implant prosthesis. It can also provide clinical basis for realizing the individualization and standardization of total knee arthroplasty.

【Key words】knee joint; replacement; CT reconstruction

(收稿日期：2014-09-19； 修回日期： 2015-02-03)

【中圖分類號】R 684

【文獻標識碼】A【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2016.02.007

文章編號：1009-4237(2016)02-0085-04