張海龍 馮華 洪雷 王雪松 張輝 張晉 劉心 薛喆
北京積水潭醫(yī)院運動醫(yī)學科(北京 100035)
膝關節(jié)的穩(wěn)定性對于競技以及娛樂性體育運動的發(fā)揮都有著至關重要的作用,膝關節(jié)不穩(wěn)定的原因除韌帶損傷外,許多情況下還包含骨性結構畸形和力線異常,最常見的是前交叉韌帶損傷伴發(fā)的內側間室骨性關節(jié)炎及內翻畸形[1,2]。慢性的前交叉韌帶斷裂合并內翻畸形會使后外側結構受到進行性的牽拉并導致松弛,如果只采取單純前交叉韌帶重建的手術而沒有糾正內翻畸形,長期力線異常會影響前交叉韌帶重建的效果并導致骨性關節(jié)炎的發(fā)生[3-5]。前交叉韌帶重建結合內側撐開脛骨高位截骨治療前交叉韌帶損傷合并膝內翻畸形的文獻報道提示其可以改善膝關節(jié)穩(wěn)定性并延緩骨性關節(jié)炎的進展[6,7]。
然而,近些年的研究發(fā)現(xiàn)內側撐開脛骨高位截骨在矯正內翻的同時常常會意外造成脛骨平臺后傾角的增加,導致脛骨前移及前交叉韌帶張力的增加[8-11]。少數(shù)學者發(fā)現(xiàn)內側撐開時合頁軸的方向及內翻的矯正程度對脛骨平臺后傾角的改變有著重要的影響[12],然而目前對影響術后脛骨平臺后傾角改變的因素尚缺乏系統(tǒng)的研究。在本課題中,我們利用CT數(shù)據(jù)進行三維重建得到脛腓骨近端模型,并以此模擬脛骨高位截骨。通過對內側撐開矯正內翻這一過程的模擬,研究合頁軸方向與脛骨平臺后傾角改變之間的定量關系,以及內翻矯正角度對此關系的影響。該項研究有助于實現(xiàn)對內側撐開脛骨高位截骨術后脛骨平臺后傾角改變的預測,從而為優(yōu)化術前規(guī)劃、改善膝關節(jié)功能提供新的理論依據(jù)。
選擇2016年1月至2016年12月于我單位接受脛骨高位截骨的患者20人,其中男性14人,女性6人?;颊咂骄挲g44.6歲(31~57歲)。獲取患者膝關節(jié)CT數(shù)據(jù)進行三維重建。
將膝關節(jié)CT數(shù)據(jù)導入Mimics軟件(Mimics,Materialise Inc,Leuven,Belgium)進行三維重建并將重建的脛腓骨近端模型以點云形式導入MatLab軟件(Mat-Lab,the MathWorks,Inc,MA)(圖1)。
圖1 基于CT數(shù)據(jù)重建的脛腓骨近端三維模型及其點云形式
使用坐標旋轉算法使三維模型置于標準坐標系下。依據(jù)國際生物力學學會關于膝關節(jié)標準坐標系的定義,選取脛骨各截面髓腔中心點并連接,即脛骨解剖軸p并設為垂直軸z,標記脛骨平臺內外側髁(點M和點L),則通過脛骨平臺內外側髁的直線為冠狀軸x,與垂直軸和冠狀軸均垂直的直線記為矢狀軸y。以此三條軸為參照建立標準坐標系,并依據(jù)空間幾何中的坐標旋轉公式設計算法,使脛骨近端三維模型置于標準坐標系下。見圖2。
圖2 使用坐標旋轉算法使脛腓骨近端模型置于標準坐標系下
將脛腓骨近端模型分別在冠狀面及矢狀面做投影,得到模擬的前后位片和側位片,測量脛骨平臺內外側髁的連線與水平線的夾角(即脛骨平臺內翻角a)和脛骨平臺前后緣的連線與水平線的夾角(即后傾角b)。見圖3。
于脛骨內側自脛骨結節(jié)水平至外側上脛腓關節(jié)連線為截骨方向,模擬脛骨高位截骨術,合頁軸在水平面內,在其與矢狀軸夾角c分別為0°及45°情況下,坐標旋轉算法抬起近端骨折塊過度矯正內翻至外翻3°(圖4)。將矯正后的脛腓骨近端模型分別在冠狀面及矢狀面做投影,得到模擬的前后位片和側位片,測量新的脛骨平臺后傾角并計算其改變。
使用專業(yè)統(tǒng)計學軟件包SPSS17.0進行分析。對后傾角改變與內翻角矯正之間的關系使用Pearson相關分析,對合頁軸分別指向不同方向術后后傾角改變之間的比較使用配對方差分析。當P<0.05時,結果有統(tǒng)計學意義。
圖3 脛骨平臺內翻角及后傾角
圖4 內翻矯正過程中合頁軸的方向
當合頁軸與矢狀軸夾角為0°時,術后脛骨平臺后傾角改變與內翻矯正角度無線性相關(P=0.2,R2=0.17)。當合頁軸與矢狀軸夾角分別為15°,30°及45°時,術后脛骨平臺后傾角改變與內翻矯正角度均成線性相關(P=0.00,R2=0.99),回歸方程分別為y=0.23x+0.96;y=0.46x+1.71;y=0.66x+2.36。當合頁軸與矢狀軸夾角分別為0°,15°,30°及45°時,術后脛骨平臺后傾角改變隨夾角增加而增加,結果有統(tǒng)計學差異(F=897.65,P=0.00)。見圖5。
圖5 術后脛骨平臺后傾角與初始內翻角及合頁軸方向的關系
內側撐開脛骨高位截骨術可有效地矯正膝內翻畸形,但目前眾多的研究提示其術后引起的脛骨平臺后傾角的改變對膝關節(jié)矢狀面的生物力學環(huán)境造成影響[11]。本研究利用膝關節(jié)CT數(shù)據(jù)建立三維模型,并據(jù)此模擬內側撐開脛骨高位截骨術,通過對合頁軸方向的控制,研究不同內翻矯正角度條件下截骨術后脛骨平臺后傾角的改變。研究結果表明:(1)與標準矢狀位前后方向相比,合頁軸的方向指向前外側方向會導致術后脛骨平臺后傾角增加;(2)在合頁軸指向前外側時,增加內翻矯正角度會導致術后脛骨平臺后傾角增加。
內側撐開脛骨高位截骨矯正膝內翻的目的在于矯正下肢力線由通過膝關節(jié)內側間室轉移至通過外側間室,在技術上多采取過度矯正即通過Fujisawa點或矯正至外翻3°~5°[13]。術后脛骨平臺后傾角的改變情況目前缺乏定論,部分學者認為術后后傾角不變或減小[14],但多數(shù)報道提示其存在不同程度的增加[15,16]。為了消除這一負面效應,多項研究分析了造成脛骨平臺后傾角增加的因素。Noyes及Song等均認為脛骨平臺后傾角的增加與術中截骨后脛骨前緣與后緣張開程度比值相關,當該比值控制在0.5~0.67范圍內可避免脛骨平臺后傾角的增加[16-18]。Marti等的研究表明截骨時把脛骨后緣皮質完全截斷可避免脛骨平臺后傾角的增加[8]。Hinterwimmer建議術中將撐開器及鋼板的位置偏后放置可以減少脛骨平臺后傾角的增加[19]?;谏鲜鲅芯拷Y果,在術中采取的改進措施均在一定程度上降低了脛骨平臺后傾角的增加程度,但造成其脛骨平臺后傾角增加的原因仍不十分明確。
Wang[12]等于2009年提出截骨矯正時合頁軸的角度是造成后傾角增加的重要因素,當脛骨后側皮質被完全截斷而僅保留外側皮質作為合頁軸時,合頁軸的方向指向前后方向,因此內側撐開時僅在冠狀面內翻畸形;當后側皮質沒有完全截斷時,合頁軸指向前外側方向,內側撐開時會在矯正冠狀面內翻畸形的同時也引起矢狀面后傾角的改變。Moon等[20]的研究結果再次提示了合頁軸方向與后傾角改變之間的相關性。我們的研究采用模擬手術的方法,系統(tǒng)定量地分析了合頁軸與后傾角之間的關系,通過對比不同合頁軸方向條件下矯正內翻的結果,發(fā)現(xiàn)當合頁軸指向前外側時,術后脛骨平臺后傾角顯著增加。本研究的結果與上述文獻結果相一致,進一步揭示了合頁軸方向在術后脛骨平臺改變中的作用。
初始膝內翻角度與術后脛骨平臺后傾角之間的關系目前尚缺乏大宗病例的報道。少數(shù)小樣本的報道認為二者之間無相關關系[20,21]。本研究對不同合頁軸方向條件下矯正內翻的結果進行分析,當合頁軸指向前后方向(即0°)時,術后脛骨平臺后傾角與初始內翻角度無相關關系;但當合頁軸指向前外側方向時,術后脛骨平臺后傾角隨內翻矯正角度的增加而顯著增加。當合頁軸指向前外側方向,內側撐開時會在矯正冠狀面內翻畸形的同時也引起矢狀面后傾角的改變,初始內翻角度越大,需要撐開矯正的幅度也越大,因此矢狀面脛骨平臺后傾角改變也會相應增大。
本研究尚有一些不足之處:(1)本研究樣本量較小,給實驗結果帶來誤差;(2)研究中僅考慮了水平截骨,在手術操作中為增大截骨斷面的橫截面積促進骨愈合,截骨平面可能會與水平面存在一定夾角。該因素在本研究中未予探討。
內側撐開脛骨高位截骨術后脛骨平臺后傾角的變化與截骨矯正過程中合頁軸的方向及內翻矯正角度密切相關,確保合頁軸沿矢狀面前后方向是維持術后脛骨平臺后傾角不變的重要方法。