保留前后交叉韌帶的膝關節假體相關羊脛骨近端解剖研究

何沛恒 徐棟梁 左建偉 李帥華 瓦慶德 (中山大學附屬第一醫院關節外科，廣東 廣州 510080)

幾乎所有膝關節疾病的終末期必須通過人工膝關節置換手術來解決。隨著老年人口的比例快速增長，近年接受膝關節置換的老年患者逐年快速增加。幾乎所有全膝關節假體設計均切除了前交又韌帶或前后交又韌帶，而臨床研究認為保留前后雙叉韌帶膝關節假體的生物力學上更接近于正常人體的膝關節〔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、關節線改變等問題〔3，4〕，因此克服以上缺點的保留前后叉韌帶的假體需進一步改良和設計。研究者常使用羊膝關節模型代替人膝關節，但羊膝關節模型與保留前后交叉韌帶假體設計相關的解剖，特別是脛骨近端未曾見到過詳細的報道和研究。隨著計算機輔助三維重建技術廣泛應用于醫學領域，為解剖測量提供了精確的方法。本實驗通過對正常膝關節三維數字化模型及羊的膝關節三維數字化模型進行相關的脛骨近端形態學的測量比較分析，驗證在假體設計過程中應用羊膝關節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，體質量40～50 kg。

1.2 方法

1.2.1 圖像采集 掃描體位為人膝關節自然伸直并外旋10°～15°，羊膝關節屈曲30°(羊的中立位)。CT掃描設備 Siemens/Sensation 16(西門子公司，德國)，成像掃描參數為:120 kV，27 mA，層厚0.625 mm，每層為512×512像素。磁共振機設備為GE 1.5T超導型磁共振機(General Electric Company，通用電氣公司，美國)。選擇掃描矢狀位3D(three-dimensional，三維)質子密度加權成像序列。成像掃描參數為:TR(重復時間)=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(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標準存儲的膝關節CT、MRI斷層影像數據在電腦(操作系統Windows 7)上導入醫學有限元仿真軟件Mimics 10.01(Materialise公司，比利時)進行圖像分割與三維重建。依靠CT斷層影像數據建立膝關節骨骼模型，使用MR斷層影像數據建立膝關節骨骼及韌帶模型，并利用Mimics 10.01軟件的融合功能將兩個模型進行融合，最終重建出完整的膝關節三維實體數字化模型，以stl格式導出保存。在三維圖像處理軟件Geomagic Studio 11導入膝關節三維實體數字化模型，進一步分析處理。

圖1 羊及人脛骨近端的解剖測量

1.2.3 脛骨近端解剖參數測量 測量指標為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，脛骨棘內外側結節的距離(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，后兩側采用與XY軸平面平行，脛骨后傾截骨，截骨厚度為外側關節面下10 mm。分別測量整個截骨面內外徑、前后徑、兩側截骨面的前后徑及內外徑(圖2)。

圖2 羊及人脛骨近端截骨后的解剖測量

1.3 統計學分析 所有數據均為雙尾，應用SPSS12.0軟件進行統計學分析，采用t檢驗。

2 結果

2.1 脛骨近端及截骨后的解剖參數均值及標準差 羊膝關節前后交叉韌帶寬度及脛骨棘的前后徑約為人膝關節的2/5(表1)，截骨后前后徑及內外徑約為人膝關節1/2(表2)，兩者具有較高的類似性。羊及人膝關節的內外側截骨面顯示類似的非對稱性。

2.2 羊與人的內外徑與前后徑比值的差異 見表3。羊膝關節與人膝關節內側截骨面具有類似的橢圓結構(0.55 vs 0.54，t=1.47，P=0.13)，但外側截骨面內外徑與前后徑比值大于人膝關節(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(± s，mm)

表1 羊及人的脛骨近端的解剖參數(± s，mm)

解剖參數 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脛骨棘內外側結節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(± s，mm)

表2 羊及人的脛骨近端截骨后的解剖參數(± s，mm)

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

表3 羊與人的內外徑與前后徑比值的比較(±s)

表3 羊與人的內外徑與前后徑比值的比較(±s)

參數 人 羊 P值脛骨內側平臺內外徑/前后徑0.54±0.23 0.55±0.40 0.13脛骨外側平臺內外徑/前后徑 0.74±0.31 0.89±0.32 0.02脛骨平臺內外徑/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節假體可以獲得更好的膝關節力學與膝關節本體感覺〔5〕，增加膝關節的屈曲度，從而改善整個置換術后膝關節的功能。但手術技術難度增加，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節假體在臨床上應用和推廣。故如何在不損傷韌帶的基礎上盡量增加假體的錨定面積還需要在設計上不斷改進和發展。而在常用的馬蹄型假體植入的基礎上增加脛骨棘間橫行支持可能是其中的解決方法之一。因為羊膝關節在解剖及生物力學上類似人膝關節〔6，7〕，相對于其他大型動物，羊更容易飼養及實驗操作處理，因而常被用作人膝關節的動物模型〔8〕。文獻已報道關于使用羊膝關節進行骨性關節炎、交叉韌帶重建的研究〔9～11〕。在保留前后交叉韌帶的膝關節假體設計過程中，羊膝關節能否作為相應的動物模型，關鍵在于其需具備類似的解剖特征，但目前與假體相關解剖測量，特別是脛骨近端未曾見到過詳細的報道。以CT、MRI影像數據為基礎的計算機輔助三維重建技術可高度真實還原人體的解剖結構，立體直觀，計算機軟件對解剖參數的測量也減小了人為因素的誤差，并可在三維空間中準確定位和測量各種三維數據。本實驗利用minics軟件重建出羊及人相應的膝關節模型，并進行與假體相關的脛骨近端的解剖測量，量化的結果顯示前后交叉韌帶寬度及脛骨棘的前后徑約為人膝關節的2/5，提示應用保留前后交叉韌帶的膝關節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構上，兩者具有較高的類似性。保留前后交叉韌帶的假體與常規假體最大區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節作為假體設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鍵因數之一〔12〕，因而設計合適的假體必須精確測量截骨面的形態。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〕。本實驗中人膝關節結果提示外側截骨面的前后徑短于內側的前后徑，內側截骨面的內外徑短于外側的內外徑，因而保留前后交叉韌帶的假體同樣需要非對稱性的設計。羊膝關節的內外側截骨面的測量結果顯示類似的非對稱性。研究認為，內外徑與前后徑比值決定脛骨假體的形狀及型號的選擇〔11〕。正常人的膝關節內側的比值小于外側，所以內側截骨面理論上應更“橢圓”。羊膝關節與人膝關節內側截骨面具有類似的橢圓結構，但外側截骨面內外徑與前后徑比值大于人膝關節，造成此現象的原因在于羊外側脛骨平臺前緣有趾長伸肌經過形成的凹陷造成外側脛骨平臺前后徑的減少。同時前緣凹陷造成前外側的相對突出，而且大部分羊膝關節缺乏腓骨引起外側脛骨平臺后外側明顯突出，假體安裝后無法覆蓋兩個突出面，因此在分析羊膝關節模型時需考慮“覆蓋不足”引起的誤差。

總之，本實驗對正常人及羊的膝關節進行了建模，并模擬截骨后進行保留前后交叉韌帶假體相關的解剖形態測量，結果顯示羊膝關節脛骨近端與人膝關節具有較高的類似性，為進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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