回顧性分析人工全膝關節置換術后早中期脛骨平臺骨小梁方向變化

劉明昊 何沛恒 劉勇 陳偉之 葉永恒 李偉 徐棟梁

中山大學附屬第一醫院關節外科（廣州510080）

Wolff 定律指出骨骼的結構會受到應力刺激的影響，骨小梁受到骨組織整體受力的方向影響，并沿著骨骼受力方向所排列，使之足夠承擔生物力學負荷，但不增加代謝負荷［1-2］。研究證實，動物關節周圍骨小梁角度與不同的步態角度呈相關性［3-4］。在生物力學研究中，通過模擬單位骨組織在不同受力條件下發生變化，沿著骨組織受力的方向，骨組織整體的密度、各向異性升高，證明了Wolff 定律不單是準確的，并且是敏感的［5］。

骨小梁形態學的變化可以間接反映骨骼受力的變化，對骨關節疾病的發生發展做出預測和評價［6-7］。在骨性關節炎（osteoarthritis，OA）患者中，膝關節畸形導致膝關節負荷情況的改變，從而導致骨小梁結構的改變［8］。OA 患者脛骨近端骨小梁方向較健康人排列更為豎直，且骨小梁離散加劇，垂直方向的各向異性降低［9］。研究證明，OA 患者膝關節骨小梁圖像結構與病理分級之間存在顯著的相關性，利用圖像分析骨小梁形態可以評估OA 患者的病情進展，并且具有相當的敏感度［10］。

在近期的研究中，使用ImageJ 軟件，通過X 線平片中的圖像結構張量測量OA 患者股骨遠端和脛骨近端的骨小梁方向，發現OA 患者隨著膝關節內外翻畸形，骨小梁方向隨著下肢力線的改變而改變，且兩者之間存在顯著的相關性［11］。而人工全膝關節置換術（total knee arthroplasty，TKA）后，由于手術過程中的截骨和金屬假體的植入，膝關節的力學負荷發生了劇烈的變化［12］，骨小梁如何對TKA 術后力學改變而進行重構，以及重構的程度、進行的速度和產生的結局，國內外此前尚未有研究。另一方面，目前對于TKA 術后隨訪的影像學評估基本圍繞著假體周圍骨密度的測量［13］，對于骨小梁形態學變化的定量研究，是TKA 術后的隨訪和評估一個可能的新方向。綜上所述，本研究的目的是通過對TKA 病例術后骨小梁方向變化的回顧性研究，探索脛骨假體平臺周圍骨小梁重構的原因、變化趨勢和術后早中期重塑的結局。

1 資料與方法

1.1 一般資料本研究回顧了于2012年6月至2016年5月于我院接受TKA 治療的患者。本研究經中山大學附屬第一醫院倫理委員會批準（批準文號：2011［57］），所有患者均于入院治療前知情并簽署了相應的知情同意書。收集TKA 病例術后、術后3 個月、術后1、3、5年的站立正位下肢全長X 線片。納入標準：（1）因膝關節骨性關節炎初次行TKA 治療；（2）由同一醫療組完成診療和隨訪；（3）患者自愿參與本研究，并簽署知情同意書。排除標準：（1）現存或隨訪期間有骨盆及下肢任何部位感染、腫瘤；（2）先天性和發育性畸形如先天性馬蹄內翻足，先天性髕骨脫位，發育性髖關節發育不良等；（3）伴有循環、呼吸、消化系統等嚴重慢性疾病；（4）既往或隨訪期間有影響骨代謝或運動神經系統的疾病；（5）既往或隨訪期間髖、膝關節和脊柱手術史；（6）隨訪期間因各種原因日常活動受限、長期臥床或KSS 膝關節功能評分低于50 分；（7）術中截骨較多而導致可測量區域受限；（8）文盲、有嚴重認知障礙，無自主及溝通能力。

所收集病例共術后126 例、術后3 個月104 例、術后1年58 例、術后3年35 例、術后5年17 例，具體情況見表1。在所有測量指標中，均顯示良好的觀察者信度（ICC ＞0.75）。

表1 觀察對象一般資料Tab.1 Demographic data of patients±s

表1 觀察對象一般資料Tab.1 Demographic data of patients±s

組別術后術后3 個月術后1年術后3年術后5年例數126 104 58 35 17男/女34/92 25/79 12/46 8/27 4/13年齡（歲）66.4±6.81 65.9±4.62 67.2±7.99 70.9±7.28 70.2±9.31 BMI（kg/m2）23.8±2.65 23.1±2.16 23.9±2.32 24.8±1.79 22.8±3.24

1.2 方法X 線攝片及數字圖像獲取使用Digital Diagnost Application（V1.5.3.1 Philips Medical Systems DMC，Germany）軟件所得。患者直立于固定旋轉方向支架上，以脛前束縛帶和第一、二趾間插栓將雙下肢固定于0°正位進行攝片（圖1）。數字圖像使用ImageJ 軟件進行處理和分析：（1）測量下肢力線，即股骨頭中心、股骨假體髁間窩中點連線與脛骨假體平臺中點、距骨關節面中點連線之間的夾角；（2）測量脛骨假體力線，即脛骨假體縱軸與脛骨機械軸之間的夾角；（3）選擇相應的興趣域（region of interest，ROI）：過腓骨頭頂點垂直于脛骨機械軸做垂線為下界；上界為脛骨假體；內側界為脛骨假體柄；外側界為脛骨平臺皮質骨。將所選定矩形區域上側四分之一與外側四分之一去除以排除骨贅、骨水泥和假體周圍骨溶解對測量的影響（圖2）；（4）使用ImageJ 插件OrientationJ 的OrientationJ Dominant Direction 功 能 測 量ROI 內 骨小梁方向數值，所得數值為骨小梁方向與圖像水平面間的夾角，利用此結果與脛骨機械軸、地面之間的夾角計算骨小梁方向與脛骨機械軸之間的夾角，所得結果定義為骨小梁角度（圖3）。

圖1 固定旋轉方向攝片Fig.1 Rotation-fixed plain radiograph

圖2 ROI 的選擇Fig.2 Selection of ROIs

圖3 骨小梁角度示意圖Fig.3 Diagram of trabecular orientation

每次測量由研究人員于1 周內完成，然后至少間隔1 周后再進行二次測量，由同一研究人員測量3 次，研究人員對之前的測量結果為盲。以3 次測量平均值為最終測量結果。

1.3 統計學方法所得數據使用SPSS 20.0 進行統計分析，以P＜0.05 為差異有統計學意義。利用多因素線性混合效應模型對各個隨訪時間點進行分析，因變量分別為脛骨平臺內外側骨小梁角度，自變量為術后下肢力線與脛骨假體力線，協變量為性別、年齡與BMI，病例設為隨機效應。其中骨小梁角度數據經混合效應模型殘差直方圖證實符合正態分布。隨后于各個隨訪時間點使用線性混合效應模型篩查出具有顯著效應的參數與脛骨平臺內外側骨小梁角度分別做Pearson 相關性分析。因不同隨訪時間點病例互有重合，各個隨訪時間點與上一隨訪時間點間骨小梁角度均值比較采用部分重疊樣本的t檢驗。

2 結果

2.1 TKA 術后脛骨平臺骨小梁角度變化病例脛骨平臺內側假體周圍骨小梁角度于術后3 個月自25.1°± 3.35°平均減小5.3°± 2.65°至19.8°±4.84°，于術后1年平均減小8.3° ± 3.03°）至14.8° ±6.21°，外側骨小梁角度于術后3 個月自22.1° ±4.21°平均減小4.5° ± 1.71°至17.6° ± 3.89°，于術后1年平均減小7.6°±2.43°至14.5°±5.21°，術后1年后至術后3年、5年均無顯著變化（圖4）。

圖4 術后脛骨平臺骨小梁角度變化Fig.4 Change in trabecular orientation in postoperative tibia platform

2.2 脛骨平臺骨小梁角度與術后下肢力線的關系多因素線性混合效應模型顯示，術后力線對脛骨平臺內側骨小梁角度于術后3 個月、術后1、3、5年有顯著影響（P＜0.05）；對脛骨平臺外側骨小梁角度于術后3 個月、術后1年和術后5年有顯著影響（P＜0.05），術后3年脛骨平臺外側骨小梁角度并無顯著影響。此外，脛骨假體力線和性別、年齡、BMI 等協變量對TKA 術后脛骨平臺骨小梁角度無顯著影響。利用Pearson 對各個有意義隨訪時間點的脛骨平臺骨小梁角度與術后下肢力線做相關性分析，結果見表2。

3 討論

Wolff 定律指出，骨小梁受到骨組織整體受力的方向影響，并沿著骨骼主要方向排列。OA 患者股骨遠端和脛骨近端的小梁方向與下肢力線有顯著的相關性［11］。本研究中，在術后脛骨平臺骨小梁角度和術后下肢力線間也呈現了弱至中等程度的相關性，與上述研究相符。這個相關性在手術后1年起至術后5年于脛骨平臺內側和外側均可以觀察到，意味著術后下肢力線作為TKA 手術的關鍵因素，顯著影響了TKA 術后脛骨假體周圍骨小梁的重構。有研究報道骨小梁結構在不同性別和體質量中的差異［11，14］，在本研究中，上述協變量對骨小梁方向變化并無顯著影響，但本研究所選擇的ROI 因TKA 術中截骨和假體遮擋，和上述研究有所不同。

表2 術后下肢力線與骨小梁角度的相關性Tab.2 Correlation between postoperative mechanical axis and trabecular orientation

在動物實驗中，實驗動物在被施加了異常力學負重后數周內，就可以觀察到骨小梁方向的顯著改變［4］，但并沒有探究骨小梁方向的改變會持續多久，變化的終點如何。而在本研究中，在TKA術后3 個月的早期即可以發現小梁方向的顯著變化，而在術后1年至3、5年并沒有顯著的變化，這意味著骨小梁方向的重構基本在1年內就已經完成。

OA 患者脛骨平臺骨小梁比健康人的骨小梁排列更為垂直，在靠近關節面的層面尤為明顯，這可能是關節軟骨退化和損傷的結果［9］。本研究中，脛骨內側和外側的骨小梁角度在術后顯著降低，脛骨平臺假體周圍的骨小梁向更為垂直于假體脛骨平臺的角度重塑。對于術后骨小梁方向變化，有兩個可能的原因：（1）從整體的角度，OA 患者由于膝關節內外翻畸形，脛骨平臺原本在垂直方向的所受的應力分為了側向的剪切力，而TKA糾正了患者下肢力線，恢復了脛骨平臺垂直方向上的力學負荷［12］。（2）從局部的角度，關節軟骨相當于在骨骼上提供了一個緩沖表面，減輕并延緩了骨骼所承受的應力［15］。在接受TKA 治療的患者中，關節軟骨和部分軟骨下骨被切除，而在本研究選擇的ROI 中的骨組織層與骨水泥和脛骨假體直接相鄰，相當于代替了原本軟骨下骨層面的作用。這兩個因素可能共同造成了TKA 術后骨小梁方向的改變，但它們具體的作用和機制仍需要進一步的研究。

盡管TKA 的重要目標之一是將患者下肢力線恢復至中立位，即術后MA 及脛骨假體力線小于±3°，但非中立位的術后下肢力線對TKA患者的手術效果和假體生存率是否有影響有較大的爭議［16-17］。本研究中，雖然脛骨平臺骨小梁方向與術后MA 相關，在術后早中期，術后MA 大于±3°的病例與中立位病例的骨小梁方向之間沒有顯著差異，脛骨假體力線大于±3°的病例與中立位病例的骨小梁方向之間亦沒有顯著差異。這意味著盡管TKA術后骨小梁重構的方向對術后下肢力線的改變是敏感的，但非中立位的下肢力線和脛骨假體力線在術后早中期對骨小梁重構的結局并沒有顯著影響。

本研究也存在著不足：（1）本研究中僅選擇了在隨訪終點沒有出現各種原因導致的手術失敗的患者，后續的研究應納入手術遠期的病例以及將手術效果作為相關因素進行研究；（2）盡管有研究報道了通過X 線平片測量骨小梁結構與三維測量結果之間的相關性［18］，但對下肢正位X 線平片的研究仍缺少了部分矢狀面或橫切面的信息，有可能影響測量的結果和結論，不過本研究采用固定旋轉方向攝片的病例，一定程度上減少了三維結構對測量結果的影響。在對于TKA 患者的CT 和MRI 掃描中，已不斷有研究通過改良算法、改良測量條件等方法減少了金屬偽影等因素對這些檢測手段的影響，提高了檢測的準確性和可信度［19-20］，但X 線平片作為一種簡單、經濟的工具，相對于CT、MRI 等工具仍有一定的優勢，從大規模臨床應用的角度，二維圖像骨小梁參數測量的方法具有明顯的速度、成本上的優勢，在現階段是三維檢測手段難以取代的。

綜上所述，骨小梁隨著術后下肢力線的改變而適應，在術后1年即與術后下肢力線呈現相關性，骨小梁方向可于1年內觀察到顯著的變化，整體向垂直于脛骨平臺的方向重構。當前對于TKA術后的臨床影像學隨訪和評價多局限于骨密度和假體位置參數，筆者認為，通過研究TKA 術后骨小梁形態結構的變化，可以為TKA 患者的臨床隨訪和術后評估提供一個嶄新的視角，也對TKA 假體的設計、安裝以及獲得長期穩定的假體力學性能有指導意義。