全膝關節置換術中股骨后髁個體化截骨方法與臨床應用

晏濤，張云飛，李鵬，余志勇，王慧聲，郜玉忠

(1.湖北中醫藥大學附屬襄陽市中醫醫院下肢骨科病區，湖北 襄陽 441000；2.遼寧省人民醫院骨關節中心，遼寧 沈陽 110000；3.錦州醫科大學附屬第一醫院關節病區，遼寧 錦州 121000)

全膝關節置換術(total knee arthroplasty，TKA)是治療有癥狀晚期膝骨關節炎的金標準，可顯著減少疼痛，改善關節功能[1]，15年假體生存率超過90%[2]。雖然假體設計和手術技術不斷進步，但多達20%的患者對臨床結果不滿意[3]。TKA中截骨角度錯誤已被證明是術后早期失敗和患者不滿的主要原因[4]。股骨外科上髁軸(surgical transepicondylar axis，STEA)是最接近膝關節屈伸軸的解剖學來源軸，被認為是膝關節功能的屈曲軸[5]。理論上，股骨假體的正確放置應與STEA平行[6]。雖然股骨旋轉軸的重要性得到共識，但對如何準確確定股骨旋轉截骨角度的合適方法，目前尚無共識。股骨后髁線(posterior femoral condylar line，PCL)是一條有效的參照軸線，STEA與PCL的夾角就是股骨后髁角(posterior condylar angle，PCA)，即股骨后髁截骨時需相對PCL外旋的度數，在西方一般認為是3°[7]。國人PCA與歐美人種存在明顯差異，統一參考PCL外旋3°截骨顯然是不合理的。本研究介紹一種術前精確測量PCA的方法，實現對STEA的精確定位，并以個體化測量截骨為實驗組，常規PCL外旋3°截骨為對照組，評估兩組病例術后短期臨床效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料 取6具正常國人新鮮冷凍膝關節標本為研究對象，其中男2例，女4例；年齡55～76，平均(67.2±6.1)歲；左4例，右2例。所有標本均無內、外翻畸形，未見可能因外傷所致骨質損傷，無其他肉眼可見軟組織及骨質疾患。對2017年10月至2019年5月行初次TKA的61例膝骨關節炎患者開展隨機研究，所有患者獲得知情同意，并取得醫院倫理委員會批準。比較參照PCL外旋3°(3°PCL截骨組)和術前經CT圖像重疊測量獲得的PCA進行個體化旋轉截骨(個體化測量組)的術后6個月臨床效果。納入標準：(1)因退變性骨關節炎計劃行TKA的年齡<80歲患者；(2)內外翻畸形≤15°；(3)可耐受手術。排除標準：(1)膝關節復雜畸形不適合選擇標準膝置換假體；(2)股骨遠端畸形；(3)股骨后髁有缺損；(4)翻修術；(5)膝關節外傷、手術史；(6)膝關節重度屈曲攣縮畸形；(7)嚴重的醫學失能或失去行走能力等。

其中3° PCL截骨組30例，男6例，女24例；年齡57～79歲，平均(68.2±5.2)歲；體重55～81 kg，平均(67.1±6.4)kg；膝內翻24例，外翻6例。個體化測量組31例，男9例，女22例；年齡56～78歲，平均(67.9±5.5)歲；體重53～82 kg，平均(64.8±6.5)kg；膝內翻26例，外翻5例。根據登記資料，兩組患者的性別、年齡、體重、膝關節退變畸形構成比例比較差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性(見表1)。

表1 兩組患者術前一般資料比較

1.2 標本PCA測量方法 6例膝標本，依次固定至中立位，以膝關節為中心包括近遠端內10 cm，垂直于脛骨解剖軸斷層掃描，層厚0.75 mm、增量0.7mm、持續時間5 s。利用SIEMENS syngo MultiModality Workplace(Siemens AG 2014，VE40D SL01P01)工作站，從CT掃描文件分別順序篩選出股骨外上髁最凸點、內上髁最凹點、外后髁最低點與內后髁最低點(根據人體解剖坐標系)所在4張橫斷位CT圖像，并標記出各解剖點。采取最佳圖像擬合方式，將4張圖像依次重疊：(1)股骨外上髁最凸點、內上髁最凹點所在2圖像重疊，連接股骨外上髁最凸點與股骨內上髁最凹點即STEA；(2)股骨外后髁最低點、內后髁最低點所在2圖像重疊，連接股骨內、外后髁最低點即PCL；(3)將步驟①與②重疊后圖像進一步重疊，測量PCL與STEA夾角即PCA(見圖1)。所有測量定位由同一觀測者進行3次，股骨遠端解剖標志所在最優圖層和各軸線的確定須經包括骨科、解剖及影像在內的3名研究者意見一致時方可確定。

1.3 準確性驗證 為驗證CT掃描圖像重疊技術測量PCA的準確性，實驗中對上述6例標本依次解剖，按照TKA操作步驟，依次股骨遠端電鉆開孔及截骨，分別在各標志點準確垂直置入4枚大頭針定位，深度2 mm(見圖2)。

標記后采用相同CT拍攝條件及體位，依次進行最優圖像篩選、重疊后測量，采用同樣的方法即可準確測量出解剖定位后的PCA。旨在驗證解剖并大頭針定位標記后所測得真實PCA與初次CT掃描圖像重疊后測量得到的PCA結果是否一致(見圖3)。

1.4 臨床應用 為探討個體化測量PCA方法的臨床應用效果，對61例行初次TKA的患者隨機分為兩組：3°PCL截骨組(30例)與個體化測量組(31例)，比較兩組術后6個月時短期臨床效果。兩組患者術前均常規拍攝下肢全長X線片，被隨機抽取為個體化測量截骨組患者需增加膝關節CT掃描，按照前述圖像重疊個體化測量PCA度數。

手術方法：采用標準中線切口及髕骨內側入路，使用后穩定型膝關節PS假體(Smith&Nephew公司Legion假體，美國)。外翻髕骨、切除髕下2/3脂肪墊，清理殘存半月板、前后交叉韌帶。截骨前先行膝內外側緊張攣縮軟組織松解，清除增生骨贅。股骨髓內定位，脛骨髓外定位。運用測量截骨技術先垂直脛骨機械軸行脛骨后傾截骨，后截股骨。股骨遠端旋轉截骨：(1)對照組參考PCL外旋3°截骨；(2)個體化測量組參照術前CT圖像重疊技術測量PCA度數外旋截骨，術中放置抱髁器，參照術前CT測量角度值調節至對應角度(Smith & NephewLegion假體)后，鉆孔并骨釘固定，依據釘孔安放合適尺寸的股骨四合一截骨模塊，準備截骨。所有截骨完成后，分別對軟組織平衡和下肢力線進行測試，必要時繼續調整松解。安裝股骨假體后，采用“ROM技術”確定脛骨假體旋轉，最后行脛骨平臺開髓鉆孔。取下試模，沖洗骨床，骨水泥固定大小合適的股骨與脛骨假體，安裝聚乙烯襯墊，伸直膝關節行髕骨成形及去神經化。常規放置引流，逐層縫合切口，無菌敷料加壓包扎。

兩組患者均未行髕骨置換，除股骨外旋截骨參考角度不同外，其余手術步驟相同。為保證手術技術的一致性，所有手術均由同一組醫師完成，作者協助手術。

1.5 觀察項目與方法 兩組患者均在術后6個月進行隨訪，依據美國膝關節協會評分(knee society score，KSS)、膝關節活動度(range of motion，ROM)、疼痛視覺模擬評分(visual analogue scale，VAS)等進行術后效果對照分析，尤其重點詢問患者膝前痛緩解情況。影像學檢查方法包括正側位及下肢全長位X線片，評估兩組術后假體安放的準確性及下肢力線情況。

圖1 PCA測量示意(STEA與PCL夾角)

a 解剖內外側副韌帶，顯露股骨外上髁最凸點、內上髁最凹點

b 顯露股骨遠端

c 大頭針標記

d 股骨遠端旋轉截骨導板抱髁器涂亞甲藍后，定位后髁最低點

圖3 系統自動劃線，PCA 4.8°

2 結 果

2.1 膝關節標本圖像重疊技術測量與驗證 6例膝標本經CT超薄層(0.75 mm)掃描后，股骨遠端后髁角的4個“真性”解剖標志點清晰可辨。6例膝標本初次CT超薄層掃描后，測量的PCA值為：5.2°、3.7°、4.8°、3.2°、3.6°、5.3°；解剖定位后術中測量出的PCA值為：5.1°、3.8°、4.8°、3.1°、3.5°、5.3°。6具標本結果顯示：大頭針解剖定位標記的位置正是股骨遠端旋轉定位的4個標志點，兩次PCA結果基本相同，誤差不超過0.1°。西門子CT syngo MultiModality Workplace擬合人體標準坐標系，對顯示出超細微解剖結構的4張CT圖像重疊后，系統均能精確測量PCA度數(見圖4)。

a 初次CT掃描圖像重疊后測量PCA為5.2°

b 解剖標記后圖像重疊測量PCA為5.1°

2.2 臨床應用效果評估 兩組患者均獲得術后6個月隨訪，平均隨訪時間(6.3±0.6)個月，未出現關節感染、下肢深靜脈血栓及假體周圍骨折等并發癥。術前個體化測量組PCA為2.2°～5.4°，平均(3.85±0.16)°。

TKA術后6個月兩組VAS評分比較：3°PCL截骨組評分(2.6±0.9)分，高于個體化截骨組評分(2.1±0.7)分，個體化截骨組疼痛改善明顯，兩組間VAS比較差異有統計學意義(P<0.05)。

TKA術后6個月膝關節負重位下關節ROM結果顯示：個體化測量組術后屈曲活動度(106.8±15.6)°，優于3°PCL截骨組(102.1±16.2)°，但差異無統計學意義(P>0.05)；個體化測量組術后伸直滯缺(1.4±2.4)°，明顯小于3°PCL截骨組(3.0±3.3)°，兩組比較差異有統計學意義(P<0.05，見表2)。

TKA術后6個月兩組KSS評分統計結果顯示：個體化截骨組臨床評分明顯優于3°PCL截骨組，兩組比較差異有統計學意義(P<0.05)，而組間功能評分比較，差異無統計學意義(P>0.05，見表3)。

兩組患者的X線片顯示均無假體松動、磨損及骨溶解，未見假體周圍骨折；兩組軸向力線良好，機械力線均控制在(0±3)°內。

表2 TKA術后兩組患者負重位下ROM比較

表3 TKA術后兩組患者KSS評分比較分)

3 討 論

3.1 本研究的理論基礎與創新點 全膝關節置換術中正確的股骨后髁旋轉截骨是假體獲得長期成功的關鍵[8]。雖然TKA已被證明是治療終末期膝骨關節炎的成功方法，但原發性TKA后髕股關節并發癥仍然很常見，主要原因之一是股骨髁前后截骨角度錯誤[9]。股骨內旋或過度外旋截骨時假體對線不齊與手術失效和翻修手術有關，股骨內旋與膝前疼痛、髕骨半脫位或脫位、髕股關節軌跡不良等并發癥相關，過度的外旋則導致內側屈曲間隙增加和癥狀性屈曲不穩[10]。因此，為獲得更好的遠期療效，恰當的股骨遠端旋轉截骨顯得尤為重要。

測量截骨(measured resection，MR)和間隙平衡(balanced gap，BG)是臨床最常用的兩種確定股骨后髁旋轉截骨技術，最佳股骨旋轉截骨對線是根據測量截骨中的解剖標志或間隙平衡中脛骨截骨后軟組織的恰當松解來確定的。間隙平衡技術依賴于韌帶在伸膝時獲得的對稱張力，然后在獲得對稱屈曲間隙的基礎上設置股骨假體旋轉。這項技術依賴于截骨前的韌帶松解，通過軟組織松解來平衡屈伸間隙。對于許多外科醫生，特別是缺乏手術經驗的年輕外科醫生來說，軟組織的平衡仍然是一個挑戰。臨床中因測量截骨技術學習曲線相對平緩，配合臨床常用的四合一假體截骨導板操作簡單，為國內關節外科醫生廣泛掌握。為實現股骨假體精準定位和對線的目標，本實驗創新性探索出一種依靠測量截骨技術精確測量股骨遠端旋轉截骨角度的方法。通過術前規劃、術中個體化后髁旋轉截骨，實現更優化假體對線，提高了患者術后療效和滿意度。術前規劃時使用全長X線片確定機械軸和解剖軸，側位X線片確定脛骨后傾和假體尺寸，較容易確定了PCL和STEA的旋轉關系，并指導術中股骨后髁準確截骨，最終放置假體后獲得良好旋轉力線而不會引起屈曲間隙的不平衡，實現了較少的軟組織松解及屈曲位下的矩形間隙，從而提高了全膝關節置換術旋轉截骨精度。

3.2 個體化截骨與傳統PCL外旋3°截骨比較 目前國內使用的多為歐美國家按西方人種解剖特點設計的人工膝關節，采用的器械多數為參考PCL外旋3°行股骨前后髁截骨。因此一種常見的做法是將股骨四合一旋轉截骨導板設置為PCL外旋3°，股骨外翻截骨角度設置為相對股骨解剖軸5°～7°。由于每個膝關節的解剖結構不同，在所有情況下采用這種固定的截骨方案肯定是不合理的。當亞洲患者使用這些為西方人設計的關節置換系統時，因種族差異，通常會發生假體不匹配。已知常規器械在恢復股骨假體旋轉時導致大量異常值，主要是由于相對于PCL固定角度的外旋截骨。Jones等[11]最新研究發現如果使用傳統外旋3°PCL技術進行TKA，其中50%的患者出現假體外旋，26%的患者最終得到內旋的股骨假體，只有不到1/4的患者具有“正常”的PCL與STEA關系。與傳統截骨技術相比，個體化股骨髁截骨操作可獲得更精確的下肢力線[12]。因此本課題組更加堅定了探索出圖像重疊個體化測量股骨旋轉截骨角度方法的必要性，為臨床骨科醫生術中測量截骨角度提供參考。

由于后髁很容易識別，大多數TKA器械依靠PCL來設置股骨假體旋轉和確定合適假體尺寸。STEA是股骨解剖旋轉的可靠標志，STEA與PCL的交角構成PCA，即股骨后髁截骨時需要參照的外旋度數。雖然旋轉對線很重要，但測定股骨假體旋轉對線的方法一直很困難。目前可用于確定PCA的方法很少，本實驗中通過術前確定患者特異性PCA可以減少異常值。在標本預實驗中初次影像學測量聯合解剖標記后測量證實，股骨遠端的STEA和PCL并不平行，而是較之一定程度的外旋。為解決術中直視下確定STEA困難的問題，我們在術前規劃時，將篩選出的股骨外上髁最凸點、內上髁最凹點、外后髁最低點與內后髁最低點所在的4層橫斷位CT圖像，利用Syngo MultiModality Workplace自動圖像重疊后測量PCA角度，較容易確定了PCL和STEA的旋轉關系，并指導術中股骨后髁準確截骨，最終放置假體后獲得良好旋轉力線而不會引起屈曲間隙的不平衡。研究表明，并非所有患者PCA都是恒定的，它會隨著個體和膝關節病理進展而變化[9]。因此，如果我們術前知道患者特定的PCA，那么使用與患者相同度數的后髁截骨導板可以減少異常值的數量。

3.3 CT掃描個體化測量PCA的有效性和可重復性 CT掃描被認為是確定STEA的金標準。Yoshino等[13]較早提出了一種標準化的術前CT掃描方式，根據患者股骨遠端解剖結構進行TKA中股骨旋轉截骨。然而，早期的術前規劃是在單張CT圖像上定位STEA和PCA，后來發現這種測量方法引起的股骨旋轉截骨錯位率普遍高于傳統技術。解剖及影像學研究已證實，股骨遠端的STEA是個三維結構，內側上髁溝和外側上髁的突起并不總是出現在同一幅CT圖像中[14]，本研究結果與之類似。此外，如果CT掃描方向不正確，很難在同一CT橫斷圖像上同時顯示外側和內側髁上標志物，就無法測量股骨上髁軸。認識到STEA是三維概念的同時，術中股骨遠端旋轉截骨導板所接觸的內、外側后髁最低點也是值得關注的，即術中“真性”的PCL，也是三維結構。按照傳統觀念在單一層面圖像所測得PCL、STEA及PCA不精確，也就不具有準確參考價值，無法指導術中精準截骨。特別是當股骨髁存在畸形或者骨贅較多的時候，準確標定后髁軸線和外科上髁軸線非常困難。

為實現精準個體化截骨和假體對線的目標，本課題組使用垂直于股骨機械軸的普通二維CT以0.75 mm斷層掃描，選取4張明顯出現骨性標志的橫斷圖像，而不是單一圖像，來檢測STEA與PCL的關系，圖像重疊后自動測量出術中“真性”PCA。為探討其臨床意義，我們進行了一項包含61例患者的個體化測量組與傳統3°PCL截骨組對照的臨床研究，除股骨旋轉截骨角度不同外，兩組術前規劃與手術技術均相同，脛骨旋轉一律采用臨床常用“ROM技術”，根據股骨假體來確定脛骨假體安放位置，使實驗更加凸顯股骨假體旋轉位置的重要性。根據研究結果，兩組患者術后復查X線片顯示機械脛股角均控制在(0±3)°，表明軸向力線控制良好。在術后6個月KSS臨床評分、膝前疼痛VAS、關節屈伸活動度、患者滿意度評估方面，個體化測量組明顯優于傳統3°PCL截骨組。本實驗證示了個體化測量PCA的截骨技術能夠使患者明顯受益，改善膝關節功能、減輕疼痛，圖像重疊個體化測量PCA技術值得推廣。

隨著數字醫學的發展，外科醫生對計算機輔助導航(computer-assisted navigation，CAN)和個性化截骨器械(patient-specificinstructions，PSI) 在TKA中的應用表現出了極大的興趣，認為它們具有提高假體植入精度的潛力。大量臨床研究表明，無圖像CAN技術明顯改善了下肢軸向力線和假體定位，但沒有改善旋轉力線的準確度[15]，股骨旋轉對齊的優點仍有爭議[16]。PSI依靠個體化截骨模塊，不需要導航繁瑣的數據輸入，比CAN更準確、更經濟、適用范圍更廣泛，但關于旋轉對線的有效性尚未形成共識[17]。

3.4 本研究的局限性 本研究在病例選擇方面存在一定的局限性，選取初次非復雜膝骨關節炎人群進行臨床研究，對嚴重骨缺損、關節外畸形、發育不良患者排除在外，作者認為后者并非TKA主流人群，因此對初次普通TKA人群研究更具有重要臨床應用價值。其次，本研究中納入的患者數量少以及隨訪的時間較短可能會影響結果分析的準確性，但兩組間多項評分統計學差異顯著，充分證明了圖像重疊個體化測量技術是改善股骨假體旋轉對線的有效方法。此外，TKA術后僅進行下肢全長X線片力線評估，沒有進行術后CT掃描PCA準確性測量，這與我們在預實驗中初次影像學測量后又再次解剖標記測量的課題設計有關，后者已經驗證了圖像重疊技術應用于PCA測量的準確性、可靠性，因此也就沒有必要術后CT掃描檢測，不僅增加患者費用，同時金屬偽影的干擾也影響測量的準確度。同時，常規CT不能在負重姿勢下進行，為了評價整個下肢在負重條件下的旋轉對線情況，需要設計專門的匹配裝置和程序。

綜上所述，依據術前CT掃描圖像重疊技術行個體化測量PCA，是一種經濟、實用、簡單、可重復的測量方法，可達到更優化的股骨外旋截骨、較少軟組織松解及屈曲位下的矩形間隙，可提高全膝關節置換術旋轉截骨精度。為深入評估圖像重疊技術測量PCA的優越性，需要進一步多中心臨床試驗和長期隨訪，以確定個體化測量旋轉截骨和傳統技術進行TKA的臨床和功能結果差異。