计算机辅助髌骨三维形态学及虚拟截骨手术的

本文原载于《中华骨科杂志》年第12期

全膝关节置换术中髌骨的处理方法目前尚未达成共识[1]，有不进行髌骨置换、选择性髌骨置换及常规髌骨置换三种不同的倾向。随着手术技术的提高及假体设计的完善，近十余年间全膝关节置换术中髌骨置换的比例由93％提高至96%[2]。Meijer和Dasa[3]从卫生经济学角度出发，采用"决策树"(Decisiontree)分析方法计算初次全膝关节置换术选择进行髌骨置换术后五年的期望值为.48美元，而不选择进行髌骨置换的期望值为.41美元，说明初次全膝关节置换术选择进行髌骨置换是一项更加经济的策略。

髌骨形状不规则，且缺少可靠的解剖标志，在髌骨置换时术者一般采用徒手法参照髌骨"外侧关节面"(以外侧关节面软骨下骨水平为截骨参照)进行截骨。这种依赖主观判断的操作往往造成截骨过多、过少，或不对称截骨，导致术后膝前痛、髌骨骨折、髌骨轨迹异常等并发症[4]。因此，精确髌骨截骨理论上可以降低术后相关并发症的发生率。

获得可靠的髌骨三维解剖学数据是髌骨精确截骨的前提。既往研究通过尸体标本、术中标本、影像学资料对髌骨的形态进行了观察，但多为二维形态测量，测量方法的精确性不高[5,6,7,8]。Hitt等[7]的多中心研究证实，例髌骨的平均厚度为23.7mm，其中男性25.3mm，女性22.5mm。Baldwin和House[8]对92例髌骨进行了更为详细的参数分析，结果显示髌骨平均宽度为46.1mm，平均高度为35.7mm，平均厚度为22.6mm，髌骨中央嵴位于关节面的内3/4；女性髌骨无论是宽度、高度还是厚度均较男性小，因此建议在对女性患者进行髌骨置换时需特别留意其解剖学特殊性。上述研究对象大多为骨关节炎需行关节置换的患者，其关节退变导致骨性结构的改变必然影响测量指标的精确性。

本研究通过CT扫描获得正常髌骨的影像学信息，借助计算机辅助技术重建髌骨三维模型，建立规范化坐标系，对髌骨三维形态进行测量，并借助虚拟技术模拟术中髌骨截骨操作，最后对截骨后的髌骨进行定量分析。研究目的：①获得髌骨三维形态学参数，为假体设计及手术提供理论依据；②验证参照"外侧关节面"进行髌骨截骨方法的可靠性。

一、研究对象

本研究医院伦理委员会批准。募集在我院接受前十字韧带重建术的外伤性前十字韧带断裂者。纳入标准：年龄20～50岁，前十字韧带重建术后行膝关节CT扫描。排除标准：严重髌股骨关节炎，髌骨骨折，髌骨发育不良，有髌骨手术史者。共募集志愿者例，男例，女例；年龄20～50岁，平均33.4岁；身高～cm，平均.9cm；体重42.0～.0kg，平均69.9kg。

二、髌骨三维模型的建立

采用64排螺旋CT仪(Siemens，德国)行膝关节扫描。患者仰卧位，膝关节伸直，扫描层厚1mm，电压kV，矩阵×。CT扫描图像以"DICOM"格式存储。依据前期研究方法进行髌骨三维重建及模拟手术[9]。将CT图像导入Mimics17.0软件(Materialise，比利时)，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征进行图像分割和修补(图1A)，重建髌骨三维结构模型(图1B)，以"STL"格式保存。

图1髌骨三维模型重建A二维图像提取髌骨B重建后髌骨三维模型C根据特征直线1及平面1调整坐标系后髌骨三维模型

三、髌骨的三维形态学测量

因扫描时髌骨的空间位置不同，在进行三维测量时需建立基于特征的标准坐标系。方法如下：将髌骨模型导入GeomagicStudio软件(ResearchTrianglePark，美国)，通过软件的选择功能选取髌骨前表面，由软件通过最小二乘法原理拟合平面1，定义为"前皮质表面"；同时在髌骨中央嵴头端及尾端分别选择一点，拟合直线1(图1C)。转换坐标系，调整使基于CT的空间笛卡尔坐标系的原XY平面与所拟合的"前皮质表面"平面平行，原坐标系的Y轴与所生成的直线对齐，以形成基于拟合平面1及直线1特征的三维坐标系。在此新坐标系中行髌骨三维形态的参数测量。

髌骨宽度：髌骨内侧缘至髌骨外侧缘的最大距离；髌骨厚度：髌骨嵴距髌骨前皮质面的最大距离；内侧宽度：髌骨嵴至髌骨内侧缘的最大距离；髌骨高度：髌骨上、下极最大距离；关节面长度：髌骨嵴处髌骨关节面最头端至最尾端的距离；髌骨嵴位置定义为内侧宽度/髌骨宽度(图2)。

图2髌骨三维形态的参数测量A横断位测量，宽度：髌骨内侧缘至髌骨外侧缘的最大距离；厚度：髌骨嵴距髌骨前皮质面的最大距离；内侧宽度：髌骨嵴至髌骨内侧缘的最大距离B于冠状位测量，高度：髌骨上、下极最大距离；关节面长度：髌骨嵴处髌骨关节面最头端至最尾端的距离

四、参照髌骨"外侧关节面"法进行虚拟手术截骨及测量

使用软件的生成命令，创建一平行于拟合平面的虚拟平面，以0.1mm平行移动，以该虚拟平面位于外侧骨关节面最低点处为基准，模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨(图3)。

图3虚拟截骨手术A创建平行于平面1的虚拟截骨面B移动虚拟截骨面至外侧关节面最低点进行虚拟截骨

测量截骨后男性与女性志愿者剩余髌骨的三维参数，包括截面长度：截骨面头、尾端最大距离；截面宽度：截骨面髌骨内、外侧缘的最大距离；剩余髌骨厚度：截骨面至髌骨前皮质面的最大距离(图4)。

图4髌骨截骨后的形态指标测量A截面宽度：截骨面髌骨内、外侧缘间的最大距离；剩余髌骨厚度：截骨面至髌骨前皮质面的最大距离B截面长度：截骨面头、尾端最大距离

为评价数据测量的一致性，随机抽取10例模型，由两名骨科医生独立分别测量，其中一名医生间隔一个月后再次对10例模型进行测量。

五、统计学分析

应用SPSS19.0统计软件(IBM，美国)进行统计学处理。组间或组内一致性采用组内相关系数(Intra-classcorrelationcoefficient,ICC)值进行评价，ICC值介于0～1之间，值越大，说明可靠性越高；ICC0.40信度较差，0.40～0.59信度一般，0.60～0.74信度好，0.75～1.00信度优。

采用Kolmogorov-Smirnov进行正态性检验，各组数据均为正态分布，以±s表示。男性、女性两组髌骨形态学参数的比较采用成组设计资料t检验，采用Pearson相关系数分析髌骨宽度和厚度的相关性，检验水准α值取双侧0.05。

一、测量结果的一致性评估

两位观察者间(组间)各测量指标的ICC值均大于0.75，同一观察者前后两次测量(组内)各指标的ICC也均大于0.75，表明测量的一致性较好(表1)。

表1各指标测量的ICC值

二、不同性别髌骨解剖学参数的比较

不同性别的髌骨形态学参数如表2、图5所示。男性髌骨宽度、厚度、高度及关节面长度均较女性大，差异有统计学意义(P0.05)。男性、女性髌骨宽度／厚度比均为1.95±0.11，髌骨嵴位置及宽度／厚度比的差异均无统计学意义(P0.05)。

表2不同性别组髌骨解剖学参数的比较(±s，例)

图5不同性别组髌骨宽度、厚度的频数分布A女性髌骨宽度在36～48mm范围内，男性髌骨宽度在41～53mm范围内B女性髌骨厚度在19～26mm范围内，男性髌骨厚度在20～29mm范围内

三、髌骨解剖学参数的相关性分析

经Pearson相关性检验，男性组与女性组髌骨宽度及厚度具有正相关，男性r=0.67，P=0.00，女性r=0.63，P=0.00(图6)。

图6男性与女性组髌骨宽度与厚度均呈正相关。随宽度增加，髌骨厚度逐渐增加

四、虚拟截骨后不同性别髌骨解剖学参数的比较

总体截骨厚度为(9.59±1.53)mm，其中男性组(10.21±1.53)mm、女性组(8.98±1.27)mm。男性、女性截骨厚度频数分布如图7所示。89%(89/)的女性截骨厚度在8～11mm范围内，而82%(82/)的男性截骨厚度在9～12mm范围内。

图7不同性别组髌骨截骨厚度的频数分布。89％的女性截骨厚度在8～11mm范围内，82％的男性截骨厚度在9～12mm范围内

截骨后女性组剩余髌骨的解剖学参数均较男性组小，差异有统计学意义(表3)。不同性别剩余髌骨厚度频数分布如图8所示。47％的女性剩余髌骨厚度小于12mm,50％为12～15mm,3％大于15mm；而男性小于12mm、12～15mm、大于15mm的构成比分别为7%、72%、21%。即97％的女性剩余髌骨厚度位于12mm和12～15mm范围内，而93％的男性剩余髌骨厚度位于12～15mm和≥15mm范围内。

表3截骨后不同性别组髌骨解剖学参数的比较(±s，mm，例)

图8不同性别组剩余髌骨厚度的频数分布。将剩余髌骨厚度分为三个区间：12mm、12～15mm、≥15mm。97％的女性剩余髌骨厚度位于12mm和12～15mm，而93％的男性剩余髌骨厚度位于12～15mm和≥15mm

一、髌骨解剖学参数

对髌骨进行解剖学精确测量，是全膝关节置换术中成功处理髌骨的基础，也是设计髌骨假体的参考依据[10]。国内外众多学者通过测量髌骨影像学参数或直接测量髌骨解剖标本，获得了一系列髌骨形态学参数数值。然而由于研究对象与测量方法的不同，解剖学参数数值存在一定的差异[5,6,11]。Mahfouz等[12]指出受投影角度、影像层面及测量参照点选择等因素的影响，影像学测量将不可避免地给测量结果带来误差，不能真正代表三维物体的客观形态。

随着计算机及医学图像处理技术的进步，术前解剖结构的"可视化"操作逐渐成为可能。有学者应用该技术对颈椎、股骨及胫骨等解剖结构进行测量分析，大大提高了测量精度，且节约了解剖标本资源[13,14]。Shang等[15]采用三维重建方法，获得华南地区人群髌骨三维模型，测量得出该地区人群髌骨的形态参数：高度(39.94±3.68)mm，宽度(44.13±3.96)mm，厚度(22.72±1.81)mm；其中女性高度、宽度、厚度分别为(37.07±2.15)mm、(41.25±2.48)mm、(21.52±1.17)mm，男性分别为(42.81±2.43)mm、(47.01±2.94)mm、(23.91±1.54)mm；髌骨形态学指标女性数值均较男性小。王岩等[5]通过测量名正常成人膝关节CT数据，得出髌骨宽度为(43.49±3.79)mm，高度为(42.20±4.31)mm，厚度为(19.21±2.66)mm。郭盛杰等[6]通过60名健康成人的膝关节CT扫描，利用Mimics软件三维重建髌骨模型，测得男性髌骨的高度、宽度、厚度分别为(31.95±2.77)mm、(45.02±2.70)mm、(22.38±1.63)mm，女性分别为(28.72±2.17)mm、(39.57±2.57)mm、(19.88±1.36)mm。但仔细分析该研究的测量方法，仍是基于CT图像的二维测量，并非真正意义的三维结构测量。这主要是由于髌骨形态不规则，缺少可靠的解剖辨别标志来建立规范的三维坐标系进行标准测量。

本研究借助计算机辅助技术，建立了基于解剖特征的三维坐标系，统计学分析表明测量方法一致性较高，测量结果可靠。研究结果提示男性髌骨的宽度、厚度、长度分别为(46.92±2.75)mm、(24.17±1.89)mm、(43.97±2.99)mm，女性为(41.43±2.67)mm、(21.25±1.51)mm、(38.91±2.70)mm，女性髌骨直接测量数值较男性小。

二、髌骨置换术截骨时参照"外侧关节面"法的可靠性

全膝关节置换术中髌骨置换时获得对称性的截骨面、恢复术前髌骨厚度，是减少术后膝前痛、降低髌骨相关并发症发生率的前提。尽管有各种髌骨截骨技术出现及截骨器械发明，目前大多数术者在进行截骨时仍采用"徒手法"来实施髌骨截骨。髌骨截骨时，主要有"外侧关节面"法、"腱附着点"法(以股四头肌肌腱及髌腱髌骨附着点为参照)及"髌骨内侧小凹"(髌骨内侧缘骨性凹陷为截骨参照)法可供参考[16,17,18]。Meftah等[19]依据"外侧关节面"法进行截骨，术后髌骨移位均在5mm以内，79%的髌骨倾斜在5°以内，髌前痛发生率11%。Lombar-di等[20]采用"腱附着点"法进行截骨，术后91％的患者髌骨假体复合体厚度与术前髌骨厚度的差值在1mm以内，89％的患者术后髌骨倾斜小于4°。Ledger等[16]用同样方法截骨后髌骨平均保留厚度为16mm，术后髌骨截骨面倾斜角度平均为2°、最大为10°，未出现严重的并发症。

本研究采用虚拟技术参照"外侧关节面"法进行截骨。结果表明平均截骨量为(9.59±1.53)mm，82％的男性截骨厚度位于9～12mm范围内，89％的女性截骨厚度位于8～11mm范围内。本研究结果与郭盛杰等[6]的研究结果一致，参照髌骨"外侧关节面"法截骨后男女剩余骨量均较少。Park等[17]比较了"腱附着点"及"外侧关节面"两种截骨方法的术后髌骨厚度，采用"外侧关节面"法截骨术后髌骨厚度较"腱附着点"平均小0.7mm，"外侧关节面"法常造成过多截骨。基于上述研究结果，我们建议在参照"外侧关节面"进行髌骨截骨时，截骨面应上移1～2mm，使截骨厚度介于7.5mm与8.5mm之间，与目前市场上的假体厚度匹配，有利于恢复至术前髌骨厚度。另外，也可参照宽度／厚度比(男性、女性髌骨宽度／厚度比均值均为1.95，且具有相关性)这一可靠的指标，术中测量髌骨宽度，估算髌骨厚度，从而获得所需截骨厚度[21,22]。

三、本研究的局限性

本研究采用CT扫描获得髌骨解剖图像，未将关节面软骨厚度计算在内，对髌骨厚度参数有影响，文献报道髌骨软骨厚度为4mm左右[23]。但临床上髌骨截骨时常在软骨下骨进行，与本研究的截骨参考面一致，考虑到骨关节炎患者关节面软骨磨损，本研究对需要接受关节置换的人群仍具有参考意义。另外，本研究采用的计算机辅助虚拟截骨技术，未能将实际操作时摆据的厚度考虑在内。

参考文献略