研究背景近年来,国内开展全膝关节置换术(the total knee arthroplasty,TKA)逐渐增多,人工关节使用寿命成为医生和患者关注的焦点。手术中精准的截骨量以及假体和截骨断面的匹配程度是影响人工膝关节手术成功与否的关键。东方人身材普遍较西方人矮小,不同性别间可能存在骨骼形态学差异。国内临床上使用的人工膝关节假体多由国外进口,其尺寸是以外国人的骨骼几何形状作为设计基础,未必符合中国人的骨骼形态特点。为了更好的设计和选择适合国人解剖形态特点的关节假体,有必要对国人膝关节几何学参数进行测量。目前研究方法包括传统解剖测量和影像技术测量。传统解剖测量主要通过手术中测量或尸体解剖测量,受标本数量限制,研究成本较高。过去学者更多应用X线对膝关节进行测量和假体设计,但平片无法反映其立体结构。真正与胫骨假体基底部接触的是胫骨近端截骨后的截面。提高胫骨近端与假体的匹配程度对膝关节置换手术具有很重要的临床意义。但目前有关国人胫骨近端截面的形态学研究以及在关节假体设计中的应用,却缺乏相关研究和报道。数字化三维重建技术利用连续的二维断层图像进行三维重建,可以精确显示物体复杂的空间结构,可从任意角度和方向进行观察。因此,数字化重建技术可望为膝关节几何测量提供新的思路和技术方法。本课题应用比利时的三维成像软件Mimics10.0,利用膝关节CT原始数据进行数字化三维重建,运用该软件自带工具对所建模型进行切割,模拟膝关节置换胫骨近端截骨,对截骨面进行几何测量以及统计分析,为国产膝关节假体形态设计提供实验依据。目的1.为膝关节置换胫骨近端截骨面形态学研究寻找一种新的实验方法;2.考察男女胫骨近端截面的形态学差异,为男/女性胫骨组件假体形态设计和型号选择提供实验依据;3.比较胫骨不同截骨高度截面形态学差异,明确膝关节置换胫骨近端截骨距离与假体型号选择的关系;4.分析国人和韩国、日本以及西方人的胫骨近端形态学差异,为国产人工膝关节假体设计提供实验依据。研究方法1.图像资料的采集1.1随机取2007年9月～2008年9月在南方医院检查的受试者男女共36人,男女各半,均为左膝,年龄18～55岁,身高158～185cm,体重47～70kg,所有受试者既往无膝关节疾病和手术史,体检均未发现膝关节异常。1.2扫描设备为GE Medical systems/light speed 16排多层螺旋CT。1.3以膝关节间隙为中心线,划定上下各20cm范围为扫描范围。对膝关节进行0°位的CT扫描,设备为GE Medical systems/light speed 16排多层螺旋CT。扫描条件:120 kV,300 mAs,扫描参数:准直器宽度0.75 mm,厚度0.75 mm,层厚0.625mm,螺距为0.75,每层扫描时间200 ms,总扫描时间约为10～12 s以DICOM文件格式保存到个人计算机系统(PC)。2.膝关节数字模型的构建在个人计算机系统上,将连续的膝关节CT断层影像数据DICOM标准存储的导入交互式医学图像控制系统(Mimics10.0,比利时),用特定的重建参数重建出膝关节的三维数字模型。3.胫骨近端数字化截骨从任意角度、方向观察数字化膝关节结构,通过Mimics10.0自带工具建立三维坐标系,确立胫骨平台的最佳适配面,数字模型予透明化处理,最佳适配平面沿着其中的Z轴平行移动,移动距离分别是5、7、9mm,去透明化处理,形成三个截骨面,运用Mimics中“simulation”模块中的“cut”工具进行切割,获取胫骨近端三个互相平行的截骨面。4.胫骨截骨面的测量4.1确定测量指标:将与股骨内外上髁轴(femoral epicondylar axis,FEA)平行并通过胫骨截面左右最长距离定义为胫骨横径(ML),将与AP平行、经过内侧平台后面最突出点、与胫骨周缘相交两点的连线距离定义为内侧前后径(MAP);同理,将与AP平行、经过外侧平台后面最突出点、与胫骨周缘相交两点的连线距离定义为外侧前后径(LAP)。4.2采用Mimics软件自带测量工具,测量各截面横径和内外侧前后径。5.统计学分析所得数据用SPSS13.0软件进行统计学分析,数据记录结果以均值±标准差((?)±S)表示。比较性别和截骨厚度间的差异,性别间采用两独立样本的t检验;不同截骨高度差异采用单向方差分析,检验水准为α=0.05,P＜0.05表示差异有统计学意义。结果膝关节数字模型具有完好形态和清晰边界,通过Mimics10.0区域增长(regiongrowing)工具可单独显示胫骨近端,截骨后标定解剖标志进行测量。全部测量数据经统计分析结果如下:1.经正态性检验,各测量指标(截面横径、内侧前后径、外侧前后径)参数P值均＞0.05,数据呈正态分布;经方差齐性检验,总体方差齐同。2.截面1横径最小值64.30mm、最大值79.31mm平均70.91±5.28mm;截面2最小值64.60mm、最大值79.75mm平均71.40±5.30mm;截面3最小值64.90mm、最大值80.51mm平均71.89±5.33mm;其中,截面1和截面3的差异有统计学意义(P＜0.05)。3.截面1内侧前后径最小值42.73mm、最大值54.37mm平均48.30±3.20mm;截面2最小值44.25mm、最大值56.08mm平均49.66±3.25mm;截面3最小值44.80mm、最大值57.93mm平均51.02±3.38mm;其中,截面1和截面3的差异有统计学意义(P＜0.05)。4.截面1外侧前后径最小值39.67mm、最大值52.31mm平均45.00±3.05mm;截面2最小值40.70mm、最大值53.27mm平均46.09±3.04mm;截面3最小值41.30mm、最大值54.22mm平均47.17±3.10mm;其中,截面1和截面3的差异有统计学意义(P＜0.05)。5.比较男女胫骨近端截面形态的差异;在3个截面中,其中截面1和截面3内外侧前后径、前后径/横径比值的差异有统计学意义(P＜0.05)。结论1.基于CT影像数据进行膝关节三维重建方案可行,效果肯定,可清晰、直观、多角度的观察膝关节的形态特点,可作为骨关节局部解剖的教学方法。2.数字化膝关节模型可以虚拟切割和测量,为截骨面形态研究提供新的思路和技术方法,为胫骨假体形态设计提供解剖数据便于假体设计,提高假体和截面适配度及关节稳定性,减少假体松动等并发症的发生,延长假体使用寿命。3.通过测量和统计学分析,本研究发现:不同性别及截骨面的胫骨截面形态可能会存在显著差异,与韩日和西方人的解剖形态也有差别。这提示我们进行国产膝关节胫骨假体设计需要考虑人种因素外,还需注意性别、截骨高度差异等因素。依据所测数据可为国人膝关节置换胫骨假体型号选择提供参考依据。