基于国人三维重建新型TKA胫骨截骨定位器设计及模拟应用

摘要

目的:为改善现有全膝关节置换(TKA)中胫骨截骨髓外定位器对线精度，通过对正常国人下肢进行CT扫描，运用三维重建技术建立胫骨模型，进行形态学测量和统计分析，设计一种新型的以胫骨前缘皮质为参考轴线的截骨定位器，以简便、精确地指导TKA中的胫骨截骨对线过程。
　　方法:(1)通过CT扫描收集75例正常国人下肢CT数据，应用三维重建软件建立数字化胫腓骨模型。在模型上定义胫骨机械轴(MA)，并以胫骨前缘皮质不同水平层面节点连线定义三条胫骨前缘皮质轴(ATC):ATCⅠ为膝关节间隙下9cm层面与24cm层面节点连线，ATCⅡ上下节点层面为10cm和25cm，ATCⅢ为11cm和26cm。分别测量ATC与MA在冠状面及矢状面的夹角，及以两种轴线为参考的胫骨内外侧平台后倾角。对测量结果进行统计学描述并分析ATC相对MA的偏移角度在三条ATC间的差异，及各测量角度在不同性别和年龄组间（18-29岁，30-39岁，40-49岁，50-60岁）的差异;
　　(2)根据设计理念及数据统计分析结果，设计一种新型TKA胫骨截骨定位器。另选取10例正常人胫腓骨CT数据进行三维截骨过程模拟，测量截骨面内/外翻角度及后倾角变化程度，以验证新型截骨定位器的对线准确性。
　　结果:(1) ATC在冠状面与MA的夹角及该夹角在3°以内的百分比分另为:ATCⅠ1.63±0.75°，97.4％; ATCⅡ1.50±0.88°，97.4％;ATCⅢ1.47±0.83°，96.1％。ATC在矢状面与MA的夹角分别为:ATCⅠ4.12±0.73°;ATCⅡ4.15±0.74°;ATCⅢ4.22±0.72°。ATC与MA的冠状面及矢状面夹角在三条ATC轴线间没有显著性差异;以上角度在不同性别及年龄组间无显著性差异;
　　(2)以MA及ATC为参考的胫骨内侧平台后倾角分别为:MA7.63±2.90°,ATCⅠ11.74±2.81°,ATCⅡ11.78±2.89°,ATCⅢ11.84±2.95°。以各轴线为参考的外侧平台后倾角分别为:MA6.69±2.51°,ATCⅠ10.81±2.53°,ATCⅡ10.85±2.60°,ATCⅢ10.91±2.69°。以上角度在不同性别及年龄组间无显著性差异;
　　(3)成功设计新型TKA胫骨截骨定位器（根据截骨后倾角度是否可调节分为固定后倾角截骨定位器和个性化可调节后倾角截骨定位器）。其中固定后倾角大小依据内侧平台后倾角（以ATCⅡ为参考）均值(11.8°)进行设定，应用该定位器对10例胫骨模型进行模拟截骨，截骨面内/外翻角度（正值表示内翻）为0.06±0.92°，均控制在3°以内，冠状面平均偏移角度为0.71°;截骨面后倾角相对原后倾角差值为-0.35±2.17°，有1例后倾角变异超过3°，平均变异角度为1.71°。
　　结论:
　　(1)运用CT图像三维重建软件进行胫骨形态学测量较二维X线片或CT断层图像测量能更真实反映解剖结构在立体空间内的角度位置关系;
　　(2)胫骨前缘皮质轴与机械轴在冠状面及矢状面的角度关系相对固定，通过角度关系变换，可利用胫骨前缘皮质轴进行截骨定位。在胫骨前缘皮质选点定位时，上节点可定位在关节间隙下9cm-11cm范围内，下节点可定位在24-26cm范围内;
　　(3)胫骨前缘皮质轴与机械轴在冠状面基本平行，仅有轻度内翻，定位时新型定位杆远端适当内移约4mm可获得满意的冠状面对线效果;固定后倾角采用11.8°设计可使截骨面基本恢复生理性后倾角，个性化可调节后倾角设计能满足特异性的后倾截骨需求;
　　(4)新型胫骨截骨定位器较传统TKA胫骨截骨髓外定位器操作更简易，同时达到了较高的定位精度要求。