中国南方人股骨干形态特征及其对股骨外翻角的影响

赵怡淇，黄桂武，李文昌，郑霖力，左楠，凌千惠，时光月，邬培慧*

1.中山大学医学院，广州 510080；2.中山大学附属第一医院关节外科，广州 510080；3.中国医学科学院阜外医院，北京 100037；4.广东省人民医院，广州 510080

膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是最常见的骨关节炎性疾病。据报道，患KOA的终生风险为44.7%[1]。2010年全球KOA的发病率约为3.8%[2]，约占骨性关节炎总数的1/3。其患病率具有显著的年龄特征[3]，我国66岁以上患病率女性为41%，男性为23%[4]；60岁以上有KOA症状的人数可能已达1500万[5]。全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA）是治疗严重KOA的唯一有效手段，其首要目标之一是恢复下肢力线，使髋关节旋转中心，膝关节中点和踝关节中点均位于正常的下肢机械轴。股骨外翻角（femoral valgusangle，FVA）是指股骨机械轴与股骨干远端解剖轴在冠状面上所成的夹角（图1），正常范围5～7°。TKA术中股骨侧关节假体的髓内定位受FVA影响显著，对FVA的估计过大或过小，均将影响术后下肢力线和关节功能。因此，FVA是TKA术前影像学测量分析的一个重要参数，其准确度对术中确定股骨远端截骨方向和假体安装具有重要意义。在不同的股骨外翻情况中，股骨干远端畸形有显著差异，而股骨旋转导致的影响在中立位测量已存在统计学差异[6,7]。对亚洲人的相关研究中，Song等[8]利用118例下肢全长X线片测得韩国人FVA为（6.0±0.7）°；Lin等[9]利用214例下肢全长X线片测得台湾人FVA为（4.70±1.50）°；Liu等[10]基于128例股骨CT数据报道我国北方人群FVA平均为（6.20±1.20）°；Wang等[11]基于199例股骨CT数据报道我国正常南方人群FVA平均为（5.1±0.9）°。上述报道证实，FVA在不同人种之间及国内南、北方人群之间存在显著的差异。

图1 股骨外翻角示意图由股骨力线轴与股骨干远端解剖轴在冠状面所成夹角Fig.1 Diagram of femoral valgusangelFVA was defined as the angle between the distal anatomical axisand thefemoral mechanical axis

临床常用的测量股骨外翻角的方法是基于下肢全长X光照片。然而，X光摄片时下肢处于过度内旋或外旋位，可导致股骨的X光成像形态发生变化，影响股骨外翻角测量的准确度[12]。与传统X光检查对比，3D重建对股骨各形态参数评估更为准确[13]。为深入研究股骨外翻角的变异性，提高临床对股骨外翻角准确测量的认识，本研究利用我国南方人下肢CTA扫描数据，建立下肢骨三维模型，以股骨三维形态学研究作为切入点，统计分析我国南方人群股骨干形态与股骨外翻角大小的分布特征；并对每侧下肢的三维模型进行模拟旋转，当下肢处于内旋位、中立位、外旋位时，研究不同形态特征的股骨外翻角测量值的变化规律。

1 材料与方法

1.1 患者资料

回顾性分析中山大学附属第一医院2011年1月至2013年12月因诊断下肢血管性疾病而行下肢全长CTA扫描患者的影像学数据。纳入的患者均来源于中国南方省份，共计75例患者113侧下肢，其中包括35位男性，40位女性，平均年龄48岁。排除既往下肢外伤史、手术史，以及下肢骨畸形或髋、膝、踝骨关节炎患者。

本研究通过中山大学附属第一医院临床科研和实验动物伦理委员会审批，伦审[2018]283号。

1.2 建模及测量

采用64排CT扫描机（TOSHIBA），患者平卧位，下肢自然伸直。扫描层厚2.0 mm，放射球管电流50 mA，KVP为120 kV。将下肢CTA扫描图像以DICOM格式导入Mimics 16.0软件，通过对骨CT值的提取和分割，建立包括股骨，胫骨和腓骨的下肢骨三维模型。然后对目标解剖标志点和解剖轴进行定位。根据股骨头形状拟合成球体，其球心定为股骨头旋转中心；选择髁间窝最远端皮质区域中心为髁间窝中点，连接股骨头旋转中心与髁间窝中点为股骨机械轴。在距离股骨远端20 cm的股骨干横断面图像中，根据股骨髓腔形状拟合为圆形，将其圆心定为远段股骨干解剖轴端点，与髁间窝中点组成远段股骨干解剖轴。用相同的方法将股骨干近端三分之一节段两端的髓腔横断面拟合为圆形，连接两处圆心定为近段股骨干解剖轴。股骨外翻角定义为由股骨机械轴与远段股骨解剖轴在冠状面上构成的夹角；股骨弯曲角定义为近段股骨解剖轴与远端股骨解剖轴在冠状面上向内构成的夹角，连接股骨内外侧后髁的后方端点定为股骨后髁连线，连接股骨头旋转中心与踝关节中心定为下肢转轴（图2）。

图2 股骨外翻角，股骨干弯曲角，以及股骨后髁连线的示意图Fig.2 The illustration of FVA,FBA and the line of posterior femoral condyleconnection axis

将三维骨模型及各条轴线导入3-matic软件，将模型股骨后髁连线与X轴平行作为股骨中立位，依次使股骨绕下肢转轴内旋10°和20°，以及外旋10°、20°、30°和40°（图3）。测得股骨在不同旋转位置的股骨外翻角和股骨弯曲角，将股骨中立位时所测得的数值定义为实际股骨外翻角和实际股骨弯曲角。模型重建及形态参数测量由两名研究者独立完成，其中1名研究者在1个月后重复全部测量操作。

图3 模拟下肢轴向旋转将模型绕下肢力线方向旋转至股骨后髁连线与X轴平行，作为股骨中立位，再分别内旋10°和20°，以及外旋10°、20°、30°和40°Fig.3 Thesimulation of femoral axial rotationThe model was rotated until the posterior femoral condyle connection axiswas parallel to the X-axis to acquire the neutral position.Then each femoral 3D models were rotated to 6 other positions:internal rotation of 20°and 10°,and external rotations of 10°,20°,30°and 40°

按照股骨弯曲角(FBA)大小和方向的分布特征分为4组（图4），FBA＞4°为股骨干严重内翻畸形组；1°＜FBA≤4°为股骨干轻度内翻畸形组；-1°≤FBA＜1°为股骨干无畸形组；FBA≤-1°为股骨干外翻畸形组。

图4 股骨干弯曲角类型及分布a：股骨干严重内翻（FBA＞4°）b：股骨干轻度内翻（1°＜FBA≤4°）c：股骨干无畸形（-1°≤FBA＜1°）d：股骨干外翻（FBA≤-1°）Fig.4 Distribution and type of FBAa:extreme varus deformity(FBA＞4°);b:mild varus deformity(1°＜FBA≤4°);c:no deformity(-1°≤FBA＜1°);d:valgus deformity(FBA≤-1°)

1.3 统计分析

利用SPSS 17.0软件，统计各组实际股骨外翻角和实际股骨弯曲角的平均值（均值±标准差），独立样本t检验分析股骨外翻角性别、侧别之间的差异，并分析各组股骨外翻角和股骨弯曲角测量值随下肢旋转角度变化的定量关系，利用One Way ANOVA比较各组差异，变量间相关性分析采用Spearman相关性检验，采用Pearson检验进行两参数间相关性分析。采用组内相关系数（ICC）评价观察者间及观察者内测量可重复性。检验水准a取双侧0.05。

2 结果

经统计，由同一研究者所测得的观察者内可重复系数为0.94～0.98，不同研究者的观察者间可重复系数为0.87～0.96，证实本研究测量方案具有较高的可重复性和准确性。

总体股骨外翻角平均值为（5.3±1.4）°（范围1.7～9.1°）。其中男性股骨外翻角为（5.23±1.1）°，女性股骨外翻角为（5.46±2.5）°；左侧为（5.31±1.3）°，右侧为（5.29±1.0）°。经统计，无性别（t＝0.30，P＝0.07）及侧别差异性（t＝-0.19，P＝0.85）。股骨干严重内翻畸形组占14.2%（16侧），股骨干弯曲角内翻均值为（5.6±1.1）°；股骨干轻度内翻畸形组占43.4%（49侧），股骨干弯曲角内翻均值为（2.4±1.1）°；股骨干无畸形组占28.3%（32侧），均值为（0.5±0.3）°；股骨干外翻畸形组占14.2%（16侧），股骨干弯曲角外翻均值为（2.6±1.1）°。所有样本的实际股骨弯曲角平均为（1.5±3.4）°。中立位测量股骨外翻角，股骨干严重内翻畸形组为（7.2±1.1）°，股骨干轻度内翻畸形组为（5.6±0.87）°，股骨干无畸形组为（4.7±1.0）°，股骨干外翻畸形组为（3.4±0.8）°，各组间存在显著差异（P＜0.05，图5，表1）。实际股骨外翻角与实际股骨弯曲角存在显著的相关性（R2=0.6，P＜0.001，图6，表1）。实际股骨外翻角与实际股骨弯曲角与性别或年龄无显著相关性。

表1 各组股骨外翻角与股骨干弯曲角平均值及其相关性Tab.1 The mean valueand correlation of FVA and FBV in each group

图5 各组股骨外翻角比较各组间实际股骨外翻角大小存在显著差异，P＜0.05Fig.5 Thecomparison between FVA of different groupsThere were significant differences in the value of FVA among each group,P＜0.05

图6 实际股骨外翻角与实际股骨弯曲角相关性Pearson r＝0.78 95%CI：0.69～0.84 R2＝0.6 P＜0.001Fig.6 The correlation between FVA and FBAPearson r=0.78,95%CI:0.69-0.84,R2=0.6,P＜0.001

股骨弯曲角的测量值随下肢旋转角度的变化而变化（图7）。股骨干严重内翻组在肢体内旋20°时，股骨干弯曲角测量值接近0°；轻度内翻组为内旋10°；无畸形组为中立位；外翻畸形组为外旋10°；各组股骨干弯曲角测量值随下肢外旋或内旋角度增大而增大。

图7 股骨干弯曲角测量值随下肢旋转角度变化Fig.7 The measured values of FBA varied with the changesof therotation angleof lower limbs

下肢从内旋20°至外旋40°，各组间股骨外翻角测量值均增大，但各组间的股骨外翻角的增幅无显著性差异（P＞0.05，图8）。

图8 股骨外翻角的测量值随下肢旋转角度变化Fig.8 The measured values of FVA varied with the changes of the rotation angle of lower limbs

3 讨论

TKA术前准确评估患者实际股骨外翻角是术后重建正常下肢力线，获得良好远期效果的重要条件。尽管已有许多报道统计分析不同地域正常人群的股骨外翻角的平均值和取值范围，但对于我国南方人群股骨外翻角的报道有限，且股骨干形态特征和旋转角度变异对股骨外翻角的影响未见报道。本研究基于113侧无骨性关节炎表现的下肢CTA数据，测得南方正常人群的股骨外翻角平均为（5.3±1.4）°，和既往其他报道股骨外翻角平均为（5.1±0.9）°相比，具有一定的差异[11]。

本研究发现有14.2%股骨干呈内翻＞4°畸形，14.2%的股骨干呈外翻畸形，股骨干轻度内翻畸形和无内外翻畸形的占71.6%。按照股骨干内翻畸形程度，将所有样本分为4组，各组股骨外翻角的大小存在显著的差异，且证实股骨外翻角与实际股骨弯曲角存在显著相关性。由此认为临床TKA术前评估股骨外翻角大小时，需同时考虑股骨干是否有内翻或外翻畸形，对于股骨干严重内翻畸形的患者可以选择7°的股骨远端截骨；股骨干呈外翻畸形的患者，则应该选择4°的股骨远端截骨；而非一律采取5°或6°为股骨远端截骨角度。这一结果与Dunn等[12]的观点相似：对于膝关节内翻畸形的病例一般采用7°的股骨远端截骨；膝关节外翻畸形的病例则选用4°～5°的截骨；膝关节对线正常的病例则选用6°～7°的截骨。Deakin等[14]通过临床前瞻性研究证实个性化选择股骨外翻角截骨的病例比一律采用7°外翻角截骨者获得更好的术后下肢力线。近年来，个性化TKA的手术方式已有较多报道，基于CT和3D重建的个性化术前设计可以提高原发性全膝关节置换术中截骨的准确性，实现个性化，精准化治疗[15]。本研究可为临床全膝关节置换术个性化选择股骨外翻角进行股骨远端截骨提供影像解剖学依据。

本研究对股骨外翻角测量方法进行了改良，通过模拟股骨轴向旋转，测量股骨外翻角在冠状面上投影成角。该方法既具备基于CT数据测量的准确性，又提高了与临床基于X光照片测量的可比性。以往的基于下肢X光影像学研究已经证实下肢体位的轴向旋转是测量下肢力线及股骨外翻角等指标的重要影响因素。Okamoto等[16]的研究证实了3D测量的可靠性，而2D测量结果也可用于TKA的术前定位。有学者[17]利用股骨外翻角为6.5°的骨模型测量不同旋转体位X光照片中的股骨外翻角，发现当下肢从内旋20°至外旋20°时，股骨外翻角从4.6°逐渐增加至6.8°，与本研究结果中X组中所得到的结果相似。另外，股骨干内翻或外翻变异会改变下肢旋转对股骨外翻角测量值影响的程度，根据本统计结果，大部分我国南方人的股骨外翻角约为5°，股骨干呈轻度内翻畸形或无内外翻畸形，当下肢从内旋20°至外旋40°位时，股骨外翻角测量值从3°～4°逐渐增加至7°，约有3°的变化范围。

冠状面上下肢力线的测量对于全膝关节置换术的术前分析和术后评估都有重要意义，但目前绝大多数的研究未考虑股骨或胫骨本身的解剖变异对下肢力线和股骨外翻角等的影响。本研究统计分析了不同股骨干形态特征的人群比例，证实股骨干内翻畸形者其股骨外翻角显著大于股骨干外翻畸形者，且下肢过度旋转可导致股骨干冠状面成角测量值偏大。Lasam等[18]基于韩国人的X光照片测量统计股骨干在冠状面的畸形角度，发现在60例下肢正常的病例中股骨干内翻角平均为3°，其中有33例是轻度内翻畸形（5°以内），13例内翻畸形大于5°。但本研究中基于CT数据测量股骨干轻度内翻畸形平均为2.4°，严重内翻组的股骨干内翻角平均为5.6°。由于部分特殊患者进行X光检查时难以确保股骨位于标准中立位，因此对于畸形较为明显的病例，基于CT图像的三维测量分析更有利于TKA的术前分析和规划。

本研究存在不足之处。首先，纳入研究样本数量有限，不过经观察者内及观察间可重复性统计证实本研究建模方案及测量方法具有较高的准确性和可重复性。其次，样本未纳入膝关节骨性关节炎患者，而KOA患者股骨形态的分布规律可能与正常人群有显著的不同，在需要全膝关节置换术的患者中，约有10%出现膝外翻性骨关节炎（OA）[19]。Kharwadkar等[20]基于83位高加索TKA患者术前CT图像测量股骨外翻角平均为（5.4±1.1）°（3.3°～7.6°），显著低于膝关节正常人群。因此，有必要扩展研究样本量，将KOA患者的股骨干形态及股骨外翻角的统计学特征纳入进一步的系列研究，更精细确定针对KOA患者的股骨外翻角的平均水平。