加深型滑车成形术（Deepening Trochleoplasty）前后髌股关节接触面积变化：基于三维MRI的初步研究及髌股关节压力相关生物力学考量

《Biomechanics》：Articular Contact Area Before and After Deepening Trochleoplasty: 3D MRI Pilot Study and Considerations Regarding Pressure in the Patellofemoral Joint

　　

摘要专业翻译 背景： 关于加深型滑车成形术（deepening trochleoplasty，DTP）后髌股关节（patellofemoral joint，PFJ）内压力的变化，目前仍存在争议。目的： 本初步研究旨在比较因滑车发育不良（trochlear dysplasia）接受DTP治疗的患者，其术前与术后PFJ接触面积的变化，并探讨髌股关节压力的相关生物力学因素。方法： 研究人员对四名女性患者实施了DTP，以治疗因滑车发育不良导致的髌骨外侧不稳定。采用三维磁共振成像（three-dimensional MRI，3D MRI）评估术前及术后的关节髌股接触面积。研究人员在采集的维度上逐层勾画骨与软骨轮廓，并由AMIRA分割软件重建三维模型。该模型随后被导入Rhinoceros软件进行测量。沿包含滑车及髌骨软骨的三维模型放置轮廓线，并定义接触面积的边界与曲率。比较DTP前后的接触面。结果： 与术前相比，四例患者中有三例在DTP后PFJ的关节接触面积增大。术前接触面积的平均值为153 mm2（范围：68–185）；术后为289 mm2（范围：200–370）。接触面积的增加平均为53%（范围：?6%至444%）。结论： 与术前相比，DTP后PFJ的关节接触面积增大。研究结果提供了生物力学证据，表明DTP后PFJ内的压力降低。3D MRI扫描的应用展示了多项优势。

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研究背景与问题

髌股关节（patellofemoral joint，PFJ）内的压力变化，在加深型滑车成形术（deepening trochleoplasty，DTP）后究竟如何演变，一直是运动医学与关节外科领域争论不休的焦点问题。即便在专家层面，由于相关知识的匮乏，也尚未能给出明确答案。多数研究并未报道DTP术后PFJ的压力状况。部分研究提示DTP术后关节接触压力有所下降，然而一项基于有限元模型的研究却提出，矫正手术可能反而加剧接触压力。这种学术上的分歧凸显了开展进一步深入研究的必要性。

滑车发育不良（trochlear dysplasia）以滑车形态异常及滑车沟深度不足为特征，尤其在滑车近端部分表现突出。这种异常形态与髌骨外侧不稳定、接触面积减小、局部关节接触压力增高以及早期髌股关节骨关节炎密切相关。特别是伴有滑车上骨赘的B型和D型高等级滑车发育不良，与髌骨和滑车之间的高压及软骨破坏风险增加相关联。DTP适用于滑车突出且呈凸面形态的滑车发育不良，被认为是直接矫正滑车病理、恢复髌骨稳定性并改善髌骨与滑车之间吻合度的最适宜手术方式。

既往研究多采用直接（开放）技术，在人体尸体膝关节中置入接触传感器来测量PFJ压力；亦有研究采用间接（无切口）方法，利用光学追踪系统测量尸体膝关节的动力学和接触压力。然而，仅有少数研究对PFJ接触面积进行了测量。有研究采用二维磁共振成像（2D MRI）评估DTP术后效果，而研究人员的团队曾报道利用高分辨率MRI实现关节滑车形态及PFJ的非侵入性、精确三维重建。本初步三维MRI研究的目的，正是为了比较因滑车发育不良接受DTP治疗的患者，其术前与术后髌股接触面积的大小。基于生物力学考量，研究人员假设接触面积的增加可能有助于降低DTP术后的PFJ压力。

研究设计与技术方法

本研究为一项初步研究（pilot study），纳入四名符合条件的女性患者。纳入标准为根据Dejour分型确诊的B型或D型滑车发育不良，且所有病例的手术指征均为伴有慢性症状的髌骨外侧不稳定。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：其一，对所有患者实施开放式DTP，手术依据既往描述的改良技术进行，包括髌骨旁外侧切口、分离浅层和斜行支持带并行关节切开术，用骨凿从近端开始剥离发育不良的滑车，保留远端骨软骨瓣，用刮匙加深股骨松质骨，当新的关节面在近端与前股骨皮质骨处于同一平面时达到合适的加深深度，并用可吸收钉和/或可吸收缝线带固定骨软骨瓣，新建立的滑车深度在女性约为3.4 mm，最后进行软组织平衡处理。其二，所有患者在DTP术前及术后随访时各接受一次MRI检查，采用1.5 T扫描仪，使用T2三维加权梯度回波序列和水选择性激发，在轴位截面上采集图像，患者取仰卧位，膝关节屈曲15°，足部外旋15°。其三，将MRI扫描数据传输至AMIRA分割软件，逐层勾画股骨和髌骨的骨与软骨，重建三维模型，并在另外两个垂直维度上检查以确保模型完整。其四，将三维模型导入Rhinoceros软件，利用非均匀有理B样条技术，沿包含滑车和髌骨软骨的三维模型每隔2 mm放置轮廓线，一组置于近端-远端方向，另一组置于内侧-外侧方向，沿各轮廓线放置标记点以定义接触面积的边界和曲率，拟合曲面并测量其面积（单位：mm²），最后比较手术前后股骨与髌骨软骨之间的接触面。

研究结果

研究队列概况： 四名女性患者在DTP时的平均年龄为26.5岁（范围：15–49岁）。术前与术后MRI之间的平均随访时间为6.3年（范围：4–7年）。其中一名患者为B型滑车发育不良，三名患者为D型。

接触面积： 研究表明，与术前相比，四例中有三例在DTP后PFJ的关节接触面积增大，一例出现轻微减小。术前接触面积的平均值为153 mm²（范围：68–185），术后为289 mm²（范围：200–370）。接触面积的增加平均为53%（范围：?6%至444%）。这一结果是通过对术前和术后三维MRI模型进行轮廓线放置、标记点定义及曲面拟合测量所得出的。

髌骨内侧化： 髌骨与y–z平面的距离从术前的平均26.5 mm（范围：19–34）降至术后的20.2 mm（范围：15–29）。髌骨的平均内侧化程度为4 mm（范围：0–6）。该结果通过测量三维模型中髌骨相对于坐标平面的位置变化得出。

讨论与结论

本三维MRI初步研究最重要的发现是，在四名接受滑车发育不良治疗的患者中，有三名在DTP术后PFJ的关节接触面积增大。此外，研究结果支持了DTP会降低PFJ接触压力的假设。机械压力是施加于单位面积上的垂直力。B型和D型滑车发育不良在PFJ中具有最小的接触面积和最高的接触压力。同时，伴有外侧移位和倾斜的髌骨不稳定也会导致接触面积减小，从而增加PFJ上的应力。一般认为，髌股疼痛是由接触面积减小导致的PFJ应力增加所引起。DTP直接针对潜在的滑车病理，恢复PFJ的吻合度。由于DTP稳定了髌骨并增加了接触面积的平均大小，可以推测术后PFJ内的压力得到更好的分布并因此降低。这得到了大量报道DTP术后临床结果优良的研究的证实。

既往研究多采用直接或间接技术测量PFJ压力。有研究在四具人体尸体膝关节中通过外侧切口将敏感薄膜插入髌骨表面进行测量，但外侧切口被认为可能改变髌股生物力学。另有实验室研究在四具尸体膝关节中模拟滑车发育不良并利用三维打印制造，证实了模拟滑车发育不良时接触压力增加和接触面积减小。还有研究在七具尸体膝关节上使用Tekscan 5051压力传感器，在体外模拟骨性手术过程中测量髌骨与滑车之间的接触压力，发现10 mm的滑车后移术在0°屈曲时可降低PFJ接触应力66%，在15°屈曲时降低53%。为避免开放切口对PFJ周围结构的影响，有研究采用间接技术，利用光学追踪系统测量九具尸体膝关节的动力学和接触压力。

与这些研究相比，本初步研究具有多项优势：第一，对患者进行直接的在体检查；第二，髌骨周围解剖结构完整，不同于生物力学研究；第三，可对同一患者的术前和术后状况进行比较；第四，具有无限的随访选择；第五，无电离辐射暴露。本研究也存在若干局限性：第一，病例数量较少，但其他测量PFJ压力和接触面积的研究也仅纳入少量病例；第二，测量仅在15°屈曲位进行，未在更高屈曲角度下进行；第三，无法进行动力学分析；第四，数据处理过程耗时，但未来可预期借助新技术更快地完成这些复杂计算。

结论： 与术前相比，DTP后PFJ的关节接触面积增大。研究结果还提供了生物力学证据，表明DTP后PFJ内的压力降低。3D MRI扫描的应用展示了多项优势。