吉林大学学报(医学版)  2020, Vol. 46 Issue (01): 102-107     DOI: 10.13481/j.1671-587x.20200118

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文章信息

刘旸, 韩青, 尹唯凰, 吴乃超, 张奥博, 陈炳鹏, 王金成
LIU Yang, HAN Qing, YIN Weihuang, WU Naichao, ZHANG Aobo, CHEN Bingpeng, WANG Jincheng
中国人群距骨形态学指标的三维CT测量及其临床意义
Measurement of morphological indexes of talus of Chinese population with three-dimensional CT and its significance
吉林大学学报(医学版), 2020, 46(01): 102-107
Journal of Jilin University (Medicine Edition), 2020, 46(01): 102-107
10.13481/j.1671-587x.20200118

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收稿日期: 2019-07-03
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刘旸, 韩青, 尹唯凰, 吴乃超, 张奥博, 陈炳鹏, 王金成. 中国人群距骨形态学指标的三维CT测量及其临床意义[J]. 吉林大学学报(医学版), 2020, 46(01): 102-107.
LIU Yang, HAN Qing, YIN Weihuang, WU Naichao, ZHANG Aobo, CHEN Bingpeng, WANG Jincheng. Measurement of morphological indexes of talus of Chinese population with three-dimensional CT and its significance[J]. Journal of Jilin University (Medicine Edition), 2020, 46(01): 102-107.
中国人群距骨形态学指标的三维CT测量及其临床意义
刘旸1 , 韩青1 , 尹唯凰2 , 吴乃超1 , 张奥博1 , 陈炳鹏1 , 王金成1     
1. 吉林大学第二医院关节外科, 吉林 长春 130041;
2. 吉林大学口腔医院口腔颌面外科, 吉林 长春 130021
收稿日期: 2019-07-03
基金项目: 国家自然科学基金资助课题（81802174）；吉林省科技厅省级科技专项基金资助课题（20170204004GX，20180520115JH）；吉林省发改委科研项目资助课题（2018C010）
作者简介: 刘旸(1994-), 男, 吉林省长春市人, 在读医学硕士, 主要从事骨科距骨形态学方面的研究。
通信作者: 韩青, 讲师(Tel:0431-81136747, E-mail:my.hanqing@163.com);
王金成, 教授, 博士研究生导师(Tel:0431-81136747, E-mail:jinchengwang@hotmail.com)
[摘要]: 目的 采用三维测量方法测量并分析中国人群距骨的形态学指标，提供精确的距骨形态学数据，为设计距骨假体提供参考。方法 参与本研究的志愿者包括男性40人和女性40人，排除4人，最终纳入76人，其中男性39人，女性37人。对距骨形态正常的所有受试者的踝关节进行CT扫描，CT数据经Mimics软件重建为三维模型。对受试者距骨长、宽、高和体积，内踝关节面长、宽和弧度，外踝关节面长、宽和高，滑车前、中和后宽在内的13项形态学指标进行测量，其中9项指标采用Mimics软件测量，4项指标采用Magics软件测量。结果 本组受试者所有测量指标均呈正态分布，左右侧距骨形态学指标比较差异均无统计学意义（P>0.05）。男性受试者距骨长、宽和高分别为（60.85±2.82）、（42.96±2.59）和（33.76±1.73）mm，女性受试者距骨长、宽和高分别为（54.41±2.49）、（39.76±1.78）和（29.72±1.20）mm。男性受试者大部分距骨测量指标均明显大于女性（P < 0.05），但女性受试者内踝关节面弧度明显大于男性（P < 0.05）。男性和女性受试者外踝关节面弧度和滑车后宽比较差异均无统计学意义（P>0.05）。结论 CT测量法测量距骨形态学指标更便捷，测量误差小，可重复性高，且左右侧距骨一致性高，在设计距骨假体时，健侧距骨的形态学参数可作为重要参考。
关键词: 距骨测量    三维CT    距骨置换    假体    
Measurement of morphological indexes of talus of Chinese population with three-dimensional CT and its significance
LIU Yang1 , HAN Qing1 , YIN Weihuang2 , WU Naichao1 , ZHANG Aobo1 , CHEN Bingpeng1 , WANG Jincheng1     
1. Department of Orthopedics, Second Hospital, Jilin University, Changchun 130041, China;
2. Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Stomatology Hospital, Jilin University, Changchun 130021, China
[ABSTRACT]: Objective To measure and anlyze the morphological indexes of talus of the Chinese population with three-dimensional measurement method and to provide the accurate data of morphological parameters of talus, and to pvovide basis for designing the talar prostheses. Methods Forty male and 40 female volunteers applied for this study and 4 of them were excluded. At last, 76 volunteers of 39 males and 37 females were included. The ankle joints of 76 subjects were scanned by CT and the CT images were reconstructed to three-dimensional model with Mimics software.A total of 13 indexes were measured including talar length, breadth, height, and volume, length, breadth, and radian of medial and lateral malleolus articular surfaces, anterior, middle, and posterior breadth of trochlea; among 13 indexes, 9 indexes were measured through Mimics software, and the other 4 indexes were measured through Magics software. Results All the indexes of the subjects were normally distributed. There were no significant differences in the morphological indexes between left and right talus in either males or females (P>0.05). The talar length, breadth, and height in the males were (60.85±2.82), (42.96±2.59), and (33.76±1.73) mm, respectively, and in the females they were (54.41±2.49), (39.76±1.78), and (29.72±1.20) mm, respectively. Most of the indexes were larger in the males than the females (P < 0.05), whereas radian of medial malleolus articular surface was larger in the females than the males (P < 0.05).The radian of lateral malleolus articular surface and the posterior breadth of trochlea of the males and the females had no significant differences (P>0.05). Conclusion CT measurement method to measure the morphological indexes of talus is more convenient and fast, its measurement error is small, and its erpeatability is high.Left and right sides of talus show strong degree of symmetry, thus the morphological indexes of the contralateral talus can be adopted as a reference for designing talus prosthesis.
KEYWORDS: talar measurement    three-dimensional CT    talar arthroplasty    prosthesis    

70%的距骨表面均被关节软骨覆盖，没有独立的血液供应[1-2]，距骨颈骨折常常导致缺血性骨坏死[3-4]。随着假体设计的进步，距骨置换成为当前治疗距骨缺血性坏死最有效的方式之一[5-7]。现有距骨假体多依据日本人群和泰国人群距骨尺寸进行设计，中国人、泰国人和日本人虽同属亚洲人，但由于遗传和环境因素对骨骼发育的影响，使得三者间骨骼尺寸存在差异[8]，因此国外设计的距骨假体与国人存在匹配性问题，目前急需一套符合中国人群形态学参数的距骨假体，而设计距骨假体的基础在于获取精确的距骨形态学数据作为参考[9]。

现有研究主要通过尸体标本和X线来获取精确的距骨形态学数据。尸体标本获取难度较大，无法进行大样本量研究[10]。X线虽然容易获取，但拍摄角度难以保证一致，造成数据测量误差较大。CT扫描三维重建测量则可以根据要求调整角度[11]。本研究采用CT三维重建技术对中国人距骨进行形态学测量，提供精确的国人距骨形态学数据，并探讨其与外国人距骨的形态学差异，以期指导符合国人形态学特点的距骨假体的设计和优化。

1 资料与方法 1.1 研究对象

2018年11月—2019年5月，申请参与本研究的志愿者80人，包括男性40人和女性40人，均来自于中国东北地区。受试者80人中，因距骨有骨折史被排除的男性和女性受试者各1人，因距骨有缺血性坏死被排除的女性受试者2人，最终纳入本研究76人。其中男性39人，平均年龄(28.3±2.4)岁；女性37人，平均年龄(23.0±1.7)岁。每位受试者下肢均经CT扫描。本研究通过吉林大学第二医院伦理委员会的审批，并获得每位受试者的知情同意。

纳入标准：①年龄20~50岁；②男性受试者身高165~185cm, 女性受试者身高160~180 cm；③体质量指数(BMI) < 28 kg·m-2；④足踝活动度良好。排除标准：①踝关节或足部有骨折史；②经影像学证实的踝关节退化；③踝关节或足部先天畸形；④距骨缺血性坏死。

1.2 机器型号和测量软件

螺旋CT扫描仪：东芝Aquilion TM ONE。测量软件：Mimics 19.0软件[12-13]和Magics21.0软件(比利时Materialise公司)。将测得的CT数据以DICOM格式导入到Mimics软件进行三维重建，通过“阈值划分，区域增长，蒙板编辑，3D计算，距离测量”功能，CT数据被重建为三维模型且9项指标被测量，将重建后的模型以STL格式导入到Magics软件，通过“边界框”功能完成剩余4项指标的测量。

1.3 测量指标

本研究对受试者距骨13项指标进行测量，包括距骨长、宽、高和体积，内踝关节面长、宽和弧度，外踝关节面长、宽和弧度，滑车前、中和后宽(图 1)。为了减少测量误差，由2名研究者对每项指标分别进行2次测量，计算4次测量结果的平均值作为最终值。

A: Talar breadth (TB, a) and talar height (TH, b); B: Length of medial malleolus articular surface (LMMAS, c), breadth of medial malleolus articular surface (BMMAS, d), and radian of medial malleolus articular surface (RMMAS, e); C: Talar length (TL, f), length of lateral malleolus articular surface (LLMAS, g), breadth of lateral malleolus articular surface (BLMAS, h), and radian of lateral malleolus articular surface (RLMAS, i); D: Anterior breadth of trochlea (ABT, j), middle breadth of trochlea (MBT, k), and posterior breadth of trochlea (PBT, l). 图 1 中国人群距骨形态测量方法示意图 Fig. 1 Schematic diagram of morphological measurement method of talus of chinese polalation
图选项
1.4 距骨整体测量

Magics软件中通过“边界框功能”测得距骨的长、宽和高，通过查看模型属性来获得距骨体积。见图 1A。

1.5 内踝关节面测量

内踝关节面长：内踝关节面上滑车最前端和最后端的连线。内踝关节面宽：垂直于内踝关节面长的位于内踝关节面上平分内踝关节面的宽。内踝关节面弧度：通过内踝关节面长和宽做圆，用内踝关节面长除以直径，所得结果即为弧度。见图 1B。

1.6 外踝关节面测量

外踝关节面长：外踝关节面上滑车最前端和最后端的连线。外踝关节面宽：垂直于外踝关节面长的位于外踝关节面上平分外踝关节面的宽。外踝关节面弧度：通过外踝关节面长和宽做圆，用外踝关节面长除以直径，所得结果即为弧度。见图 1C。

1.7 滑车测量

滑车前宽：内、外踝关节面上滑车最前端连线即为滑车前宽。滑车中宽：内、外踝关节面上滑车最顶端连线即为滑车中宽。滑车后宽：内、外踝关节面上滑车最后端连线即为滑车后宽[14]。见图 1D。

1.8 统计学分析

采用SPSS21.0统计软件进行统计学分析。距骨的全部形态学测量指标均以x±s表示。通过组内相关系数(ICC)对本实验的观察者间和观察者内误差进行分析。男性和女性人群距骨形态学测量指标比较均采用两独立样本t检验，同性个体左右侧间的比较采用配对t检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 距骨形态学测量指标的误差分析

每一个变量的ICC均在95%置信区间内，表明本研究观察者间和观察者内误差小，且测量方法具有可重复性。见表 1。

表 1 中国人群距骨形态学测量指标观察者间和观察者内可靠性的ICC Tab. 1 ICC of inter-observer and intra-observer reliabilities detected with talus morphological measurement indexes in Chinese population
Index ICC
A1-A2 B1-B2 A1-B1 A2-B2
TL 0.965 0.964 0.940 0.936
TB 0.949 0.951 0.943 0.945
TH 0.963 0.980 0.928 0.930
LMMAS 0.963 0.996 0.914 0.914
BMMAS 0.976 0.977 0.948 0.988
RMMAS 0.952 0.983 0.918 0.923
LLMAS 0.963 0.963 0.940 0.938
BLMAS 0.968 0.967 0.975 0.974
RLMAS 0.816 0.815 0.859 0.866
ABT 0.981 0.982 0.973 0.972
MBT 0.967 0.967 0.955 0.956
PBT 0.980 0.980 0.991 0.990
TL: Talar length; TB: Talar breadth; TH:Talar height；LMMAS:Length of medial malleolus articular surface; BMMAS:Breadth of medial malleolus articular surface; RMMAS:Radian of medial malleolus articular surface; LLMAS:Length of lateral malleolus articular surface; BLMAS:Breadth of lateral malleolus articular surface; RLMAS:Radian of lateral malleolus articular surface; ABT:Anterior breadth of trochlea; MBT:Middle breadth of trochlea; PBT:Posterior breadth of trochlea; A1: The first measurement of the first experimenter; A2: The second measurement of the first experimenter; B1: The first measurement of the second experimenter; B2: The second measurement of the second experimenter.
表选项
2.2 整体距骨测量指标

本组受试者距骨长、宽、高和体积均呈正态分布。男性受试者距骨长、宽、高和体积均明显大于女性(P < 0.05)。在男性和女性受试者中，左右侧距骨形态学测量指标比较差异均无统计学意义(P>0.05)。见表 2。

表 2 不同性别中国人群距骨形态学测量指标 Tab. 2 Morphological measurement indexes of talus of Chinese population with different gender  
(x±s)
Group n TL (l/mm) TB (l/mm) TH (l/mm) Volume (V/cm3) LMMAS (l/mm) BMMAS (l/mm) RMMAS (π) LLMAS(l/mm) BLMAS (l/mm) RLMAS (π) ABT (l/mm) MBT (l/mm) PBT (l/mm)
Male 39
  Left 60.58±2.71* 43.14±2.57* 33.74±1.67* 40.13±5.19* 36.19±2.41* 10.03±0.91* 0.41±0.02* 30.34±2.18* 10.68±1.09* 0.47±0.02 31.87±2.09* 29.26±1.73* 23.93±2.53
  Right 61.11±2.83* 42.78±2.61* 33.79±1.75* 40.47±5.14* 36.43±2.07* 9.96±1.15* 0.41±0.02* 30.01±2.17* 10.71±1.02* 0.47±0.02 31.74±1.95* 29.57±1.87* 24.59±3.06
Female 37
  Left 54.52±2.53 39.88±1.77 29.75±1.21 26.20±3.06 30.49±1.73 8.92±0.81 0.42±0.02 24.43±1.23 8.97±0.87 0.47±0.02 28.11±1.18 25.34±1.41 23.84±1.76
  Right 54.29±2.44 39.64±1.74 29.69±1.21 26.08±3.03 30.73±1.62 8.87±0.97 0.42±0.02 24.59±2.26 9.31±0.80 0.48±0.02 28.45±1.71 25.33±1.59 23.74±2.75
*P < 0.05 vs female group at same side.TL: Talar length; TB: Talar breadth; TH:Talar height；Volume: Volume of talus; LMMAS: Length of medial malleolus articular surface; BMMAS:Breadth of medial malleolus articular surface; RMMAS:Radian of medial malleolus articular surface; LLMAS:Length of lateral malleolus articular surface; BLMAS:Breadth of lateral malleolus articular surface; RLMAS:Radian of lateral malleolus articular surface; ABT: Anterior breadth of trochlea; MBT:Middle breadth of trochlea; PBT:Posterior breadth of trochlea.
表选项
2.3 内踝关节面测量指标

本组受试者内踝关节面长、宽和弧度均呈正态分布。男性受试者内踝关节面长和宽均明显大于女性(P < 0.05)。但女性受试者内踝关节面弧度明显大于男性(P < 0.05)。在男性和女性受试者中，左右侧内踝关节面测量指标比较差异均无统计学意义(P>0.05)。见表 2。

2.4 外踝关节面测量指标

本组受试者外踝关节面长、宽和弧度均呈正态分布。男性受试者外踝关节面长和宽均明显大于女性(P < 0.05)。男性受试者外踝关节面弧度与女性比较差异无统计学意义(P>0.05)。在男性和女性受试者中，左右侧外踝关节面测量指标比较差异均无统计学意义(P>0.05)。见表 2。

2.5 滑车关节面测量指标

本组受试者滑车前、中和后宽均呈正态分布。男性受试者滑车前宽和中宽均明显大于女性(P < 0.05)。男性受试者滑车后宽与女性比较差异无统计学意义(P>0.05)。在男性和女性受试者中，左右侧滑车关节面测量指标比较差异无统计学意义(P>0.05)。见表 2。

2.6 不同研究中受试者距骨测量指标

本研究与其他研究[11, 14-15]中受试者距骨长、宽和高测量结果比较见表 3。本研究中男性和女性受试者距骨长、宽和高测量结果均大于日本人群和HE等[11]的测量结果，男性受试者距骨长、宽和高测量结果与希腊男性相近，而女性受试者距骨长、宽和高测量结果大于希腊女性。

表 3 不同研究中受试者距骨长、宽和高测量指标 Tab. 3 TL, TB and TH of subjects in different studie  
(x±s, l/mm)
Group Present study HE，et al.[11] SAKAUE[14] PECKMANN，et al.[15]
n Chinese n Chinese n Japanese n Greeks
Male TL 39 60.85±2.82 33 53.78±3.62 72 50.70±2.60 81 60.98±3.93
TB 39 42.96±2.59 33 41.50±2.98 72 40.70±2.35 81 42.25±2.58
TH 39 33.76±1.73 33 26.89±1.77 72 29.45±2.00 81 32.78±2.10
Female TL 37 54.41±2.49 32 48.86±2.63 71 45.80±2.50 71 53.88±2.90
TB 37 39.76±1.78 32 36.47±2.02 71 36.75±1.80 71 37.63±2.07
TH 37 29.72±1.20 32 24.32±1.61 71 26.70±1.55 71 29.33±2.16
TL: Talar length; TB: Talar breadth; TH:Talar height.
表选项
3 讨论

目前对距骨的形态学测量多以尸体标本和X线检查为基础，尸体标本不易获取，且需要去除附着的软组织，人为误差较大，大样本量研究很难进行[10]。而基于X线片形态学测量角度难以统一且测量参数较少，难以获得完整精确的数值以反映距骨的解剖。通过CT扫描可以较为方便测量骨的形态[16]，CT数据容易获取和存储，易于进行大样本量研究，且重建为三维模型后便于测量骨的结构和形态[17-18]。本研究对我国东北地区76名受试者，通过CT扫描测量13个重要的距骨形态学参数，全面地对距骨的形态进行评估，对距骨假体的设计有重要的参考意义。

本研究13项指标中10项指标男性受试者明显大于女性，而内踝关节面弧度女性受试者明显大于男性，男性和女性受试者外踝关节面弧度和滑车后宽比较差异无统计学意义。滑车后部有大量软骨，且男性受试者明显多于女性，软骨会影响CT扫描对骨的识别[19]，进而降低滑车后宽的测量精确度，以上男性和女性间不同的生理结构可能是导致不同性别受试者滑车后宽差异无统计学意义的主要原因。本研究结果表明：在设计距骨假体时，应重视性别差异，否则会导致假体的不匹配，进而影响患者愈后。假体过大会导致植入体超出原有骨骼，对其他组织产生负面影响；假体过小会导致覆盖原有面积过小，使置换关节容易产生应力集中，从而使失败率和松动率上升[20]。本研究中受试者左右侧距骨测量指标具有高度的一致性，与现有研究的结论一致。ISLAM等[21]通过应用Mimics软件分析11名受试者左右侧距骨的对称性发现：受试者左右侧距骨差异性低于7.5%。因此在设计距骨假体时，健侧距骨的形态学参数可作为重要的参考。

目前通过CT扫描对国人距骨行形态学测量的研究较少。本研究中受试者距骨长、宽和高均偏大，男性距骨体积偏大，而女性距骨体积却偏小，差异产生的主要原因可能是测量的方法不同。在HE等[11]的测量中，距骨长、宽和高是根据CT扫描不同层面的端点测得。而本研究通过Magics软件中的“边界框”功能为距骨创建一个立方体框架，立方体会随着距骨的旋转而改变位置和参数，测量者通过调整距骨位置，使其下端的3个点位于立方体的一个面上，此时立方体的长和宽即为距骨的长和宽。本研究测量方式更加统一，能够减少测量标志点的选取带来的误差。此外，本研究中受试者来自我国东北地区，而HE等[11]研究中的受试者来自华北地区，东北地区人群平均身高较华北地区高[22]。因此不同的测量方法和受试者来源可能是导致对比结果有明显差异的主要原因。

SAKAUE[14]通过尸体标本对日本人群的距骨形态学参数进行测量，结果显示：男性标本距骨长、宽和高分别为(50.70±2.60)、(40.70±2.35)和(29.45±2.00)mm。本研究中男性受试者距骨长、宽和高分别为(60.85±2.82)、(42.96±2.59)和(33.76±1.73)mm，明显大于日本男性距骨长、宽和高的测量结果，女性距骨长、宽和高测量结果有同样的差异。以上结果表明：中国人群距骨测量指标明显大于日本人群，因此为日本人群设计的距骨假体不适用于中国人群，在设计中国人群距骨假体时，日本人群距骨假体仅可作为参考。PECKMANN等[15]通过尸体标本对希腊人群的距骨形态学进行测量，本研究结果与之比较显示：希腊人群中女性距骨长、宽和高测量结果均小于本研究中女性受试者的测量结果，而男性测量结果相近。以上结果表明：不同族群和不同地区人群中距骨形态学测量指标比较差异有统计学意义，与部分[23]研究结果相似。因此，为设计符合国人形态学特点的距骨假体，对国人距骨进行精确的形态学测量是十分必要的。此外，本研究与国外距骨形态学研究采用的测量方法不同，存在一定的系统误差，因此与外国人群距骨形态学指标进行比较仅可作为参考。

本研究采用CT三维重建技术对中国人群距骨进行精确的形态学测量，提供了正常距骨的形态学数据，为指导符合国人形态学特点的距骨假体的设计和优化提供了重要依据。

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