人工关节无菌性松动的早期诊断.pdf

中国组织工程研究与临床康复 第15卷 第4期 20110122 出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research January 22,2011 Vol.15,No.4 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN:ZLKHAH 709 人工关节无菌性松动的早期诊断 魏 慧1，田 京2Early diagnosis of artificial joint aseptic loosening Wei Hui1,Tian Jing2 Abstract BACKGROUND:The most significant factor that affects the life span of joint prosthesis is the artificial joint aseptic loosening.OBJECTIVE:To explore the early diagnosis of artificial joint aseptic loosening methods in order to facilitate active early treatment.METHODS:A computer-based online search of PubMed database,CNKI database,VIP database and Wanfang database between May 1997 and October 2010 was performed to search related articles with the key words of“aseptic loosening,artificial joint,prosthesis,osteolysis,early diagnosis”in English or Chinese.Literatures related to aseptic loosening of prosthesis were selected;in the same field,the articles published lately in authoritative journals were preferred.A total of 182 literatures were primarily selected,and 39 documents of which addressing the analysis and treatment of aseptic loosening of prosthesis were involved for summary according to inclusion criteria.RESULTS AND CONCLUSION:Aseptic loosening of prosthesis and osteolysis has a close relationship with abnormality of bone metabolism and inflammatory reaction.Therefore,related cytokines of inflammatory reaction induced by bone metabolic markers and wear particles can be used for early diagnosis.Isotopic tracer can not only displays the morphology of tissue and organ,but also reflects the function of tissues and organs by showing physiological and biochemical processes of organs or tissues.Pathological changes can be found earlier than imaging for a few weeks or even months.Wei H,Tian J.Early diagnosis of artificial joint aseptic loosening.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu.2011;15(4):709-713.http:/ http:/ 摘要 背景：人工关节无菌性松动是影响关节假体寿命最主要的因素。目的：旨在探讨人工关节无菌性松动的早期诊断方法，以利于开展积极的早期治疗。方法：由第一作者应用计算机检索 PubMed、中国期刊全文数据库(CNKI)、维普数据库和万方数据库 1997-05/2010-10 相关文献。在标题、摘要、关键词中以“aseptic loosening，artificial joint，prosthesis，osteolysis，early diagnosis”或“无菌性松动，人工关节，假体，骨溶解，早期诊断”为检索词进行检索。选择文章内容与假体无菌性松动有关者，同一领域文献则选择近期发表在权威杂志文章。初检得到 182 篇文献，根据纳入标准选择关于假体无菌性松动分析及处理的 39 篇文献进行综述。结果与结论：假体无菌性松动和骨溶解与骨代谢异常和炎症反应之间的关系密切，所以骨代谢相关指标和磨损颗粒诱导炎症反应的相关细胞因子都可用于早期诊断；核素示踪剂不仅能显示组织器官形态，而且通过显示器官或组织的生理与生化过程来反映组织器官的功能，可早于影像学数周甚至数月发现病变。关键词：无菌性松动；人工关节；假体；骨溶解；早期诊断 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.04.034 魏慧，田京人工关节无菌性松动的早期诊断J.中国组织工程研究与临床康复，2011，15(4):709-713.http:/www.crter.org http:/ 0 引言 人工关节臵换是治疗关节严重残疾的主要手段之一。对无菌性松动进行早期诊断有利于开展积极的早期治疗，越早诊断骨量损失越 小1。目前，松动的诊断仍以临床症状和影像学检查为主；骨密度的测量有积极意义，但因其临床影响因素较多有一定的局限性；生物学标志物检测在早期诊断假体松动有着广泛的应用前景；随着放射性核素研究的深入和推广，其在早期诊断人工关节松动有重要价值。本文从这几方面作一综述，以期帮助临床医生更好地早期诊断和治疗本病。1 资料和方法 1.1 资料来源 应用计算机检索 PubMed、CNKI、维普数据库和万方数据库 1997-05/2010-10 相关文献。英文检索词为“aseptic loosening，artificial joint，prosthesis，osteolysis，early diagnosis“；中文检索词为“无菌性松动，人工关节，假体，骨溶解，早期诊断”。1.2 入选标准 纳入标准：具有原创性，论点论据可靠的人工关节无菌性松动早期诊断研究类文章。观点明确，分析全面的人工关节无菌性松动早期诊Department of Orthopaedics,Zhujiang Hospital,Southern Medical University,Guangzhou 510282,Guangdong Province,China Wei Hui,Department of Orthopaedics,Zhujiang Hospital,Southern Medical University,Guangzhou 510282,Guangdong Province,China weihuijunyi2007 Correspondence to:Tian Jing,Master,Associate chief physician,Professor,Department of Orthopaedics,Zhujiang Hospital,Southern Medical University,Guangzhou 510282,Guangdong Province,China tian_jing6723 Received:2010-10-19 Accepted:2010-12-11 南方医科大学附属珠江医院骨科，广 东 省 广 州 市 510282 魏慧，女，1989年生，湖北省荆门市人，汉族，南方医科大学2007级临床医学本科在读 通讯作者：田京，硕士，副主任医师，教授，南方医科大学附属珠江医院骨科，广东省广州市 510282 tian_jing6723 中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1673-8225(2011)04-00709-05 收稿日期：2010-10-19 修回日期：2010-12-11(20101019010/WL)魏慧，等人工关节无菌性松动的早期诊断 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 710 www.CRTER.org 断研究临床应用类文章。文献主题内容与关节无菌性松动早期诊断研究进展及可行性、实用性联系紧密的文章。排除标准：Meta 分析。非假体无菌性松动诊断类文章。动物试验类基础研究。重复性研究。1.3 质量评估 计算机初检得到 182 篇文献。阅读标题和摘要进行初筛，排除研究目的与此文无关的 116 篇，观点落后及重复性的研究 27 篇，保留 39 篇文献做进一步分析。2 结果 2.1 临床体格检查 人工关节臵换后疼痛的再现是临床评估无菌性松动的一个重要线索。临床医生通过详细的物理检查，多可判断出人工关节臵换后假体是否松动。Lavernia 等2对 98 例患者进行了人工全髋关节臵换术(total hip arthroplasty,THA)术后 1 年的随访研究，能够良好预示髋臼假体松动的临床检查指标依次是：股骨轴向叩击痛，髋关节外旋产生的疼痛，髋部疼痛；能够良好预示股骨柄假体松动的临床检查指标依次是：股骨轴向叩击痛，髋关节外旋产生的疼痛，大腿区疼痛，髋关节内旋产生的疼痛，髋部疼痛，膝部疼痛。它与感染性疼痛最大的区别在于假体松动所引起的疼痛与负重有密切关系3。临床检查指标见表 1。2.2 影像学检查 影像学检查有助于假体无菌性松动和骨溶解的诊断。影像学和临床表现无明确的因果关系使得假体松动的诊断有时比较困难5。随着成像技术和图像处理技术的改进，其在诊断人工关节松动方面仍有重要意义。2.2.1 X射线技术 X射线摄片是评价关节假体臵换术的基本方法，也是诊断无菌性松动的常规方法。假体周围透亮线产生提示假体与骨界面整合不良，是无菌性松动的重要指征。普通 X 射线片对骨溶解的检测往往受患者体形大小、骨盆和下肢体位、投照放大率、摄片技术和病变位臵等多方面因素的影响6。IDES(international documentation and evaluation system)于 1998 年提出人工髋关节臵换后假体松动的放射学标准7，见表 2。2.2.2 CT 扫描 CT 扫描评估骨溶解较 X 射线片灵敏，但是金属假体可产生射束硬化性伪影，从而严重影响到对假体周围骨质结构的评估。螺旋 CT 对于分辨和定量髋臼周围骨溶解较 X 射线平片的敏感性更高8。然而 CT放射剂量较高，故不可能代替 X 射线检查成为常规检测手段。一系列抑制金属伪影的新技术应用于评估骨盆骨缺损位臵和范围，其精确度较好，对于诊断假体周围骨溶解有帮助9。2.2.3 MRI MRI 适用于检测假体周围骨溶解和软组织内部炎症。Kumar 等10报道，现在大部分假体采用非磁性材料制造，进行 MRI 检查是安全的。假体松动的MRI 影像特征为金属部件和周围骨之间假体周缘存在中等强度信号，提示界膜组织存在。关节臵换术后早期患者出现临床症状，即使 X 射线检查无异常，MRI 也能很好地显示异常的软组织反应11。MRI 检查时存在磁敏感性伪影，可以选择合适的操作条件等方法来降低 MRI磁敏感性伪影12，实现对疼痛性或无症状关节臵换患者的系统评价。2.3 骨密度测量 植入材料的磨损微粒碎屑所诱导的细胞活化反应、细胞因子释放及其酶类激活等生物反应可导致人工关节臵换术后假体周围骨溶解和无菌性松动 13。因此，可以通过测定骨密度来辅助诊断是否发生假体周围骨溶解和无菌性松动。以骨密度测量值与当地同性别骨密度峰值比较，减少一个标准差(或减少12%)以内为基本正常；减少 1.02.0 个标准差(或减少13%25%)为骨量减少。但是由于临床上有很多疾病都可导致溶骨、骨质减少，如：妇女绝经后、老年性骨质表 1 人工髋关节置换后假体松动的临床检查指标4 关节松动的可能性 阴性 阳性 关节屈曲角度 90，70 90 30,30 70,髋关节僵硬 髋部疼痛程度 不痛或轻度疼痛适度 疼痛、剧痛、无法忍受的疼痛 疼痛出现的部位 臀部 无 有 腹股沟区 无 有 大腿区 无 有 膝部 无 有 查体时出现的疼痛 无 有 大转子区叩击痛 无 有 轴向叩击痛 无 有 髋关节内旋时疼痛 无 有 髋关节外旋时疼痛 无 有 表 2 人工髋关节置换后假体松动的放射学标准 假体松动分类 未松动 松动 假体臼杯 向上迁移 无，10 mm 向中心迁移 无，轻微，适度 严重，进入骨盆内部 放射性透亮带 无，占区的1/2,连续性透亮带 占区的1/2 骨水泥断裂 骨水泥完好 骨水泥断裂 臼杯的碎裂 臼杯完好 臼杯破裂 进行性倾斜或旋转 无 存在 假体柄 柄的下沉 无，3 mm 骨水泥-柄间的透亮带 无，2 mm 骨水泥-骨或柄-骨 面间的透亮带 无，占近端的1/2，连续性 占远端的1/2 柄周围的股内膜空洞 无，12个 多个 大的骨缺损 无 1个，大面积 骨水泥层的断裂 无 存在于区上下 柄的断裂 柄完好 柄断裂 股骨近端及髋臼观察分区采用 Delee&Charnley 分区法 指标 放射学表现 魏慧，等人工关节无菌性松动的早期诊断 ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN:ZLKHAH 711 www.CRTER.org 疏松、甲亢性骨质疏松、甲旁亢性骨质疏松、糖尿病、肾性营养不良等，均需仔细鉴别。2.4 生物学标志物检查 反映假体磨损进程的生物学标志物包括磨损产物和与炎症反应相关的炎性递质，可以从这两方面尝试寻求假体松动的早期诊断指标14。2.4.1 磨损产物 假体的磨损产物包括磨损颗粒、金属离子和其他副产物。Schiopu 等15对全髋关节臵换术失败的患者行人工关节翻修术，以金属-高分子聚乙烯假体替代初装的金属-金属假体，结果患者血清中钴、铬离子浓度最终降至正常水平，表明金属离子几乎全由关节假体产生。关节假体周围产生的金属离子可通过与白蛋白结合，随体液循环而分布于全身各组织器官16，可引起机体过敏反应。金属离子可通过刺激活性氧(AOS)的产生促进外周淋巴细胞增殖分化，与抗体、补体共同介导金属离子过敏反应17。检测和诊断金属敏感性的方法有淋巴细胞转化实验、淋巴细胞转移抑制试验等18。金属离子含量和磨损的相关性仍需通过对假体磨损的量化研究证实。限于目前对磨损的测量不够敏感，对大部分患者尚无法确定磨损与血清离子含量之间的相关性，这也是未来的研究方向之一。2.4.2 生物学效应物 除了测量磨损产物，许多研究侧重于检测磨损相关的生物学效应，包括测量骨转换和相关炎症反应的标志物。NTx：型胶原交联 N 端肽(NTx)是使用最为广泛的胶原降解标志物，其含量可反映破骨细胞骨吸收活 性19。Savarino 等20报道，假体松动患者相对于骨关节炎患者血清中 NTx 的诊断敏感性达 33%，特异性达100%。Von Schewelov 等21发现关节臵换术后数月内血清中的 NTx 水平不在正常范围内，直到术后 6 个月左右才基本正常；相较于假体稳定患者，假体松动患者血浆和尿液中胶原成分有很大差异，但灵敏度和特异度相对较低限制了这些技术的应用；另外，其他临床因素如患者患有骨关节炎或使用影响骨代谢的药物，也会影响检测结果的准确性。细胞因子：对假体松动进程中与炎症反应相关的细胞因子进行量化研究，已成为新的方向。细胞接受刺激后分泌不同数量的细胞因子和生长因子，这样就可通过检测其释放的生物活性因子间接评价假体磨损。Hundric-Haspl 等22检测到假体松动患者的血浆中炎性因子肿瘤坏死因子、白细胞介素 1、MCP-1和白细胞介素 8 的含量均较假体稳定组高；Javed 等23发现假体臵入时间少于 6年的人群白细胞介素 6水平升高，其与骨密度降低及影像学骨溶解表现均相关，提示白细胞介素 6 可作为假体周围骨溶解的标志物。Shanbhag 等24运用高通量的蛋白质芯片寻找金属-聚乙烯配伍关节假体骨溶解组织中的炎性因子标记物，发现白细胞介素 8 和白细胞介素 6 高表达。在假体周围肉芽组织中并没有检测到其他细胞因子，但是晚期退行性关节疾病的关节囊组织中也存在上述细胞因子并可检测到。因此，如何提高早期诊断的特异性将是研究的重点。RANKL 与 OPG：RANKL(核因子 B 受体活化因子配体)是调节破骨细胞功能的关键因子，OPG(骨保护素)是 RANKL 的天然诱饵受体，通过与 RANKL 的结合而降低破骨细胞活性。Granchi 等25分别测量健康人、骨关节炎患者、髋关节假体稳定及假体松动患者等 4 组人群血清中 OPG 和 RANKL 含量，结果骨关节炎和假体松动患者 OPG含量显著增加；如果血浆中 OPG含量2 300ng/L，对于诊断骨溶解的敏感度达 92%，特异性为75%。这将是早期诊断人工关节假体松动的一个新指标。细胞比例：另外有研究表明，骨溶解假体松动患者外周血 CD14+CD16+单核细胞比例高于机械性松动组、假体稳定固定组以及骨关节炎组的患者；并且骨溶解松动患者该单核细胞亚群的比例与血浆肿瘤坏死因子和白细胞介素 1 的含量相关，与假体周围组织的病理学表现也相关，即：人工关节臵换术后患者的外周血CD14+CD16+单核细胞的比例变化，可以用于早期诊断骨溶解无菌性松动的发生。2.5 核素检查 在疾病的形成中，生化的变化与功能的变化一般都早于组织结构的变化。影像学检查只能显示组织密度的差别，得到病理解剖影像；而核素示踪剂不仅能显示组织器官形态，而且通过显示器官或组织的生理与生化过程来反映组织器官的功能，因此一般可比普通影像学检查早数周乃至数月发现病变26。2.5.1 核素显像种类 目前应用于诊断人工关节疾病的核素显像有99锝m显像、67镓显像、111铟显像及18氟-脱氧葡萄糖正电子计算机断层显像(18F-FDG-PET)，每种显像均有不同种类的标记物27。99锝m标记环丙沙星显像：99锝m标记环丙沙星可作为一种特殊的标记来区分人工关节感染与无菌性炎症引起的松动。Larikka 等28对 16 例膝关节臵换术患者进行99锝m标记环丙沙星显像，严格执行双盲法，结果显示核素诊断的敏感性为 86%，特异性为 78%，该方法有一定的应用前景。99锝m标记抗菌肽显像：与环丙沙星相比，抗菌肽在细菌中具有更强的聚集效应29，更具有特异性，可用来鉴别人工关节感染与无菌性松动。Sarda-Mantel 等30建立家兔人工关节感染模型以评估99锝m-UBI(一种抗菌肽)显像检测人工关节感染的效果，结果显示99锝m-UBI 显像可早期检测出人工关节感染，进而做出否定性判断，以早期诊断人工关节假体松动。但是目前抗菌肽标记细菌法尚停留于动物试验阶段，其在临床应用的可 魏慧，等人工关节无菌性松动的早期诊断 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 712 www.CRTER.org 行性及效果仍需进一步研究。99锝m标记硫索单抗显像：硫索单抗(sulesomab)是一种抗粒细胞单克隆抗体的 Fab 片段，可尝试用于排除感染而帮助早期诊断假体无菌性松动。Iyengar 等31对 39例疑似人工关节感染患者进行99锝m标记硫索单抗显像，结果显示该技术的敏感性为 91%，特异性为81%，阴性预测值高达 96%，因此可以认为该项技术排除感染的意义大于诊断感染。von Rothenburg 等32在应用硫索单抗显像评估人工髋膝关节感染的试验中也得出类似的结论，认为此显像技术可更多地应用于排除感染。99锝m-亚甲基二膦酸盐(MDP)骨扫描：99锝m-亚甲基二膦酸盐(MDP)骨扫描是最早应用于诊断人工关节感染的核素显像，该技术对感染非常敏感，但缺乏特异性。99锝m-MDP 单独应用的意义在于可排除感染，即放射性核素摄取不增加强烈提示人工关节无感染。这为需翻修假体提供了进行一期翻修术的依据33。18F-FDG-PET：Rubello 等34认为18F-FDG-PET 是鉴别人工关节感染与松动很有前景的方法，但须进一步进行大样本评估。Mayer-Wagner 等35对 32 例膝、髋关节臵换术患者的人工关节进行18F-FDG-PET 扫描，以 鉴 别 人 工 关 节 感 染 与 无 菌 性 松 动，结 果 显 示18F-FDG-PET 的敏感性与特异性分别为 67%和 83%。18F-FDG-PET 阴性显像可排除人工关节感染的可能，有效区分人工关节感染与无菌性松动，可作为早期诊断关节假体无菌性松动的指标之一。67镓枸橼酸盐扫描：67镓枸橼酸盐扫描可能99锝m-MDP 骨扫描的敏感性更高，还可用于检测99锝m-MDP骨扫描不能检测出的软组织感染36。其较高的敏感性和很高的特异性，被视为核医学技术诊断人工关节感染或炎症的金标准，可有效鉴别感染或无菌性松动。然而，此种检测方法因存在价格昂贵、药物准备繁琐、血液污染危险而使应用有一定局限性。67镓枸橼酸盐扫描联合99锝m-MDP 骨扫描：Itasaka 等37对 48 例髋关节翻修术患者进行99锝m-MDP 骨扫描和67镓枸橼酸盐扫描，结果显示99锝m-MDP 骨扫描诊断人工关节感染的敏感性为 83%，特异性为 79%；67镓枸橼酸盐扫描的敏感性为 67%，特异性为 100%。因此认为99锝m-MDP骨扫描与67镓枸橼酸盐扫描联合应用有助于区分人工关节感染和无菌性松动。该技术可用于人工关节无菌性松动的早期否定性诊断。2.5.2 核素显像应用 假体周围明显的放射性聚集提示为松动和/或感染，并且没有一种核医学显像的方法对诊断感染有较高的特异性。假体的感染通常只有中等程度的摄取增加，并不比无菌性松动的摄取高38。摄取增高的部位对于区分感染和松动很重要，因为感染的特点是沿着骨与假体周围间隙，而松动则是在股骨颈和股骨头周围摄取增加。关节病理病因学与骨扫描显影类型的诊断相关性见表 339。3 展望 假体的无菌性松动受多因素影响，对其早期临床诊断尚需深入研究。借助于不断发展的影像学技术，临床上对于骨溶解和假体松动的评估越来越全面和精确。目前许多研究发现生物学指标与假体松动的骨重建和炎症反应相关，标志物特异性的确定与如何进行量化，对于早期诊断人工关节松动有重要意义。核素在早期诊断人工关节松动有重要意义和前景，如何区分核素的浓集部位是感染还是松动将是未来的研究热点。4 参考文献 1 Huber M,Reinisch G,Zenz P,et al.Postmortem study of femoral osteolysis associated with metal-on-metal articulation in total hip replacement an analysis of nine cases.J Bone Joint Surg Am.2010;92(8):1720-1731.2 Lavernia CJ,Alcerro JC.Quality of life and cost-effectiveness 1 year after total hip arthroplasty.J Arthroplasty.2010 Sep 24.Epub ahead of print 3 杨庆铭.全髋关节置换术后的假体松动J.中华关节外科杂志：电子版.2009;3(5):635-638.4 吕丹，孙明林.人工髋关节置换后假体无菌性松动的因素及其防治J.中国组织工程研究与临床康复，2009，13(13):2553-2556.5 中国组织工程研究与临床康复杂志社学术部.人工肩关节置换后：假体松动诊断的“金标准”及若干影响因素J.中国组织工程研究与临床康复，2010，14(13):2285-2286.6 Chen HC,Wu CH,Lin CJ,et al.Automated segmentation for patella from lateral knee X-ray images.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc.2009;2009:3553-3556.7 Yamaguchi M,Bauer TW,Hashimoto Y.Three-dimensional analysis of multiple wear vectors in retrieved acetabular cups.J Bone Joint Surg Am.1997;79(10):1539-1544.8 Egawa H,Ho H,Huynh C,et al.Clin Orthop Relat Res.2010;468(2):480-490.9 武文，戴尅戎.人工关节诊断标志物研究进展J.国际骨科学杂志，2009，30(1):3-6.10 Kumar R,Lerski RA,Gandy S,et al.Safety of orthopedic implants in 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