文章来源：
骨科临床与研究杂志2017年 第2卷 第1期
文章作者：
黄行健 周一新 杨德金 尹星华 唐浩
作者单位：
北京积水潭医院矫形骨科
对于髋关节炎患者，全髋关节置换术是改善功能、缓解疼痛最成功的治疗方法之一[1]。有文献报道，全髋关节置换术术后并发症发生率为6.5%～7.6%[2]，而其临床表现通常滞后于影像学表现[3]。为了实现对术后并发症的早期发现与干预，临床医师必须熟知各种并发症的影像学表现，并对各类影像学检查方法的优势与不足有所理解，从而选择准确且性价比高的全髋关节置换术后评估方式。本文将结合现有文献，对现代全髋关节置换术常见的晚期并发症的影像学表现做出阐述，并介绍当今减金属伪影计算机X线断层扫描(computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、放射性核素显像(radionuclide imaging)、超声波、关节造影在相关领域的应用。另外，断层融合技术(tomosynthesis)作为相对新式的技术，其在假体周围影像评估中尚未得到广泛应用。以往有文献提出其在评估早期假体周围骨溶解、透亮线中的优势[4]，本文也将对这项技术做简要介绍。
影像学检查是全髋关节置换术后患者复查的基石。普通X线检查对于术后并发症的初始筛查至关重要。对假体脱位、位置不良等早期并发症以及异位骨化、假体周围骨折等晚期并发症，X线平片都可较好地显示。然而，对于早期感染、无菌性松动以及软组织相关病变，X线的敏感性较差。关节穿刺吸引、关节造影是评估感染、显示窦道及关节周围交通积液的有效方法。而超声检查以及核医学显像则为感染和积液的检查提供了进一步的补充。
CT的射束硬化伪影(beam-hardening artifact)与MRI的磁敏感性伪影(susceptibility artifact)在过去很长时间内限制了这些影像学方法在髋关节置换术后患者中的应用[1]。然而，随着影像学参数和减伪影技术的改进，CT与MRI已经具备发现多种髋关节置换术后并发症的能力[5]。CT在检测早期骨性病变中具有优势，包括骨溶解及假体周围骨折。较大的关节周围积液、脓肿也可被CT观测到。降低金属伪影的影像采集方式包括使用高的峰电压(140kVp)，增加毫安秒(成人中应用300～450 mAs)，缩窄准直宽度以及选择较薄采集层面等。除此之外，还可利用多种重建算法及较宽的重建层厚来进一步降低伪影[6]。
减金属伪影MRI能够较好地显示关节周围软组织病变[1]。减金属伪影技术包括应用短回波间隔(short echo spacing)的快速自旋回波序列(fast spin echo sequences)、缩小视野、应用高分辨率矩阵、选择较薄采集层面以及频率编码梯度强度等。此外，应用较低磁场强度、使假体长轴与静态磁场长轴方向一致的方法也可进一步降低金属伪影[6]。
1.无菌性松动：股骨柄及髋臼假体的无菌性机械性松动是全髋关节置换术后失败的首要原因，约占所有翻修病例的20%[7]。假体组件的磨损、不良初始稳定性、固定失败以及患者因素(年龄、体重)等均为无菌性松动的贡献因素。假体设计的改良虽然从整体上减少了机械性松动的发生率，但其总体发生率在不同医疗单位间仍然波动很大。
目前，对股骨柄或髋臼假体松动的影像学诊断标准仍未统一，但一些特定的影像学特点可以用来预测未来进行翻修手术的可能性。
骨水泥型股骨柄有两种设计理念，力学匹配型和形态匹配型，这两种柄失败的影像学标准不尽相同[8]。理论上，形态匹配型柄不应在骨水泥套中下沉，而高抛光锥形的力学匹配型柄则允许假体柄在骨水泥套中少量下沉并再度获得稳定性。对于形态匹配型柄，若术后2年时假体移位≥2.6 mm，则长期成功的可能性仅为5%[9]。术后2年时假体移位≥2 mm，合并存在2 mm以上的透亮线，10年内需要翻修的可能性为50%。上述征象如只出现一个(移位或透亮线)，10年内需翻修的可能性降至25%[10]。Harris等[11]将形态匹配型柄的松动定义为：①可能松动：任一摄片方位下柄周围50%～99%存在透亮线；②可疑松动：任一摄片方位下柄周围100%存在透亮线；③绝对松动：假体出现移位(柄-骨水泥或骨水泥-骨界面)、柄或骨水泥断裂。对于高抛光锥形柄，随着其在骨水泥套中下沉，在柄的肩部常能见到假体-骨水泥界面的透亮线，它能反映柄下沉的距离。其下沉速率应随时间降低，正常的下沉速率为：第1年1 mm，后10年1 mm。通常柄不会下沉超过2 mm[12-13]。除上所述，骨水泥柄与假体失败相关联的不良影像学表现包括：新出现的透亮区，特别是在骨水泥-骨界面进展的[14]；早期(术后即刻或1年内)出现的透亮区[15]；骨水泥-骨界面分离，特别是在Gruen 1，2区出现的分离[16]。需要注意的是，对于骨水泥柄，可能会出现与柄平行走行的较窄(<2 mm)透亮线，其旁边常有明显的硬化线，这是一种正常表现[17]。它是骨水泥与邻近骨发生反应的结果，代表着骨水泥-骨界面纤维膜的产生。这种纤维膜会在术后2年内逐渐稳定。还要注意，宽度<2 mm且在术后2年后无进展的透亮线并不是松动的表现，而较宽(≥2 mm)、进展性的骨水泥-骨界面全周的透亮线才是松动的表现[18](图1)。对于髋臼假体，3 mm或以上的移位(包括旋转)被认为失败[16]。
▲图1 松动骨水泥柄的X线正位图像
▲图2 6区有新骨形成，可见“焊点”(箭头示)
对于非骨水泥型假体，松动的评估标准与骨水泥型假体不尽相同。Engh等[19]对非骨水泥股骨假体稳定性的分类系统应用较广，共分为3类，①骨融合：多孔表面区域无反应性硬化线，骨内膜新骨形成与多孔表面形成“焊点”(spot welds)(图2)；②纤维性稳定：多孔表面区域可见反应性硬化线(但无进展)，无假体移位；③不稳定：存在假体移位(下沉或内翻、外翻倾斜)，多孔表面颗粒脱落。除此之外，代表骨融合的其他影像学特点包括：无透亮线形成，存在应力遮挡及股骨距骨吸收，柄远端处骨皮质增厚等。与骨水泥型假体类似，术后2年后无进展的宽度<2 mm的独立透亮线可被视为正常现象，这种透亮线旁常伴有细的反应性硬化线，代表假体存在纤维性长入。虽然这种纤维性长入相较骨长入不是最理想的结果，但却可以提供足够的稳定性(Engh分类中的纤维性稳定)。
有时，在柄尖下方可见髓腔内新生骨组织硬化影，称为基座征(pedestal sign)。它实际上是骨应对假体下沉的反应性机制。如果通过其他影像学征象认为柄是稳定的，那么单纯的基座征可被视为正常。只有当柄周同时存在显著透亮线，才可认为基座征是松动的表现[20]。对于近端涂层假体，只要涂层部分存在骨融合，由于远端的微动使远端非涂层区域周围出现的独立、较窄的透亮线是可以接受的(常伴有反应性硬化线，也可伴有部分基座征)[21]。在髋臼侧，骨融合的征象包括：无透亮线形成、内侧存在应力遮挡、上外侧支持骨形成(superolateral buttress)、辐射式骨小梁生长及下内侧支持骨形成(inferomedial buttress)[22]。大于1mm并存在于多个区域的透亮线被认为有临床意义；应力遮挡表现为臼杯内侧区域骨密度降低；支持骨形成从概念上对应于股骨侧的“焊点”，表现为臼杯上外侧或下内侧的局部致密骨质；辐射式骨小梁生长则表现为髋臼1，2区垂直臼杯表面的细微骨小梁延伸影。这些征象通常在术后2～3年显现，具有其中3～5项征象的臼杯有97%存在骨长入[22]，而未出现或仅出现上述1项征象的臼杯有83%产生了松动。其他与臼杯松动相关联的影像学表现包括：术后2年新产生的或进展的透亮线或3区均出现透亮线。另外，臼杯的移位(≥3mm)象征存在松动。需要注意的是，术后即刻存在的残余小缝隙通常会在2年内消失，这种透亮线不具有临床意义[23]。
综上，全髋关节置换术后假体松动的影像学诊断依假体类型和设计理念的不同而各具差异，且并无公认的统一标准。所以，在诊断无菌性松动时，应当结合临床病史，并关注时间上连贯的一系列影像学资料，综合分析与监测透亮线和假体移位等征象。
从方法学角度，X线仍然是临床评估假体松动最常用的的工具。Temmerman等[24-25]对1975—2004年间有关各种影像学诊断方法评估无菌性松动效果的文献进行荟萃分析，结果见表1。
在股骨侧的表现上，4种影像学方法的敏感性和特异性差异没有统计学意义；在髋臼侧的表现上，数字减影关节造影的敏感性强于X线平片及骨显像，特异性上4种方法差异无统计学意义。
虽然X线平片诊断假体无菌性松动的敏感性和特异性久经临床和科研考验，但应当了解的是，任何基于平片的检查，其诊断的精准度至多达到2～3 mm范围[26]，且平片存在解剖组织重叠成像。对于严重并发症的早期征象，如细小的透亮线，平片的探测能力存在不足。这显然不利于对早期征象的连续监测。CT和MRI等断层检查无重叠成像，然而长时间以来由于金属伪影的限制并未被广泛应用于关节置换术后的评估。随着近年来影像学参数和减伪影技术的改进，CT与MRI已经被证明在检测骨溶解、感染和软组织病变等术后并发症方面具有优势。但这些断层检查对无菌性松动的评估(特别是早期评估)是否优于平片，目前尚缺少相关研究论证[1]。
表1 不同影像学技术检测髋臼假体松动和股骨假体松动的敏感性及特异性比较(%)
新出现的核医学技术，如单光子发射计算机断层成像(SPECT-CT)、正电子发射计算机断层成像(PET-CT)在临床中的应用尚少。在Abele等[27]于2015年发表的研究中，SPECT-CT诊断全髋关节置换术后假体无菌性松动的敏感性为100.0%、特异性为96.0%、阳性预测值为92.9%、阴性预测值为100.0%、准确性为97.4%，可能为未来无菌性松动的诊断提供了新的选择。
2.感染：根据报道，感染约占所有全髋关节置换翻修病例原因的15%，紧随在假体不稳定和无菌性松动之后[7]。感染可以发生在术后早期或晚期。临床表现包括发热、疼痛及髋部脓液排出与硬结；实验室检查结果包括白细胞计数与红细胞沉降率的升高(敏感性与特异性不高)。X线平片(图3A)与CT见假体周围弥漫性或多灶的骨溶解(≥2 mm或进展性)，要考虑感染的可能性；但在感染早期，这种影像学表现不一定会出现，即使出现，也需与无菌性松动或颗粒介导的骨溶解相鉴别。
文献报道中，软组织的异常，包括关节肿胀与积液、软组织的积液，是诊断感染更可靠的征象。CT能更准确地检测出这些改变(图3B)，MRI则在评估假体周围软组织和显示早期积液方面更优于X线平片和CT(图3C，3D)[6]。
▲图3 患者，男，49岁，全髋关节置换术后4个月，出现持续疼痛、红肿、发热、白细胞计数升高、红细胞沉降率及C反应蛋白上升。A X线平片，大、小转子区域弥漫性骨密度降低 B轴位CT，箭头示一条由关节通向皮肤的窦道 C，D矢状位及轴位MRI，STIR序列，应用减伪影技术，箭头示假体后部局灶液体信号，结合患者临床表现，考虑存在早期脓肿形成，后经穿刺证实。注意积液周围还存在软组织水肿。
这些断层影像学的应用意义在于：确认或否认平片中所见征象、评估软组织受累情况以及进一步判断骨破坏的程度。其他检查还包括关节造影。造影下若见到髋关节周围滑囊和腔隙充盈着边缘不规则的造影剂，提示感染的可能，但其对诊断的特异性不强[28]。超声对关节周围积液的检测以及引导穿刺吸引具有积极的意义。最后，关节腔穿刺及滑液活检是诊断感染的金标准，但作为确诊试验，其敏感性相关文献报道差异较大，对于临床高度怀疑感染或伴随骨膜反应的患者，其敏感性较高[29]。
鉴于常规影像学在诊断准确性上的限制以及穿刺吸引检查的有创性，一些核医学显像技术成为了辅助评估感染的重要无创诊断方式[30]。骨显像(bone scintigraphy)以及放射性标记白细胞显像是其中应用最广泛的两种检测方法。此外，一些新出现的核医学技术，如免疫闪烁成像(immunoscintigraphy)，SPECT-CT和PET-CT也逐渐显示出了优异的诊断价值。
骨显像应用骨放射性示踪剂99锝-亚甲基二磷酸盐(99Tc-MDP)。注射示踪剂后，通常进行血流相及随后的骨相两次扫描，由Gamma相机获取相关部位的静态图像。一次检查接受的有效剂量约6mSv[31]。关节置换术后的数月内，由于正常生理反应，假体周围的示踪剂摄取将比背景水平要高。但术后12个月示踪剂摄取的持续升高则是异常的。99Tc-MDP的摄取取决于血流以及新骨形成的速率，故假体周围存在新骨形成的部位都将出现示踪剂摄取的升高，表现为图像中的“热点”。骨显像的敏感性很高，但特异性一般，不能鉴别感染和无菌性松动[32](图4)。曾有研究报道其诊断感染的敏感性为100%，但在另一项研究中其特异性为0%[33]。综上，这项检测最大的价值在于其对排除膝、髋关节置换术后严重并发症的很高的阴性预测值(95%)[34]。对于结果阳性而原因尚不明确的患者，则通常需要进行更特异的检查以确诊。
▲图4 患者，女，68岁，双侧膝关节置换术后，99Tc-MDP显像 A 血池相 B 骨相。右侧股骨假体(箭头示)及左侧胫骨假体示踪剂摄取增加。经手术确诊为无菌性松动
白细胞显像应用示踪剂标记患者的白细胞，被广泛应用于对可疑感染、炎症的评估。白细胞在外周短暂循环后，除非发生趋化现象，大部分进入骨髓(90%)、脾、肝与肺中。当存在假体周围感染时，白细胞的聚集使相应区域示踪剂摄取增加。实际情况中，由于慢性感染与非特异性感染的存在、造血骨髓在不同患者间分布的差异及假体刺激的局部造血骨髓的激活，使得对白细胞显像结果的解读有时存在难度。文献报道其对感染的诊断敏感性为65%～100%，特异性为23%～65%[35]。
为了解决上述问题，联合白细胞-骨髓核素显像应运而生。除了标记白细胞(111铟或99m锝标记)，这种方法还进行骨髓核素显像，即通过注射99m锝标记的胶体在骨髓中聚集、显像所得。由于被标记的白细胞与被标记的胶体都可在骨髓中聚集，而只有被标记的白细胞会聚集在感染部位，故通过先后进行白细胞扫描和骨髓扫描并进行对比，在前者扫描中摄取增强而在后者扫描中无摄取的部位即为感染部位(图5)。联合白细胞-骨髓核素显像大大增强了白细胞显像的诊断强度。目前，其诊断准确率是核医学相关检查中最高的，被认为是核素检查假体周围感染的金标准[32]。有研究报道其准确性高达98%[35]。
新出现的核医学技术，如免疫闪烁成像(immunoscintigraphy)、SPECT-CT和PET-CT在临床中的应用尚少，这可能与它们的价格较昂贵有关。Abele等[27]的研究已论证了SPECT-CT在诊断全髋关节置换术后假体无菌性松动的优异表现。这些新兴核医学技术在感染诊断方面的临床价值及经济学因素还有待今后继续评估。
3.骨溶解：颗粒所介导的骨溶解是假体周围透亮区的主要来源之一。虽然来自假体任何部位的颗粒均可诱导组织细胞的吞噬反应，但是聚乙烯的磨损颗粒是最主要的致病因素。来自聚乙烯或其他部位的颗粒经由关节液可进入骨-假体或骨水泥-骨界面中，故骨溶解可以发生在假体周围任何区域。其影像学表现有时很细微，且易与无菌性松动及感染相混淆。分叶状骨内膜(endosteal scalloping)是其影像学上一个特点[6]。相较X线平片，CT对其评估更具优势[36-39]。相关文献报道，X线平片会低估骨溶解的程度至少20%；单张正位X线平片下，臼杯表面超过83%的骨溶解会被漏诊，而CT对髋臼侧的骨溶解诊断准确性较高[40-42]。在另一项研究中，Walde等[43]利用尸体骨制作的骨溶解模型，提出X线平片诊断骨溶解的敏感性为52%，CT为75%，MRI为95%。由于CT的断层特性，其还可以量化评估骨缺损的程度。
▲图5 联合白细胞-骨髓核素显像 A骨显像，可见股骨柄远端异常示踪剂摄取(箭头示)，尚不能鉴别感染或无菌性松动 B 同一患者白细胞扫描，可见股骨柄远端示踪剂摄取增高(细箭头示) C 同一患者的骨髓核素显像，可见股骨柄远端对应位置同样存在示踪剂摄取增高(细箭头示)，说明此位置是异位造血骨髓，而非感染。这是一例白细胞扫描出现假阳性的例子，也说明了联合白细胞-骨髓核素显像的重要性。粗箭头处为右侧股骨正常造血骨髓
4.假体周围骨折：假体周围骨折是相对少见的并发症，全髋关节置换术后的发生率不到1%[7]。骨折的发生常与松动、应力遮挡或创伤有关。Vancouver分型可用于此种骨折的分类：A型骨折分布在转子区；B型骨折分布在柄或柄尖附近；C型骨折分布在柄尖更远端处[36]。利用X线平片评估较为直观。
5.异位骨化：以往报道中，30%～50%的髋关节置换患者术后发生了异位骨化，其常见症状为髋关节僵硬，而约有70%的异位骨化患者不出现症状[18]。利用X线平片与CT，术后数周可观察到钙化密度影，而最早在术后12周，可观察到关节强直[44]。骨三相显像是早期异位骨化最敏感的影像学检查方法，其血流相及血池相影像可在X线检出前1～4周发现示踪剂的摄取增加[45]。
被接受范围最广的异位骨化分类系统是由Brooker等[46]提出的，将其分为4级。Ⅰ级：髋关节周围软组织内骨岛；Ⅱ级：骨盆或股骨近端的骨赘，相对的骨表面距离≥1 cm；Ⅲ级：骨盆或股骨近端的骨赘，相对的骨表面距离<1 cm；Ⅳ级：完全性关节强直[47]。
6.其他软组织并发症：对于其他一些在X线上显示正常但表现出疼痛等临床症状的并发症，如大转子滑囊炎及其他假体周围积液、后方假性关节囊不连续、肌腱损伤或肌腱变性，MRI与超声的诊断意义较大[48]。另外，超声检查可引导关节内或关节周围积液的穿刺吸引，还可引导大转子滑囊与髂腰肌腱的类固醇或麻醉剂注射。
断层融合技术是在传统的X线断层摄影技术基础上，结合数字平板探测器及现代计算机图像处理技术开发的一种有限角度图像重建方法。具体方法为X线球管在一定的角度内连续曝光采集，充分利用在一次采集过程中获得的某个物体的多角度投影数据，通过特定的重建算法得到任意层面的数字化图像[49]。与X线平片相比，断层融合解决了重叠成像的问题；与传统CT和MRI相比，其受金属伪影的影响较小。另外，与CT相比，断层融合的辐射剂量也较小，仅为CT的10%～20%[49]。这些优势为其在关节置换术后并发症的评估应用注入了潜能。
目前，国内外关于论证断层融合技术诊断关节置换术后并发症效能的文献尚少。Minoda等[4]利用猪尸体膝关节制作了膝关节置换术后骨溶解模型(平均大小0.7 mm3)与透亮线模型(宽度2 mm)，比较了X线、断层融合、减伪影CT与减伪影MRI 4种方法对骨缺损的诊断能力。断层融合的敏感性与特异性分别为85.4%和87.2%，CT为61.5%和64.1%，而平片与MRI未能检出骨缺损。此体外研究初步显示了断层融合在检测假体周围早期骨溶解、透亮线上的优势与潜能。然而，其实际临床应用价值还有待在未来的临床实践及科学研究中被证明。
传统X线与其他多种影像学技术的结合应用能够更加准确地评估全髋关节置换术后相关并发症。虽然X线平片仍然是全髋关节置换术后并发症初始评估的最重要手段，关节造影、超声和核医学显像可以在不同角度为并发症评估提供补充，特别是在诊断关节周围积液与假体周围感染方面。随着影像学参数和减伪影技术的改进，减伪影CT与MRI也同样显示出特定的优势。CT对骨溶解的范围与体积、假体周围骨折、关节周围积液和血肿显示更佳，而MRI则对评估软组织异常很有帮助。新出现的断层融合技术具有空间分辨率高、受金属伪影影响小和辐射剂量低的优势，在早期诊断和监测全髋关节置换术后并发症方面具有潜力，其实际的临床应用价值有待在未来的临床实践及科学研究中证明。
参 考 文 献：（略）
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