劉福存綜述 吳海山審校

綜 述

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍骨量丟失的研究進(jìn)展

劉福存綜述 吳海山審校

初次全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA）術(shù)后都存在骨量的丟失，且流行病學(xué)顯示這種骨量丟失不依賴于假體類型和固定方法[1,2]。術(shù)后假體松動(dòng)與假體表面骨吸收、磨損引起的骨溶解和術(shù)中骨丟失有關(guān)，但假體周圍骨密度（bone mineral density，BMD）降低也是遠(yuǎn)期假體松動(dòng)的一個(gè)重要原因。理論上，假體周圍BMD降低亦會(huì)增加假體周圍骨折的風(fēng)險(xiǎn)，且大量BMD降低會(huì)導(dǎo)致翻修手術(shù)的困難[2]。但其重要性并未象髖關(guān)節(jié)假體周圍骨丟失那樣受重視。近年來(lái)隨著雙能X線吸收測(cè)定（dual energy X-ray absorptiometry，DEXA）技術(shù)的成熟及對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)，關(guān)于膝關(guān)節(jié)假體周圍BMD減少的研究有所增多。現(xiàn)綜述如下。

1 假體周圍骨量丟失的機(jī)制

TKA術(shù)后假體周圍的骨量丟失主要由應(yīng)力遮擋所致。杯形的股骨假體減少了股骨遠(yuǎn)端前后方向的剪切應(yīng)力，使應(yīng)力重新分配至骨-骨水泥或骨-假體界面，這種膝關(guān)節(jié)機(jī)械載荷的改變可導(dǎo)致骨的適應(yīng)性重建。Van-Lenthe等[3]應(yīng)用三維有限元模型驗(yàn)證了這種應(yīng)力遮擋可導(dǎo)致假體周圍骨吸收。應(yīng)用有限元模型分析骨適應(yīng)性重建，亦可驗(yàn)證股骨遠(yuǎn)端假體翼后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重骨量丟失[4]。Karbowski等[5]將12例TKA假體周圍BMD手術(shù)前后結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)非骨水泥固定假體周圍平均BMD明顯降低（21.5%），股骨假體翼后丟失最多，術(shù)后一年可減少22%左右。有研究者將感興趣區(qū)（region of interest，ROI）設(shè)在股骨假體上1 cm骨干處（應(yīng)力遮擋可被忽略），發(fā)現(xiàn)此ROI區(qū)BMD降低了8.4%，遠(yuǎn)較假體翼后的同期骨丟失（22.8%）為少?？梢姂?yīng)力遮擋是造成股骨假體周圍骨丟失的主要原因。

相對(duì)于股骨假體產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力遮擋而言，脛骨假體還會(huì)影響到應(yīng)力的重新分布[6]，從而影響骨重建，相關(guān)研究示脛骨假體周圍骨量丟失在經(jīng)過(guò)兩年骨重建以后平均BMD可恢復(fù)至基線骨密度水平。

2 假體周圍骨密度的測(cè)量方法

傳統(tǒng)評(píng)價(jià)TKA的優(yōu)劣主要依據(jù)患者的臨床狀況（膝關(guān)節(jié)功能、穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)范圍、有無(wú)疼痛等）和X線平片。X線平片可用來(lái)觀測(cè)假體位置、膝關(guān)節(jié)力線、骨-假體或骨-骨水泥界面，為臨床提供感染、松動(dòng)、下沉的依據(jù)。但用其來(lái)檢測(cè)假體周圍骨密度是不可靠的。在一張標(biāo)準(zhǔn)X線平片上，BMD改變超過(guò)20%～40%才能被肉眼所見[7]。DEXA被認(rèn)為是一種精密度很高的BMD測(cè)量方法。學(xué)者們注意到膝關(guān)節(jié)假體周圍骨量丟失以后，DEXA被迅速用于膝關(guān)節(jié)周圍BMD的測(cè)量。在骨密度領(lǐng)域，精密度（Precision，CV%）是關(guān)于一種儀器能否可靠地重復(fù)測(cè)量骨密度的概念。一些學(xué)者應(yīng)用DEXA測(cè)量前后位腰椎BMD，CV%約1.9%[7]，髖關(guān)節(jié)假體周圍BMD約1.0%～1.5%[8]。Soininvaara等[9]用DEXA測(cè)量30例單側(cè)膝關(guān)節(jié)置換假體周圍BMD，且以對(duì)側(cè)作為對(duì)照，結(jié)果顯示健側(cè)平均CV%約3.1%，脛骨側(cè)2.9%，髕骨6.9%。而術(shù)側(cè)分別為3.2%、2.5%和2.0%，結(jié)果類似于髖關(guān)節(jié)假體周圍BMD的測(cè)量。DEXA放射量低，最高有效劑量為40 μSv，故對(duì)病人的影響可以忽略不計(jì)，可重復(fù)測(cè)量。Therbo等[10]通過(guò)對(duì)模型和活體的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)下肢的旋轉(zhuǎn)可嚴(yán)重影響測(cè)量的精密度。下肢旋轉(zhuǎn)20°～40°時(shí)CV%為4.9%～12.3%。肢體處于0°位時(shí)，無(wú)論骨水泥固定假體還是非骨水泥固定假體，重復(fù)測(cè)量CV%為0.5%。

近年來(lái)，有學(xué)者將定量CT（quantitative CT，QCT）用于TKA術(shù)后BMD的測(cè)量[11]。較之DEXA，QCT可定量測(cè)量某部位骨密度，且可分別測(cè)量皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的骨密度。Reilly等[11]于2007年在4例尸體骨上應(yīng)用QCT測(cè)量脛骨骨密度，發(fā)現(xiàn)QCT是一種精密度很高的方法。且早在2005年，Reilly等就應(yīng)用QCT測(cè)量TKA術(shù)后脛骨上端BMD，得出骨量丟失持續(xù)1～2年而皮質(zhì)骨變化不大的結(jié)論。亦有學(xué)者將單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層（Single photon emission computed tomography，SPECT）引入到測(cè)量假體周圍骨量變化上來(lái)。Soininvaara等[12]已應(yīng)用SPECT對(duì)TKA術(shù)后骨的代謝活動(dòng)進(jìn)行了初步研究。

3 假體周圍骨量丟失規(guī)律

不論何種固定，TKA術(shù)后假體周圍都會(huì)出現(xiàn)進(jìn)行性骨量丟失[13]。van-Loon等[2]通過(guò)對(duì)股骨頸和腰椎手術(shù)前后BMD的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)盡管術(shù)后康復(fù)階段活動(dòng)減少，但全身骨量并未見減少，而假體周圍各ROI均出現(xiàn)了骨量丟失。

術(shù)后三個(gè)月，假體周圍骨量丟失最快，Soininvaara等[1]對(duì)69例用骨水泥固定行TKA手術(shù)的患者進(jìn)行隨訪，發(fā)現(xiàn)3個(gè)月后股骨平均BMD降低了11%～15.6%。術(shù)后6個(gè)月BMD丟失變緩，可達(dá)16%[14]。正常成人髕骨壓力可達(dá)4600N（6.5倍于體重）[15]。由于股骨假體翼的應(yīng)力遮擋，股骨遠(yuǎn)端假體翼后骨量丟失最多。Petersen等[16]發(fā)現(xiàn)，TKA術(shù)后兩年假體翼后BMD丟失可達(dá)36%。由于測(cè)量?jī)x器、劃分的ROI和隨訪時(shí)間有所不同，各研究所得結(jié)果不能互相比較，但假體周圍BMD的變化趨勢(shì)都是相似的。且隨著應(yīng)用DEXA測(cè)量假體周圍BMD技術(shù)的成熟及一些商業(yè)軟件的開發(fā)利用，各研究結(jié)果也都漸趨接近。van-Loon等[2]測(cè)得1年后假體翼后BMD降低了22%，Soininvaara等[6]得出了相似結(jié)論。有研究認(rèn)為2年后股骨遠(yuǎn)端骨量不再丟失，但根據(jù)有限元模型分析，假體周圍骨丟失時(shí)間要超過(guò)2年[4]。Soininvaara等[12]應(yīng)用SPECT研究假體周圍骨代謝情況，發(fā)現(xiàn)2年后股骨遠(yuǎn)端骨吸收仍存在。

與股骨遠(yuǎn)端骨量丟失不同的是，脛骨骨量丟失受載荷重新分布的影響較大，不存在嚴(yán)重的應(yīng)力遮擋。Soininvaara等[12]對(duì)69例病人進(jìn)行了為期1年的隨訪，發(fā)現(xiàn)術(shù)后3個(gè)月脛骨近端骨干區(qū)骨量丟失最多（3.8%），脛骨內(nèi)髁2.6%，而外髁只有0.06%。術(shù)后1年骨干BMD丟失4.7%（P＜0.001），而外髁無(wú)變化。作者在研究中重點(diǎn)討論了內(nèi)髁的變化。內(nèi)翻膝術(shù)后內(nèi)髁BMD減少，而外翻膝有所增加。另外，脛骨遠(yuǎn)端BMD 2年后密度比較均勻，恢復(fù)至術(shù)前平均基線水平。但Soininvaara等[12]應(yīng)用的都是短柄脛骨假體，盡管此研究顯示股骨近端假體周圍骨丟失和假體類型無(wú)關(guān)，但有相關(guān)研究證實(shí)假體類型和股骨柄形狀對(duì)脛骨遠(yuǎn)端BMD有影響。由于疼痛原因，患膝負(fù)重減少，關(guān)節(jié)力線恢復(fù)后患膝負(fù)重增加，有可能使脛骨假體周圍骨密度增加。Petersen等[16]應(yīng)用無(wú)羥基磷灰石涂層的Interax假體治療骨性關(guān)節(jié)炎患者，隨訪2年后發(fā)現(xiàn)患側(cè)脛骨骨密度有輕微增高。多數(shù)學(xué)者支持2年后脛骨假體周圍骨密度恢復(fù)正常基線水平。Soininvaara等[12]應(yīng)用SPECT也觀察到2年后脛骨近端成骨活動(dòng)減弱，基本完成了骨的重建。但Levitz等[17]發(fā)現(xiàn)脛骨近端應(yīng)力的改變可使假體周圍BMD以每年5%的速率降低。Van-Lenthe等[4]對(duì)190例病人進(jìn)行7年隨訪后，亦支持Levitz的結(jié)論。所測(cè)BMD減少速度為5.5%。

4 假體類型和固定方式對(duì)假體周圍骨量變化的影響

假體類型對(duì)周圍骨量丟失的影響仍有頗多爭(zhēng)議。Soininvaara等[12]應(yīng)用Duracon、Nexgon和AMK假體行TKA手術(shù)，采用骨水泥固定，結(jié)果顯示假體周圍都有骨量減少，但假體類型對(duì)周圍骨量影響無(wú)差異。Therbo等[10]進(jìn)行有關(guān)應(yīng)用DEXA測(cè)量BMD的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，利用非骨水泥固定Duracon或Interax假體和骨水泥固定AGC假體時(shí)，假體類型對(duì)假體周圍BMD無(wú)影響。Petersen等[16]亦否定了羥基磷灰石涂層的假體對(duì)脛骨BMD的影響。但Soininvaara等[12]應(yīng)用的Duracon、Nexgon和AMK假體均為短柄假體，長(zhǎng)柄脛骨假體是否會(huì)對(duì)周圍BMD產(chǎn)生影響，Hernandez-Vaquero等[18]對(duì)此進(jìn)行了研究，分別用Intex假體對(duì)190例病人行TKA手術(shù)，這些病人隨機(jī)分為兩組，一組用圓柱型脛骨柄假體，另一組用十字型脛骨柄假體，觀察了三個(gè)ROI，ROI 1設(shè)在脛骨內(nèi)側(cè)髁，ROI 2設(shè)在外側(cè)髁，ROI 3設(shè)在脛骨柄下1cm骨干中心處。經(jīng)過(guò)7年隨訪，結(jié)果顯示圓柱形柄假體組ROI 1區(qū)BMD明顯降低，ROI 2區(qū)降低較少，而ROI 3區(qū)基本無(wú)變化。與之相比，十字形假體柄組各ROI區(qū)BMD降低無(wú)差別，呈均勻減少。另外，Saari等[19]研究了假體襯墊設(shè)計(jì)對(duì)假體周圍BMD的影響。他將病人分為兩組，膝關(guān)節(jié)畸形較輕者（＜5°）組用PCL保留型假體，另一組用PCL切除型假體。每組又分為兩個(gè)亞組，分別給以曲面和平面襯墊。PCL保留型假體兩個(gè)亞組間假體周圍BMD無(wú)差異，而PCL切除組用平面襯墊的患者假體周圍骨量丟失要高于曲面襯墊組，且2年后平面襯墊組股骨假體翼后BMD繼續(xù)下降，而曲面襯墊組2年后有所增加。

5 二膦酸鹽對(duì)假體周圍骨量丟失的影響

二膦酸鹽是1969年Fleisch等[20]受焦磷酸鹽化合物可抑制骨質(zhì)礦化的啟發(fā)而合成的，是一種骨吸收抑制劑。其具體作用機(jī)理尚不清楚，目前已應(yīng)用于骨質(zhì)疏松癥的臨床治療中，其作用是能增加骨量，降低骨折發(fā)生率。因每天服用10mg二膦酸鹽可抑制THA術(shù)后BMD減少[21]，一些研究者嘗試用二膦酸鹽來(lái)減少膝關(guān)節(jié)假體周圍的骨量丟失。Soininvaara等[22]對(duì)11例病人進(jìn)行1年隨訪后發(fā)現(xiàn)口服二膦酸鹽的患者1年后周圍BMD丟失明顯降低。股骨假體翼后BMD僅丟失5.5%。二膦酸鹽減少了假體周圍的骨丟失，給初次置換的假體一個(gè)持久的支持。但是Wang等[23]發(fā)現(xiàn)術(shù)后服用二膦酸鹽對(duì)長(zhǎng)期BMD丟失無(wú)影響。二膦酸鹽治療組和對(duì)照組3年后假體周圍BMD無(wú)差異。

總之，膝關(guān)節(jié)假體周圍BMD降低是由于應(yīng)力遮擋和載荷的重新分布所致。術(shù)后6個(gè)月丟失最多，以后逐漸減少，且股骨假體翼后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重骨量減少。由于測(cè)量方法、儀器、時(shí)間和ROI選擇的不同，BMD丟失量有所差異。應(yīng)用二膦酸鹽可減少近期BMD的丟失，但遠(yuǎn)期療效尚待肯定。且其最佳劑量、服用時(shí)間及療程亦需繼續(xù)研究。當(dāng)今，DEXA因其精密度高、經(jīng)濟(jì)、安全而成為測(cè)量BMD的較好方法。但其所測(cè)僅為面積密度，不能定量，不能分別對(duì)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進(jìn)行檢測(cè)，亦不能對(duì)骨的代謝有所反映，因此近兩年來(lái)QCT和SPECT已成為膝關(guān)節(jié)假體周圍BMD研究的新工具。

1 Soininvaara TA,Miettinen HJ,Jurvelin JS,et al.Periprosthetic femoral bone loss after total knee arthroplasty:1-year follow-up study of 69 patients[J].Knee,2004,11(4):297-302.

2 van-Loon CJ,Oyen WJ,de-Waal-Malefijt MC,et al.Distal femoral bone mineral density after total knee arthroplasty:a comparison with general bone mineral density[J].Arch Orthop Trauma Surg,2001,121(5):282-285.

3Van-LentheGH,de-Waal-MalefijtMC,HuiskesR.Stress shielding after totalknee replacementmay cause bone resorption in the distal femur[J].J Bone Joint Surg Br,1997, 79(1):117-122.

4 Gillies RM,Hogg MC,Kohan L,et al.Adaptive bone remodelling of all polyethylene unicompartmental tibial bearings[J].ANZ J Surg,2007,77(1-2):69-72.

5 Karbowski A,Schwitalle M,Eckardt A,et al.Periprosthetic bone remodelling after total knee arthroplasty: early assessment by dual energy X-ray absorptiometry[J].Arch Orthop Trauma Surg,1999,119(5-6):324-326.

6 Soininvaara TA,Miettinen HJ,Jurvelin JS,et al.Periprosthetic tibial bone mineral density changes after total knee arthroplasty[J].Acta Orthop Scand,2004,75(5):600-605.

7 Lang T,Takada M,Gee R,et al.A preliminary evaluation of the lunarexpert-XL forbone densitometry and vertebral morphometry[J].J Bone Miner Res,1997,12(1):136-143.

8 Trevisan C,Ortolani S.Periprosthetic bone mineral density and other orthopedic applications.In:Genant HK,Guglielmi G, Jergas M.Bone densitometry and osteoporosis[M].Springer: New York,1998,541-582.

9 Soininvaara TA,Kroger J H,Jurvelin JS,et al.Measurement of bone density around total knee arthroplasty using fan-beam dual energy X-ray absorptiometry[J].Calcif Tissue Int,2000, 67(3):267-272.

10 Therbo M,Petersen MM,Schroder HM,et al.The precision and influence of rotation for measurements of bone mineral density of the distal femur following total knee arthroplasty [J].Acta Orthop Scand,2003,74(6):677-682.

11 Reilly L,Munro J,Pandit S,et al.Inter-observer validation study of quantitative CT-osteodensitometry in total knee arthroplasty [J].Arch Orthop TraumaSurg,2007, 127(8): 729-731.

12 Soininvaara T,Nikola T,Vanninen E,et al.Bone mineral density and single photon emission computed tomography changes after total knee arthroplasty:a 2-year follow-up study [J].Clin Physiol Funct Imaging,2008,28(2):101-106.

13 Mintzer CM,Robertson DD,Rackemann S,et al.Bone loss in thedistalanteriorfemuraftertotalkneearthroplasty:a methodological study using DEXA[J].Clin Orthop Relat Res, 1990,260:135-143.

14 Spittlehouse AJ,Getty CJ,Eastell R.Measurement of bone mineral density by dual-energy X-ray absorptiometry around an uncemented knee prosthesis[J].J Arthroplasty,1999,14(8): 957-963.

15 Seki T,Omori G,Koga Y,et al.Is bone density in the distal femur affected by use of cement and by femoral component design in total knee arthroplasty[J]?J Orthop Sci,1999,4(3): 180-186.

16 Petersen MM,Olsen C,Lauritzen JB,et al.Changes in bone mineral density of the distal femur following uncemented total knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,1995,10(1):7-11.

17 Levitz CL,Lotke PA,Karp JS.Long-term changes in bone mineral density following total knee replacement[J].Clin Orthop Relat Res,1995,321:68-72.

18 Hernandez-Vaquero D,Garcia-SandovalMA, Fernandez-Carreira JM,et al.Influence of the tibial stem design on bone density after cemented total knee arthroplasty:a prospective seven-year follow-up study[J].Int Orthop,2008,32(1):47-51.

19 Saari T,Uvehammer J,Carlsson LV,et al.Posterior stabilized componentincreased femoralbone lossaftertotalknee replacement.5-year follow-up of 47 knees using dual energy X-ray absorptiometry[J].Knee,2006,13(6):435-439.

20 Fleisch H,Russell RG,Francis MD,et al.Diphosphonates inhibit hydroxyapatite dissolution in vitro and bone resorption in tissue culture and in vivo[J].Science,1969,165(899): 1262-1264.

21 Wilkinson JM,Stockley I,Peel NF,et al.Effect of pamidronate in preventing local bone loss after total hip arthroplasty:a randomized,double-blind,controlled trial[J].J Bone Miner Res, 2001,16(3):556-564.

22 Soininvaara,TA,Jurvelin,JS,Miettinen HJ,et al.Effect of alendronate on periprosthetic bone lossaftertotalknee arthroplasty:a one-year,randomized,controlled trial of 19 patients[J].Calcif Tissue Int,2002,71(6):472-477.

23 Wang CJ,Wang JW,Ko JY,et al.Three-year changes in bone mineral density around the knee after a six month-course of oral alendronate following total knee arthroplasty.A prospective randomized study[J].J Bone Joint Surg Am,2006,88(2): 267-272.

（本文編輯 陳娜）

R687.42

A

1674-666X(2009)01-0070-03

200003 上海，上海長(zhǎng)征醫(yī)院骨科關(guān)節(jié)外科中心

吳海山，E-mail：drisland@vip.sina.com