光子计数CT评估全腕关节置换后骨整合与骨溶解

引言

全腕关节置换术（TWA）的并发症发生率相对较高，10年假体存活率屡有报道约为80%，低于全髋和全膝关节置换术。较新的第四代保留骨量技术显示出更令人鼓舞的结果；然而，假体周围骨溶解和假体松动仍是最常见的并发症[1–4]。

骨溶解的病因可能是多因素的，由炎症、骨重塑失衡以及来自假体的机械应力和微动所驱动[5–7]。组织损伤和磨损颗粒可触发炎症级联反应[5, 8–10]。假体手术后生物力学负荷分布的改变可导致应变减少区域的骨萎缩，这一现象称为应力遮挡[11, 12]。微动可能增加骨-假体界面处的液体压力，并促进假体周围骨溶解[6, 13]。无论其起源如何，骨整合失败和骨溶解是假体失败的两个主要原因，尽管骨溶解改变的范围与后续假体失败和患者症状的相关性并不十分好，且骨溶解过程甚至可能在术后数年内趋于稳定[14–16]。

TWA患者的随访通常包括常规X线影像。然而，该方法存在结构重叠投影的局限性，可能掩盖细微的骨改变，且无法对骨微结构进行详细可视化。由于金属伪影使骨-金属界面的评估变得困难——而这对诊断骨溶解和假体松动最为重要——常规能量积分CT并非最佳替代方案。近年来，光子计数探测器CT（PCD-CT）已在许多较大的临床放射科投入使用。这种相对较新的CT技术能够在较低辐射剂量下实现更高的空间分辨率，改善术后患者的金属伪影减少效果，并简化骨质量评估[17]。这使得该技术可能适用于改进骨微结构的可视化，这对于检测和评估骨溶解性改变很重要，同时也适用于评估骨整合和假体稳定性[18–22]。

本研究旨在评估骨质量变化和假体周围骨溶解。我们同时旨在评估骨整合征象，据我们所知，这些征象尚未在TWA术后患者中使用PCD-CT进行过描述。

材料与方法

患者

19例全腕关节置换术患者被纳入本研究，该研究经瑞典伦理审查局批准（编号：2021-02034）。纳入标准如下：使用Motec®腕关节假体（Motec，Swemac Innovation AB，林雪平，瑞典）行全腕关节置换术，成人，非妊娠，有能力参与研究，并提供口头和书面知情同意。

PCD-CT检查在术后次日以及术后6个月和12个月时进行。假体固定的骨骼按改编自Chakrabarti等人[23]的分区方法进行划分，以便后续评估（图1）。

手术

Motec腕关节假体是一种非骨水泥型模块化关节置换系统，采用球窝关节连接。其近端通过圆锥形钛合金螺钉固定于桡骨，远端固定于头状骨和中掌骨。术中切除第一排腕骨（舟骨、月骨和三角骨）以为假体创造空间。螺钉固定通过螺钉与桡骨远端皮质骨及第三掌骨峡部水平的紧密配合实现。球头组件固定于远端螺钉内，杯组件固定于近端螺钉内。杯内衬为超高分子量聚乙烯（UHMPE）。术后石膏固定2周后，患者按照结构化康复计划活动手部。术后8周允许完全活动和负重。

成像方案

所有检查均在光子计数探测器CT系统（NAEOTOM Alpha，西门子医疗，德国福希海姆）上使用相同的临床超高分辨率方案进行。扫描采用140 kVp管电压及锡滤过，准直120 × 0.2 mm，螺距0.8，旋转时间1.0秒。容积CT剂量指数（CTDIvol）为7.3 ± 0.3 mGy，与我们临床EID-CT系统方案所用的辐射剂量相似。

采用量子迭代重建（QIR）强度3重建低阈值多能量（T3D）图像（锐利卷积核Br89）以及130 keV能级的虚拟单能图像（VMI）（卷积核Br76）。重建矩阵为1024 × 1024，视野根据患者情况确定（62–183 mm）。轴位图像重建层厚为0.2 mm（增量0.1 mm）和1.0 mm（增量0.5 mm）；轴位VMI 130 keV图像层厚为0.4 mm（增量0.2 mm）。冠状位和矢状位重组图像重建层厚为1.0 mm。根据阅片者偏好的层厚，按需额外生成多平面重组图像（表1）。该方案基于我们此前使用PCD-CT进行术后腕关节成像的优化工作和临床经验。

骨整合与骨溶解评估

骨整合定义为假体表面与皮质骨之间的直接接触，或骨髓腔内形成的骨组织可见地连接假体表面与皮质骨的骨长入。评估每个区域的骨整合程度：0%、> 0–25%、> 25–50%或> 50%。PCD-CT图像由两名阅片者独立审阅，一名为具有20年以上放射学经验的顾问放射科医师，另一名为具有9年放射学经验的放射科医师。

溶骨性改变分为线样、囊性（有时称为膨胀性或扇贝样/花边样）或混合型。线样溶骨定义为骨与植入物界面处存在相对均匀的透亮区，囊性溶骨则是指从骨与植入物界面延伸出的圆形、边界清晰的骨组织缺失区 [24]。当线样和囊性溶骨同时存在时，则描述为混合型溶骨（图 2）。

当假体柄周围存在连续的透亮线，伴或不伴可见的假体移位时，即判定假体松动。溶骨性改变和假体松动的评估由作者之一（NK）完成，该医师为一名具有 20 年以上放射学经验的顾问放射科医师。

骨质量评估

所有测量均由作者之一（NK）在多能（T3D）轴位图像上完成，层厚 1.0 mm，每个区域在十个不同位置手动放置感兴趣区进行测量。注意将测量放置在相似的位置。R1、M1 和 M2 区被排除，因为基线皮质厚度过薄，无法进行可靠测量。皮质厚度测量为软组织-皮质骨界面与皮质-骨小梁界面之间的最短距离。皮质密度测定为放置在皮质骨内的圆形感兴趣区中的平均 CT 值（图 3）。

统计学

为分析骨整合随时间的变化，我们采用基于广义估计方程（GEE）的有序 logistic 回归处理相关数据。检查时间作为分类预测变量纳入，以基线检查（术后次日）为参考水平，允许将 6 个月和 12 个月与基线进行比较。为考虑同一患者内重复测量的相关性，患者 ID 作为聚类变量。观察者作为固定效应纳入模型。

为分析定量皮质质量指标的变化，对每例患者、每次检查及每个区域，计算平均皮质密度和皮质厚度。采用具有异质性一阶自回归协方差结构的线性混合效应模型评估变化。与基线（0 个月）的比较使用 Sidak 校正进行调整。

观察者间一致性采用二次加权 Cohen's kappa 分别对每个区域进行评估，该方法考虑了评分系统的有序性。Kappa 值按常规解释如下：0.41–0.60 为中等一致性，0.61–0.80 为高度一致性，> 0.80 为几乎完全一致。双侧 p 值 < 0.05 视为具有统计学显著性。

结果

骨整合和溶骨的评估

不同区域在不同时间点的骨整合和溶骨概览见图 4。

骨整合

在12个月的随访期内，植入物的骨整合在除M1区以外的所有区域均有所增加（表2）。骨整合百分比最高的区域位于距关节间隙最远的区域，12个月时，84.2%的患者在M3区（掌骨螺钉尖端周围）植入物周缘的50%以上实现了骨整合，89.5%的患者在R4区（桡骨螺钉尖端周围）实现了骨整合。

骨溶解性改变

6个月时，31.6%（19例中6例）的患者在R1区（桡骨最远端区域）表现出骨溶解性改变；12个月时，为84.2%（16例）。其中1例患者（5.3%）在12个月时于R2和R3区发现骨溶解。在M1区（头状骨），6个月时为78.9%（15例），12个月时为94.7%（18例）。在M2区（掌骨基底部），6个月时为10.5%（2例），12个月随访时增加至21.1%（4例）。6个月检查时出现骨溶解性改变的患者，在12个月时均至少在一个区域表现出进行性骨溶解。

在R1区，12个月时有2例患者表现为线状骨溶解，10例为囊性骨溶解，4例为线状和囊性混合骨溶解改变。其中1例R1区囊性骨溶解患者的骨溶解改变延伸至R2和R3区。在M1区，8例患者表现为线状骨溶解，4例为囊性骨溶解，6例为线状和囊性混合骨溶解改变。在M2区，1例患者表现为线状骨溶解，2例为囊性骨溶解，1例为线状和囊性混合骨溶解改变。

未观察到植入物组件松动。1例患者在R1区无残留的骨-植入物接触，5例患者在穿过头状骨（M1区）的柄周围存在透亮区。然而，植入物分别在更近端的桡骨区域和掌骨区域仍保持骨整合。

观察者间信度

各区域的观察者间一致性为中等至几乎完全一致。二次加权kappa值分别为：R1区0.719，R2区0.595，R3区0.827，R4区0.898，M1区0.621，M2区0.830，M3区0.809。一致性在R4区最高，在R2区最低。

骨质量评估

皮质厚度

6个月和12个月后，R2和R3区的皮质厚度出现持续显著减少。R4和M3区未发现变化（表3）。

皮质密度

在R2区，6个月和12个月后均发现以HU测量的骨密度降低。在R3、R4和M3区，存在骨密度降低的趋势，但结果无统计学显著性（表4）。

讨论

在本研究中，我们使用光子计数探测器CT（PCD-CT）研究全腕关节置换术后第一年内出现的骨变化。我们评估了种植体周围不同区域的骨整合、假体周围骨溶解以及以皮质厚度和密度为指标的骨质量变化。

主要发现是，PCD-CT揭示了种植体表面持续骨整合的清晰征象，尽管术后12个月时几乎所有患者在关节间隙附近均观察到伴随的假体周围骨溶解（图5）。

我们发现，骨溶解始于骨与假体柄之间的界面、靠近关节间隙处（R1区和M1区），并从关节向远端进展。在关节间隙远端区域出现骨溶解的患者，同时也在更靠近关节间隙的区域存在骨溶解。12个月时，19例患者中有16例在桡骨假体远端周围出现骨溶解，除1例外所有患者在掌骨假体近端周围出现骨溶解。这一比例显著高于Holm-Glad等的研究结果，该研究中20例使用Motec全腕关节置换术的患者中有6例在桡骨假体周围出现骨溶解，9例在掌骨假体周围出现骨溶解[2]。本研究中数量更高的原因可能在于关节面材质不同。在该研究中，Motec采用钴铬合金金属对金属球窝关节，而在本研究中使用了超高分子量聚乙烯（UHMPE）杯衬，可能对磨损颗粒产生更多的炎症反应。差异也可能反映所用影像学方法的不同。在本研究中，PCD-CT提供了高空间分辨率和三维评估。与Holm-Glad等使用的基于X线片的评估相比，这可能提高了本队列中骨溶解的检出敏感性[2]。

在Reigstad等2017年的研究中，假体松动表现为快速、线性的骨溶解模式，而关节旁扇贝状（囊性）骨溶解在1至2年后停止，且与假体部件松动无相关性[25]。我们在头状骨骨附着丧失（M1区）的患者中同时发现了线性和囊性以及混合性骨溶解，并发现线性、囊性以及混合性骨溶解改变均进展至相应掌骨基底部（M2区）。然而，术后最初12个月内掌骨中仍存在骨整合，且由于远端螺钉的初始固定位于掌骨峡部区域（M3区），未出现具有临床意义的松动。

我们通过比较基线和随访时皮质密度及皮质厚度，评估了种植体周围不同区域的骨质量变化。

在皮质骨的感兴趣区（ROI）中测量平均CT值（HU）是一种简便的骨密度评估方法，因为CT中X射线的衰减与每个体素的原子质量和密度成正比。骨密度和皮质厚度均反映局部应力变化[26, 27]。腕关节假体的植入改变了关节内机械力的分布[28]。根据Wolff定律，应变减少会诱导骨吸收。

我们发现桡骨组件远侧分区（R2和R3）的皮质厚度减少，且R2区的骨密度显著降低，提示桡骨组件远侧部分的应变减少。在桡骨（R4区）或掌骨柄尖端（M3区）未发现变化，这可能是由于这些区域的应变得以保留（或增加），或许是因为这些部位是假体置入时获得初始固定的位置。这些区域与螺钉具有最大皮质附着的部位相对应。

腕关节假体周围区域的骨密度降低此前已通过DXA扫描进行评估，且假体设计已被证明对骨重塑有影响，可导致骨吸收/应力遮挡及皮质厚度变化[2, 13, 29]。在Completo等人2017年的一项体外研究中，腕关节假体周围的应变在桡骨组件远侧减少，但在桡骨柄尖端增加[11]。我们研究中包含的假体桡骨组件周围骨组织的应变模式可能与此相似。

尽管桡骨组件远侧周围和掌骨组件近侧周围的假体周围骨出现了相当程度的溶骨性改变和骨质量下降，但在随访期间未出现假体松动。相反，我们发现除头状骨（M1）外的所有分区均有骨整合增强的征象，表现为额外的骨小梁形成，从骨皮质内表面向假体表面延伸（图6）。这些骨整合的直接发现此前已由Thomson等人在动物模型中利用显微CT进行了可视化描述[30]。由于我们研究中使用的PCD-CT具有高空间分辨率，我们能够在接受全腕关节置换术（TWA）的患者中观察到这些表现。

此外，骨整合的变化可在整个随访期间进行评估。骨整合通常通过常规X线影像间接评估，其定义为骨-假体界面无透亮区（溶骨），伴或不伴随访时假体位置的改变[31]。PCD-CT可通过实现对假体周围骨变化的更详细评估来提供补充信息，从而改进对假体稳定性的评估，并增进我们对骨整合过程的理解。

我们的研究存在局限性。首先，这是一项单中心研究，纳入的患者数量有限，且仅涉及一种类型的腕关节植入物。其次，随访时间仅限于12个月。未来的研究应纳入更大的队列、更长的随访时间，并纳入力学和功能结果，以将影像学发现与植入物的长期存活率联系起来。第三，骨质量的评估基于皮质的手动测量，因为客观的基于分割的方法被发现会受到局部密度变化和骨小梁的影响。因此，我们选择了一种标准化的手动方法，在每区10个位置重复测量并检查以提高精度。总之，PCD-CT可用于检测全腕关节置换术（TWA）后对植入物稳定性重要的骨变化。最重要的是，我们能够随时间可视化骨向植入物的长入。与此同时，骨质量出现下降，表现为皮质密度和厚度降低，以及最靠近关节间隙的植入物周围出现溶骨性改变。通过使用PCD-CT，我们能够观察到这种对评估植入物稳定性很重要的伴随性骨整合。