人工全膝关节置换后的感染发病机制及诊断治疗

胡永友(综述)，余　莉(审校)

(重庆市永川区人民医院外科，重庆 402160)

人工全膝关节置换后的感染发病机制及诊断治疗

胡永友(综述)，余莉※(审校)

(重庆市永川区人民医院外科，重庆 402160)

摘要：人工全膝关节置换(TKA)术后感染是微生物、植入物、宿主三者相互作用的结果，其危险因素主要包括患者、围术期及术后等方面。其临床诊断方法多种多样，因各法单用的敏感性、特异性不够，临床多提倡综合几种检查结果来确诊。明确诊断后，治疗应以彻底根除感染、尽量保留关节功能为首要目的，Ⅱ期假体再置换被公认为是其治疗的金标准。该文就TKA术后感染的病因、病机、诊断、治疗等进行综述，以期为临床防治提供指导。

关键词：人工全膝关节置换；术后感染；危险因素；发病机制；诊治措施

人工全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)已广泛应用于骨科临床，随着外科技术的飞速发展及假体设计的不断改进，TKA术后结果的优良率明显增加，但术后并发症仍不可完全避免；其中，感染是手术失败的最主要原因，发生率为1.0%~7.4%[1-2]。据报道，在美国TKA翻修的首位原因便是假体周围感染；英国国家关节置换登记系统统计，在2010年23%的TKA翻修手术是由感染所致；在国内，虽然正在积极开展规范化操作，但因患者选择、手术控制、术后处理等存在明显差异，感染引发的TKA失败仍处在相对较高的水平[2-4]。因此，掌握TKA术后感染危险因素及发病机制，早期准确诊断，并制订完备治疗方案，才能有望获得满意的临床疗效。现就TKA术后感染的发病机制及诊断治疗进辰予以综述。

1危险因素

1.1患者因素①糖尿病：这可能与糖尿病患者白细胞功能低下、胶原合成障碍，致使伤口愈合障碍有关，而伤口愈合时间延长可增加术后感染概率；②类风湿关节炎：类风湿关节炎的营养不良、长期激素治疗，使患者的膝关节静脉变细、皮肤菲薄、组织愈合能力下降，是导致TKA术后感染率增加的主要原因；③恶性肿瘤：这可能与肿瘤产物的异常免疫反应或其他不明原因诱发以关节病变为主的副肿瘤综合征，以及治疗导致机体出现免疫抑制等有关；④肥胖：可能与肥胖者伴有胰岛素抵抗、高血糖，手术时间更长，术后伤口脂肪液化延缓愈合等有关；⑤既往手术史：有半月板、滑膜手术史，或多次翻修术史，导致膝关节周围瘢痕形成、挛缩甚至畸形，均可能增加TKA难度，延长手术时间而增加感染风险[5]。

1.2围术期因素①手术环境：空气中的细菌坠落污染是手术感染的一大来源，多源自手术室人员，故手术室人员数量、运动量均可能与术后感染有关；②预防性应用抗生素：术中预防性应用抗生素是为了杀灭污染术野的细菌，切口闭合后其将不再提供保护，但也有报道，切口闭合后使用抗生素>24 h可降低由放置引流管引发的感染风险[6]；③止血带：止血带在减少术中出血的同时，也会减少下肢血运，而长时间缺血、缺氧可导致皮肤、皮下组织抵抗力减弱及脂肪细胞坏死，影响伤口愈合，从而增加感染风险；④术后引流：TKA后放置引流管可能导致血肿形成，使周围局部张力增加，影响膝关节活动度及伤口愈合，也会延长手术时间及止血带的使用时间，均会增加局部感染风险；⑤其他：除上述几种危险因素外，手术风险分级标准、单双侧膝关节置换、术后伤口冲洗、闭合伤口所用缝线种类等，均对术后感染有一定影响[7]。

1.3术后因素①异体输血：多次接受异体输血者，可能出现非溶血性输血反应，导致白细胞减少；血液中诱生出抗供者白细胞及异型人类白细胞抗原抗体，使术后感染概率明显上升[8]；②菌血症：Murdoch等[9]报道，关节假体周围感染中约34.1%是由菌血症(金黄色葡萄球菌)引起的；也有真菌感染，一旦发生，往往束手无策，但发病率很低[10]；③尿路感染：对于术后卧床者，排尿不畅或尿潴留，可能继发上尿路感染，细菌可经由血液扩散至手术部位，导致关节周围感染；④心脏疾病：有严重心脏并发症者，需使用抗凝血剂，而抗凝剂是术后感染的危险因素；合并心脏疾病者，身体状况较差，间接延长了伤口愈合时间，增加了感染的可能性[8]；⑤其他：长期住院者，与各类致病微生物接触的概率增大；吸烟产生的大量一氧化碳，与血红蛋白结合后，对氧的亲和力极大，可使组织缺氧，延缓伤口愈合，增加感染风险[11]。

2发病机制

TKA术后感染发生主要取决于细菌的数量、毒力以及机体的免疫力，其中，细菌以表皮葡萄球菌(凝固酶阴性)、金黄色葡萄球菌最多见，约占总菌数的1/2以上；革兰阳性杆菌、β2溶血性链球菌、厌氧菌、肠球菌等次之；而真菌、布氏杆菌等极为少见[12]。细菌感染发生的途径有术中残留、术后经血液播散、病患自身皮肤污染等。据统计，术中残留是感染的最主要原因，尤其是术中细菌坠落污染约占90%，而病患自身皮肤污染占感染发生的5%~15%，但经血液播散发生率极低，仅有0.1%~0.7%[13]。TKA术后因手术创伤、异物残留等影响，关节的局部抵抗力显著下降，又因机体炎症反应，骨水泥或假体周围可形成利于细菌黏附及生物膜形成的区带，均有助于感染的发生[14]。临床研究大多认为，细菌黏附是感染发生的主要起始步骤，也起着决定性作用；当细菌距离骨水泥/假体表面一定距离时，其排斥作用被疏水作用、范德华力等抵消，细菌便开始附着，并经由物理作用、化学结合作用(非特异性)和生物作用(特异性)等实现进一步黏附；在此过程中，骨水泥/假体基质中富含的糖萼、多聚糖基化合物等是细菌作用位点，而骨水泥/假体表面或基质表面的特异性配体(如蛋白质或凝集素分子)与细菌表面的特异性受体(如膜表面分子)相互作用，又加固了细菌黏附[15]。

3诊断

3.1病史采集和体格检查病史采集和体格检查是假体周围感染最简单且有效的筛查方法，也有助于明确后续辅助检查方向。经病史采集可筛选出高危人群，如糖尿病、类风湿关节炎、肥胖、免疫抑制状态等。TKA后原因不明的切口愈合问题、早期失败、多次手术史、抗生素疗程延长等，多与假体周围感染相关。临床上，早期感染多有发热等全身症状，以及膝关节肿胀、疼痛、僵硬、切口渗液等局部症状；迟发性感染、隐匿性或低毒力细菌感染者，患肢肿胀轻甚至无，皮温略升高，很难诊断；感染后，因膝关节功能恢复不良，常伴有不随负重改变(运动范围、承重等)的休息痛、夜间痛，因此若TKA后出现持续性疼痛、进行性关节僵直，需高度怀疑感染的可能[16]。仅出现在与关节腔相通的窦道时，此法才具有明确诊断价值。

3.2影像学检查

3.2.1X线平片假体与骨水泥间正常情况下有一透光圈，虽在区别无菌性松动与TKA术后感染方面特异性不高，但其简单直观，在诊断迟发性感染方面有重要参考价值，可见骨-骨水泥界面被破坏[17]。但在感染早期，X线显示往往无异常或特异性。

3.2.2CT、磁共振成像检查因金属假体可产生显像伪差，使CT在诊断假体周围感染中受到限制；磁共振成像同样因假体干扰而未能广泛应用，但其可用于评估TKA术后疼痛及帮助关节翻修术前规划[18]。

3.2.3放射性核素扫描虽然99Tcm标记亚甲基二膦酸盐骨扫描具有高灵敏度，但因关节置换后1年假体周围组织重建骨的扫描仍为阳性，故与其他骨显像技术一样特异性低[19]。131In白细胞标记扫描可准确发现低度感染，据报道，131In白细胞标记联合99Tcm骨显像，可提高诊断准确性[20]。其他同位素虽也在研究，但特异性均不够。该类检查耗时较长、花费较大，也使其相对受限。

3.2.4正电子发射层扫描氟脱氧葡萄糖(18F-FDG)-正电子发射层扫描或许能替代对人体有潜在损害的常规检查，活动性炎症时其吸收高，在无菌性松动与感染区别方面，较之99Tcm敏感性、准确性、特异性更高，能可靠预测假体周围的细菌性炎症反应，但因特异性不够，阳性结果不能清晰区别炎症原因[21]。

3.3血清学检查C反应蛋白、红细胞沉降率是排除TKA术后感染的敏感指标，但仅依靠C反应蛋白、红细胞沉降率并不能确诊感染，因为近期手术史或某些特定疾病均可使C反应蛋白、红细胞沉降率升高[22]。因此，C反应蛋白、红细胞沉降率仅可用于筛查关节置换术后感染，若两指标均正常，提示假体周围感染可能性很小；若有一项升高，需进行感染相关的进一步检查；另外，白细胞介素6及肿瘤坏死因子α等炎性因子也可用于早期假体周围感染的诊断，白细胞介素6在TKA术后即上升，但术后第2日便可降回正常范围，说明其较C反应蛋白、红细胞沉降率更适合诊断早期感染[23]。

3.4关节穿刺检查关节穿刺及关节液分析在TKA术失败病例处理中有着重要作用。过去关节液多行细菌培养，以判断有无感染存在，但培养时间较长，且确诊或排除感染的敏感性、特异性变异较大，假阳性率也高，而抗生素应用也会掩盖阳性证据，均为诊断带来困难。近来，白细胞计数与多形核细胞的比例在区分无菌性失败与感染中得以应用，快速且低廉，适用于迫切需要确诊的临床病例，其与血清学检查结果结合还可提高诊断准确性[24]。聚合酶链反应在微生物诊断上灵敏度高、特异性强，任何细菌存在均可显示阳性，其对细菌感染检出及细菌种类鉴别较普通细菌培养更为敏感[25]。

3.5病理学检查术中关节镜操作既能彻底清除病灶，也能取出典型感染病灶(如软组织、滑膜、骨质等)，进行冷冻切片组织学检查，该检查可诊断隐匿性或迟发型细菌性感染，是一种快速、便宜、敏感且特异的辅助检查手段。感染者多有急慢性炎症反应表现，而非感染者多有纤维化、异物或慢性炎症反应；每高倍视野中若有10个多核巨细胞，即可诊断感染，但未见多核巨细胞并不能排除感染的可能性[21]。

4治疗

4.1抗生素全身应用与抗生素预防性全身应用不同，抗生素全身应用是在确诊感染后，通过关节穿刺液、感染伤口分泌物或引流液的细菌培养药敏试验结果，针对性选用抗生素。单独使用抗生素治疗感染的疗效有限，因其仅能杀灭浮游细菌，只适用于对多种抗生素高度敏感、致病菌毒力差、假体关节功能未受损、可耐受选用抗生素、假体无松动者[26]。据报道，此法的感染清除率不高，多数患者仅有关节肿胀缓解及分泌物减少等表现，长期应用还可能导致由细菌耐药性增强诱发的菌群失调[27]。

4.2关节对流冲洗此法的临床应用效果与单独应用抗生素相似，仅适用于假体无松动者。其治愈率虽低，但可考虑应用在关节清理术后。注意应用时，需管理好引流管、冲洗管，以防因进液过快，导致引流不及时而使冲洗液自引流管或刀口溢出。

4.3清创保留假体此法适用于低毒性感染、感染早期、未合并骨感染、假体无松动、软组织条件良好、可耐受选用抗生素者；其中微生物类型、假体稳定性、清创间隔期是此疗法成败的关键预测因素。术中彻底清除关节内炎性组织、滑膜后，去除聚乙烯衬垫，深入清理完毕后，置碘伏液入关节腔内，浸泡3 min后用0.9%NaCl注射液反复冲洗，置入新聚乙烯衬垫、冲洗管、引流管后，缝合切口[28]。随着关节镜技术的不断发展，有研究者提倡用其清创，但此法因需彻底清创，成功可能性较低，若清创不彻底，感染复发率极高，不过若能成功，也能最大程度恢复关节功能。

4.4假体再置换当无法保留关节假体时，可在清创、扩创后，去除假体再行关节置换术。目前，常用术式有Ⅰ期、Ⅱ期再置换术，适用于慢性或亚急性感染、骨贮备好、伸膝装置完整、假体有松动、微生物对抗生素敏感者；其中，对于高龄或机体状况较差者，可考虑实施Ⅰ期再置换术，先彻底清创，去除假体(包括所有失活的骨组织、软组织)，再用生理盐水冲洗，充填吸附海绵(聚维酮碘)，暂时全层缝合后，松解止血带，静脉滴注抗生素(>30 min)；换置新手术器械，重新开始手术，应用抗生素骨水泥行假体固定，术后应用3个月敏感抗生素，此法虽能减少手术次数、保留关节功能及软组织完整、减轻关节僵硬度及伤口瘢痕，但存在感染清除不彻底的隐患，有学者认为其治愈率较差[29]。对于可耐受多次手术者，多选择被公认为是治疗TKA术后感染金标准的Ⅱ期再置换术，即彻底清创，去除假体、骨水泥后，先予敏感抗生素静脉滴注(4~6周)，为Ⅱ期假体再置换创造条件，注意间隔期不宜过长，可能增加重建手术的技术难度；临床多应用关节间隔垫及骨水泥假体(含抗生素)来适当延长间隔期，而再置换前应先行关节穿刺，确保感染已彻底清除，此法虽可避免感染清除不彻底的隐患，但Ⅱ期手术必然延长治疗周期，导致膝周围软组织出现不同程度挛缩，也明显增加了患者的心理压力[30]。

4.5关节融合术此法适用于上述方法禁忌者，或顽固性感染、伸肌功能丧失、免疫功能损害、高毒力致病菌感染、缺少软组织覆盖且不能行重建覆盖术者。关节融合既能消除感染，也能使膝关节达无痛状态，但是以丧失关节功能为代价的。

4.6关节离断术此法作为补救措施极少使用，仅适用于经长期抗生素治疗及反复清创后仍存在持续感染、有顽固性疼痛且可危及生命、术中损伤大血管或并发败血症、皮肤癌变者等，可考虑进行膝上水平截肢。

5预防

针对围术期各环节进行预防性干预，有望降低TKA术后假体周围感染的发生率。术前应该有效控制合并症，尤其是具有高危感染倾向的(如糖尿病、肥胖等)，还应该控制其他身体部位的感染(如呼吸道、泌尿道、皮肤、口腔及软组织等)；术中应确保手术室及相关人员、物品的无菌管理，术区清洁备皮，预防性使用抗生素，但常规抗生素骨水泥应用近年来临床有争议，主要在于其实际疗效与临床预期间的差距；术后需重视各类输液管道护理，切口护理及手卫生操作等[29]。另外，假体种类对术后感染的影响备受重视，据报道，生物型假体联合纳米材料，可有效降低术后感染，这为感染的预防指明了新方向及途径[31]。

6小结

近年来，随着外科及无菌技术的不断提高，TKA术后的感染发生率已明显降低，但是相对TKA绝对数量的增加，置换后相应感染病例数也在增加。因此，假体周围感染仍然是困扰关节外科临床的挑战性难题。其诊断或排除虽无金标准，但多数学者认为应综合考虑患者的病况及血清学、术前及术中的关节穿刺液组织学、细菌学等检查结果。而感染是TKA术后的灾难性并发症，故从围术期各环节着手，以彻底预防感染发生才是其治疗的终极目标。

参考文献

[1]Bozic KJ,Kurtz SM,Lau E,etal.The epidemiology of revision total knee arthroplasty in the United States[J].Clin Orthop Relat Res,2010,468(1):45-51.

[2]许杰，马若凡，丁悦，等.全膝关节置换后感染的随访分析[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15(13)：2450-2453.

[3]Kurtz SM,Ong KL,Lau E,etal.Prosthetic joint infection risk after TKA in the medicare population[J].Clin Orthop Relat Res,2010,468(1):52-56.

[4]郝松颖，赵光平，刘继红，等.膝关节置换术后切口感染原因分析及处置[J].海南医学，2012，23(6)：107-108.

[5]Jamsen E,Varonen M,Huhtala H,etal.Incidence of prosthetic joint infections after primary knee arthroplasty[J].J Arthroplasty,2010,25(1):87-92.

[6]Li JT,Markus PJ,Osmon DR,etal.Reduction of vancomycin use in orthopedic patients with a history of antibiotic allergy[J].Mayo Clin Proc,2000,75(9):902-906.

[7]Justinger C,Moussavian MR,Schlueter C,etal.Antibiotic coating of abdominal closure sutures and wound infection[J].Surgery,2009,145(3):330-334.

[8]Pulido L,Ghanem E,Joshi A,etal.Periprosthetic joint infection：the incidence,timing,and predisposing factors[J].Clin Orhtop Relat Res,2008,466(7):1710-1715.

[9]Murdoch DR,Roberts SA,Fowler Jr VG Jr,etal.Infection of orthopedic prostheses after Staphylococcus aureus bacteremia[J].Clin Infect Dis,2001,32(4):647-649.

[10]周琦，吴海山.人工关节置换术后真菌感染[J/CD].中华关节外科杂志：电子版，2012，6(6)：936-939.

[11]American Academy of Orthopaedic Surgeons Patient Safety Committee,Evans RP.Surgical site infection prevention and control:an emerging paradigm[J].J Bone Joint Surg Am,2009,91(Suppl 6):2-9.

[12]吴宇黎，李晓华，钱齐荣，等.感染性人工关节生物膜中细胞外多粘质物质对抗生素的影响[J].中国矫形外科杂志，2002，10(10)：980.

[13]Gristina AG,Costerton JW.Bacterial adherence to biomaterials and tissue.The significance of its role in clinical sepsis[J].J Bone Joint Surg Am,1985,67(2):264-273.

[14]顾昕，吴海山，赵辉，等.人工关节置换术后假体周围感染的生物膜研究进展[J/CD].中华关节外科杂志：电子版，2012，6(6)：940-945.

[15]Dexter SJ,Pearson RG,Davies MC,etal.A comparison of the adhesion of mammalian cells and staphylococcus epidermidis on fibronectin-modified polymer surfaces[J].J Biomed Mater Res,2001,56(2):222-227.

[16]陈金民.全膝关节置换术后感染诊断的研究进展[J].西南国防医药，2010，20(2)：213-215.

[17]Zimmerli W,Ochsner PE.Management of infection associated with prosthetic joints[J].Infection,2003,31(2):99-108.

[18]Cahir JG,Toms AP,Marshall TJ,etal.CT and MRI of hip arthroplasty[J].Clin Radiol,2007,62(12):1163-1171.

[19]Love C,Marwin SE,Tomas MB,etal.Diagnosing infection in the failed joint replacement:A comparison of coincidence detection 18F-FDG and In-labeled leukocyte/99Tcm-sulfur colloid marrow imaging[J].J Nucl Med,2004,45(11):1864-1871.

[20]Reinartz P,Mumme T,Hermanns B,etal.Radionuclide imaging of the painful hip arthroplasty:positron-emission tomography versus triple-phase bone scanning[J].J Bone Joint Surg Br,2005,87(4):465-470.

[21]Parvizi J,Ghanem E,Sharkey P,etal.Diagnosis of infected total knee:findings of a multicenter database[J].Clin Orthop Relat Res,2008,466(11):2628-2633.

[22]Greidanus NV,Masri BA,Garbuz DS,etal.Use of erythrocyte sedimentation rate and C-reactive protein level to diagnose infection before revision total knee arthroplasty.A prospective evaluation[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(7):1409-1416.

[23]Shah K,Mohammed A,Patil S,etal.Circulating cytokines after hip and knee arthroplasty:a preliminary study[J].Clin Orthop Relat Res,2009,467(4):946-951.

[24]Squire MW,Della Valle CJ,Parvizi J.Preoperative diagnosis of periprosthetic joint infection:role of aspiration[J].AJR Am J Roentgenol,2011,196(4):875-879.

[25]Moojen DJ,Spijkers SN,Schot CS,etal.Identification of orthopaedic infections using broad-range polymerase chain reaction and reverse line blot hybridization[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(6):1298-1305.

[26]沈灏，张先龙，蒋垚，等.全膝关节置换术后感染的治疗方法和策略[J/CD].中华关节外科杂志：电子版，2008，2(6)：625-630.

[27]Costerton JW.Biofilm theory can guide the treatment of device-related orthopaedic infections[J].Clin Orthop Relat Res,2005,437:7-11.

[28]Chiu FY,Chen CM.Surgical debridement and parenteral antibiotics in infected revision total knee arthroplasty[J].Clin Orthop Relat Res,2007,461:130-135.

[29]张雷，吴宇黎，符培亮，等.初次全膝关节置换术抗生素骨水泥应用的回顾性队列研究[J].中华关节外科杂志，2012，6(6)：842-847.

[30]忻慰，陈宜，赵辉，等.一种新型间隔器技术在膝关节置换术后感染二期翻修中的应用[J/CD].中华关节外科杂志：电子版，2012，6(6)：855-861.

[31]冯明光，吴海山.生物型人工关节假体表面抑菌的研究进展[J/CD].中华关节外科杂志：电子版，2012，6(6)：946-951.

Study on the Pathogenesis,Diagnosis and Treatment of Infections Following Total Knee Arthroplasty

HUYong-you,YULi.

(DepartmentofSurgery,People′sHospitalofYongchuanDistrict,Chongqing402160,China)

Abstract:The pathogenesis of infections following total knee arthroplasty(TKA) actually attributes to the interaction among the microbe,implant and host.The patient factor,perioperative factor and postoperative factor are the main risk factors.The clinical diagnosis methods for such infections are various.Because the sensitivity and specificity of each method used alone is not adequate,it is recommended to use multiple test results to confirm the diagnosis.The primary purpose of clinical treatment after clear diagnosis is to eradicate the infection,and keep the joint function.The II stage reimplantation is recognized as the gold standard of such treatment.Here is to make a review of the etiology,pathogenesis,diagnosis and treatment of infections following TKA,so as to provide guidance for its clinical prevention and treatment.

Key words:Total knee arthroplasty; Postoperative infection; Risk factors; Pathogenesis; Diagnosis and treatment measures

收稿日期：2014-06-14修回日期：2014-11-03编辑：郑雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.10.029

中图分类号:R687.4

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)10-1806-04