人工关节置换术后假体周围感染诊断方法的比较与评价

　　本文原载于《中华外科杂志》 2016年第4期

　　人工关节置换术是目前治疗关节疾病的有效方法[1,2]，随着人口老龄化的加剧，初次置换及翻修手术的数量仍在不断上升。导致关节置换术后翻修的主要原因包括假体周围感染(periprosthetic joint infection，PJI)和其他非感染性疾病。感染患者与非感染患者在治疗方式上有着很大差别，所以对二者的区分非常重要。

　　目前，临床上对PJI的诊断存在一定困难，血液学检查、组织病理学检查、关节液细胞学检查及微生物学检查均可辅助PJI的诊断。微生物培养一直以来被认为是诊断PJI的重要方法，但传统的关节液和组织培养的灵敏度不高[4,5]，这可能与病原菌形成的生物膜有关[6,7]。目前，对血液学检查、组织病理学检查、关节液细胞学检查及微生物学检查进行比较的报道较少，本研究的目的在于比较不同检查方法在PJI诊断中的价值与特点。

　　资料与方法

　　一、一般资料

　　纳入标准：(1)接受人工髋关节或膝关节置换术；(2)术后翻修取出假体。排除标准：(1)数据信息不完整；(2)手术取出物为骨水泥模具。

　　2013年7月至2015年3月共有95例患者在我院接受人工髋关节或膝关节置换术后翻修手术，其中52例患者符合纳入和排除标准，男性22例，女性30例。初次手术在我院进行的21例，初次手术在外院进行的31例。膝关节翻修25例，髋关节翻修27例。

　　二、PJI的诊断标准

　　符合以下标准的患者诊断为PJI[8,9]：(1)存在与假体相通的窦道；或(2)受累人工关节的2份或2份以上微生物培养标本中分离出同一病原体；或(3)以下6项中存在4项：①红细胞沉降率(erythrocyte sedimentation rate, ESR)和C反应蛋白(C－reactive protein，CRP)水平升高；②关节液白细胞计数升高；③关节液中性粒细胞百分比升高；④受累关节出现化脓表现；⑤从一份培养标本中分离出微生物；⑥在5个放大400倍假体周围组织中发现>5个中性粒细胞。

　　三、资料采集方法

　　1．术前信息采集：

　　采集病史、体检、外周血白细胞计数、CRP、ESR、白细胞介素－6(interleukin，IL－6)、超敏C反应蛋白(hypersensitive C－reactive protein，Hs－CRP)的检查结果。对于关节积液明显的患者进行关节腔穿刺留取关节液，记录患者关节液细胞学检查及微生物培养结果。

　　2．术中信息采集：

　　手术过程中，术者于手术部位取2份假体周围可疑感染组织放入无菌瓶中送病理学检查，进行多形核中性粒细胞(polymorphonuclear neutrophils，PMN)/高倍镜视野(high power field，HPF)计数。标本首先进行切片及染色，整个过程均严格按操作规范进行，之后由1名病理科医师进行初诊，然后由其上级医师进行审核，若标本情况复杂，结果不易明确，则提交至更高一级的病理科医师处进行判定。将术中关节液、3～5份假体周围可疑感染组织及取出的关节假体分别保存至经环氧乙烷消毒的无菌标本瓶或标本盒中。标本于术后1 h内送检，整个取材及送检过程严格保持无菌。

　　3．术后信息采集：

　　术后对关节液进行细胞学检测，当关节液白细胞计数>1 700/μl时提示感染可能[10,11]。将400 ml 0.9%无菌氯化钠溶液加入放有假体的无菌容器中，置入涡旋仪，室温下涡旋30 s，然后放入超声仪处理(40 kHz，0.22 W/cm2)5 min，之后再次涡旋30 s[5]，得到超声裂解液。对关节假体超声裂解液、假体周围组织及关节液进行微生物学培养。(1)需氧培养：分别将样本接种于血平板和巧克力平板培养基(35 ℃，5 d)和BD儿童瓶(35 ℃，14 d)。(2)厌氧培养：分别将样本接种于厌氧血平板培养基(35 ℃，5 d)和厌氧培养瓶(35 ℃，14 d)。(3)真菌及结核分枝杆菌培养：分别将样本接种于沙保弱培养基(28 ℃，5d)和真菌及分枝杆菌培养瓶(35 ℃，30 d)。上述关节假体超声裂解液、假体周围组织及关节液标本均进行涂片及革兰染色。

　　四、统计学方法

　　分别采用SPSS 19.0、GraphPad Prism 5.0和Stata 12.0软件对数据进行分析。服从正态分布的连续型变量采用独立样本t检验，非正态分布则采用独立样本中位数检验；分类变量采用χ2检验。采用受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve，ROC)衡量各血清学指标对PJI的区分度，界值选择标准为灵敏度与特异度之和最大时所对应的界值[12]。基于二项分布计算各检查方法的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确度的95% CI。不同检查方法的灵敏度差异比较采用McNemar检验。统计检验均采用双侧检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

　　结果

　　一、一般资料的比较结果

　　本研究中PJI患者21例(40.4%)，非感染患者31例(59.6%)，PJI患者中6例存在窦道(28.6%)。患者的基本特征见表1，PJI患者与非感染患者在性别、年龄、手术部位、体重指数(body mass index，BMI)及初次置换时的原发病分布上无差异(P值均>0.05)(表1)。

　　二、各血液学指标的比较结果

　　PJI组与非感染组的外周血白细胞计数无明显差异(P>0.05)；PJI组患者的CRP、ESR、IL－6、Hs－CRP水平高于非感染组(P值均<0.05)(表2)。

　　白细胞计数、CRP、ESR、IL－6、Hs－CRP的曲线下面积分别为0.61、0.82、0.77、0.75、0.78。各血液学指标的灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确度见表3。白细胞计数、CRP、ESR、IL－6、Hs－CRP的灵敏度分别为42.9%、90.5%、81.0%、95.0%、90.0%，特异度分别为80.6%、77.4%、71.0%、51.6%、71.0%。

　　三、组织病理学与关节液细胞学检查结果

　　本研究中组织病理学检查的灵敏度为55.0%、特异度为89.7%。PJI组患者关节液白细胞计数高于非感染组(P<0.05)；关节液白细胞计数的灵敏度为70.6%、特异度为85.7%(表4)。

　　四、微生物学检查结果

　　PJI患者的病原微生物的种类见表5。21例PJI患者中，单一病原菌感染17例，两种病原菌混合感染2例，符合PJI诊断标准但微生物培养呈阴性2例。病原菌中革兰阳性球菌12例，革兰阳性杆菌3例，革兰阴性杆菌4例，真菌2例。

　　微生物培养及涂片的结果见表6。超声裂解液培养的灵敏度为90.0%，高于组织培养(71.4%)和关节液培养(65.0%)(P值均<0.05)；上述3种培养的特异度分别为80.6%、93.5%、95.8%。超声裂解液、组织、关节液涂片的灵敏度分别为50.0%、19.0%、35.0%。

　　微生物培养时，均使用平板培养基及培养瓶进行培养，培养瓶的灵敏度(75.4%)高于平板培养基(67.2%)(P<0.01)(表7)。

　　讨论

　　准确诊断PJI对于患者及临床医师有重要意义，目前尚无单一方法能够准确诊断PJI[4,5]，多种检查方法联合应用更有助于PJI的诊断。我们对血液学检查、组织病理学检查、关节液细胞学检查及微生物学检查在PJI诊断中的特点进行比较与评价。

　　一、血液学检查

　　术前血液学检查是目前常用的辅助诊断方法，本研究中包括白细胞计数、CRP、ESR、IL－6及Hs－CRP检查。根据ROC曲线，选择各血液学指标灵敏度与特异度之和的最大值为最佳临界点，该点所对应的值为最佳临界值[12]，从而实现待评价指标能够在灵敏度和特异度之间做出最好的平衡。本研究中各血液学指标的界值分别为7.7×109/L(白细胞计数)、21.0 mm/1 h(ESR)、8.4 mg/L(CRP)、7.5 ng/L(IL－6)及7.3 mg/L(Hs－CRP)。在上述界值下，CRP、Hs－CRP及IL－6的灵敏度可达90%，而CRP、Hs－CRP及ESR的特异度均超过70%。CRP、ESR、白细胞计数的灵敏度、特异度水平与Berbari等[13]的Meta分析结果基本一致。CRP有相对较高的灵敏度和特异度，具有较好的参考价值；ESR的灵敏度和特异度略低于CRP，但仍能够辅助感染的判断；白细胞计数的灵敏度偏低，对感染的辨别力不佳。

　　既往有研究者对白细胞计数、ESR、CRP使用相对常用的固定界值进行评价[14]：白细胞计数为11×109/L、ESR为30 mm/1 h、CRP为10 mg/L，与本研究经ROC曲线所得的界值接近。若在本研中应用上述界值，则白细胞计数、ESR、CRP的灵敏度和特异度分别为9.5%和100%、71.4%和77.4%、81.0%和77.4%，所反映指标的诊断特点与ROC曲线所得结果基本一致。

　　本研究中IL－6的灵敏度为95.0%，与前述Meta分析结果(97%)接近，而特异度仅为51.6%，低于Meta分析结果(91%)。本组21例PJI患者中6例IL－6水平低于12 ng/L，人群差异可能导致界值或特异度水平波动，IL－6的灵敏度、特异度水平仍需进一步的大样本研究明确。Hs－CRP在PJI组中的水平高于非感染组，灵敏度、特异度与CRP相近。血液学检查能在术前为临床医师提供信息，但易受身体其他部位炎性病灶的影响，故参考时应结合具体临床情况。

　　二、组织病理学检查

　　组织病理学检查能够反映假体周围组织的炎症情况，并提供PMN/HPF计数，为感染的判断提供信息。本研究中组织病理学检查的灵敏度为55.0%、特异度为89.7%。回顾既往研究结果，组织病理学检查的灵敏度波动在18%～100%，特异度波动在89.5%～100%[15]。我们认为术中取材位置可能会导致灵敏度的波动，应选择假体周围炎症表现明显的部位进行取样。低毒力病原菌(如表皮葡萄球菌、丙酸杆菌属病原菌)感染时对PMN的刺激较弱，局部组织炎症反应不明显，可能导致组织病理学检查的灵敏度下降[15]。本研究的PJI患者中，9例组织病理学检查结果为阴性，其中3例为表皮葡萄球菌感染，1例为疮疱丙酸杆菌感染。此外，机体的免疫水平及抗生素的使用也可能影响检查的灵敏度，当局部炎症水平较低时，组织病理学检查的灵敏度也相对较低。对于组织病理学检查较高的特异度，有学者认为组织病理检查对于排除PJI诊断的作用大于发现PJI[16,17]。

　　三、关节液细胞学检查

　　关节液细胞学检查有助于判断关节的炎症情况。已有研究结果表明，以>1 700/μl为关节液白细胞计数的界值对诊断感染有较好的提示作用，该界值下的灵敏度为94%，特异度为88%[10]。我们采用上述界值标准进行判断PJI，灵敏度、特异度分别为70.6%、85.7%。不同人群间的体质、病原菌种类及前期治疗方法的差异，可能是导致灵敏度波动的原因。然而，关节液细胞学检查整体上具有相对良好的灵敏度和特异度，且方便、快捷，能及时提供参考信息，行翻修手术的患者可常规进行。

　　四、微生物学检查

　　生物膜是病原菌在宿主体内生存的基本形式，并可保护病原菌免受免疫系统、氧化应激及抗菌药物的伤害[7]。本研究结果表明，超声裂解液培养法诊断感染的灵敏度高于传统的组织培养及关节液培养。结合超声方面的研究结果[18,19]，我们认为其原因可能是应用超声处理的方法能够让假体表面形成的生物膜裂解，使附着于生物膜内的病原微生物游离至超声裂解液中，从而提高了培养的灵敏度。既往的研究结果也表明，超声裂解液培养的灵敏度高于组织与关节液培养[5,20]。本研究中有2例符合诊断标准而培养结果却均为阴性，表明关节液、组织及超声裂解液培养诊断感染的灵敏度尚无法达到100%，仍存在微生物培养无法检测到的病原菌。

　　我们将微生物培养瓶内的培养时间常规延长至14 d，这样利于生长周期较长的菌群生长。另外，本研究中我们对所有患者均进行真菌及结核分枝杆菌培养，发现2例患者为真菌感染，分别为烟曲霉菌与近平滑念珠菌。同时我们分别通过平板培养基及培养瓶进行微生物培养，结果显示培养瓶培养的灵敏度高于平板培养基。Hughes等[21]的研究结果也表明应用培养瓶的培养灵敏度优于平板培养基。

　　本研究的优点在于：(1)对关节置换术后翻修并行假体取出的同一组患者进行了血液学检查、组织病理学检查、关节液细胞学检查，以及关节液、组织、假体超声裂解液的微生物学检查；(2)对上述方法的灵敏度、特异度进行了比较；(3)均增设培养瓶培养，同时覆盖真菌及结核分枝杆菌。不足之处在于，本研究的21例PJI患者中，10例曾于术前2周内使用过抗生素，因样本量有限，未进行抗生素使用组与非使用组的比较，今后可扩大样本量进行研究分析。