骨水泥植入綜合征研究新進展

王祥余建明

骨水泥植入綜合征研究新進展

王祥1余建明2

骨水泥植入綜合征；研究進展

骨水泥植入綜合征（bone cement implantation syndrome，BCIS）目前尚未被充分認識，它是接受骨水泥型關節(jié)置換術的患者圍術期病危和死亡的重要原因。接受關節(jié)置換術的人群以老年患者居多，老年患者的病理生理狀態(tài)以及可能并存的疾病使其成為BCIS的高發(fā)人群。本文就BCIS的定義、病因及病理生理過程、危險因素、圍術期管理等方面做一綜述。

1 定義

BCIS沒有統(tǒng)一的定義。它以低氧血癥、低血壓、心律失常、心肌梗死、肺血管阻力增加和心跳驟停等為特征。BCIS最常見于全髖關節(jié)置換術，但是不僅僅局限于此。它通常發(fā)生在骨科手術的某個階段，如股骨鉆孔，髖臼或股骨骨水泥植入，假體植入和關節(jié)復位，或者偶發(fā)于止血帶放氣時等[1]。

2 病因及病理生理

BCIS的病因及病理生理尚未被充分認識，目前已提出了多種可能的發(fā)生機制。最初的理論焦點集中于骨水泥植入過程中進入循環(huán)系統(tǒng)的甲基丙烯酸甲酯單體（MMA），最近的研究則更多地集中于骨水泥和假體植入過程中形成的各種栓子。對于BCIS的發(fā)生機制，還有學者提出組胺釋放學說、補體激活學說、內(nèi)源性大麻素介導的血管舒張學說等。

2.1 骨水泥毒性學說活體實驗已經(jīng)證明甲基丙烯酸甲酯單體（MMA）可引起血管舒張[2]，但是Orsini等[3]做的動物實驗并不支持該假說，髖關節(jié)置換術時血漿中甲基丙烯酸甲酯單體（MMA）的濃度遠低于引起肺部及心血管癥狀所需的濃度。因此，BCIS患者發(fā)生的血流動力學改變主要是源于骨水泥及假體植入過程中產(chǎn)生的髓內(nèi)高壓導致栓子釋放入血，而不是甲基丙烯酸甲酯單體（MMA）對心血管的直接作用造成的。

2.2 栓塞學說最近對BCIS的研究集中在栓子的形成及栓塞引起的病理生理改變。已經(jīng)證實這些栓子包括脂肪、骨髓、骨水泥顆粒、空氣、骨碎片、血小板和纖維蛋白的聚合物等[4]。

經(jīng)食道超聲心動圖（TOF）監(jiān)測證實，患者行骨水泥型髖關節(jié)置換術比非骨水泥型髖關節(jié)置換術術中會產(chǎn)生更多的栓子[5]。在骨水泥型和非骨水泥型關節(jié)置換術中，使用經(jīng)食道超聲技術發(fā)現(xiàn)，從鉆孔到假體植入全過程都能觀察到肺部發(fā)生“暴風雪”現(xiàn)象。在骨水泥組，股骨和髖臼鉆孔，以及骨水泥和假體植入過程中，“暴風雪”現(xiàn)象更為顯著。一項動物實驗研究證實[6]，行骨水泥型和非骨水泥型關節(jié)矯形術后，在狗的肺微脈管系統(tǒng)內(nèi)存在脂肪顆粒和骨髓顆粒。但是在行骨水泥型關節(jié)矯形的狗模型中，肺微脈管系統(tǒng)內(nèi)的栓子數(shù)量是非骨水泥型的10倍。同時在骨水泥型關節(jié)矯形術術中死亡后尸檢也證實了其肺內(nèi)存在骨髓、脂肪、骨碎片和甲基丙烯酸甲酯單體（MMA）微顆粒。

2.2.1 栓子形成及機制骨水泥和假體植入過程產(chǎn)生的高髓內(nèi)壓是導致栓子形成的重要因素[7]。位于假體和骨髓腔之間的骨水泥在反應過程中產(chǎn)生熱量以及體積膨脹，使密封于髓內(nèi)的空氣和髓內(nèi)容物處于高壓環(huán)境，促使他們進入循環(huán)。液態(tài)骨水泥單體和聚合酶粉劑混合后，反應所產(chǎn)生的溫度在6min時可高達96℃。假體植入過程中會產(chǎn)生比單純骨水泥植入更為巨大的髓內(nèi)壓[8]。用骨水泥槍注入骨水泥所產(chǎn)生的髓內(nèi)壓幾乎是人工填入骨水泥時的兩倍。

在假體植入過程中使用骨水泥時，骨水泥被緊密的擠入到了假體和骨之間的縫隙。這樣增加骨水泥和骨的接觸面積，使假體固定的更加牢固。非骨水泥型關節(jié)矯形術產(chǎn)生的髓內(nèi)壓要更小，栓子數(shù)量也更少，血流動力學也更為穩(wěn)定。栓塞程度可能和股骨管內(nèi)產(chǎn)生的髓內(nèi)峰壓相關。一項通過對比骨水泥型和非骨水泥型股骨假體替代物植入狗的研究試驗發(fā)現(xiàn)[9]，在骨水泥組，尸檢發(fā)現(xiàn)肺內(nèi)栓子的數(shù)量顯著增多。當用非揮發(fā)性的物質(zhì)和骨蠟（替代骨水泥）植入股骨管時，觀察到栓子數(shù)量和血流動力學波動仍然顯著高于非骨水泥組。骨水泥和骨蠟組表現(xiàn)出肺內(nèi)分流（Qs/Qt）增加，以及肺動脈壓升高，而動脈氧分壓顯著下降等現(xiàn)象。這些觀察結果提示，高髓內(nèi)壓本身是BCIS發(fā)生的重要因素。盡管栓塞的發(fā)生和髓內(nèi)壓成正比，但呈現(xiàn)出封頂效應，這是因為股骨管內(nèi)碎片的數(shù)量有限。

2.2.2 栓子導致的介質(zhì)釋放除了引起肺循環(huán)機械性阻塞外，栓子引起肺血管阻力增加還存在其他機制[10]。首先，機械刺激或者血管內(nèi)皮的損傷可能導致血管收縮或者內(nèi)皮介質(zhì)的釋放。其次，栓子可能通過釋放血管活性物質(zhì)或者促炎介質(zhì)來直接增加肺血管阻力，比如凝血酶、組織凝血活酶，或者通過促進下游介質(zhì)的釋放直接作用來增加肺血管阻力。這些介質(zhì)引起的血管收縮和栓子引起的機械阻塞共同引起肺內(nèi)分流是低氧血癥最可能的原因。

2.2.3 栓塞對血流動力學的影響來自髓腔的碎片可以阻塞到肺、心臟、腦等重要臟器。其中肺部形成的“暴風雪”現(xiàn)象被認為是導致特異性低氧血癥和右室功能障礙低血壓的原因[11]。

2.2.4 栓子模型的問題栓子模型已經(jīng)成為BCIS成因的主流假說。然而，栓塞學說并不能解釋所有的現(xiàn)象。栓塞不一定與血流動力學改變有關聯(lián)，而且栓塞的程度與低氧血癥和低血壓的程度相關性極差。經(jīng)食道超聲心動圖（TOF）研究表明，骨水泥植入過程中栓塞事件很常見且大多數(shù)病人都能很好地耐受。一項研究發(fā)現(xiàn)[12]，小栓子會停留在肺的終末血管，而功能性氣體交換的肺泡毛細血管很可能沒有受累，保持了正常的通氣/血流比例。經(jīng)皮椎體成形術患者在使用甲基丙烯酸甲酯單體（MMA）情況下并不顯著引起栓塞，但是還是會發(fā)生低血壓。盡管微血栓可能是BCIS的促發(fā)因子，但很可能還存在其他機制。

2.3 組胺釋放以及高敏反應BCIS發(fā)生時和過敏反應有許多共同的臨床特點。已經(jīng)證明在骨水泥植入過程中，發(fā)生低血壓的患者其血漿中組胺的濃度顯著增高。還不清楚組胺釋放是歸因于骨水泥單體還是歸因于IgE介導的過程。有研究[13]用clemastin和cimetidine（H1 and H2 antagonists）阻斷組胺受體，似乎顯示出保護效應，這一發(fā)現(xiàn)有待進一步證實。

2.4 補體激活補體C3和C5是血管收縮和支氣管收縮過程中強有力的介導者，已經(jīng)證實在骨水泥型半髖關節(jié)置換術中，患者補體C3和C5水平的增高，而非骨水泥型半髖關節(jié)置換術并未發(fā)現(xiàn)補體C3和C5水平的增高，提示該過程伴隨補體途徑激活[14]。

2.5 多模式模型上述各種因素的共同作用導致了BCIS的發(fā)生發(fā)展。每一個模型所造成的臨床癥狀的嚴重程度取決于患者的生理反應。幾個現(xiàn)象可能存在相反的作用，BCIS發(fā)生時，血流動力學參數(shù)的聯(lián)合效應取決于相應肺血管阻力，外周血管阻力和心肌收縮力等因素[15]。所以患者術前并存的疾病有可能改變BCIS的臨床表現(xiàn)。

3 危險因素

3.1 患者自身的高危因素患者發(fā)生BCIS的自身相關危險因素包括高齡，術前生理功能儲備差，心肺功能受損，術前存在肺動脈高壓、骨質(zhì)疏松、轉(zhuǎn)移性骨腫瘤，伴隨髖部骨折，尤其是病理性骨折或者股骨粗隆間骨折。卵圓孔未閉和房間隔缺損可能增加栓塞的發(fā)生和神經(jīng)后遺癥的風險[16]。惡性腫瘤可能與諸如血纖維蛋白肽A等促凝物質(zhì)水平增高有關，這可增加血管栓塞的風險。

3.2 手術危險因素先前未植入假體的患者比接受修復術的患者有更高發(fā)生BCIS的風險[17]。這可能是：第一，未植入過假體和骨水泥的股骨存在更多潛在的栓塞物質(zhì)；第二，一旦股骨管植入了假體和骨水泥，股骨內(nèi)表面變的更光滑更硬，從而使其具有更好的密閉性。

4 圍術期管理

4.1 手術方面術者可以采取一系列措施來減少BCIS的發(fā)生。包括髓腔灌洗，骨水泥植入前充分止血，最大限度的減短假體的長度，使用非骨水泥型假體，髓腔排氣減壓等[18]。但要注意通過骨髓腔鉆孔產(chǎn)生減壓可能增加骨折的風險，如果鉆孔的直徑超過了臨界直徑，骨折的風險會增大。建議用骨水泥槍逆行注入骨水泥來減少BCIS的發(fā)生率。骨水泥槍在臨床上的使用逐年增加，這樣髓腔內(nèi)的壓力分布更為均勻，從而有效預防其引起的氧飽和度下降。自相矛盾的是，使用骨水泥槍注入骨水泥會產(chǎn)生比用手指填入骨水泥更高的髓內(nèi)壓。骨水泥的制備方法也與BCIS的發(fā)生相關。

4.2 麻醉方面麻醉醫(yī)生應該完善術前評估，充分了解患者的并存疾病，尤其要重點關注合并心、肺、代謝性疾病的股骨骨折以及長期假體植入的患者。盡管沒有關于麻醉技術對BCIS嚴重程度影響的明顯的證據(jù)，但在骨水泥和假體植入過程中，所有患者都應該提高吸氧濃度，尤其是BCIS的高?；颊摺８舾械难鲃恿W監(jiān)測應該用于高風險患者，中心靜脈壓監(jiān)測優(yōu)化容量和收縮功能監(jiān)測，但是中心靜脈壓（CVP）的改變與BCIS患者的肺動脈壓力（PAP）相關性差[19]。我們建議，對于BCIS的發(fā)病高危人群，除了常規(guī)的麻醉監(jiān)測外，還應該包括有創(chuàng)動脈壓監(jiān)測和中心靜脈壓監(jiān)測等更高級的循環(huán)監(jiān)測。

早期甄別BCIS的危險因素能有效預防其發(fā)生并進行早期干預。比如膝關節(jié)置換術中，止血帶放氣的時候局部靜脈血栓釋放可能是一個高危期。麻醉狀態(tài)下的患者呼氣末CO2濃度下降可能是臨床上BCIS發(fā)生的首要跡象，這些都應該引起麻醉醫(yī)師的警覺。一旦發(fā)生BICS，首先要保證患者的氧合，血氧飽和度急劇下降時應立即面罩加壓給氧，必要時行機械通氣，按肺栓塞進行治療。對于椎管內(nèi)麻醉患者，應立即氣管插管。對于全麻患者，在維持血流動力學穩(wěn)定的情況下，進行液體復蘇并合理使用心血管活性藥物，選擇合適的通氣模式，積極處理相關并發(fā)癥。

5 結語

目前的麻醉學文獻資料還沒有對BCIS的發(fā)生發(fā)展形成共識，缺乏如何避免和管理BCIS的指南。通過辨別高危人群，外科方面選擇非骨水泥型關節(jié)置換、髓腔減壓等措施，麻醉方面宜選用有創(chuàng)監(jiān)測和適當調(diào)整麻醉技術以最大限度的降低BCIS的發(fā)病率和死亡率。而對于BCIS發(fā)生的機制，防治策略以及圍術期管理仍有待進一步研究。

［1］Razuin R，Effat O，Shahidan MN，et al.Bone cement implantation syndrome［J］.Malays J Pathol，2013，35（1）：87-90.

［2］Singh V，Bhakta P，Zietak E，et al.Bone cement implantation syndrome：a delayed postoperative presentation［J］.J Clin Anesth，2016，31（1）：274-277.

［3］Orsini G，Stacchi C，Visintini E，et al.Clinical and histologic evaluation of fresh frozen human bone grafts for horizontal reconstruction of maxillary alveolar ridges［J］.Int J Periodontics Restorative Dent，2011，31（5）：535-544.

［4］Donaldson AJ，Thomson HE，Harper NJ，et al.Bone cement implantation syndrome［J］.Br J Anaesth，2009，102（1）：12-22.

［5］Schmidutz F，Düll T，Voges O，et al.Secondary cement injection technique reduces pulmonary embolism in total hip arthroplasty［J］.International Orthopaedics，2012，36（8）：1575-1581.

［6］Byrick RJ，Kay JC，Mullen JB.Pulmonary marrow embolism：a dog model simulating dual component cemented arthroplasty［J］.Can J Anaesth，1987，34（4）：336-342.

［7］Dambrosio M，Tullo L，Moretti B，et al.Hemodynamic and respiratory changes during hip and knee arthroplasty.Anechocardiographic study［J］.Minerva Anestesiol，2002，68（6）：537-547.

［8］Vaishya R，Chauhan M，Vaish A.Bone cement［J］.Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma，2013，4（4）：157-163.

［9］Zhou F，Ji J，Song Q，et al.Pulmonary fat embolism and related effects during femoral intramedullary surgery：An experimental study in dogs［J］.Exp Ther Med，2013，6（2）：469-474.

［10］Hayakawa M，F(xiàn)ujioka Y，Morimoto Y，et al.Pathological evaluation of venous emboli during total hip arthroplasty［J］.Anaesthesia，2001，56（6）：571-575.

［11］Kalra A，Sharma A，Palaniswamy C，et al.Diagnosis and management of bone cement implantation syndrome：case report and brief review［J］.Am J Ther，2013，20（1）：121-125.

［12］Soleimanha M，Sedighinejad A，Haghighi M et al.Hemodynamic and Arterial Blood Gas Parameters during Cemented Hip Hemiarthroplasty in Elderly Patients［J］.Archives of Bone and Joint Surgery，2014，2（3）：163-167.

［13］de Froidmont S，Bonetti LR，et al.Postmortem findings in bone cement implantation syndrome-related deaths［J］.Am J Forensic Med Pathol，2014，35（3）：206-211.

［14］Lewis RN.Some studies of the complement system during total hip replacement using bone cement under general anaesthesia［J］.Eur J Anaesthesiol，1997，14（1）：35-39.

［15］Kotyra M，Houltz E，Ricksten SE.Pulmonary haemodynamics and right ventricular function during cemented hemiarthroplasty for femoral neck fracture［J］.Acta Anaesthesiol Scand，2010，54（10）：1210-1216.

［16］Kakar PN，Roy PM，Pant V，et al.Anesthesia for joint replacement surgery：Issues with coexisting diseases［J］. Journal of Anaesthesiology，Clinical Pharmacology，2011，27（3）：315-322.

［17］Ereth MH（1），Weber JG，Abel MD，et al.Cemented versus noncemented total hip arthroplasty--embolism，hemodynamics，and intrapulmonary shunting［J］.Mayo Clin Proc，1992，67（11）：1066-1074.

［18］Griffiths R.Bone cement implantation syndrome and the surgeon［J］.Br J Anaesth，2016，116（2）：304.

［19］Fujita H，Okumura T，Hara H，et al.Monitoring of blood pressure during total hip arthroplasty using the interface bioactive bone cement（IBBC）technique［J］.J Orthop Sci，2015，20（2）：347-356.

（收稿：2016-05-29修回：2016-08-15）

1浙江中醫(yī)藥大學；2杭州市紅十字會醫(yī)院麻醉科（杭州310003）

余建明，Tel：13750840613；E-mail：hhkjyjm@163.com