一、成像技术
大量成像技术已被用于评价有症状的TKA/UKA患者，但目前还没有找到一个理想的成像技术，这表明诊断有症状TKA/UKA的挑战性。每一项成像技术都有其优缺点，因此临床工作中各项技术常常联合使用，以提高敏感性和特异性。近年来其中几项技术的重大进步为提高TKA并发症的检出率带来了希望。
传统X线摄影技术是膝关节置换术后随访检查和评价症状性TKA/UKA的首选成像技术。X线成像能够提供膝关节假体、周围关节结构以及邻近关节的大量信息，而且快捷便宜。但是X线摄影是二维成像，且无法显示绝大多数软组织病理情况。
膝关节置换术后即可获得膝关节X线片，在患者出院前、术后定期随访中均需要摄片。这一系列X线片可作为基线资料用于对比观察。负重位/站立位片对于评价力学轴线至关重要。有学者强调了使用包含股骨头和踝关节的下肢全长片来准确测量下肢轴线的重要性，全长片对于胫骨/股骨弓形较大或有关节外畸形的患者评估尤为重要（图1-4-1）。
值得注意的是，利用X线成像测量TKA术后患者下肢力线受投照时下肢位置的影响。已证实下肢旋转角度、膝关节屈曲度均影响X线片上测量的TKA术后下肢力线数值。当膝关节外旋时，股骨前弓转向外侧，显得股骨外弓比实际增加，随之胫股外翻角度也比实际减少甚至出现“假性内翻”；而膝关节过度内旋时则相反，造成胫股外翻角度增加甚至出现“假性外翻”。因此下肢全长片拍摄或负重位摄片时应该让患者双膝稍内旋，使髌骨对向正前方，投照射线中心位于膝关节线（通过触摸定位），射线方向平行于胫骨假体的金属盘。拍摄侧位片时应让患侧膝关节屈曲30°，并贴近片盒，投照射线中心同样位于膝关节线，尽量使股骨假体后缘重叠。可以预先透视校正角度，以获得标准的正侧位片（图1-4-2）。髌骨轴位片（Merchant位）患者平卧后屈膝45°，射线与水平面成30°投照成像（图1-4-3）。
X线片需要观察冠、矢、轴状面对线、髌骨厚度及轨迹、假体界面透亮度及特征等影像学指标。冠状面对线是在正位（前-后位）片上进行的，股骨假体的解剖对线是假体远端面与股骨干解剖轴所成角度，胫骨假体对线是胫骨力线与胫骨假体平台的角度。矢状面对线则在侧位片上进行，同理，股骨假体对线是其远端固定界面与股骨干解剖轴所成角度。对于后方替代型（PS）假体来说，凸轮设计经常使远端界面不易显示，需要近似的界面作为代替。利用髌股轴位片（Merchant位），可以检查髌骨倾斜、半脱位及置换情况。髌骨倾斜角定义为髌骨假体的假体-骨界面连线与股骨内、外髁最高点连线的夹角。髌骨半脱位则为髌骨中心与股骨滑车沟最深处的距离。
X线摄片检查时需要对假体固定界面进行仔细测量，包括非骨水泥固定型假体的假体-骨界面，以及骨水泥固定型假体中假体-骨水泥假面和骨水泥-骨界面。假体界面往往分为若干“区域”，以便于透亮影的定位描述。
膝关节协会X线评价及评分系统和安德森骨科研究所（AORI）分级方法，常被文献和指南引用或作为新评价系统的比较标准。AORI分级主要用于骨缺损的术前评价，并不包括上述几项指标。而膝关节协会X线评价及评分系统可以对膝关节置换术后情况进行比较分析。（图1-4-4～图1-4-6）
电子计算机X射线断层扫描（computed tomography，CT）可清晰显示细微骨性结构，诊断骨性并发症的敏感性和特异性较高。除显示骨溶解、异位骨化、假体松动等外，还可精确评估骨溶解范围，显示假体周围实性或囊性肿块。常规CT扫描会因为金属假体存在而产生较大伪影影响图像质量。CT成像中的伪影与使用的金属密度有关，密度较大的铬合金就会比钛金属产生更强伪影，而且在金属周围X线的剧烈衰减限制了紧邻假体的骨和软组织评估。单髁假体的金属体积比全膝假体小得多，所产生的伪影也就少得多，因此比TKA更适合进行CT评估。
通过对CT成像中参数和图像的优化可以减少金属伪影。也可以通过改变患者体位，让射线穿过金属最短横截面，可以明显减少伪影。另外增加穿过金属的射线量可进一步减少伪影，可以采取增加射线的千伏数（可高140kVp），增加毫安秒（成人可加300～450mAs），缩小聚焦，薄层扫描等方法。但是因为对患者的潜在伤害，增加的放射剂量有限制。新型多源CT扫描仪可以在同一时间形成多个图像，可以有效增加穿透金属的射线数量而不增加放射剂量。
扫描后工作站可以针对感兴趣的结构进行精细调节改良最终图像质量，也可以进行两维三维的重建。各种“窗位”设定也有助于评估特定的解剖结构，例如分别观察骨和周围软组织。当存在大的金属假体时，观看图像时使用平时看纵隔或腹部的“软组织窗”就可提高局部骨溶解区的诊断率。
作为断层成像的CT在评估骨溶解体积和溶解区发展方面比X线片更有价值。CT片上典型的骨溶解表现为多分叶低密度灶，可呈膨胀性，偶尔可看到骨膜反应等与骨皮质异常相关的表现。CT扫描能明确显示假体周围低密度灶，通过比较囊壁密度变化，可以对术后骨溶解和先前存在的骨关节炎假囊肿进行鉴别诊断。还可利用CT扫描检查评估TKA术后股骨、胫骨假体旋转对线情况。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）具有多平面扫描能力、无电离辐射及软组织对比度高等优势，非常适合于评估关节内软组织及骨内细微结构改变，特别是针对那些有临床症状但表现不典型，而且实验室检查不支持感染的病例。与CT一样，膝关节置换术后MRI扫描产生的伪影取决于所使用的金属植入物的类型，与由钴铬构成的植入物相比，钛合金产生伪影较少。成像时使金属假体的长轴平行于磁场长轴，可减少伪影的产生。但关键是MR成像脉冲序列参数决定所产生的MR图像的整体质量。常规参数下MR成像会因为其产生的金属伪影太大而导致形成的图像不能用于诊断。
研究表明，由于金属假体产生的磁感应伪影与磁场强度直接相关，临床上推荐对人工关节置换术后患者以较低的1.5T场强进行MR扫描，如果扫描场强太低（＜1T），过低的信噪比同样影响成像质量。同时高带宽、大矩阵、薄层优化的快速自旋回波（fast spin echo，FSE）和短时反转恢复（short inversion time（TI）inversion recovery，STIR）序列，可以显著减少假体周围金属伪影。已经针对金属内植物部位成像研制出专用的消减伪影技术，如多采集与可变谐振图像组合（multiacquisition variable-resonance image combination，MAVRIC）和层编码金属伪影校正（slice encoding for metal artifact correction，SEMAC）技术，以及最新出现的可混合MAVRIC-SEMAC序列（MAVRIC with the slice location selectivity of SEMAC，MAVRIC SL），进一步提高MRI成像质量以精确评估假体周围软组织情况及其他并发症。
术后MR成像可以对膝关节置换术后疼痛患者进行临床评估。在一项尸体骨盆模型研究中证实，MRI在骨溶解的检测中灵敏度为95%，特异度为98%，准确度为96%，而且诊断效能不受病变位置影响，远高于优化的X线片。与X线片相比，MR还可以评估骨溶解病灶区域外的潜在骨外病灶，显示骨质溶解的位置和体积以及骨溶解病灶与周围软组织的关系。在另一项尸体模型研究中对比了各自优化后MR成像、X线片摄像和CT扫描诊断假体周围检测溶骨性病变的灵敏度，发现优化MRI为95%，而优化CT为75%，优化X线片为52%。研究表明MRI是检测小于3cm的溶骨性病变的最有效的工具，其对于定位和定量弯曲状的假体周围骨溶解的大小以及评估病灶内颗粒特性更为准确。这为我们提供动态观察假体周围骨内和软组织改变提供了有效的手段，有利于采取手术或非手术措施（如口服双膦酸盐治疗）早期干预，也有助于翻修手术的术前计划。在针对已行膝关节单间室置换患者的应用中，优化的MR成像能够稳定可重复的评估UKA术后未置换膝关节间室的情况。
MR成像技术在关节置换术后疼痛中的其他应用包括：磨损颗粒诱发的滑膜炎、假体松动的确认、假体周围感染的深度和程度、区域性神经血管病变（如术后神经瘤）、关节纤维粘连、伸膝装置损伤、黏液囊炎、肌腱病变等，也可以用于股骨、胫骨假体旋转的评估。
MRI图像中磨损颗粒诱导的滑膜炎表现为滑膜增厚，滑膜信号减低呈中至低信号伴关节囊膨胀，有时伴假包膜扩张。假体周围感染与磨损颗粒、金属离子诱发的炎症反应在MRI图像上较难鉴别，但还是有一定特点。感染在MRI上表现为不规则、周边强化、与假体相连的积液信号，T1加权像上为低信号，T2加权像上为高信号，与手术中对照发现这些信号与感染和关节邻近脓肿形成相一致。MRI图像上出现软组织增生、引流窦道或骨髓炎，可进一步支持假体周围感染这一诊断。膝关节置换术后MRI图像呈现滑膜增厚、分层、“洋葱皮”样改变，高度提示假体周围感染。
MRI诊断假体松动和假体周围骨折具有非常高的准确性。假体松动在MRI图像上的典型表现为，在脂肪抑制序列上，金属-骨或骨水泥-骨交界处出现环形增强信号，而假体周围骨折的MRI图像表现为骨折处的高信号线性灶点，伴邻近软组织水肿或骨膜反应。优化MRI还可评估假体周围软组织病变，如可评估膝关节置换术后股四头肌肌腱和髌骨肌腱、侧副韧带、后外侧角结构，髋关节置换术后臀外展肌和外旋肌肌腱附着点等。肌腱炎在MRI图像上表现为肌腱附着点附近的正常低信号、肌腱上增高信号，并可伴有部分或全层撕裂。高质量的MRI图像还可以测量股骨假体与股骨上髁轴以及胫骨假体与胫骨结节间的角度，可有效评估假体旋转对线情况。
超声检查没有电离辐射，具有动态观测的能力，成本较低，在患者的评估中具有重要的作用，但是对于假体植入后关节的评估很大程度依赖于操作者的个人操作经验和对超声图像的解读能力，另外超声图像对于未经培训的关节外科医生来说缺乏直观感受。
在使用超声评估关节置换术后疼痛病例时，由于基本上不存在由于金属伪影所导致的图像质量降低，故对于评估假体周围肌腱的完整性以及可能存在的肌肉萎缩时比较准确。因为聚乙烯和金属具有不同的超声成像特点，所以可以用超声检查来评估关节假体各部件之间的位置关系，可以看到可能存在的半脱位或聚乙烯磨损。关于应用超声检查技术来进行关节置换术后的评估已经应用在肩关节和膝关节置换术后的随访研究中，分别用来评估肩袖和全膝关节假体中聚乙烯内衬的情况。
超声的动态检测能力便于进行诊断性或治疗性干预，甚至可以观察到周围肌腱韧带等软组织在活动关节时是否受到假体植入物刺激。超声检查探测到膨胀性假关节囊伴异质低回声区，常提示磨损颗粒诱发的滑膜炎存在。超声还可以发现任何异常的积液（位于关节周围或假瘤内），并且可根据需要指导进行抽吸。如果发现关节周围病理性充血，则提示可能存在感染。应用能量多普勒检查有助于识别活动性炎症的区域，从而发现滑膜炎或活动性感染区域，便于进一步指导进行穿刺吸引或者药物治疗。
超声引导下的诊断性抽吸或注射有重要临床价值。通过超声实时定位穿刺针位置，能够在目标区域准确的输送药物或保证穿刺针位于目标关节腔内，而且可以避免周围神经血管损伤。
肌肉骨骼系统的核素显像技术敏感性较高而特异性较差，使其临床应用，特别针对关节置换术后病例的评估受到限制。应用核素显像技术鉴别无菌性炎症、松动与感染一直非常困难，尤其是对于手术后时间较短（＜1年）病例。本单位在一项研究中采用Tc99标记的三相同位素骨扫描联合术中组织冰冻病理学检查鉴别全髋关节置换（total hip arthroplasty，THA）术后远期假体松动与感染，发现敏感度为94%，特异度为100%，且阴性结果对于翻修手术选择有积极意义。采用与炎症特异性的试剂组合，例如镓或被标记的白细胞作为放射性示踪剂能改善核素显像技术诊断感染的特异性，特别在TKA术后病例。
单光子发射计算机断层成像术（single emission computerized tomography，SPECT）与CT相结合的方式可以精确定位假体周围骨代谢改变情况。SPECT/CT融合技术将功能图像与解剖图像进行融合，采用同机、同体位采集避免错位融合，同时CT对SPECT图像进行衰减校正，提高图像质量。该技术弥补了单一骨扫描或单光子发射成像术成像模糊、解剖定位差的缺点。能够清晰显示成像局部解剖和生理代谢关系，可以精确定位假体周围骨代谢改变情况（图1-4-7）。对于评估膝关节假体是否松动、髌股关节并发症以及假体位置不良有较好诊断价值。
近来，正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）/CT已经扩展了其在全身成像中的应用，包括对人工关节置换术后患者的成像。应用PET/CT扫描时，常使用18-氟脱氧葡萄糖（18-fluorodeoxyglucose，18F-FDG）等炎症特异性试剂作为放射性示踪剂。一项早期的研究已经证明PET/CT扫描在THA/TKA术后的潜在应用，基于对示踪剂吸收程度的高低来鉴别活动性感染、无菌性松动和滑膜炎（高度的18F-FDG摄取提示感染，中度摄取提示无菌性松动，低度摄取提示滑膜炎）。在对脊柱术后的感染研究中，PET/CT扫描也显示有希望的结果，与常规三相骨扫描或组合放射性示踪剂相比具有更高的诊断感染的特异性。然而PET/CT检查不仅昂贵，而且扫描时有效放射剂量较大，成人检查是估计为10～30mSv，而普通CT检查＜0.1mSv。另外对于PET/CT在全关节置换（total joint arthroplasty，TJA）术后评估中的作用还不完全清楚，因此目前被认为是“有用但不恰当”的检查，而且还没有被FDA批准用于TJA术后炎症和感染的诊断。