Rotational Alignment of the Femoral Components in Total Knee Arthroplasty

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Rotational Alignment of the Femoral Components in Total Knee Arthroplasty

-A Modified Gap Technique Using Manual Distraction-

Hyuk-Soo Han, M.D.¹, Sahnghoon Lee, M.D.², Sang Cheol Seong, M.D.² and Myung Chul Lee, M.D.^1,2

1Department of Orthopedic Surgery, Seoul National University Boramae Medical Center,

2Department of Orthopedic Surgery, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea

Received: July 16, 2009

Revised: (1st) December 16, 2009, (2nd) January 7, 2010 Accepted: January 19, 2010

Corresponding author: Myung Chul Lee, M.D.

Department of Orthopedic Surgery, Seoul National University College of Medicine, 28, Yeongeon-dong, Jongno-gu, Seoul 110-744, Korea.

TEL: 82-2-2072-3212, FAX: 82-2-764-2718 E-mail: [email protected]

본 논문은 한국인체기초공학연구재단(KOHTERF-2002-03)과 서울대 학교병원 연구비(04-2002-016-0)의 지원에 의해 이루어진 것임.

Purpose: This study was undertaken to introduce a modified gap technique using manual distraction for achieving proper rotational alignment of the femoral components in total knee arthroplasty (TKA) and we compared the accuracy of the rotational alignment of the femoral components in TKAs when using a navigation system with that of another conventional technique.

Materials and Methods: We randomly used three different methods and implants (group 1: 3^o external rotation from the posterior condylar axis method, group 2: a modified gap technique using manual distraction and group 3: a navigation system, Orthopilot^Ⓡ) in 92 patients. We measured the posterior condylar angles (PCA:

the angle between the posterior condylar line and the transepicondylar axis) on computed tomography before and after surgery.

Results: The analysis showed no significant differences of the demographic data (age, height, weight, body mass index) and of the mean PCAs for the rotational alignment of the femoral components between the three groups (preoperative PCA: 5.45^o vs. 5.34^o vs. 5.24^o, respectively; postoperative PCA: 1.91^o vs. 1.17^o vs. 1.37^o, respectively, p＞0.05). However, the conventional 3^o external rotation method showed a higher frequency of outliers (p=0.028).

Conclusion: The modified gap technique using manual distraction showed a higher accuracy of the femoral rotational alignment compared with that of the 3^o external rotation method by reducing the outliers, and the modified gap technique using manual distraction showed similar results compared with those of the navigation method.

Key Words: Femoral rotational alignment, Modified gap technique, Navigation, Total knee arthroplasty

서 론

대퇴 삽입물의 회전 정렬은 슬관절 굴곡 시 내반 및 외 반 안정성과 슬개 대퇴관절의 안정성에 기여하고, 부적절 한 대퇴 삽입물의 회전 정렬은 슬관절의 불안정성과 슬개 대퇴 관절과 관련된 합병증을 야기하며 이로 인한 가속화 된 폴리에틸렌의 마모는 인공관절의 수명을 단축하여 재 치환술이 조기에 필요하게 되는 흔한 원인 가운데 하나이

Fig. 1. Modified gap technique using ladder indicator and manual distraction.

다^1,3,4,27). 대퇴골 회전 정렬을 맞추기 위해 사용되는 고식

적 방법은 크게 측정된 절제 기술(measured resection technique)과 인대 장력을 이용한 갭 기술(gap technique) 로 나눌 수 있으며, 측정된 절제 기술에서의 대퇴골 회전 정렬의 기준축으로는 대퇴 상과간 축(transepicondylar axis), Whiteside 대퇴 전후간 축(anteroposterior axis), 대 퇴 후과 축(posterior condylar axis)으로부터 3^o 외회전된 선 등이 이용되어 왔다^2,5,7,20). 최근 보다 정확한 정렬을 위 하여 컴퓨터 지원 자동항법장치가 도입되었으며 관상면 정렬에 있어 고식적 방법에 비하여 오차를 줄일 수 있다 고 하였으나, 회전 정렬에 있어서는 서로 다른 결과를 보 고하고 있다9,14,18,26,28). 저자들은 2003년부터 긴장 기기 (tensor device)를 사용하지 않고, 간단한 사다리 표지자 (ladder indicator)와 연부조직의 평형 및 긴장을 이용한 수동적 조작으로 대퇴 치환물의 회전 정렬을 정하는 방법 을 개발하여 사용하여 왔다. 이번 연구의 목적은 슬관절 전치환술에서 대퇴 치환물의 회전정렬의 정확도에 대하여 수동조작 시 연부조직 긴장을 고려한 방법과 기존의 고식 적 방법 및 자동항법장치를 이용한 방법을 술 전 및 술 후 컴퓨터 단층촬영 영상을 통하여 무작위 전향적으로 비교 하는 것이다.

대상 및 방법

2006년 1월부터 연구에 참여하기로 동의한 일차성 퇴 행성 관절염 환자 92예를 대상으로 하였다. 경골이나 대 퇴골에 골절의 병력이 있거나, 성장기에 화농성 슬관절염, 류마티스 관절염의 병력이 있는 환자는 제외하였다. 모든 슬관절 전치환술은 한 명의 술자에 의해 시행되었으며, 난 수표를 사용하여 무작위로 3가지 수술법 중 하나를 선정 하였다. 제1군은 31예로 후과 축에서 3^o 외회전한 축을 기 준으로 대퇴과 전후방 절단을 시행하였고 PFC Sigma Rotating Platform^Ⓡ (DePuy Orthopaedics Inc., Warsaw, IN, USA) 치환물을 사용하였다. 제2군은 30예로 경골의 역학적 축에 대하여 90^o로 경골 근위부를 절단한 후 슬관 절을 90^o 굴곡한 상태에서 저자가 고안한 사다리 표지자 와 하퇴부의 수동 견인(manual distraction)을 이용하여 경골 절단면에 대하여 평행하도록 다양하게(0^o, 3^o, 6^o) 대 퇴골 전후방 절단을 시행하였고 PFC Sigma Rotating Platform^Ⓡ (DePuy Orthopaedics, Inc.) 치환물을 사용하

였다. 제3군은 31예로 비영상적 자동항법장치(OrthoPilot^Ⓡ, B.Braun-Aesculap, Tuttlingen, Germany)를 이용하여 대 퇴골 상과를 포함한 자료 수집 및 등록 과정을 수행한 후 평행한 굴곡 간격을 얻도록 전후방 절단을 시행하였고 E-motion^Ⓡ 치환물(B.Braun-Aesculap)을 사용하였다.

모든 예에서 후방십자인대를 절제하였으며, 슬개골 관절 면을 치환하였다. 세 군에서 모두 공기 주입 지혈대를 사 용하였고, 정중앙 피부 절개 및 내측 슬개골 주위 접근법 을 사용하였다. 모든 군에서 근위 경골 절제를 우선적으로 경골 역학적 축에 대하여 수직면이 되도록 시행하였으며, 후방 경사각은 0∼3^o를 목표로 하였다. 고식적 방법군에 서 원위 대퇴골 절제를 위하여 골수강 내 정렬 장치를, 근 위 경골 절제에는 골수강 외 정렬 장치를 사용하였다. 골 수강 내 정렬 장치를 사용한 대퇴골 절제 시 환자 개개인 의 술 전 직립위 전하지 전후방 단순방사선 촬영에서 윈 위 대퇴골 외반각을 측정하여 적용하였다. 술 전 굴곡 구 축이 10∼15^o 이상인 경우 측부인대 및 슬와건(popliteus tendon)이 손상되지 않는 범위에서 대퇴골 원위부 절제를 2∼4 mm 추가로 시행하였다. 평행한 신전 및 굴곡 간격 을 얻고자 단계적 연부 조직 유리술을 시행하였다. 제 1군 의 경우 대퇴 치환물의 회전각이 정해져 있으므로 2∼3 mm 내의 신전 및 굴곡 간격차이를 초과하지 않도록 연부 조직 유리술을 시행하였고, 제 2군의 경우 경골 근위부와 대퇴골 원위부 절제 후에 연부 조직 유리술을 통하여 신

Table 1. Subject Demographic Data

Variable 3^o ER Modified gap Navigation p-value n

Side (R/L) Gender (M/F) Age (years) Height (cm) BMI (kg/m²)

31 16/15 1/30 69±6.3 152±6.3 28±3.1

30 15/15 0/29 69±4.4 154±4.7 26±2.8

31 15/16 2/29 71±5.3 154±6.1 27±3.2

0.97 0.37 0.14 0.49 0.39 ER: External rotation, BMI: Body mass index.

Table 2. Mean Values of Coronal and Rotational Alignment

Variable 3^o ER Modified gap Navigation p-value Coronal alignment: Varus-valgus angle (^o)

Preoperative Postoperative

12.36±5.51 0.21±2.96

12.39±3.97

−0.58*±2.26

11.33±5.36

−0.14*±2.71 0.66 0.41 Rotational alignment: Posterior condylar angle (^o) Preoperative

Postoperative

5.45±1.73 1.91±2.36

5.29±1.52 1.17±2.08

5.24±2.10 1.37±1.53

0.80 0.27 ER: External rotation. *The negative means valgus angle.

Fig. 2. Rotational alignment of the femoral component in relation to the epicondylar axis.

전 간격을 평행하게 맞춘 후 90^o 굴곡 위에서 대퇴골 전방 부 절제를 위한 장치를 부착한 후 사다리 표지자를 적용 한 후 수동 견인을 하여 평행한 굴곡 간격이 되도록 대퇴 골 전후면 골절제를 시행하였다(Fig. 1).

술 전 및 술 후 직립위 전하지 전후방 단순방사선 촬영 을 시행하여 관상면의 대퇴골과 경골의 역학적 축간의 슬 관절 내외반각을 측정하고, 원위 대퇴골을 포함하는 컴퓨 터 단층 촬영(Lightspeed Ultra^Ⓡ, GE Medical System, Milwaukee, WI, USA)을 시행하여 얻은 1.0 혹은 1.3 mm 두께의 축상 영상을 3차원 재건 프로그램(V-works^TM 5.0, Cybermed, Seoul, Korea)을 사용하여 3차원상에서의 후 과각(대퇴 임상적 상과간 축과 후과에 접선인 선간의 각) 을 측정 및 비교하였다. 또한 자동항법장치의 정확도를 평 가하기 위하여 수술 중 얻은 결과와 술 후 결과를 비교하 였다. 술 후 대퇴골 회전 정렬에서의 outlier는 후과각이 3^o 이상인 경우로 하였다. 통계적 분석은 SPSS ver. 11.5 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 사용하였으며, 세 군간 의 비교를 위하여 Kruskal-Wallis H-test와 chi-square test 를 사용하였고, 술 후 대퇴골 회전 정렬의 불량발생과 관 련된 인자 분석을 위하여 회귀 분석을 시행하였다.

결 과

술 전 각 군 간의 인구학적 변수(나이, 키, 체중, BMI) 는 차이가 없었다(Table 1). 술 전 슬관절 운동 범위는 굴 곡 구축과 추가 굴곡 각도가 각각 제 1군 평균 20.6^o (0∼

45^o)와 124.5^o (95∼140^o), 제 2군 평균 15.6^o (0∼25^o)와 127.8^o (90∼140^o), 제 3군 평균 16.1^o (0∼25^o)와 128.7^o (110∼145^o)로 각 군 사이에 차이를 보이지 않았다 (p＞

0.05). 제1군에서 술 전 및 술 후 후과각은 평균 5.45^o에서

1.91^o 로 감소하였고, 역학적 축의 내외반각은 평균 내반 12.36^o에서 0.21^o로 호전되었다(p＜0.01). 제2군에서 후과 각은 평균 5.29^o에서 1.17^o로 감소하였고, 내외반각은 평 균 내반 12.59^o에서 외반 0.58^o로 호전되었다(p＜0.01).

제3군에서 후과각은 평균 5.24^o에서 1.37^o로 감소하였고, 내외반각은 평균 내반 11.33^o에서 외반 0.14^o로 호전되었 다(p＜0.01). 각 군 사이에 술 전 및 술 후 후과각과 술 전 및 술 후 관상면 내외반각의 평균값은 차이를 보이지 않았다(Kruskal-Wallis test, p＞0.05) (Table 2). 그러나, 각 군에서 술 후 후과각이 ±3^o 이상 벗어난 경우(불량, outlier)는 제1군이 제2, 3군에 비하여 유의하게 많았으며 (likelyhood ratio test for trend: p=0.028), 제2군과 제3 군 사이에는 차이가 없었다(Fisher’s exact test: p=0.731) (Fig. 2). 대퇴 치환물의 회전 정렬의 불량 발생과 관련된

Table 3. Logistic Regression Analysis for Factors Affecting Frequency of Femoral Rotational Alignment Outliers

B SE p OR

Preoperative PCA Group

3^o external rotation (vs. navigation) Modified gap (vs. navigation) Coefficient

0.378 1.886 0.975

−4.454 0.163 0.747 0.792 1.227

0.021 0.032 0.012 0.218 0.000

1.459 6.592 2.651

0.012 PCA: Posterior condylar angle, B: Coefficient, SE: Stan- dard error of B, OR: Odds ratio.

인자를 찾고자 시행한 회귀 분석에서 술 전 후과각이 클 수록 불량 발생이 증가하는 경향을 보였다. 회귀 분석에서 도 수술 방법이 불량 발생과 연관된 의미있는 인자였으며, 후과 축에서 3^o 외회전한 제1군이 자동항법장치를 사용한 제3군에 비하여 6.6배 불량 발생률이 높았다(Table 3).

고 찰

슬관절 전치환술에서 대퇴 치환물의 회전 정렬은 슬개 대퇴 및 대퇴경골 관절의 운동 및 굴곡 안정성에 중요하며, 폴리에틸렌 마모 및 치환물의 수명에 영향을 준다^11,15,16). 대퇴골 회전 정렬을 위해 사용된 고식적 방법들은 여러 가지 제한점이 보고되었다.

Greenwald 등⁷⁾은 대퇴 삽입물의 회전은 내반이나 외반 변형이 없는 정상 슬관절이나 내반 변형을 가진 경우에서 는 대퇴 상과간축과 후과 축이 이루는 각이 3^o 전후의 비 교적 일관된 값을 나타낸다고 하여 대퇴 후과 축에서 약 3^o 외회전하는 것이 좋다고 하였으나, Griffin 등⁸⁾은 평균 값에서 2^o 이상의 차이를 보이는 경우가 20∼30%이며, 동 일 환자에서도 5^o 이상의 차이를 보이는 등 개인차가 심하 여 신뢰도 있는 기준축이 될 수 없다고 하였다. 또한 이런 연구들은 서양인의 측정값을 기준으로 한 것으로 Han 등⁹⁾ 과 Tang 등²⁹⁾은 우리나라 사람에게 적용 시 대퇴-슬개 관 절에 문제가 있음을 지적한 바 있다. 이번 연구에서도 38.7%에 달하는 높은 불량 발생률을 보여 특히 우리나라 사람과 같은 아시아인에게서 그 정확도가 매우 떨어짐을 알 수 있다. 대퇴 상과간 축은 현재 슬관절 굴곡-신전의 이상적이고 실제적인 고정된 축으로 인정받고 있으며 이

를 기준으로 회전 정렬을 시행하여 정상 슬관절에 가까운 슬개골 주행을 얻었고 슬개대퇴 관절의 전단 응력(shear force)을 최소화할 수 있다고 하였다6,17,19,21). 그러나, 수술 시 슬개골에 가리고 내-외상과를 덮고 있는 인대 및 지방 조직으로 인해 내-외 상과의 위치를 잡는 것이 어려워 대 퇴삽입물의 회전축으로 사용하기에 문제가 있다고 보고되

었고^24,30), 이는 자동항법장치를 이용한 슬관절 전치환술에

서도 문제가 되고 있다³¹⁾. Arima 등²⁾은 외반슬이 동반된 경우에는 대퇴골 외과의 저형성이 심해 대퇴 상과간 축을 기준축으로 사용 시 회전 정렬에 문제를 일으킬 수 있어 술 중 쉽게 알아볼 수 있는 슬개골 구와 대퇴골 과간 절흔 을 이용한 대퇴 전후과간 각을 측정하여 4^o 외회전 되어 있다고 보고하고 슬관절 전치환술 시 회전 정렬을 맞추기 위한 신뢰성 있는 지표라 하였다. 그러나 그 값 역시 3^o에 서 6^o까지 다양하게 보고되고 있어 단독으로 사용하기엔 문제가 있다²³⁾. 이러한 측정된 절제 기술 방법 중 하나에 의해 대퇴골 회전 정렬을 결정 시에는 해부학적 표지를 찾기 어렵고 각 기준 축 간에 개인적 차가 심하기 때문에 종종 부적절한 회전정렬이 발생할 수 있으며, 이러한 부정 확성과 심한 개인차때문에 적절한 대퇴골 회전 정렬의 정 도 결정을 위하여서는 여러 기준 축이 동시에 고려되어야 한다. Katz 등¹³⁾은 갭 기술을 이용하여 회전 정렬을 결정 하는 것이 가장 믿을 만하다고 하였다. 그러나 심한 내반 혹은 외반 변형을 보이는 환자에서, 특히 대퇴 내과 혹은 외과의 저형성과 같은 변형이 동반되어 있는 경우 굴곡 간 격만으로 대퇴 삽입물의 회전 정렬을 정할 경우 측부 인 대 기시부의 손상이 발생하거나 과도한 외회전으로 인한 슬개-대퇴 관절의 불안정성이 발생할 수 있다¹⁰⁾.

수술 기법 및 기구의 발달에도 불구하고 치환물 정렬의 오차는 여전히 발생하여 이를 좀 더 줄이고자 자동항법장 치가 개발되었고, 관상면 정렬에 있어 우수한 정확도를 많 은 연구자들이 보고하였다^22,27). 그러나 대퇴 및 경골 회전 정렬에 있어서는 다양한 결과가 보고되고 있으며9,12,26,28,32), Siston 등²⁵⁾은 여러 기준 축 및 역학적 방법의 평균값을 이용하여 오류의 범위를 줄일 수 있다고 하였다. 또한 고 가의 장비와 수술 시간의 연장 등의 문제도 해결해야 할 점들이다. 저자들이 고안하여 사용하고 있는 간단한 사다 리 표지자와 수동조작으로 연부조직 긴장을 이용한 방법 은 갭 기술을 보다 간편하게 변형한 것으로 기존의 후과 축에 대하여 3^o 외회전하는 방법에 비하여 불량을 크게 줄

일 수 있었으며, 자동항법장치를 사용한 방법과 비교하여 서 차이를 보이지 않았다. 회귀 분석에서 술 전 후과각이 클수록 불량 발생률이 높아지는 연관성을 보인 것은 3^o 외 회전 방법을 사용한 군이 포함된 결과로 생각된다.

이번 연구의 제한점으로는 연구 대상 대부분이 여성이 었으므로 남성 환자에서는 다른 결과를 보일 수 있다는 것과 사용한 자동항법장치가 주로 굴곡 간격에 근거하여 회전 정렬을 결정하는 방식으로 최근에 역학적 방법이나 여러 기준축의 평균값을 사용하는 방식에 비하여 정확도 가 떨어질 수 있다는 점이다.

결 론

수동조작 시 연부조직 긴장을 고려한 방법은 후과 축에 대하여 3^o 외회전하는 방법에 비하여 대퇴 치환물의 회전 정렬에 있어 우월하였으며 자동항법장치를 이용한 방법과 차이를 보이지 않아, 고가의 장비를 사용하지 않고 간편하 게 대퇴 회전 정렬의 정확도를 높일 수 있는 방법이라 생 각된다.

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슬관절 전치환술에서 대퇴치환물의 회전정렬

-수동조작 시 연부조직 긴장을 고려한 방법-

1서울대학교 보라매병원 정형외과, ²서울대학교 의과대학 정형외과학교실

한혁수¹ㆍ이상훈²ㆍ성상철²ㆍ이명철^1,2

목적: 슬관절 전치환술에서 수동조작 시 연부조직의 긴장을 고려하여 대퇴 치환물의 회전정렬을 결정하 는 방법을 기존의 고식적 방법 및 자동항법장치를 이용한 방법과 비교하여 그 장단점을 알아 보고자 하였다.

대상 및 방법: 전향적 비교연구로, 일차성 퇴행성 관절염 환자 92예를 대상으로 무작위로 3가지 수술법을 사용하였다. 제1군(31예)은 후과 축에서 3^o 외회전한 축을 기준으로 대퇴과 전후방 절단을 시행하였다.

제2군(30예)은 경골의 역학적 축에 대하여 직각으로 경골 근위부를 절단한 후 90^o 굴곡위에서 수동으로 하퇴부를 견인하여 내외측 연부조직 긴장을 유지하면서 굴곡간격이 대칭되도록 0^o∼6^o 범위의 외회전 축을 기준으로 대퇴골 전후방 절단을 시행하였다. 제3군(31예)은 비영상적 자동항법장치(OrthoPilot^Ⓡ)를 이용하여 대칭 굴곡 간격을 얻도록 전후방 절단을 시행하였다. 전 예에서 슬관절 전치환술 전 및 술 후 컴퓨터 단층 촬영을 시행하여 대퇴골 후과각(상과간 축과 후과에 접선인 선간의 각)을 측정하였다.

결과: 각 군간의 인구학적 변수(나이, 키, 체중, body mass index)는 차이가 없었으며, 술 전 평균 후과각은 제1군 5.45^o, 제2군 5.34^o, 제3군 5.24^o였고, 술 후 평균 후과각은 제1군 1.91^o, 제2군 1.17^o, 제3군 1.37^o로 군간 차이를 보이지 않았다(p＞0.05). 그러나 술 후 후과각이 ±3^o 이상 벗어난 경우는 제1군이 제2, 3군 에 비하여 유의하게 많았으며(p=0.028), 제2군과 제3군 사이에는 차이가 없었다(p=0.731).

결론: 수동조작 시 연부조직 긴장을 고려한 방법은 후과축에 대하여 3^o 외회전하는 방법에 비하여 대퇴

치환물의 회전 정렬에 있어 우월하였으며, 자동항법장치를 이용한 방법과 차이를 보이지 않았다.

색인 단어: 대퇴 회전 정렬, 변형 갭 기술, 자동항법장치, 슬관절 전치환술