결 과

Vol. 18, No. 2, June, 2006

Taper형 무시멘트 대퇴주대를 사용한 고관절 전치환술 -최소 9년 추시 결과-

황 성 관

연세대학교 원주의과대학 정형외과학교실

서 론

시멘트는 1958년 John Charnley에 의해 처음으로 인 공 고관절 치환술에 사용된 이후 상용화되었으며 1960년 대와 1970년대의 인공 고관절 치환술에서 유시멘트 고정 술의 기본적인 고정 방법으로 정착하게 되었다. 그러나 장 기 추시 결과 무균성 해리와 시멘트 주위의 심한 골 흡수 와 같은 합병증^33,34)으로 인해 인공관절 치환술에 시멘트를 배제한 고정 방법을 모색하고자하는 노력이 시도되었다.

일 세대 무시멘트 대퇴주대들은 골 내 성장(bone ingrowth)을 위해 주대 표면에 다공성층을 부착하였고 이 러한 표면 처리는 대퇴주대의 해리 및 골 용해 발생을 억 제하고 대퇴주대와 주위 골간의 생물학적 고정을 제공한다 고 기대 되었다¹⁶⁾. 그러나 이에 대한 무시멘트 대퇴주대의 장기 추시 결과는 새로운 시멘트 기법을 사용한 경우만큼 결과가 좋지 않았으며^18,21,15), 대퇴주대 근위 부 다공성층이 불완전하게 피복된 경우 골 용해와 해리의 발생이 높을 수 있고 대퇴 원위 부 까지 생물학적 고정이 이루어지는 대퇴 주대의 경우 응력방패 및 골 흡수가 발생할 확률이 높고 재치환술시 대퇴주대 제거가 어렵다는 문제점들이 발견되 었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 세대 무시멘트 인 공삽입물이 개발되기 시작하였는데 근위 고정을 개선하고 회전 안정성을 주며 환상형 미세 포말 처리 및 원위 단으 로 taper되는 디자인을 도입하였다.

이번 연구의 목적은 이러한 이 세대 무시멘트 대퇴주대의 하나인 Mallory-Head 대퇴주대의 중 장기간의 추시 결과 를 임상적 및 방사선적으로 알아보고 그 결과를 일 세대 대 퇴주대와 다른 이 세대 대퇴주대와 비교함으로 본 대퇴 주 대의 장기적 사용 유효성을 검증하기 위해 시행하였다.

연구 대상 및 방법

1. 연구대상

1991년 2월부터 1995년 9월 사이에 이중 taper된 무시 멘트 대퇴주대인 Mallory-Head system (Biomet, Warsaw, IN, USA)²⁷⁾을 사용하여 고관절 전치환술을 시 행 받은 환자 98명(105 고관절)에서 최소 9년 이상 (9~13.5년) 추시 가능하였던 43명(45고관절)을 대상으로 하였다. 본 연구에서 사용된 대퇴주대는 티타늄 합금으로 이루어 졌으며 직선형이며 전후좌우 평면상 쐐기 형이며 작은 collar와 함께 fin들이 전방 후방 외측방향으로 튀어 나온 형태로 골 간단에서 잘 고정되도록 설계되었다. 대퇴 주대의 근위 1/3 부위는 다공성층이 환상으로 미세 포말 처리되었으며(circumferential plasma spray porous coated) 중간부는 거칠기 처리(texture: 30 mesh-grit blasted)이며, 원위 부는 부드러운(smooth) 표면으로 처 리되어 있다(Fig. 1). 전례에서 28 mm 크기의 modular 코발트 크롬 골두와 Mallory-Head 무시멘트 비구컵으로 고정하였다. 비구컵은 반구 형태를 사용하였고 2개의 해면 골 나사로 부가적 고정을 시행하였다.

남녀의 비는 남자가 28명(65.1%) 여자가 15명(34.9%) 이었다. 수술 당시 평균 연령은 54.2세(범위 25~68세) 이었다.

모든 고관절 전치환술은 단일 외과의(S.K.H)에 의해 시행되었으며 후외측방 도달법을 이용하여 시술하였다.

수술전 진단명의 분포는 대퇴골두 무혈성괴사 25례 (55.6%), 고관절부 골절15례(33,3%), 퇴행성관절염 3례 (6.7%), 편평고 후유증 2례(4.4%), 류마티스 관절염 1례 (2.2%) 순 이었다.

2. 연구 방법

1) 임상적 평가

임상적 평가는 술 전, 술 후 6주, 3개월, 6개월, 1년,

※ 통신저자 : 황 성 관

강원도 원주시 일산동 162

연세대학교 원주의과대학 정형외과학교실 Tel: 82-33-741-1351

Fax: 82-33-746-7326

E-mail: [email protected]

그리고 이후에는 매년 평가 하였다. Harris 고관절 점수¹²⁾ 와 수술 후 대퇴부 동통의 유무와 재 치환 유무를 조사하 였다. 본 연구에서는 Harris 고관절 점수와 대퇴부 동통 의 술 후 2년 그리고 최종 결과를 이용하여 평가하였다.

생존율은 Kaplan-Meier 생존 평가법²⁸⁾을 이용하여 평 가하였다.

2) 방사선적 평가

방사선적 평가는 수술 직후 및 최종 추시 전후방 X-선 사진 상에서 대퇴 주대 주위의 골의 변화의 유무와 정도를 평가하였다. 평가 기준은 대퇴주대와 대퇴골에서 1) 근위 부 응력 방패 현상(proximal stress shielding), 2) 원위 피질골 비후(distal cortical hypertrophy), 3) 골 내측 의 신생골 형성(spot weld); 골 내막과 내고정물의 다공 성 표면과의 신생골 교량(new bone bridging), 4) 골수 강 내 골 형성(pedestal formation), 5) 대퇴주대 주위 의 방사선투과 음영(radiolucencies); 경화성 경계를 가진 투과선, 6) 골 용해(osteolysis) 및 해리 등이다. 대퇴부의 골 변화의 위치는 Gruen 7구역 분류¹⁰⁾로 기술 하였다. 폴 리에틸렌 라이너의 마모는 Livermore²⁴⁾ 방법을 이용하여 측정하였다.

결 과

1. 임상적 결과

43명(45고관절)의 평균 추시 기간은 11.5년(9~13.5년) 이었다. Harris Hip Score는 수술 전 평균 58점에서 술 후 2년째 평균 94점으로 증가 되었으나, 최종 추시 시 평 균 90점으로 다소 감소되는 양상이었다.

수술 후 대퇴부 동통은 술 후 2년 2례(4.4%)에서 관찰 되었고 최종 추시 상 2례에서 동통이 지속되었다.

대퇴골골용해가 발생하였던 3례(6.7%)에서 고관절 재치 환술을 시행하였으며 이들 모두는 비구라이너의 마모와 비

구골 골 용해 동반 돼 있었다(Fig. 2). 일차 고관절 전치 환술 후 재치환술 받는 데까지의 평균 기간은 10.25년 (8.5~11.5년)이었다. Kaplan-Meier 생존율 측정 상 (standard error 0.08; confidence interval: upper 11.27；lower 11.60) 8.5년에 97.9%의 생존율을 보였 다.

2. 방사선적 결과

방사선학적으로는 경도의 응력차단(stress shielding)이 16례(35.6%)에서 Gruen영역 1과 7에서 관찰되었고, 원 위 대퇴골의 비후(distal cortical hypertrophy)가 15례 (33.3%)에서 Gruen 구역 2, 6에서 3, 5구역으로 이행되 는 부위에서 관찰되었다. 골 내측의 신생골 형성 (spot weld)이 41례(91.1%)로 Gruen 구역 2와 6에서, 골수강 내 골 형성(endosteral bone) 4례(8.8%), 대퇴주대 주위 의 방사선 투과 음영(radiolucencies)은 1례(2%)에서 관 찰되었으며 Gruen 분류상 구역 3, 4, 5에서만 관찰되었 다. 근위 대퇴부 골 용해(proximal femoral osteolysis) 가 4례(8.8%)로 모두 Gruen 구역 1과 7에서 관찰되었으 며 이중 3례(6.6%)에서 재치환술을 시행 하였으나 비구부 골 용해가 재치환의 주된 이유였다. 외상에 의한 근위 대 퇴골의 골절이 1례에서 있었으나 소전자부에 국한되고 전 이가 없어 보존적 요법으로 치료하였다.

Livermore의 방법을 이용하여 측정한 폴리에틸렌 라이 너의 마모율은 0.19 mm/year 였다.

Fig. 2. Serial radiograps taken immediate after total hip arthroplasty (A) and follow-up 10.5 years (B) showed severe acetabular liner wear, aetabular and proximal femoral osteolysis.

Fig. 1. Photograph showing tapered Mallory-Head femoral stem.(Biomet, Warsaw, IN, USA)

고 찰

시멘트 인공 고관절 성형술 후 발생한 무균성 해리와 골 소실의 문제를 해결하기 위해 무시멘트 대퇴주대가 사용되 기 시작하였으며 이러한 일 세대 대퇴주대들은 대표적으로 대퇴간부고정(diaphyseal fixation) 개념 즉 골간부의 원 위부 고정을 위해 광범위하게 다공성층이 피복된 Anatomic Medullary Locking(AML) (DePuy/

Johnson & Johnson, Warsaw, IN)대퇴주대와 근위 부 고정(Proximal fixation), 즉 끼워 맞춤 및 충만(Fit

& Fill)의 개념에 중점을 둔 해부학적으로 만곡 된 PCA(Howmedica, Rutherford, NJ)와 Anatomic (Zimmer, Warsaw, IN) 대퇴주대가 이에 속한다. 그러 나 이러한 일 세대 대퇴주대에서 디자인 종류에 따라 높은 빈도의 대퇴부 동통, 근위부 대퇴골 응력 방패 현상, 골 용해 및 해리 그리고 재치환술시 대퇴주대 제거 시 어려움 의 문제가 발견되었다²⁹⁾. 이러한 일 세대 대퇴주대의 문제 를 해결하기 위해 taper형 디자인 개념의 이 세대 무시멘 트 대퇴주대가 개발되었는데 이는 대퇴 근위 부를 견고하 게 끼워 맞춤으로 탄성반동과 함께 변형이 되어 전체 대퇴 주대의 근위부의 형상을 통해 후프 응력(hoop stress)을 만들고 이 응력이 발생 시 탄성반동과 점탄성 이완으로 대 퇴주대는 침강되고 대퇴주대와 골 사이의 후프응력은 계속 유지되게 되는 디자인이다.

대퇴부 동통은 대퇴주대의 불안정성과 대퇴주대의 첨단 부의 미세운동(micromotion)에 의한 것으로 생각되어지 고 있으며⁹⁾, Kim등¹⁹⁾은 HGP 대퇴주대를 이용한 48예와 AML 대퇴주대를 사용한 32예의 평균 3.3년 추시 결과 대퇴부 동통의 빈도는 HGP 대퇴주대의 경우 27.1 %이며 AML 대퇴주대의 경우 18.8%로 보고 하였고 Heekin등

19)도 PCA주대의 5년 추시 상 15%의 대퇴부 동통을 보고 하였다. Bourne등¹⁾ 은 PCA 대퇴주대를 사용한 군은 2년 에 23%, Mallory-Head 대퇴주대를 사용한 경우 2년에 3%의 대퇴부 동통을 보고하였고, 본 연구의 Mallory- Head 대퇴주대에서 경도의 대퇴부 동통이 술 후 2년에 2 례(4.4%)에서 관찰되었고 최종 추시까지 지속되어 일 세 대 무시멘트 대퇴주대들 보다 발생빈도가 적은 것으로 나 타났다. 본 연구에서 대퇴 삽입물의 침강, 대퇴 주대 원위 부 피질골 비후 및 압박 고정, 대퇴 삽입물 첨부의 경화 등이 대퇴부 동통과 통계학 상으로 상관관계가 없었으나 새로 대퇴부 동통이 발생한 3례에서는 방사선 소견 상 근 위 부 응력 방패 현상이 관찰되었다.

이러한 taper디자인의 대퇴부 동통의 낮은 빈도는 여러 다른 연구에서 보고되고 있다^13,16,31). 이 taper 디자인 때문 에 대퇴주대에서 뼈로의 체중부하가 근위부에서 원위부로 균 등 하 게 전 달 하 며 이 후 에 일 어 나 는 골 유 합 (osseointegration)과 훌륭한 초기 안정성이 이루어지고,

또한 taper 디자인으로 인한 근위부에서 원위부로의 점차 적인 대퇴주대 강도(stiffness)의 감소 등의 이유로 대퇴 부 동통의 빈도가 낮은 것으로 생각된다²³⁾.

다공성층 주위에 형성된 골 내측의 신생골 형성(spot weld)은 골과의 결합(osseous integration)을 시사 하는 중요한 요소로 생각되고 안정된 고정을 이룬 대부분의 인 공고관절에서 발견된다⁸⁾. 본 연구에서 42례(84%)로 대퇴 주대의 근위부를 환상으로 둘러싼 다공성층이 대퇴골과 결 합하여 안정성이 있으며 근위부로부터 체중 부하가 이루어 지는 것으로 사료된다⁸⁾.

근위부 응력 방패 현상은 체중부하가 근위부로부터 이루 어지지 않아 생기는 근위 대퇴골의 골 흡수를 의미한다.

이는 근위부에서의 대퇴주대와 골이 결합이 이루어지지 않 고 대퇴주대의 원위부 고정에 의해 생기는 것과 대퇴주대 자체의 강도에 의해 생기는 것으로 생각된다⁵⁾. Heekin등

15)은 PCA 대퇴주대에서 10%의 진행되는 대퇴 근위부 골 밀도 감소를 보고하였다. 본 연구에서는 5례(10%)에서 관 찰 되었는데 이는 Taper디자인과 이의 압축 고정 효과가 근위부의 대퇴주대와 골의 결합을 촉진하는 것에 의해 낮 은 응력 방패 현상이 생긴 것으로 해석된다.

대퇴 피질 비후는 대퇴주대에서 대퇴골로 응력이 전달되 는 것에 의해 발생할 수 있는데 HGP 대퇴주대에서 대략 30%정도로 보고되고 AML 대퇴주대는 19%, PCA 대퇴 주대는 14%로 보고되고 있다11,14,17,30)

. 본 연구에서 대퇴 피질 비후가 15례(33.3%)에서 관찰되었는데 모두 대퇴주 대 중간부에서 발생하였으며 이러한 원인은 골내 성장이 주로 Gruen영역 2, 6에서 이루어지기 때문인 것으로 해 석할 수 있다.

골수강 내 골 형성(endosteal bone formation)은 대 퇴주대 첨부의 골 내막 자극을 시사하는 것으로 이는 근위 부 고정이 이루어지고 원위 부는 고정이 안 된 경우로 이 전 연구에 의하면 불안정성을 나타내는 다른 방사선 소견 과 관계없는 것으로 보고되고 있다⁸⁾. 본 연구에서는 3례 (6%)가 관찰되었다.

대 퇴 주 대 주 위 의 광 범 위 한 방 사 선 투 과 음 영 (radiolucencies)은 골 내 성장의 실패로 생각 할 수 있으 나 본 연구에서는 방사선 투과 음영(radiolucencies)이 1 례(2%)에서 관찰되었으나 방사선 투과 음영이 Gruen 영 역 3, 4, 5에만 존재하였다. 방사선학적으로는 3 mm이상 의 의미 있는 주대 침강(subsidence)은 관찰되지 않았으 며, 피질골 비후도 관찰되지 않았다.

Kim과 Kim¹⁸⁾은 116례의 PCA 대퇴주대 중 33%(38대 퇴 주 대 )에 서 골 용 해 를 보 고 하 였 고 Woolson과 Maloney³⁵⁾는 69례의 HGP 대퇴주대 중 22%(15 대퇴주 대)에서 골 용해를 보고하였다. 본 연구에서 대퇴부 골 용 해는 4예(8.9%)에서 관찰되었으나, 모두 대퇴 근위 부 (Gruen 1, 7)에 국한된 골 용해이었다. 이 중 3예에서

재치환술을 시행하였는데 모두 비구컵 주위의 심한 골 용 해 및 해리 와 폴리에틸렌 라이너의 마모가 동반된 경우였 다. Emerson등⁶⁾이 보고한 것과 같이 다공성층으로 환상 으로 둘러싸여진(circumferential porous coated) 대퇴 주대는 관절 공간을 밀봉하여 마모 입자가 대퇴골로의 이 동을 막는 것과 또한 taper형 대퇴주대가 근위 대퇴골과의 물리적인 압축 고정을 형성하므로 대퇴주대와 근위 대퇴골 의 결합에 도움을 주므로 골 용해 유발 입자들의 이동을 차단하며 티타늄 합금의 골 친화성이 또한 주대 고정의 안 정성을 제공하고 골 용해를 예방하는데 영향을 준다고 생 각된다.

일 세대 무시멘트 대퇴주대 생존율에 대한 연구가 많이 보고되었는데 초기 디자인이었던 HGP (Harris- Galante-Porous) 인공관절의 10년 이상 추시에서 81%

생 존 율 을 Harris등¹²⁾이 보 고 하 였 고 Engh등⁷⁾은 AML(Anatomical Medullary Locking, Depuy) 인공 관절을 사용한 경우 12년~18년 추시 상 82% 생존율을 보고하였다. 이 세대 무시멘트 대퇴 주대 중 대퇴 근위 부 만 고정하고 원위 부는 점차 작아져 고정이 안 되게 하는 taper형 디자인이 적용된 Mallory-Head(Biomet) 인공 관절의 10~13년 추시에서 Bourne등²⁾이 90%의 생존율 을 보고하였으며, Purtill등²⁸⁾ 은 Taperloc(Biomet) 및 Trilock(Biomet) 인공관절의 15년 추시 결과에서 Trilock은 77례 중 6례(12%)의 대퇴부 재수술을, Taperloc(Biomet)은 180례 중 1례(0.5%)에서만 재수술 을 보고하여 높은 생존율을 보고하였다. 또한 대퇴 근위 부만 고정하나 최초 고정을 하기 위해 taper형 설상 디자 인인 CLS(Cementless Spotorno, Sulzer medica)의 10년 이상 추시결과에서 100% 생존율과 95%의 골 내 성 장 이 관 찰 됨 을 Schramm³²⁾이 보 고 하 였 고 , Zweymuller-Alloclassic (Sulzer medica)의 10년 이상 추시에서 99.1 %의 생존율을 Delaunay등⁴⁾이 보고하였 다. 이번 연구에서도 이중 taper형 무시멘트 Mallory- Head 대퇴주대의 Kaplan-Meier 생존율 측정 상 (standard error 0.08; confidence interval: upper 11.27；lower 11.60) 8.5년에 97.9%의 생존율을 보여, taper 된 무시멘트 대퇴주대가 장기 추시 결과에서 높은 성 공률을 보이는 것을 알 수 있었다.

결 론

본 연구의 이중 tapered된 무시멘트 대퇴주대 (Mallory-Head System)의 중기간의 결과는 임상적인 면에서 Harris 고관절 점수의 개선과 대퇴부 동통의 낮은 발생률을 보였으며 방사선적 결과는 상대적으로 적은 응력 방패 현상, 낮은 골 용해의 빈도를 보였다. 또한 높은 생 존율(97.9%)을 보였는데 실제로 대퇴주대의 직접적인 문

제로 재치환술을 시행한 경우는 없었다. 본 대퇴주대는 비 구컵의 개발과 관절면의 개량으로 양호한 장기결과가 예상 된다.

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