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Comparative Study of Various Cages in Posterior Lumbar Interbody Fusion of the Lower Lumbar Spine
Byeong-Jik Kang, M.D., Dae-Hyun Choe, M.D., Ji-Won Jeong, M.D., In-Cheol, Kook, M.D., Ye-Soo Park, M.D., Ph.D.
J Korean Soc Spine Surg 2021 Jun;28(2):49-54.
Originally published online June 30, 2021;
https://doi.org/10.4184/jkss.2021.28.2.49
Korean Society of Spine Surgery
Asan Medical Center, University of Ulsan College of Medicine, Seoul, Korea, 88, Olympic-ro 43-gil, Songpa-gu, Seoul 05505, Korea
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Journal of Korean Society of
Spine Surgery
Comparative Study of Various Cages in Posterior Lumbar Interbody Fusion of the Lower Lumbar Spine
Byeong-Jik Kang, M.D., Dae-Hyun Choe, M.D., Ji-Won Jeong, M.D., In-Cheol, Kook, M.D., Ye-Soo Park, M.D., Ph.D.
Department of Orthopedic Surgery, Guri Hospital, College of Medicine, Hanyang University, Gu-ri, Korea Study Design: Retrospective study.
Objectives: The purpose of this study was to analyze the radiological outcomes of various cages, including three-dimensional (3D)-printed cages, polyether ether ketone (PEEK) cages, and metal cages with a 1-year minimum follow-up.
Summary of Literature Review: In previous studies, the use of PEEK cages and metal cages showed good clinical outcomes. Recently, 3D-printed cages have been introduced to improve osteogenesis and osteointegration. However, no study has yet compared radiological outcomes between 3D-printed cages and other cages.
Materials and Methods: The study was performed on 111 intervertebral spaces in 89 patients who underwent posterior lumbar interbody fusion (PLIF) using three types of cages at the L4-L5 and L5-S1 levels. Cage subsidence, intervertebral disc height, and the lordotic angle were assessed bon plain radiographs immediately after surgery and at 1 year postoperatively.
Results: At the 1-year follow-up, several cases of cage subsidence were observed in the three groups. There were nine cases (25.7%) in the 3D cage group, eight cases (13.7%) in the PEEK cage group, and five cases (27.7%) in the metal cage group, but no statistically significant difference was found. Changes in intervertebral disc height and the lordotic angle also appeared not to be significantly different according to cage type.
Conclusions: The 3D-printed cages used in PLIF showed similar radiological outcomes to those of PEEK cages and metal cages. Since PEEK cages and metal cages have shown satisfactory clinical outcomes and fusion rate, 3D-printed cages may have the potential to improve clinical outcomes in PLIF of the lower lumbar spine.
Key words: Posterior lumbar interbody fusion, 3D printed cage, Cage subsidence
Received: November 26, 2020 Revised: December 3, 2020 Accepted: May 10, 2021 Published Online: June 30, 2021
Corresponding author: Ye-Soo Park, MD., Ph.D.
ORCID ID: Byeong Jik Kang: https://orcid.org/0000-0002-7183-4585 Dae Hyun Choe: https://orcid.org/0000-0001-9318-1266 Ji Won Jeong: https://orcid.org/0000-0003-3615-8769 In Cheol Kook: https://orcid.org/0000-0001-8691-5495 Ye Soo Park: https://orcid.org/0000-0002-2801-2674 Department of Orthopedic Surgery, Hanyang University Guri Hospital 153 Gyeongchun-ro, Guri 11923, Korea
TEL: +82-31-560-2187, FAX: +82-31-557-8781 E-mail: [email protected]
서론
후방 요추체간 유합술(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)은 척추관 협착증, 요추의 전방 전위증, 추간판 탈출증, 척추의 변형 및 외상과 같은 척추의 병적 상태에 대하여 임상 적으로 입증되어 사용되고 있는 술식이다.1,2) 케이지와 같은 추 체간 장치의 도입은 요추체간 유합술 시에 기계적 안정성을 향상시키고 시상면 지표를 개선하며 잠재적인 골유합 가능성 의 향상에 기여하고 있다.3) 현재 다양한 종류의 케이지가 고 안되어 사용되고 있으며 장치의 소재로 Titanium alloys, Poly- Ether-Ether-Ketone (PEEK) 또는 여러 생물학적 재료(biologic sources)들이 사용되고 있고,4,5) 수술적 접근법 또는 수술 분절 (level)에 따라 다양한 형태로 고안되어 사용되고 있다. 최근 삼차원 프린팅(3D Printing) 기술을 이용한 삼차원 프린팅 케 이지(3D Printed Cage, 3D cage)가 개발되었으며 인간과 유사 한 척추를 갖는 양을 대상으로 한 동물 실험에서 우수한 생체 적합성(biocompatibility)와 골유합능(osseointegration)을 보인
다는 연구 결과가 발표되었으며 인체 카데바를 이용한 생체 외 실험(in vitro study)에서 기존의 금속 케이지와 유사한 안정 성을 보인다고 발표된 바 있다.6-8) 이전 연구들에서는 아직까 지 PLIF 시 3D 케이지와 다른 케이지를 비교하여 케이지 침강 (subsidence), 추체간 공간의 높이(intervertebral disc height) 변
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화, 국소 전만 각도(local lordotic angle)의 변화 등에 대하여 영 상의학적 분석을 시행한 연구는 없었다. 본 연구는 요추의 후 방 추체간 유합술 시 3D cage의 영상의학적 결과를 기존에 사 용되고 있는 PEEK 케이지 및 금속 케이지와 비교하고자 한다.
연구대상 및 방법
본 연구는 후향적으로 시행된 연구로 본원의 IRB 승인을 받 은 뒤 시행되었다. 2008년 7월부터 2019년 4월까지 본원에서 L4-5 또는 L5-S1의 후방 요추체간 유합술을 시행 받고 최소 12 개월의 추시가 시행된 환자를 대상으로 연구가 시행되었다. 본 원에 내원하여 요추의 척추관 협착증, 추간판 탈출증, 척추 전 방 전위증, 요추의 불안정성으로 진단을 받은 뒤 임상적으로 추체간 유합술이 필요하다고 판단되는 경우에 수술이 시행되 었으며 수술은 1명의 정형외과 척추 전문의(YSP)에 의해 시행 되었다. 수술을 시행 받은 환자 중에서 추시 기간이 12개월 미 만인 경우, 재수술인 경우, 골절로 인하여 방사선학적 측정이 부정확하다고 판단되는 경우, 류마티스 관절염으로 척추체의 변형이 심해 방사선학적 측정이 부정확하다고 판단되는 경우, 수술 전 단순 방사선 촬영 영상이 소실된 경우 연구 대상자에 서 제외하였다.
연구에 포함된 환자들은 케이지의 종류에 따라서 3D 케이지 (Genoss 3D cage; Genoss Co. Ltd. Suwon, Korea) 군과 PEEK 케 이지(Neo-IC cage; U&I Corporation, Seoul, Korea) 군, 그리고 금속 케이지(Xia-OIC titanium cages; Stryker, Kalamazoo, USA) 군으로 분류하였다. 3D 케이지 공정 과정은 선택적 레이저 용 융법(Selective Laser Melting, SLM) 기술로 30 um의 파티클 입 자로 제작된 메탈 파우더를 얇은 층으로 도포한 후 3D print의 강력한 레이저가 캐드(Computer Aided Design, CAD) 모델에서 설정한 지점에서 정확하게 파우더를 녹이게 된다. 이러한 방식 으로 레이어 별로 쌓으면서 케이지 모양을 완성한다. 본 연구 의 3D 케이지는 SLM Ti6Al4V cage로 70% 다공성과 600 µm 기공 크기를 보여주었다(Fig. 1).9)
2개 이상의 분절에 추체간 유합술을 시행 받은 경우 각 분절 에 대하여 독립적으로 영상의학적 평가를 시행하였으며 각 환 자에 대하여 나이, 성별, 진단명, 수술을 시행 받은 분절(level), 수술 후 추시 기간에 대하여 전자의무기록(electronic medical record, EMR)을 통하여 조사하였다. 의료영상 저장전송시스 템 (Picture Archiving and Communication System, PACS)를 통 해 각 환자들의 수술 전과 수술 직후 그리고 수술 후 12개월에 서 24개월 사이에 시행된 단순 요추부 방사선 사진 측면상을 통해 케이지 침강(subsidence) 정도, 추시 시의 추체 간 공간의 전면 및 후면 높이의 변화, 국소 전만 각도 (local lordotic angle)
및 수술 기구의 해리(loosening) 유무를 평가하였다(Fig. 2). 케 이지의 침강 정도는 수술 직후와 추시 시의 단순 방사선 촬영 측면상에서 추체간 전방 높이와 후방 높이의 평균을 기준으로 최종 추시시 2 mm 이상의 높이 감소가 발생하는 경우로 정의
하였다.10,11) EMR에 대한 확인 과 단순 요추부 방사선 촬영 영
상에 대한 계측(measurement)은 두 명의 독립적인 평가자(BJK, JWJ)에 의해 이루어졌으며, 1개월 뒤 계측을 다시 시행하여 일 치도를 평가하였다.
통계학적 분석은 SPSS 20.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하였고 케이지의 종류에 따라서 분류된 세 군의 변수에 대 한 평균값을 비교하였다. 연속 변수에 대하여 정규분포를 만 족하는 경우 one-way ANOVA를 사용하였고 사후 분석으로는 Bonferroni’s methods를 통해서 두 군사이의 다중비교를 시행 하였다. P-value가 0.05 미만일 경우 통계학적으로 유의미한 것 으로 간주하였다.
A B C
Fig. 1. These are the 3d cages used in this study. (A) Anterior (B) Poste- rior (C) Lateral view.
Fig. 2. In postoperative x-ray, the angle formed by the dotted line is the local lordotic angle and the solid line is intervertebral disc height.
결과
총 89명의 환자, 111 분절이 연구 기준을 충족하였고 그 중에 서 22명, 35 분절이 3D 케이지, 49명, 58 분절이 PEEK 케이지 18명, 18 분절이 금속 케이지를 사용하여 수술적 치료를 시행 받았다. 세 그룹간의 인구학적 정보를 비교 하였을 때 나이, 성 별, 수술 전 진단명, 수술 시행 받은 분절의 위치에서 유의미한 차이를 보이지 않았으며 평균 추시 기간도 3D 케이지가 14.5 개월, PEEK 케이지가 13.8개월, 금속 케이지가 14.3개월로 통 계학적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다(Table 1). 영상학 적 정보를 비교 하였을 때 케이지 침강의 정도 및 케이지 침강 이 발생한 분절의 수는 세 군 사이에서 유의미한 차이가 관찰
되지 않았다. 또한, 추체간 공간의 전면 높이(height of anterior intervertebral space)의 경우 수술 전과 수술 직후, 그리고 1년 추 시 시 세 군간의 유의미한 차이가 관찰되지 않았으며 수술 전 후 높이의 변화량과 수술 직후와 1년 추시 사이 높이의 변화 량 또한 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 추체 간 공간의 후 면 높이(height of posterior intervertebral space)의 경우에도 수 술 전후 세 군 사이의 유의미한 차이가 관찰되지 않았으며 수 술 전후 높이의 변화량과 수술 직후와 1년 추시 사이 높이의 변 화량 또한 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 수술 전 국소 전 만 각도와 수술 직후 및 1년 추시 시 국소 전만 각도의 경우 세 군간의 통계학적으로 유의미한 차이가 관찰되지 않았다(Table 2). 1년 추시 영상에서 수술을 시행받은 모든 분절에 대하여 수 술 기구의 해리는 발생하지 않았다.
고찰
후방 요추체간 유합술은 간접적으로 신경공을 감압시키는 동시에 유합술을 통해 기계적 안정성을 부여할 수 있는 유용한 술기이며 골이식과 함께 케이지를 사용하는 것이 생역학적으 로 효과적이라는 사실이 연구를 통하여 알려진 바 있다.12,13) 전 통적으로 티타늄과 같은 금속을 사용한 금속 케이지가 사용되 어 왔으며 이러한 케이지의 경우 생체적합성(biocompatibility) 와 부식에 대한 저항성이 높다는 장점이 있고 높은 골유도성으 로 인해 높은 골유합율을 보인다고 알려져 있다.14,15) 하지만 이 러한 금속 케이지의 경우 상대적으로 골에 비하여 높은 탄성 계수를 갖기 때문에 케이지에 의해 종판(endplate)에 외상이 가 해지거나 케이지의 침강이 발생할 가능성이 있고,16,17) 금속 재 질의 특성 상 컴퓨터 단층 영상 또는 자기공명영상과 같은 영 상 검사에서 왜곡을 발생시켜 골유합능을 평가하는데 제한이 발생할 수 있다는 단점이 있다.5,18,19) 금속 케이지와 함께 현재 많이 사용되고 있는 PEEK 케이지의 경우 골과 유사한 탄성 계 수를 갖고 있어 상대적으로 낮은 침강율을 보이나17,20,21) 높은 생체적합성(biocompatibility)을 갖는 금속 케이지와 다르게 표 면이 소수성을 띠어 골유도성이 상대적으로 떨어지게 된다. 추 가적으로 수술 도중 종판에 안착(anchoring)이 다소 힘들어 초 기 안정성이 불충분한 경우가 있다.20,22) 하지만 방사선 투과성 이 높아 영상을 통한 골유합 여부를 확인하는 데에 장점이 있 다. 최근 들어 기존의 케이지의 단점을 보완하기 위하여 3D 케 이지가 개발되었다. 이러한 3D 케이지는 티타늄에 6% 알루미 늄, 4% 바나듐이 함유된 합금이다. 기존 티타늄 금속 케이지의 장점과 함께 PEEK 케이지와 비슷한 탄성계수를 보이며 PEEK 케이지의 장점을 가지게 된다. 기존 케이지의 단점을 보완하여 우수한 골유합능, 낮은 침강율, 수술 후 영상 분석의 용이성 등 Table 1. Demographic data in three groups
Variables 3D cage PEEK cage Metal cage p-value
No. of patients 22 49 18 0.854
No. of level 35 58 18 0.729
Age 61.2 59.9 60.1 0.812
Sex (M/F) 8/14 16/33 6/12 0.951
Follow-up (month) 14.5 13.8 14.3 0.239
Table 2. Comparison of radiological parameters among three groups
Variables 3D
cage PEEK cage Metal
cage p-value Cage subsidence
No. of subsidence (%) 9(25.7) 8(13.7) 5(27.7) 0.251 Height of subsidence (mm) 61.2 59.9 60.1 0.812 Ant. intervertebral disc height
Postop-Preop 2.91 2.82 3.49 0.648
Postop-f/u 1.13 1.83 1.82 0.709
Post. intervertebral disc height
Postop-Preop 1.93 1.63 1.77 0.401
Postop-f/u 3.11 1.46 1.13 0.574
Lordotic angle
Preop 17.44 18.16 20.25 0.147
Postop 12.58 20.56 22.23 0.208
Postop-preop 4.98 5.51 1.97 0.228
Postop-f/u 1.95 3.12 1.18 0.326
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의 장점을 가진 것으로 알려져 있다. 하지만 3D 케이지의 한계 로는 MRI상에서 metal artifact로 인한 왜곡현상이 기존 금속 케 이지보다는 감소했으나 여전히 PEEK cage보다는 왜곡이 크다 는 점이다.
본 연구는 3D 케이지를 현재 널리 사용되고 있는 PEEK 케이 지와 금속 케이지와 비교 연구를 통하여 케이지 침강 및 추체 간 공간의 높이의 변화, 국소 전만 각도의 변화에 대하여 어떠 한 차이를 보이는지 확인하고자 하였다. 본 연구에 따르며 기 본적인 인구학적 정보에서 유의미한 차이가 관찰되지 않았고 영상의학적 정보에 대한 분석 시 각 군에서 케이지가 침강된 분절의 수와 각 분절의 침강 정도의 평균이 통계학적으로 유의 미한 차이가 관찰되지 않는 것으로 확인되었다. 추체간 공간 의 전면 높이는 수술 전과 수술 직후, 1년 추시 시의 평균 값이 유의미한 차이를 보이지 않았고 수술 전과 후의 추체 간 공간 의 높이 변화값과 수술 직후부터 1년 추시까지의 높이 변화값 에서도 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 또한 추체간 공간의 후면 높이에서도 수술 전 후의 변화값 및 수술 직후와 1년 추시 사이의 높이 변화는 세 군간의 유의미한 차이가 관찰되지 않았 다. 이를 통해 수술 전후 추체간 공간의 전면 및 후면 높이의 차 이에서 세 군간의 유의미한 차이는 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 척추의 전만 각도에 대해서는 수술 전 세 군간에 유 의미한 차이가 관찰되지 않았고 수술 직후와 1년 추시 시 세 군 의 국소 전만 각도에 대하여 유의미한 차이는 관찰되지 않았으 며 수술 전후 국소 전만 각도의 차이와 수술 직후와 1년 추시 시 사이 국소 전만 각도의 차이 또한 유의미한 차이가 관찰되 지 않았다.
본 연구를 통해 3D 케이지, PEEK 케이지 및 금속 케이지 세 가지의 군의 기본적인 인구학적 정보에서 유의미한 차이는 관 찰되지 않았으며 케이지의 침강 정도 및 침강된 분절의 수, 수 술 전후와 1년 추시 시의 추체 간 공간의 전면 및 후면 높이의 변화, 국소 전만 각도의 변화 등에서 유의미한 차이가 관찰되 지 않았다. 이를 통하여 요추의 후방 추체간 유합술 시 3D 케이 지가 기존의 PEEK 케이지 및 금속 케이지와 비교하여 12개월 이 경과한 뒤에도 케이지 침강 및 추체 간 공간의 높이, 전만 각 도 측면에서 통계학적으로 유의미한 차이를 보이지 않는 기구 임을 확인할 수 있었다. 또한 3D 케이지가 우수한 골유합능과 영상 분석의 용이성을 동반함을 고려하였을 때 추후 PEEK 케 이지 및 금속 케이지를 대체할 수 있는 잠재성이 있는 기구임 을 확인할 수 있었다.
본 연구는 몇 가지 제한점을 갖는다. 먼저 후향적 연구로서 의 제한점을 갖는다. 두번째로 본 연구는 환자가 수술을 시행 받을 때 어떠한 케이지를 선택할 것인지에 대하여 임의화 과정 을 거치지 않았기 때문에 표본 선정 편견(selection bias)이 개입
되었을 가능성이 있다. 세번째로 본 연구는 12개월의 영상 추 시를 시행하였는데 보다 장기적인 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 영상학적으로 골유합을 확인하기위해 CT를 통 한 추가적인 평가가 필요할 것으로 보이며 임상적으로 환자의 만족도나 통증정도를 평가하는 것이 필요하리라 생각된다.
결론
요추의 후방 추체간 유합술 후 12개월 뒤 영상의학적 비교 분석을 하였을 때 3D 케이지는 PEEK 케이지와 금속 케이지와 비교하여 케이지 침강, 추체간 공간의 높이 변화, 국소 전만 각 도의 변화에서 유의미한 차이를 보이지 않는다. 이를 통해 3D 케이지가 기존 케이지처럼 임상적으로도 좋은 결과를 얻을 수 있는 잠재성이 있다고 평가할 수 있다.
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J Korean Soc Spine Surg. 2021 Jun;28(2):49-54
Original Article
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하부 요추의 후방 요추체간 유합술에서 다양한 케이지의 비교 연구
강병직 • 최대현 • 정지원 • 국인철 • 박예수 한양대학교 구리병원 정형외과학교실
연구 계획: 후향적 연구
목적: 임상적으로 삼차원(3D printed) cage를 이용한 후방 요추체간 유합술(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)의 영상학적 결과를 poly-ether- ether ketone (PEEK) cage 및 metal cage의 결과와 비교하고자 한다
선행 연구문헌의 요약: 이전 연구에서 기존의 PEEK cage와 금속 케이지의 사용은 좋은 임상적 결과를 보여줬다. 최근에 3D printed cage는 더 나은 골형성능 및 골유합능을 위해 도입되었다. 하지만 3D cage와 기존의 cage 사이에 케이지 침강 및 전만각의 변화에 대한 연구는 없었다.
대상 및 방법: 본 연구는 L4-5, L5-S1의 요추부에서 cage를 이용한 PLIF를 시행한 환자를 대상으로 세 종류 cage간의 비교를 시행하였다. 최소 12 개월 이상의 추시가 이루어진 환자를 대상으로 총 89명의 환자에 대해 연구가 진행되었으며 총 111 level의 interbody fusion이 평가되었다. 3D printed cage와 PEEK cage, metal cage는 각각 22명 35 level, 49명 58 level, 18명 18 level이 포함되었다. 수술 전, 후 및 술 후 12-24개월의 단순 방사선 촬영을 통해 케이지 침강(subsidence), 전후방 추간공 간격, 국소 전만각(local lordotic angle)을 평가하였다
결과: 세 군간의 성별과 나이, 진단명, 수술 분절은 통계학적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 추시에서 2 mm 이상 height loss가 보이는 케이지 침 강(subsidence)은 3D cage군 9예(25.7%), PEEK cage사용군 8예(13.7%) metal cage 군 5예(27.7%)가 확인되었으나 통계학적으로 유의한 차이를 나타내지는 않았다(p=0.25). Intervertebral disc height의 변화 및 local lordotic angle의 변화 역시 세 군간에 통계학적 차이를 보이지 않았다.
결론: PLIF에서 사용된 3D printed cage는 PEEK cage 및 metal cage와 비교하여 12개월이 경과한 뒤에도 cage subsidence, intervertebral space height 및 국소 전만 각도(lordotic angle)에서 통계학적으로 비슷한 결과를 나타났다. 이를 통해 3D printed cage는 유의한 골유합과 임상적으로 좋 은 결과를 얻을 수 있는 잠재성이 있다고 평가할 수 있다.
색인 단어: 후방 요추체간 유합술, 3D 프린팅 케이지, 케이지 침강 약칭 제목: 후방 요추체간 유합술에서 다양한 케이지의 비교 연구
접수일: 2020년 11월 26일 수정일: 2020년 12월 3일 게재확정일: 2021년 5월 10일 교신저자: 박예수
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