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목 적 :Hydroxyapatite (HA) 피복 smooth surface 반구형 비구컵을 이용한 고관절 전치환술의 중단기 추시 결과를 보고하고자 한다.
대상 및 방법 :1993년 6월부터 1996년 8월까지 반구형의 HA 피복 smooth surface 비구컵을 이용하여 고관절 전치환술을 시행하였던 63명 70예 중 임상 적 및 방사선학적 추시가 가능한 49명 54예를 대상으로 하였고, 추시기간은 평균 71개월, 수술시 연령은 평균 49세이었다. 임상적으로 Modified Harris hip score을 이용하여 평가 하였고, 방사선학적으로 비구컵 주위 골용해, 폴리에틸렌의 마모율 및 비구컵의 안정성 등을 관찰하였다.
결 과 :Modified Harris hip score는 수술 전 평균 50.9점에서 최종 추시시 평균 82.2점으로 호전 되었다. 골용해는 18예(33%)에서 발생하였으며, 폴리에 틸렌 마모율은 평균 0.15 mm/year이었다. 8예(15%)에서 비구컵의 이동을 포함한 불안정성이 관찰되었고, 재치환술은 7예(13%)에서 실시하였다.
결 론 :HA 피복 smooth surface 반구형 비구컵을 이용한 고관절 전치환술의 중단기 추시 결과, 비구컵의 골 내성장의 실패, 높은 폴리에틸렌 마모율과 골용해의 발생이 관찰되었으며 이에 따른 조기 인공 관절 해리와 재치환술을 경험하였다.
색인 단어 :고관절 전치환술, Hydroxyapatite, Smooth surface, 반구형 비구컵
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Hydroxyapatite 피복 Smooth Surface 비구컵을 이용한 고관절 전치환술의 조기 실패
김신윤∙이성만∙오창욱∙김성중∙박병철∙김창윤*∙이권용**
경북대학교 의과대학 정형외과학교실, 영남대학교 의과대학 예방의학교실,* 세종대학교 기계항공우주공학부**
1970년대 중반부터는 삽입물과 골 사이에 직접적인 결합인 생물학적 고정(biologic fixation)을 이용하여 영구적인 고정을 얻으려는 무시멘트 치환술 개념이 도입되었다6,10,13). 처음에는 견고한 생물학적 고정을 위해 삽입물의 표면위에 티타늄 wire
mesh나 코발트 크롬 head를 세공구조로 피복 처리하여 골내 성장(bony ingrowth)을 촉진시켰는데, 많은 부분이 섬유 결체 조직으로 덮이고 골조직이 자라 들어간 부위도 기대했던 것보다 적었으며, 초기 결합력이 견고하지 않았고, 그 외 이온 독성의
1 1 통신저자 : 김 신 윤
대구광역시 중구 삼덕동 2가 50 경북대학교병원 정형외과학교실
TEL: 053-420-5635∙FAX: 053-422-6605 E-mail: [email protected]
Early Failure of Total Hip Arthroplasty with Hydroxyapatite-Coated Smooth Surface Acetabular Component
Shin-Yoon Kim, M.D., Seong-Man Lee, M.D., Chang-Wug Oh, M.D., Sung-Jung Kim, M.D., Byung-Chul Park, M.D., Chang-Yoon Kim, M.D.*, and Kwon-Yong Lee, M.D.**
Department of Orthopedic Surgery, Collage of Medicine, Kyungpook National University, Daegu; *Department of Preventive Medicine, Collage of Medicine, Yeongnam University, Daegu; **School of Mechanical and Aerospace Engineering, Sejong University, Seoul, Korea Purpose :To evaluate the early intermediate outcomes of total hip arthroplasty using hydroxyapatite (HA)-coated smooth surface hemi- spherical acetabular component.
Materials and Methods :Seventy total hip arthroplasties were performed, in 63 patients, using a HA-coated smooth surface hemispheri- cal acetabular component consecutively between June 1993 and August 1996. Fifty-four cases were followed at an average of 71 months.
The mean age at the time of arthroplasty was 49 years old. Clinical results were evaluated using the modified Harris hip score, and the radiologic results were evaluated in terms of stability, polyethylene wear rate, and osteolysis around the acetabular component.
Results : The mean preoperative Harris hip score of 50.9 was improved to 82.2 points at the most recent follow-up. Pelvic osteolysis was found at 18 cases (33%) and the mean polyethylene wear rate was 0.15 mm/year. Eight acetabular components (15%) were unstable radiologically and 7 acetabular components (13%) were revised.
Conclusion :Total hip arthroplasty using HA-coated smooth surface hemispherical acetabular component showed accelerated polyethy- lene wear rate, which was accompanied by a high incidence of osteolysis, and a high loosening rate due to failure of bony ongrowth at early midterm.
Key Words : Total hip arthroplasty, Hydroxyapatite, Smooth surface, Hemispherical acetabular component
Address reprint requests to Shin-Yoon Kim, M.D.
Department of Orthopedic Surgery, Kyungpook National University Hospital 50, 2ga Samduk-dong, Chung-gu, Daegu 700-721, Korea
Tel : +82.53-420-5635, Fax : +82.53-422-6605 E-mail: [email protected]
가능성 등의 문제점이 지적되었다5,15). 이런 문제점을 해결하기 위해 1980년대 후반에 소개된 Hydroxyapatite (HA)는 무독성 의 생체 적합성 골 전도성 물질로 비교적 짧은 시간에 매우 강 한 골 결합을 이루어 임상에서도 HA가 피복된 인공삽입물을 이 용한 고관절 전치환술에서 좋은 조기 결과가 보고되었다10,11,14,15,
17,22). 그러나 중장기 보고에서, 대퇴 스템에 대해서는 비교적 양
호한 결과가 보고되었으나, smooth surface의 HA 피복 반구형 비구컵에 대한 결과는 아직 많지 않다3,6,19,23). 저자들은 HA 피 복 smooth surface 반구형 비구컵을 이용한 고관절 전치환술을 시행한 후 중단기 추시 결과를 평가하고자 한다.
연구대상 및 방법 1.
연구대상1993년 6월부터 1996년 8월까지 HA 피복 smooth surface 반구형 비구컵을 이용하여 고관절 전치환술을 받은 63명, 70예 중 수술 후 4년 이내에 사망한 8예, 추시가 불가능하였던 4예, 추시를 거부한 4예를 제외한가 최소 4년 이상 추시가 가능하였 던 49명, 54예를 대상으로 하였다. 평균 추시 기간은 71개월 (48-104개월)이었으며, 평균 연령은 49세(23-71세)이었다. 성 별로는 남자가 26예, 여자가 28예였으며 5명의 환자에서는 양측 으로 고관절 전치환술을 실시하였다. 수술 전 진단은 대퇴골두 골 괴사증이 23예, 비구 이형성증이 16예, 원발성 및 속발성 골 관절염이 12예, 대퇴 경부 골절이 3예였다.
2.
삽입물의 재질 및 수술방법수술에 사용된 비구컵은 Omnifit PSL (peripheral self lock- ing, Osteonics�, Allendale, NJ, USA)로 반구형(hemispheri- cal)이며 컵의 바깥 smooth surface에 HA가 코팅되어 있는데 다공성(porosity)은 3% 이하이며 순도(purity)는 분사 후 97%, 결정기(crystallin phase) 후에는 65%이다. Tensile bond str- ength는 65MPa 이상이며 접착의 피로 강도(fatigue strength)
는 8.3 MPa에서 107 tensile/tensile cycles 이상이다. 수술시 reamer와 같은 크기의 비구컵을 사용하였고, 비구의 안전지역 에 2개 내지 4개의 나사못을 삽입하여 초기 안정성을 높였다.
폴리에틸렌 라이너는 Hoechst 1050 resin으로 ram extruded process에 의해 제작되었으며, 감마 소독되어 nitrogen/vacuum 포장되었고, 모두 10° 경사각(10° elevated rim)이 있는 것을 사용하였다(Fig. 1). 대퇴부 스템으로는 43예에서 무시멘트형 Omnifit M-HA Hip stem (Osteonics�, Allendale, NJ, USA) 을 사용하였는데 이는 근위부 40%에 HA가 50 m (range 45- 65)의 두께로 진공 플라즈마 분사법을 이용하여 코팅되어 있으 며 스템 표면은 normalization의 macrotexture로 처리되어 있 다. 그리고 11예에서는 시멘트형 스템인 Omnifit Normalized Hip stem (Osteonics�, Allendale, NJ, USA)을 이용하였다.
헤드의 재질은 코발트-크롬(Co-Cr)으로 이온 코팅되지 않았으 며, 67예에서 28 mm 헤드를 사용하였으나, 3예의 비구 이형성 증에서는 44 mm의 작은 비구컵이 사용되어 충분한 폴리에틸렌 두께를 얻기 위하여 22 mm 헤드를 사용하였다.
수술은 모두 제 1저자(KSY)에 의해 측와위에서 후측방 도달 법을 이용하여 시행하였으며, 대전자 절골술은 2예에서 시행하 였다. 수술 시 비구 컵 positioner를 이용하여, 금속 비구컵 경사 가 50°정도 되게 시술하였다. 수술 후 양측 슬부 사이에 삼각형 모양의 외전 보조기를 착용하였으며, 1주 후부터 목발이나 보행 기를 이용하여 부분체중 부하운동을 실시하였고, 수술 후 6-8주 사이에 전 체중 부하보행을 허락하였다.
3.
추시 및 평가방법환자의 추시는 수술 후 3, 6, 12개월에 하였으며, 그 후에는 1 년 간격으로 실시하였다. 임상적 결과의 평가는 Modified Har- ris hip score를 이용하였다. Harris hip score는 90점 이상을 우 수(Excellent), 80점에서 89점을 양호(Good), 79점에서 70점을 보통(Fair), 69점 이하는 불량(Poor)으로 분류하였다. 방사선학 적 평가로 비구컵의 수평 혹은 수직이동, 방사선 투과성의 반응 선, 비구컵 주위 골 용해, 폴리에틸렌의 마모 및 안정성에 대해 조사하였다. 비구컵의 이동은 수술직후와 비교해서 2 mm 이상 이나 5°이상의 변화가 있을때 의미 있는 것으로 생각하였고16), 골용해는 Charnley의 1-3 영역으로 구분하여 측정하였으며 침 범양상에 따라 국소성, 미만성, 그리고 복합성으로 구분하였다.
폴리에틸렌의 마모는 Dorr 등8)의 방법을 이용하여 선상 마모율 을 계측하였는데, 각 방사선 사진은 수술과 무관한 정형외과 의 사(LSM)가 디지털 캘리퍼(Digmatic caliper, Mitutoyo cam- pany, Japan)를 이용하여 0.01 mm 단위로 정밀하게 측정하였 다. 비구컵의 안정성에 대한 평가는 Capello 등3)과 Kawamura 등16)의 분류에 따라, 방사선 투과선이 없거나 있더라도 1, 2 영 역에 국한되면서 비구컵의 이동이 없는 경우를 골성 안정(bony stable), 방사선 투과성이 전 영역에서 모두 관찰되나 비구컵의 이동이 없는 경우를 섬유성 안정(fibrous stable), 그리고 비구 Fig. 1.Photograph showing a HA-coated smooth surface hemi-
spherical acetabular component (Osteonics�fi, Allendale, NJ, USA) (A) and a 10°elevated polyethylene liner (B).
A B
컵이 2 mm 이상이나 5°이상 이동하였을 경우를 불안정(unsta- ble)으로 구분하였다.
통계학적 분석으로는, 재치환술이 실시된 시점을 실패로 간주 하여 Kaplan-Meier 방법을 이용하여 생존율을 분석하였다. 그 리고 폴리에틸렌 마모율과 골 용해를 t-test, Pearson 상관분석 및 chi-square test를 이용하여 각각 나이, 성별, 진단명, 체밀 지수(Body mass index) 등과의 연관성을 분석하였다.
결 과 1.
임상적 결과수술 전 Harris hip score는 평균 50.9점에서 최종 추시에서 82.2점으로 향상되었으며, 우수 18예, 양호 20예, 보통 9예, 불 량 7예로 38예, 70.4%에서 우수 또는 양호의 결과를 나타내었 다. 중등도 이상의 서혜부 및 둔부 동통은 수술 전 43예에서 최 종 추시상에 12예(22%)로 감소하였고, 파행은 수술 전 22예에
서 최종 추시상에 7예(13%)로 감소하였다.
2.
방사선학적 결과비구컵의 고정 안정성에 있어서 골 성장에 의해 골성 안정을 보인 경우가 41예(76%)(Fig. 2), 섬유성 결합에 의한 안정을 보인 경우가 5예(9%)였으며, 비구컵의 이동을 포함한 불안정성 을 보인 경우가 8예(15%)이었다. 특히 비구컵의 이동이 관찰된 경우 중 2예에서는 10 mm 이상의 내측 이동과 함께 비구컵의 골반 내 돌출소견이 관찰되었다(Fig. 3).
비구컵 주위 골용해는 18예, 33%에서 관찰되었으며 국소성 6 예, 미만성 10예, 그리고 복합성이 2예이었다. 영역에 따른 분류 에서는 Chanley의 zone 1에 발생한 경우가 7예, zone 2가 7예, zone 3가 12예로, zone 3에서 46%로 가장 많이 관찰되었고, 통 계학적으로 비구컵이 작을수록 골용해가 많이 발생하였다(p=
0.031).
Dorr 방법에 의한 폴리에틸렌의 선형마모율은 평균 0.86 mm (0.08-2.47mm), 연간 마모율은 평균 0.15 mm/year (0.01 mm/
Cumulative Survival Rate (%)
Period (Month) 120
100 80 60 40 20 0
36 72 75 88 91 95 101
Fig. 5.Probability of survival by the Kaplan-Meier method, show- ing a relative high failure rate of 94.3% (90.2-98.4%) for 6-year survival and 60.5% (45.6-75.4%) for 8-year survival.
Fig. 2.Serial radiographs of HA-coated smooth surface acetabu- lar cup taken immediately after the operation (A) and at follow-up after 7.8 years (B) showing a stable bony ongrowth acetabular component without radiolucent lines and migration.
A B
Fig. 3.Serial radiographs of HA-coated smooth surface acetabu- lar cup taken immediately after the operation (A) and at follow-up after 8.4 years (B) showing an unstable cup with diffuse osteoly- sis, eccentric polyethylene wear and migration.
A B
Fig. 4.Photographs of removed acetabular component after revi- sion surgery showing the absence of bony ongrowth on the outer surface of the cup (A) and eccentric polyethylene wear with im- pingement (B).
A B
yr-0.45 mm/yr)이었다. 폴리에틸렌의 마모율과 나이, 성별, 폴 리에틸렌의 두께 및 비구컵 경사도와는 통계학적 의의가 없었으 나, 고관절 이형성증에서 통계학적으로 의의가 있게 높은 마모 율이 관찰되었으며(p=0.015), 고관절 이형성증은 다른 진단명 에 비해 더 큰 비구컵의 경사각이 관찰되었다(p=0.013).
3.
합병증합병증으로는 이소성 골형성증이 5예, 심부 감염이 2예, 탈구 가 1예, 일시적 좌골 신경 마비가 1예 등이었다. 이소성 골형성 증은 Brooker 등2)의 분류에 따라 class 1이 2예, class 2가 2예, class 3가 1예이었다. 심부 감염 2예는 재치환술을 실시하였고, 일시적 좌골 신경 마비는 수술 2개월 후에 호전되었다. 탈구 1 예는 수술 후 2개월에 발생하였으며 외전 보조기 6주간 착용 후 재발되지 않았다.
4.
재치환술 및 생존율비구컵의 재치환술을 시행한 경우는 총 54예 중 7예(13%)였 는데, 이중 인공관절 해리로 인한 경우가 5예, 심부 감염으로 인 한 경우가 2예이었다. 대퇴스템의 재치환술은 없었다. 해리로 인하여 재치환술을 실시한 전 예에서 비구컵으로의 골 성장은 관찰되지 않았고, 충돌(impingement) 및 편심성의 심한 폴리 에틸렌 마모가 관찰되었다(Fig. 4). Kaplan-Meier 방법을 이용 하여 예상한 6년 생존율은 94.3% (90.2-98.4%), 8년 생존율은 60.5% (45.6-75.4%)이었다(Fig. 5).
고 찰
Hydroxyapatite (HA)는 골 전도성(osteoconductive) 물질 로, 정상 골조직이 가지고 있는 apatite와 유사하며, 비독성으로 골과 직접적으로 접합될 수 있으며, 흡수되지 않는 특성을 가지 고 있다. 특히 골 성장과 골과의 강한 결합을 유도하고 삽입물 의 조기 고정을 촉진시키며, 동물 실험에서 2 mm내의 간격을 채울 수 있다고 알려져 무시멘트형 고관절 전치환술에서도 이용 이 시도되었다10,11,15,24). 임상에서도 Lintner 등18)은 HA가 코팅 된 인공관절 수술 후 10.4개월에 사망한 환자에서 채취한 HA 스템 주위에 많은 신생골 형성을 볼 수 있었으며 Furlong 등9) 의 경우 사체 연구에서 고관절 전 치환술 후 10일에 골 성장의 소견을 보여 HA 피복으로 삽입물의 조기고정을 얻을 수 있었 다. 1980년대 후반부터 사용되기 시작된 HA 피복 고관절 전치 환술의 결과는 조기에는 대퇴 스템과 비구 삽입물에서 모두 우 수한 결과를 나타내었으나, 중장기 보고에서 대퇴 스템에 대해 서는 비교적 좋은 결과가 보고되는 반면, 비구측에서는 삽입물 의 디자인과 표면 처리 등에 따라 다양한 결과들이 보고되고 있
다3,6,7,10,14,17). D'Antonio 등6)은 smooth surface인 HA 피복 반
구형 비구컵을 이용한 고관절 전치환술은 불량한 결과를 초래하 며, 비구와의 장기 고정을 위해서는 골과의 안정적인 결합이 우 선되어야 한다고 주장하였다. 그리고, Manley 등19)과 Capello
등3)은 비슷한 디자인의 다공 피복 비구컵, HA 피복 나사형 (threaded) 비구컵, 그리고 압박고정에 의한 HA 피복 smooth surface 반구형 비구컵으로 고정한 7.9년 추시결과에서 각각 6, 3, 22%의 실패율을 보고하여, HA 피복 smooth surface 반구 형 비구컵에서 결과가 가장 나빴으며, 그 이유로 고정 간격(fix- ation interface)이 장력을 이기지 못해 실패가 초래되며 장기 추시에서의 성공은 HA 피복 여부보다 삽입물의 기계적 디자인 (mechanical design)이 더 중요함을 강조하였다. 저자들의 연 구에서도 HA 피복 smooth surface 반구형 비구컵을 이용한 고관절 전치환술의 5.9년 추시 결과 13%의 재치환율과 Kaplan Meier 방법에 의한 6년 생존율은 94.3%, 8년 생존율은 60.5%
로 불량한 결과를 보였는데, 재치환술을 실시한 전 예에서 인공 관절 비구컵에서 HA 피복으로 인하여 기대되는 골 성장 및 견 고한 골 결합은 이루어지지 않았고 심한 골 용해를 보여, 표면 처리보다 비구컵과 골의 견고한 결합을 위한 다른 방법이 선행 되어야 할 것으로 생각된다. 그러나 HA 피복되지 않은 1세대 나사형 비구컵을 사용한 고관절 전치환술의 결과는 일반적으로 불량한 것으로 알려져 있으며, 이는 비구컵의 안정성을 골과 나 사간의 결합, 즉 기계적 디자인에만 의존하여 결국 조기 실패를
가져왔다12,15). 즉, 장기 추시의 안정성을 위해서는 삽입물의 디
자인에 따른 기계적 결합 못지 않게, HA 피복 혹은 세공 피복 등의 표면 처리를 통한 생물학적 고정의 중요성을 나타내는 것 으로, Geesink 등10)은 HA 피복 처리된 나사형 비구컵을 사용 한 118예의 평균 12년 추시 결과 생존율이 93%이었고, 5예에서 만 재치환술을 실시하는 우수한 결과를 보고하였고, 세공 피복 된 2세대 나사형 비구컵은 1세대 나사형 비구컵에 비해 향상된 결과를 나타내었으며, 최근에는 거친 표면(rough surface)에 HA를 피복한 비구컵이 사용중에 있다.
HA 피복 비구컵을 이용한 고관절 인공관절 치환술에서 폴리 에틸렌의 마모는, 0.18-0.36 mm/year으로 비교적 높게 보고되
는데7,13), Bleobaum 등1)과 Morsher 등20)은 유리된 HA 입자가
이동하여 third body wear를 야기하여 비구컵과 금속에 abra- sive wear를 야기하고 폴리에틸렌의 마모와 골용해를 증가시킨 다고 주장하였다. 그러나 최근 보고에 따르면, HA 피복이 폴리 에틸렌의 마모나 골용해를 증가시킨다고 보기는 힘들고 오히려 나이, 비구컵의 경사각 및 폴리에틸렌의 두께 등이 마모와 관계 가 있다고 하며3,7), Geesink 등10)도 나사형 비구컵을 사용한 경 우에서 다공 피복된 경우와 유사한 결과를 보였으며 HA 입자 자체가 마모나 골용해를 증가시키지는 않는다고 주장하였다. 이 연구에서도 폴리에틸렌의 연간 마모율은 0.15 mm/year로 비교 적 높게 측정되었는데, 재치환술시 제거된 비구컵 내에서 육안 으로 HA 입자는 관찰되지 않았으며, 비교적 높은 마모율은 HA 입자 자체에 의한 것이라기보다는 대상 환자가 비교적 젊고, 수 술대상 환자 중 고관절 이형성증이 많으며, 평균 경사각이 50.7° 로 큰 점 등의 다른 요인이 작용한 것으로 사료된다. 특히 고관 절 이형성증에서 다른 질환군에 비해 통계학적으로 높은 마모율
이 관찰되었는데(p=0.008), 이는 고관절 이형성증에서 상대적 으로 경사각이 크고(p=0.013), 골 이식이나 추가적인 나사 고 정 등이 필요한 경우가 많은 점 등으로 인한 것으로 생각된다.
이 연구에서 사용한 폴리에틸렌 라이너는 후방 탈구를 줄이고 안정성을 증가시킬 것으로 기대되는 10°경사각이 있는 것(10° elevated rim liner)을 사용하였는데, Cobb 등4)은 10°경사각이 있는 폴리에틸렌 라이너가 초기 탈구의 빈도를 유의하게 줄일 수 있었으나, 운동 범위의 감소와 충돌(impingement) 및 마모 의 증가에 따른 무균성 해리의 위험성을 얘기하였고, 그 외 여 러 보고에서도 후방 경사각이 있는 폴리에틸렌 라이너의 사용시 마모와 해리의 증가를 보고하였다21). 본 연구에서 재치환술을 실시한 5예에서 살펴보면, 전 예에서 충돌이 관찰되었고 폴리에 틸렌의 마모 또한 증가되어 경사각 자체가 탈구의 감소라는 장 점보다 충돌 및 폴리에틸렌의 마모를 증가시키는 것으로 생각되 며 앞으로의 사용에 재고가 필요할 것으로 사료된다.
결 론
저자들은 HA 피복 smooth surface 반구형 비구컵을 이용한 일차성 고관절 전치환술의 중단기 추시 결과의 분석에서, 인공 고관절 비구부품 표면위에 골성장이 잘 일어나지 않았고, 비교 적 높은 폴리에틸렌의 선형 마모율, 10° 경사각이 있는 폴리에 틸렌의 충돌로 인한 비구컵 주위 골 용해의 발생을 관찰하여 이 에 따른 기계적 실패와 재치환술을 경험하였으므로, HA 피복 smooth surface 반구형 비구컵의 지속적인 사용을 재고해야 할 것으로 사료되었다.
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