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목 적 :고관절 재치환술시 제거한 폴리에틸렌 라이너의 마모를 직접 측정하여, 방사선적 수기 측정 방법과 Devane three dimensional computerized 방법 을 비교하여 새로운 측정 방법의 유용성을 분석하고자 하였다.
재료 및 방법 :고관절 재치환술을 시행한 17예를 대상으로 하였으며, 17예 모두 반구형의 금속 비구컵과 폴리에틸렌 라이너를 사용하였다. 마모의 실제 측정은 Point tip micrometer를 이용하여 측정하였다. 방사선 수기 측정은 Livermore방법, Dorr방법, Dorr방법에 교정지수를 반영한 새로운 방법과 Devane 의 three dimensional computerized method를 비교 분석하였다.
결 과 :Dorr방법의 평균 측정 오차는 0.39 mm이었으며 실제 측정치에 비해 26.2% 과소 평가되었다. Livermore방법의 평균 측정 오차는 0.21 mm이었으 며, 실제 측정치의 22.4% 범위내로 측정되었다. Devane방법의 평균 측정 오차는 0.14 mm이었으며, 실제 측정치의 12.1% 범위내로 측정되었다. Dorr방법 을 교정한 새로운 방법의 평균 측정 오차는 0.17 mm이었으며, 실제 측정치의 13.4% 범위내로 측정되었다.
결 론 :Dorr방법을 교정한 새로운 방법은 특정 환자군의 평균마모를 연구할 수 있는 간편하고 정확한 방법으로 사료된다.
색인 단어 :고관절 전치환술, 폴리에틸렌 마모 측정
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인공 고관절 전치환술 후 비구컵 마모 측정방법 - 정확도와 편리성 -
강준순∙박승림∙김형수∙염승훈∙윤영현
인하대학교 인하병원 정형외과
117 117 통신저자 : 강 준 순
경기도 성남시 수정구 태평 4동 7336 인하대학교 인하병원 정형외과
TEL: 031-720-5852∙FAX: 031-754-7235 E-mail: [email protected]
*본 연구는 2002년 인하대학교 교내 연구비 지원으로 시행되었음.
Measurement Methods for Acetabular Cup Wear in Total Hip Replacement Arthroplasty - Accuracy versus ease of use-
Joon Soon Kang, M.D., Seung Rim Park, M.D., Hyoung Soo Kim, M.D., Seung Hoon Yeoum, M.D., and Yeong Hyun Yoon, M.D.
Department of Orthopaedic Surgery, Inha University, Inha Hospital, Sungnam, Korea
Purpose :To compare the accuracy of four wear measurement methods using 17 retrieved polyethylene liners previously used in revi- sion hip arthroplasty.
Material and method :Direct measurement was done using a point contact micrometer. Three manual measurement methods and Devane's three dimensional computerized method were compared.
Result :Dorr's method underestimated wear by 26.2% with a mean error of 0.39 mm. Livermore's method estimated wear to within 22.4%, with a mean error of 0.21 mm, Devane's method estimated wear to within 12.1%, with a mean error of 0.14 mm. The new method (with correction factor adjustment by the Dorr method) estimated wear to within 13.4%, with a mean error of 0.17 mm.
Conclusion :The new method can more accurately estimate average acetabular cup wear.
Key Words : Hip Arthroplasty, Polyethylene Wear, Measurement
Address reprint requests to Joon-Soon Kang, M.D.
Department of Orthopaedic Surgery, Inha University, Inha Hospital 7336 Taepyeong-4-dong, Sujung-gu, Sungnam 461-192, Korea Tel : +82.31-720-5852, Fax : +82.31-754-7235
E-mail : [email protected]
폴리에틸렌 마모는 고관절 전치환술 후 골용해 및 해리의 주 요 원인으로 밝혀졌으며5,13,17), 마모의 정확한 측정은 마모의 진 단, 예후, 재치환술의 시기 결정 및 신소재 인공관절물의 임상적 비교 연구 등에 중요한 지표가 된다.
선상 마모(linear wear)는 전후면 방사선 사진상 비구컵의 중 앙에서 대퇴골두의 상대적인 전이된 정도를 측정할 수 있으나12) 실제로는 체적마모(volumetric wear)가 일어나므로 측정치의 차이가 생길 수 있으며, 방사선 사진상 측정상의 문제점과 수기 적 측정시의 정확성 및 측정자간의 차이와 반복측정시의 측정된 수치의 차이가 생길 수 있는 문제점 등이 있다. 인공 고관절 재
치환술시 직접 채취된 컵에서의 측정치 비교에서 선상 마모를 측정한 값과 연관성이 있다는 보고가 있으나12,18), 임상 방사선 사진상 폴리에틸렌 마모의 수기 측정시 정확성에 대해서는 논란 이 많다2,4,9,10).
대표적인 수기 측정 방법으로는 Dorr방법8), Livermore방법12) 등이 있으며, 최근에는 측정시 좀더 정확하고 객관적인 수치를 얻기위해 digitalized tablet나 template를 이용한 방법1,15), digi- tal edge detection방법16), 컴퓨터를 이용한 3차원적 분석방법6,7) 등이 발표되었다. 그러나 고가의 장비 및 시간 소모, 기술 습득 의 한계 등으로 인해 임상에서 널리 이용되지는 못하고 있다.
저자는 특별 고안한 마모 모의 측정 기구 실험을 통하여 기존 의 방사선 수기 측정 방법과 Devane이 개발한 3차원적 컴퓨터 방법의 분석한 결과를 보고하였다11). 모의 실험 결과 Dorr방법 은 마모 방향각이 40。의 경우 23%, 50。의 경우 28% (평균 25.4%) 과소 평가되었다. 본 연구의 목적은 고관절 재치환술시 제거한 폴리에틸렌 라이너의 마모를 직접 측정하여, 방사선적 수기 측정 방법과 Dorr방법에 교정지수를 반영한 새로운 방법, Devane방법을 비교하여 측정 방법의 정확도를 비교 분석하여 새로운 방법의 유용성을 알아보는데 있다.
재료 및 방법
고관절 재치환술을 시행한 17예를 대상으로 하였으며, 17예 모두 반구형의 금속 비구컵과 폴리에틸렌 라이너를 사용하였다.
Harris Galante형(Zimmer, Warsaw, IN)이 6예, Anatomic Porous Replacement (Sulzer Medica, Austin, TX) 8예, Anatomic medullary locking (Dupey, Warsaw, IN) 2예, Omnifit (Osteonics, Alendale, New Jersey) 1예이었다. 재치 환수술시 인공 삽입물의 삽입기간은 평균 5.6년(최소 1년, 최장 12년)이었으며, 재수술의 원인은 비구컵 이완 5예, 비구측 골 용해 3예, 대퇴 주대 이완 및 해리 6예, 대퇴주대 주변 골절 2 예, 재발성 관절 탈구 1예 등이었다.
1. 마모의 실제 측정
재치환술시 폴리에틸렌 라이너의 손상을 가능한 줄이려고 노 력하였으며, 라이너 상부에 표시를 하여, 측정시 상부 방향의 지 표로 삼았으며 폴리에틸렌 라이너의 두께가 가장 얇은 부위를 3 회 이상 측정하여 최소치를 측정치로 하여, 각 제품의 제형에 표기된 라이너의 두께에 측정치를 감한 수치를 실제 마모로 정 의하였다. 측정은 Point tip micrometer (Mitutoyo, Japan)를 이용하여 측정하였다.
2. 마모의 방사선상 수기 측정
방사선 사진 측정은 재치환술 직전의 사진과 1차 수술 1-2개 월 이내의 가장 선명한 사진으로 측정하였다. 측정은 제1저자 단독으로 하였으며 외과용 칼날(Number 11 blade)의 날끝으 로 측정하고자 하는 점을 방사선 필름에 표기한 후 3회 측정하 여 그 평균치를 수치로 이용하였다.
1)Livermore방법12)은 중심성 원형의 주형과 컴파스로 인공 골두의 중심(O)을 정하였으며 이곳에서 비구컵의 외연까지의 최단거리(OB)를 측정하였다(Fig. 1).
2)Dorr방법은 비구컵의 상방경계점에서 대퇴골두의 접점까지 의 거리(a)와 역시 비구컵의 하방경계점에서 대퇴골두의 하방 접점 사이의 거리(c)를 각각 측정하였다6). 마모 방향각은 비구 컵의 중심점에서 선OB와 선OA 사이의 각으로 정의하였으며,
방사선상 확대는 대퇴 골두의 실제 크기와 방사선상 측정치로 교정하였다.
Dorr method=(c-a)/2
3)새로운 방법은 마모 모의 실험결과를 근거로 하여 마모 방 향각(alpha)을 45。기준으로 Dorr방법을 교정하였다.
New method
wear= (c-a)/2/0.77 (alpha<45) wear= (c-a)/2/0.72 (alpha>45)
상기 기술한 각각의 방법으로 산출된 수치는 최종 방사선 사 진과 최초 사진에서 얻은 값의 차이를 폴리 에틸렌 선상 마모로 정의하였다.
3. Devane 방법6,7)
일반 방사선 전후면과 측면사진을 scanning 한 후, 비구컵의 외측 경계, 전방 경계, 후방경계선, 대퇴 골두의 경계선을 digi- talized tablet을 이용하여 디지털화 한다. 이런 접점들은 개발된 소프트웨어를 통해 비구컵과 대퇴 골두의 3차원적 영상을 만들 Fig. 1.This schematic diagram shows the measurement tech- nique used to determine acetabular cup wear. Livermore tech- nique: A transparent overlay of concentric circle is used to deter- mine the center of femoral head (O). A compass is used to deter- mine the minimum distance between O and the outer shell of the cup (OB). Dorr method: Along the acetabular reference line, the distance between the superior aspect of the femoral head (a) and inferior aspect of femoral head (c) are measured. The esti- mated linear wear defined as (c-a)/2.
New method: (c-a) wear=
2×0.77 (c-a) wear=
2×0.72
FH-17 feet B
A
C
a
c
O
(alpha<45) (alpha>45)
어 주며, 비구컵의 크기와 중심점, 전염각, 골두의 크기와 위치, 중심점 등이 계산된다. 수술 후 1-2개월내의 사진과 재수술 직 전 촬영한 방사선 사진을 이용하여 3차원적으로 비구컵내로 대 퇴 골두의 전위된 수치가 최종 계산되어 폴리에틸렌 마모를 예 측한다.
결 과
비구컵의 평균 외전각은 44.0 (38-60)。, 마모 방향각(알파각) 은 평균 46.2 (35-52)。이었으며, 실제 측정 마모는 평균 1.60 (0.21-3.89) mm이었다.
1. Livermore method
오차한계는 평균±22.4%이었으며 평균 측정 오차는 0.21
±0.10 mm이었다.
2. Dorr method
평균 26.2%가 과소평가 되었다. 평균 측정 오차는 0.39± 0.25 mm이었으며 오차는 마모가 증가함에 따라 같이 증가 되는 경향을 보였다.
3. New method
오차한계는 평균±13.4%이었으며 평균 오차는 0.17±0.13 mm이었다.
4. Devane method
오차한계는 평균±12.1%이었으며 평균 오차는 0.14±0.10 mm이었다.
5. 통계적 분석
수기 측정 방법의 수치와 실제 측정치와의 측정오차에 대해 각각의 방법을 T-test로 통계적 검증을 하였다. New method와 Dorr method의 유의 확률(p-value)은 0.05, New method와 Livermore method는 0.07, New method 와 Devane method는 0.23이었다.
고 찰
고관절 치환술후에 발생하는 폴리에틸렌 마모는 마모입자를 생성하여 내고정물의 해리와 골용해를 발생시키며 재치환술의
주요 원인으로 밝혀졌다5,13,17).
고관절 치환술의 발달에 따라 재치환술을 시행하기까지의 기 간도 길어지고 있으나, 폴리에틸렌의 마모로 인한 관통이 임박 할 때 까지 임상적 증상이 없는 경우가 있으며, 또한 관통이 완 전히 되었을 때 재치환술의 방법이 더욱 어려워지고, 재치환술 후에 합병증이 생길 수 있으므로 폴리에틸렌 마모의 정확한 수 치적 측정과 수술 시기를 결정하는 것은 임상적으로 매우 중요 하다고 할 수 있다. Pollock 등은15) 폴리에틸렌 라이너 교환은 마모로 인해 활액막염이 생기거나, 골용해나 해리가 생기는 경 우, 폴리에틸렌의 관통이 임박한 경우에 시행해야 한다고 하였다.
수기적 폴리에틸렌 마모 측정방법은 전후면 방사선 사진 촬영 시에 투사되는 방사선의 중심이 마모방향의 중심선과 거리의 차 이가 있으며, 방사선 촬영시 체중부하를 하지 않음으로 인해 폴 리에틸렌과 컵사이의 간격이 생겨 실제와의 마모 수치 측정에 차이가 생길 수 있고, 특히 수기적 측정 방법으로 측정시에는 대퇴 골두의 중심, 마모의 방향, 대퇴 골두와 비구컵 사이의 경 계 결정시에 어려움이 있으며14), 무시멘트 비구컵 사용시 골소 주의 내성장을 위해 포말을 입힌 경우 비구컵의 경계를 결정하 기 어렵다는 단점이 있다15).
이러한 폴리에틸렌 마모의 실제수치와의 차이와 측정자간의 차이 및 동일측정자의 반복측정시의 값의 변화를 줄이기 위해서 는 컴퓨터를 이용한 방법이 가장 정확하지만 이의 실용적 측면 에서 어려움이 있으며 간편하고 신속한 방법인 수기적 측정방법 의 정확도를 높히기 위한 여러 방법들이 소개되고 있다. Bie- dermann 등3)은 골 표식지(bone marker)를 이용해 측정해 보 았으나 기존의 다른 수기적 방법과 비교해 유의한 차이가 없었 으며, 또한 third body마모 등의 위험으로 잘 이용되지 않고 있 다. Pollack 등15)은 마모 주형(wear template)을 이용해 Dorr 방법이나 Livermore방법에 비해 실제값과 더욱 근사한 측정치 를 얻었다고 하였으나 임상적용에는 한계가 있다.
비구컵 마모의 수기 측정 방법들에 반해 Devane의 Comput- er-assisted 삼차원적 분석방법6,7)은 다방향에서 정확한 마모의 측정이 가능하여 대퇴 골두 전위거리와 컵으로부터 제거된 폴리 에틸렌의 실제량에서 다른 방법에 비해 더욱 적은 오차값을 보 였으며, 본 연구에서도 같은 결과를 얻었다. 하지만, 이런 정확 도를 얻기 위해서는 정확한 측방향 방사선사진이 요구되며, 고 가의 프로그램과 마모측정에 소요되는 시간 및 기술 습득과정이 어렵다는 단점이 있다. 또한 Livermore가 측정한 거리를 컴퓨 터를 이용해 측정한 방법은 캘리퍼를 이용하거나 digitalizing tablet를 이용한 방법보다 더 정확한 수치를 보였고,1) Shaver 등16)의 연부조직에서 방사선의 흡수와 산란효과를 제거한 dig- ital edge detection 측정방법도 수기적 측정방법에 비해 실제 값과 적은 오차범위를 보인다고 보고되었다.
폴리에틸렌 마모의 대표적인 수기 측정 방법인 Livermore방 법은 마모 방향에 중점을 주고 측정하는 이론적으로는 가장 완 벽한 방법이다. 그러나 대부분의 최근 사용되는 비구컵과 대퇴 SD: Standard deviation.
Mean error±SD (mm) Range (mm) Livermore method 0.21±0.10 0.06-0.38
Dorr method 0.39±0.25 0.07-0.94
New method 0.17±0.13 0.03-0.40
Devane method 0.14±0.10 0.01-0.38 Table 1.Mean measurement error
골두의 소재가 금속이어서 방사선 사진상 경계가 불분명한 경우 가 많고 따라서 대퇴 골두의 중심점을 찾는데 어려움이 있다.
또한 체구가 큰 환자의 경우 치골 결합부로부터 대퇴골두 사이 의 거리에 따라 방사선 사진상 골두가 타원형으로 촬영되는 점 도 Livermore방법의 단점이다. 따라서 Livermore방법은 Dorr 방법보다 정확도는 높지만 측정시 대퇴 골두 중심을 명확히 알 기 어렵고, 방사선 사진의 선명도에 의해 좌우될 수 있으며, 대 퇴 골두와 비구컵의 경계가 명확하지 않다는 점에서 측정치의 표준 편차가 높다고 알려져 있다14). Dorr방법은 마모를 수평적 으로 고려하여 측정한 방법으로 측정 방법이 간편하고 항상 경 계가 분명하여 Livermore방법에 비해 반복 측정시 동일 측정값 이 나오는 비율, 즉 재현성은 향상되었으나 실제 마모되는 방향 과는 차이가 있어 오차가 발생하며, 특히 대퇴 골두가 비구컵 중심으로 관통된 경우는 부정확하게 측정된다15). 본 연구에서 새로 시도한 방법은 마모 모의 실험 결과를 근거로 마모 방향각 에 따른 Dorr방법의 수치를 교정하였다. 마모 모의 실험은 비구 컵의 외전각을 40。와 50。의 두 군으로 나누어 마모의 방향각을 임의로 조절할 수 있는 모의기구를 이용하여 Dorr방법의 정확도 를 분석한 실험이다11). 실험 분석 결과 Dorr방법은 마모 방향각 이 40。인 경우 마모의 실제값에 비해 평균 23% 과소평가, 50。
인 경우 28% 과소평가되었다. 따라서 새로 시도한 방법은 Dorr 방법에 마모 방향을 고려하여 마모의 방향각 45。를 기준으로 교 정지수를 적용하였다. 각 증례마다 정확한 마모 방향각을 측정 하여 그에 따른 교정지수를 적용하여 마모를 산출하는 것이 이 론적으로 합당하지만 모의 실험에서 10。의 마모각에 따른 오차 가 5%이며, 최고 4.0 mm의 마모의 경우라도 그에 따른 마모량 의 평균 오차는 0.20 mm 이하이었다. Devane방법에 의한 마 모 실험 오차가 0.15 mm6,7)임을 감안하면 새로운 방법은 특히 두 군 간의 마모 비교 등 평균 마모 측정시 무리가 없으리라고 생각한다.
결 론
본 연구를 통해 Devane의 삼차원적인 방법이 실제 재치환술 시 측정한 값과 가장 적은 오차를 보이는 정확한 방법임을 확인 하였으나, 고가의 프로그램과 측정에 소요되는 시간 및 기술 습 득 과정 등을 고려할 때, Dorr방법을 교정한 새로운 방법은 특 정 환자군의 평균마모를 연구할 수 있는 간편하고 정확한 방법 이라 사료된다.
참고문헌
1. Barrack RL, Lavernia C, Szuszczewicz ES and Sawhney J: Radio- graphic wear measurement in a cementless metal-backed modular cobalt- chromium acetabular component. J Arthroplasty, 16: 820-828, 2001.
2. Beckenbaugh RD and Ilstrup DM: Total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg, 60A: 306-313, 1978.
3. Biedermann R, Stockl B, Krismer M, Mayrhofer P, Ornstein E and
Franzen H: Evalution of accuracy and precision of bone markers for the measurement of migration of hip prosthesis. J Bone Joint Surg, 83B: 767- 771, 2001.
4. Clarke IC, Black K, Rennie C and Amstutz HC: Can wear in total hip arthroplasties be assessed from radiographs? Clin Orthop, 121: 126- 142, 1976.
5. Cooper RA, McAllister C M, Borden LS and Bauer TW: Polyethy- lene debris-induced osteolysis and loosening in uncemented total hip arthro- plasty. A cause of late failure. J Arthroplasty, 7: 285-290, 1992.
6. Devane PA, Bourne RB, Rorabeck CH, Hardie RM and Horne JG:
Measurement of polyethylene wear in metal backed acetabular cups. I. Three dimensional technique. Clin Orthop, 319: 303-316, 1995.
7. Devane PA, Bourne RB, Rorabeck CH, MacDonald S and Robin- son EJ: Measurement of polyethylene wear in metal backed acetabular cups. II. Clinical application. Clin Orthop, 319: 317-326, 1995.
8. Dorr LD and Wan Z: Ten years of experience with porous acetabular components for revision surgery. Clin Orthop, 319: 191-198, 1995.
9. Griffth MJ, Seidenstein MK, Williams D and Charnley J: Socket wear in Charnley low friction arthroplasty of the hip. Clin Orthop, 137:
37-42, 1978.
10. Izquierdo-Avino RJ, Siney PD and Wroblewski BM: Polyethylene wear in the Charnley offset bore acetabular cup. A radiological analysis. J Bone Joint Surg, 78B: 82-84, 1996.
11. Kang JS, Ebramzadeh E and Dorr LD: Measurement of polyethylene wear in total hip arthroplasty. American academy of orthopaedic surgeons 68th annual meeting, 2001.
12. Livermore J, Ilstrup D and Morrey B: Effect of femoral head size on wear of the polyethylene acetabular component. J Bone Joint Surg, 72A;
518-528, 1990.
13. Malony WJ and Smith RL: Periprosthetic osteolysis in total hip arthro- plasty: The role of particulate wear debris. J Bone Joint Surg, 77A: 1448- 1461, 1995.
14. Martell JM and Berdia S: Determination of polyethylene wear in total hip replacements with use of digital radiographs. J Bone Joint Surg, 79A:
1635-1641, 1997.
15. Pollock D, Sychterz CJ and Engh CA SR: A clinically practical method of manually assessing polyethylene liner thickness. J Bone Joint Surg, 83A:
1803-1809, 2001.
16. Shaver SM, Brown TD, Hillis SL and Callaghan JJ: Digital Edge- detection measurement of polyethylene wear after total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg, 79A: 690-700, 1997.
17. Schmalzried TP, Kwong LM, Jasty MH, et al: The mechanism of loos- ening of acetabular components in total hip arthroplasty. Analysis of spec- imen retrieved at autopsy. Clin Orthop, 274: 60-78, 1992.
18. Wroblewski BM: Direction and rate of socket wear and in Charney low- friction arthroplasty. J Bone Joint Surg 67B: 757-761, 1985.
19. Wroblewski BM: 15-21 yr results of the charnley low friction arthro- plasty. Clin Orthop, 211: 30-35, 1986.
20. Yamaguchi M, Bauer TW and Hashimotor Y: Three dimensional anal-
ysis of multiple wear vectors in retrieved acetabular cups. J Bone Joint Surg, 79A: 1539-1544, 1997.
