Vol. 18, No. 4, September, 2006
무시멘트 인공 삽입물의 디자인과 개념
유 기 형
강원대학교 의과대학 정형외과학교실
서 론
1938년 Philip Wiles에 의해 Still’s disease 환자의 고관절에 스테인레스 스틸로 제작된 비구측과 그에 맞는 대퇴측의 삽입물이 관절의 치환물로 삽입된 이래39)인공 고 관절 전 치환술은 점진적이고도 획기적인 발전을 거듭하게 되었다. 이러한 발전은 몇 차례의 전환기를 맞는데, 가장 주목할 전환점은 1950년대 후반부터 영국의 John Charnley 경에 의해 개발, 도입된 ‘Low Friction Arthroplasty’의 개념으로 이를 통해 인공 고관절 전치환 술은 현대적인 모습을 갖추게 되고 하나의 독립된 학문으 로서의 위치를 차지하게 되었다4). 그러나 영구적인 성공이 보장될 것만 같았던 Charnley의 개념은 곧 무균성 해리와 골용해라는 심각한 문제에 봉착하게 되었다. 이를 줄이기 위한 노력의 일환으로 인공 고관절의 개발은 여러 갈래로 나뉘게 되어 한쪽에서는 삽입물의 고정 방법에 중심을 두 고 다양한 무시멘트성 삽입물을 개발하거나, 시멘트의 질 과 사용 방법을 발전시키게 되었고, 다른 한편에서는 마모 를 일으키지 않거나, 최소화 시킬 수 있는 관절면을 개발 하기 위해 노력하게 되었다. 이러한 여러 연구의 결과 셀 수 없이 많은 인공 고관절 삽입물이 연구 개발되었고, 수 많은 연구와 임상적인 적용을 거쳐 마치 생물체의 진화와 도 같은 도태와 발전을 반복하며 현재에 이르렀다. 이러한 발전에 따른 다양한 삽입물의 존재는 한편으로는 수술 시 선택의 폭이 넓어지고 상황에 따른 대처가 가능해진 장점 이 있지만 반대로 각 디자인과 그에 따른 이론이 너무 많 고 모호해서 선택을 해야 하는 사용자에게 많은 혼돈을 일 으키는 경우도 있다.
인공관절을 시행할 때에는 동통이 없고, 안정적이며, 장 기적으로 기능을 하는 관절을 만들어야 한다는 큰 목적을
항상 잊지 말아야 하며 이를 위해 가장 적합한 삽입물을 선택하는 것은 좋은 결과를 얻기 위한 노력의 첫번째 단계 이므로 매우 중요하다. 여기서는 무시멘트성 인공 고관절 치환술 삽입물을 비구컵과 주대로 나누어 디자인의 종류와 간단한 장단점, 상황에 따른 선택에 대하여 언급하고자 한다.
비구 삽입물
시멘트를 사용한 비구 컵은 매우 우수한 초기 결과를 보 였지만 장기 추시 결과 많은 방사선학적 혹은 임상적인 해 리가 관찰되었고, 경험이 많은 집도의 조차도 수술 시 좋 은 시멘트 층을 위한 무혈 시야를 확보하기가 힘들며, 시 멘트의 압박이 어려운 등의 기술적인 문제가 있어 1970년 대 후반부터 무시멘트성 비구 삽입물이 도입되기 시작하였 다. 알려진 무시멘트성 치환물의 디자인은 크게 나사형 (threaded), 확장형(expansion), 반구형(hemispherical), 이중 구조형(dual geometry), 기타 특수 디자인의 컵 등 이 있다. 이렇듯 다양한 종류 만큼이나 많은 시행착오를 거친 후에 비구 삽입물의 장기적인 성패는 수술 시의 고정 이나, 삽입물의 디자인 등의 단기적, 기계적인 인자보다는 골 내성장에 의한 고정이나 관절면의 마모 및 골용해 등의 장기적, 생물학적인 인자에 의해 결정되는 것이 알려지면 서 점차로 골 내성장을 유도할 수 있는 표면 처리가 된 반 구형의 비구컵이 많이 사용되게 되었다.
1. 나사형 (Threaded) 컵
역사적으로 무시멘트성 비구 삽입물 초기의 다양한 디자 인 중 가장 먼저 관심을 모은 것이 Mittelmeyer(1974), Endler(1978), Parhofer and Monch(1982) 등으로 대 별되는 나사형 비구컵이다. 이들 컵은 주로 유럽에서 개 발, 사용되었으며 확공 후 준비된 비구골에 컵의 나사 부 분을 사용하여 강하게 돌려 고정시킴으로써 견고한 초기 기계적인 고정을 얻기 위해 고안되었다. 그 초기 결과도 우수하여 세계적으로 많이 사용되었으나, 더 강한 고정력 을 얻기 위한 디자인의 변화가 있었음에도 불구하고 3~5 년의 짧은 추시 기간에 15~25%에 이르는 높은 실패를 기
※ 통신저자 : 유 기 형
강원도 춘천시 효자3동 17-1 강원대학교병원 정형외과 Tel: 82-33-258-2208 Fax: 82-33-244-2205
E-mail: [email protected]
록하게 되었고3,16) 장기 추시 결과는 40%가 넘는 삽입물 이동이 보고되기도 했다13,21). 이러한 실패는 표면처리가 되 어있지 않은 나사형 컵의 전체 표면 중 실제로 비구골과 접촉되는 부분은 나사산의 전체 표면적의 9% 내외 정도의 극히 일부분일 뿐이라는 연구 결과로 설명될 수 있다1,30). 이러한 실패는 다른 형태의 컵으로의 변화를 불러오게 되 었으나 한편으로는 사각형이던 모양을 원추형으로 바꾸고, 나사산의 형태를 변화시키며 컵 표면에 골내성장이 가능한 표면처리를 한 새로운 나사형 컵의 개발을 가져오게 되었다.
개선된 삽입물로는 Zweymuller cup (Plus Orthopedics AG, Swiss), Omnifit threaded cup(Osteonics, USA) 등이 있으며 기존의 나사형 컵과는 달리 89~96%
의 비교적 우수한 10년 이상의 중장기 생존율을 보이며 현 재도 유럽을 중심으로 사용되고 있다8,29,37).
2. 확장형 (expansion) 컵
CLS expansion cup(Zimmer, Warsaw, USA)과 같 은 형태의 확장형 컵은 전술한 나사형 컵과 다음에 기술될 반구형 컵의 중간적인 위치에 있는 삽입물이라 할 수 있 다. 다수의 엽(lobe)을 가진 개방형 구조로 비구골을 확공 하고 각 엽을 오므려서 컵을 삽입한 후 티타늄 합금의 자 체 탄성에 의해 컵이 팽창되게 하고 이어 확장 cone을 사 용하여 더 안정된 압박력을 얻을 수 있으며, 외부의 톱니 가 더 비구골에 압박되어 회전 이동을 억제할 수 있다는 이론적인 장점을 가지고 있다. 결국 이 컵은 압박 고정을 주된 고정 방법으로 하는 나사형 컵으로 요약되며 표면처 리가 되어있어 생물학적인 고정 또한 기대할 수 있는 장점 이 있다36). 비록 엽의 분절이 발생할 수 있고, 나사형 삽입 물의 단점을 그대로 보일 수 있다는 점이나 개방형이므로 각 엽 사이로 마모편이 자유롭게 이동할 수 있어 골용해의 위험이 높다는 점, 납작한 구형으로 수술 시 발생하는 극 간 간격이 전 예에서 모두 사라지지는 않아 마모편의 축적 이 일어날 수 있다는 점 등의 이론적인 우려와 함께 일부 조기 실패의 경험이 알려져 있으나, 비교적 우수한 중장기 추시 결과 또한 보고되고 있다15,18).
3. 반구형 (hemispherical) 컵
나사형, 혹은 다른 역사적인 여러 형태의 비구 삽입물의 실패를 경험한 후 최근에 사용되고 있는 대부분의 비구 삽 입물은 반구형이고, 적절한 생물학적 고정을 얻을 수 있는 표면처리가 되어있으며, 관절면과 견고한 잠금 장치 (locking mechanism)가 있는 삽입물로 요약될 수 있다.
반구형 삽입물은 삽입이 쉬우며 비구골과의 모양이 유사하 여 골내성장을 기대할 수 있는 접촉면이 넓은 좋은 점이 있지만, 무엇보다도 오랜 기간 동안의 좋은 임상 결과가
그 사용을 뒷받침하고 있는 장점이 있다.
반구형 컵의 고정 방법은 고전적인 Harris-Galante 컵 (Zimmer, USA)에서와 같이 확공기의 크기가 치환물의 크기와 같아 마지막 확공한 것과 같은 크기의 컵을 삽입한 후 다수의 나사로 고정하는 line-to line 법과, 확공기와 삽입물의 크기는 같으나 최종 확공기보다 1~2 mm 큰 컵 을 사용하거나 Plasmacup(Aesculap, Germany)과 같 이 동일한 직경으로 표시된 컵이 확공기보다 원래 조금 크 게 디자인되어있어 같은 사이즈를 삽입하면 그대로 압박이 가능한 압박 고정 법이 있다. Line-to-line법은 보고된 장 기 결과는 좋으나22,31), 반드시 나사 또는 peg를 사용해야 하므로 그에 따른 합병증과 마모편의 이동에 의한 골용해 의 가능성이 우려되고, 중장기 추시 상 비구 주위의 방사 선 투과선 등이 자주 관찰되어 이것이 해리로 발전될 수 있다는 가능성이 문제로 제기되고 있어 이를 줄이기 위해 압박 고정 법이 많이 사용되고 있다. 일반적으로 삽입물의 미세운동이 40~50 μm 이하일 때 삽입물 주위로 골내성장 이 잘 일어날 수 있는 것으로 알려져 있으며17), 이정도의 강한 초기 안정성을 갖기 위해 압박 고정은 더욱 중요하 다. 보통 reamer의 크기 보다 1~2 mm 가량 큰 컵을 압 박하는 것이 가장 좋은 고정을 얻을 수 있는 것으로 알려 져 있고26), 4 mm 큰 삽입물을 압박하는 경우 60%가량에 서 비구의 골절이 유발되었다는 보고가 있어 압박 고정 시 주의가 요구된다20).
일반적으로 나사나 peg, spike 등은 반구형 컵에 추가 적인 안정을 주기 위해 사용하는 방법이다. 이 방법들은 line-to-line법을 사용할 경우 필수적인 요소로 삽입물에 회전 안전성을 주고 나사나 peg 주변으로 골 내성장이 더 많이 일어나 장점으로 작용할 수 있다27). 그러나 전술한 바 와 같이 비구 컵에 있는 구멍을 통해 마모편의 이동이 가 능하므로 골용해를 증가시킬 수 있다는 단점도 가지고 있 다25). 압박 고정에서의 추가적인 고정방법의 효과에 대하 여는 이견이 있을 수 있으나, 일반적으로 완전한 압박 고 정이 이루어졌다면 추가적인 고정을 위해 사용되는 나사는 큰 의미가 없는 것으로 알려져 있다26).
3. 이중 구조(dual geometry) 컵
이중 구조란 삽입물의 가운데 부분보다 변연부의 직경을 조금 크게 함으로써 생물학적인 고정이 일어나는 표면을 비구의 변연부에 최대한 접촉하도록 하면서 더 강한 압박 고정을 얻기 위해 고안된 구조이다. 대표적으로 Reflection Interfit (Smith and Nephew, Memphis, USA)과 같 은 삽입물이 이에 해당한다. 이 삽입물은 나사 등의 추가 적인 고정 방법을 사용하지 않기 위해 고안된 것으로 좋은 중기 추시 결과를 보이지만 특히 dome 부위에서 주위의 비구골과 삽입물 간의 전체 접촉면적이 감소하므로 골내성
장이 양적으로 감소할 수 있다는 우려를 안고 있다. 장기 추시는 아직 되어있지 않다.
4. 특수한 디자인의 컵
비구 이형성증과 같이 외상방의 골결손이 있을 경우 이 결손부에 골이식을 하는 대신에 두개의 반구가 결합된 것 과 같은 형태의 oblong 컵을 사용할 수 있다. 또한 마찬가 지로 비구의 내측에 골결손이 있는 경우 역시 골 이식 대 신 비구 컵이 형태적으로 깊게 디자인되어있는 deep profile cup과 같은 특수한 형태의 삽입물이 있다. 이들은 일반적인 경우 잘 사용되지 않으며 아직 장기적인 추시가 되어있지 않다.
대퇴 주대 (Femoral Stem)
1. 디자인의 종류와 개념
개발 초기에 비관적인 전망을 보이던 무시멘트성 인공 고관절 치환술은 다수의 좋은 장기 추시 결과가 쌓이면서 계속 발전을 거듭해왔다. 25년 이상의 역사동안 성공과 실 패의 다양한 결과를 분석한 많은 연구를 거쳐 결국 인공 관절 치환술의 성패를 좌우하는 것은 삽입물의 디자인보다 는 마모와 골용해라는 것이 밝혀지면서 대퇴주대의 디자인 은 대부분 각 개념의 처음 개발 당시의 상황에서 약간의 변화만이 있을 뿐 큰 흐름의 차이 없이 현재에 이르고 있다.
장기간 안정적인 인공관절을 위해서는 무엇보다도 견고 한 생물학적 고정(bone ingrowth / ongrowth)이 중요 하다. 이를 위해 삽입물과 골은 최대한 많은 면적에서 밀 접하게 닿아 있어야 하며, 그 접촉면은 수술 당시 일정 정 도 이상의 미세운동은 허용하지 않을 정도로 강하게 고정 될 수 있어야 한다. 수술 후 삽입물-골 계면에서 100~150 μm 이상의 미세 운동이 발생한다면 계면에 섬 유조직이 증식하고, 최소한 50 μm 이내의 미세운동이 있 어야만 골내성장이 일어나 안정적인 생물학적 고정을 기대 할 수 있는 것으로 알려져 있다17). 이렇듯 밀접하고 강한 초기 접촉을 얻으려면 수술 시 삽입물은 반드시 대퇴골의 전부 혹은 일부에 견고하게 고정되어 있어야 한다. 그래서 주대 디자인의 개발은 최대한 두 곳의 고정을 모두 얻으려 는 노력과 둘 중 어느 한곳을 택하여 고정하려는 방향으로 나뉘어 개발되었다. 비록 삽입물 자체를 모양에 따라 살펴 보면 Tapered, 원통형, 해부학적 주대로 크게 분류될 수 있지만 이들을 고정 위치와 방법을 중심으로 한 개념으로 분류하면“Fit and Fill”개념, 조립형 주대, 원위 고정형 주대, Tapered 근위 고정형 주대 및 사각형의 tapered 쐐기형 주대로 다시 나뉠 수 있다.
1) “Fit and Fill”개념
이 개념은 원위부와 근위부 모두 주대가 존재하는 공간 에서는 주대가 골수강을 꽉 채워 피질골 혹은 골내면과 맞 닿아있어야 즉각적인 안정과 접촉을 통해 일차적인 기계적 고정과 안정적인 골 내성장을 통한 이차적인 생물학적 고 정을 기대할 수 있다는 개념이다. 이것에 해당하는 주대로 는 Harris-Galante (Zimmer, USA), PCA (Stryker, USA), ABG (Howmedica, USA) 등을 포함하는 대부 분의 해부학적 주대가 해당된다. 이론상으로는 가장 이상 적일 수 있는 고정이나 몇 가지 크기의 삽입물이 환자 개 개인의 대퇴골의 형태와 꼭 맞을 수는 없고, 근위 대퇴골 의 굴곡을 채우기 위한 굽은 해부학적인 디자인으로는 원 위부를 동시에 채울 수 없으며, 이를 해결하기 위해 원위 부가 직선형인 굵은 원형 주대가 들어가면 미세 운동이나 뼈와의 심한 강도 차이 등으로 인한 대퇴동통 등의 문제와 함께 응력 분포도 비정상적으로 되어 근위 대퇴골의 심한 응력 차폐현상을 초래할 수 있다.
초기“Fit & Fill”개념의 주대는 표면처리가 주대 둘레 전체에 되어있지 않아 좋지 않은 결과를 보이는 것이 많다 (APR-1, HGP, Omniflex). 그러나 이 실패는 표면 처 리의 문제이지 디자인에 의한 실패와는 다를 수 있으므로 초기 디자인의 결과를 해석하는 데는 많은 주의를 요한다.
주대 둘레 전체가 표면 처리된 PCA 주대는 4~6년 추시 상 8~15%에서 실패가 보고되고 있으며12,19), 10년 이상의 장기 추시에서 92~95%의 비교적 우수한 결과도 있으나 이들 역시 12~22%의 많은 대퇴부 동통을 보고하고 있다
14,40)
. 대퇴부 동통이 왜 발생하는가에 대한 명확한 설명은 아직은 없다. 현재로서는 주대가 불충분하게 고정되어 발 생하는 주대 원위부의 움직임(toggle)이나 주대와 대퇴골 사이의 강도(stiffness) 불일치 등이 그 원인으로 알려져 있다. 수술 수기 이외의 방법으로 이를 개선하기 위해서 탄성 계수가 골과 유사하게 적은 물질로 주대를 만들려는 노력과 주대 원위부의 형태나 구조를 변화하여 강도를 줄 이려는 시도가 많이 알려져 있다.
Fit and fill 개념을 충족시키기 위한 가장 극단적인 방 법으로 전산화 단층 촬영 후 custom made 주대를 사용 하거나, 로봇을 이용하여 주대에 맞추어 대퇴골을 확공하 는 방법을 사용하기도 하나 비용-효과면에서 그다지 만족 스럽지 못하고 결정적으로 최근에는“Fit and Fill”과는 정반대로 원위부와 근위부 어느쪽도 다 채우지 않는 전혀 다른 형태의 주대들도 장기적으로 매우 우수한 결과를 보 이고 있어 이 개념 자체의 중요성이 점차 감소되고 있다.
2) 조립형 주대 (modular stem)
조립형 주대는“Fit and Fill”개념의 또 다른 변형으 로, 하나의 주대로 근위부와 원위부를 동시에 채울 수 없 는 문제를 해결하기 위해 근위부는 sleeve를 사용하여 꽉
차게 고정을 하고 그 속으로 원위부를 고정할 수 있는 굵 기의 주대를 집어 넣어 두 곳에서 동시에 고정을 얻을 수 있는 삽입물이다. 이 개념은 Whiteside와 Easley의 연구 에서38) 주대의 근위부와 원위부를 모두 고정한 것이 둘 중 어느 한 곳만 고정되어있는 것 보다 미세운동이 적고 안정 적이라고 보고한 것에 의해 뒷받침된다. 대표적인 삽입물 로는 S-ROM(DePuy, USA)이 있다. 감염성 고관절염 후유증이나, 탈구 후유증과 같이 근위 대퇴골에 변형이 있 거나, 골수강이 작은 경우 유용하게 사용되고, 재치환술 시 그 장점을 살리기 좋다. 이것을 사용한 일차성 치환술 의 임상적인 중,장기 추시 결과는 매우 좋다35). 대퇴골의 전염각을 마음대로 조정할 수 있고 다양한 변화에 모두 적 응할 수 있다는 장점이 있으나 전통적으로 두 조립면 사이 의 미세 운동이나 그곳에서의 침식(fretting)이 이론적으 로 가능하기 때문에, 금속 이온의 유리와 그에 따른 골 용 해나 악성 종양의 발생 가능성에 대한 우려가 많이 있었 다. 아직 이 우려가 완전히 해소된 것은 아니나, 금속 이 온의 혈중 농도의 증가가 심각한 임상적인 문제로 드러난 경우는 발생하지 않았고 악성 종양의 발생도 일반인의 발생 빈도와 크게 다르지 않다는 주장이 설득력을 얻고 있다.
3) 원위 고정형 주대(Distal Fitting Stem)
이 범주에는 AML(dePuy, USA)과 Wagner conical stem (Zimmer, USA) 등이 해당된다. 이 개념은 근위 대퇴골의 구조는 사람마다 다양하여 한가지 디자인 만으로 골수강의 모양에 맞출 수는 없으므로, 근위부의 고정은 부 가적으로 하고 비교적 일정하게 원형인 원위 골수강에 원 통형의 주대를 강하게 고정시키는 것을 목표로 하고 있다.
이 원리에 의한 주대는 전장에 걸쳐 표면처리가 되어있어 근위 고정형 주대와 동일한 정도의 골내성장이 일어날 경 우 더 광범위한 면적에서 생물학적 고정을 기대할 수 있 다. 원위 대퇴골에 대한 강한 압박으로 발생할 수 있는 수 술 중 골절을 막기 위해서는 수술 전의 정확한 templating이 무엇보다 중요하며 최소한 5~6.5 cm의 길이는 주대와 원위 피질골이 서로 강하게 긁히면서 고정 (scratch fit)되어야 한다. 별다른 문제가 없는 일차성 고 관절 전치환술에도 쓰이지만, 근위부의 변형이나 골결손이 있어 근위 고정을 얻을 수 없는 경우 유용하게 사용될 수 있으므로 재치환술에서 많이 사용된다.
이 주대의 임상 결과는 매우 우수하여 2800명 이상의 환 자를 대상으로 한 장기 추시에서 AML형 광범위 미세 피 복형 주대의 20년 생존율이 97% 이상으로 보고되고 있다
9). 그러나 불충분한 고정 혹은 골과의 인장강도의 차이 등 에 의해 발생하는 대퇴부 동통을 호소하는 환자들이 있고, 근위 대퇴골의 응력 방패에 의한 골 감소가 보이는 등의 문제가 있다. 재치환술이 필요한 경우 원위부까지의 광범
위한 골성 고정으로 인해 주대의 제거가 어렵다는 문제가 있었으나 최근 제거 방법과 기구가 소개되어 많은 도움을 주고 있다10).
4) Tapered 근위 고정형 주대
과거의“Fit and Fill”을 위한 주대로는 근위부와 원위 부를 동시에 다 채울 수 없고, 대퇴부 동통이나 응력 방패 등의 다양한 문제가 발생할 수 있으므로 근위부에만 표면 처리를 하여 근위부를 채우고 전반적으로 tapered 디자인 을 채택하면서 원위부는 광택 처리를 하거나 아무런 표면 처리를 하지 않은 디자인이다. 많은 현대적인 삽입물이 이 에 해당되며 대표적인 것으로는 Mallory head (Biomet, USA), Omnifit (Stryker, USA)와 같은 전형적인 근 위 고정형 형태에 tapered 디자인을 사용한 주대와 Summit (DePuy, USA), Synergy (Smith and Nephew, USA), Accolade (Stryker, USA), BiContact (Aesculap, Germany) 등과 같은 쐐기형 주 대의 개념으로 이행되어가는 과정인 혼합형의 주대가 있 다. 대개 전후면으로 Taper 형태를 취하므로 이론적으로 수술 후 조기에 약간의 침강을 하더라도 골수강 내에서 이 차적인 안정을 얻을 수 있고 원위부는 가늘고 고정되어있 지 않기 때문에 대퇴부 동통의 빈도도 낮은 것으로 알려져 있다. 최근에 개발된 모델일수록 다음에 설명할 쐐기형 주 대의 모양과 비슷해지며 대퇴골 근위부를 다 채우지 않도 록 디자인되어있다. 주대가 쐐기형태에 가까울수록 삽입 시에 대퇴골에 가해지는 국소적인 압력이 커져 골절을 일 으킬 가능성이 있으므로 강한 압력으로 삽입하지 말아야 한다. Tapered 주대에서의 collar는 압박 안정성을 증가 시켜줄 수 있다는 기본적인 장점 보다는 주대가 완전히 삽 입되기 전에 대퇴거에 밀착되어 주대 전체의 회전 안정성 을 방해하는 부정적인 면이 많아 사용되지 않는다5,34).
Tapered 주대의 임상 결과는 대단히 우수하다. Ellison 등7)은 40세 이하의 젊은 환자에게 Mallory-Head Taperloc 주대를 사용한 18년 추시 결과 전체 주대의 생 존율은 98.2%였다고 하였으며 이 중 해리를 종점으로 하 였을 때의 생존율은 99.2%에 이른다고 보고하였다. 마찬 가지로 Pertill등24)은 Taperloc, Trilock 주대를 사용한 15년 추시 결과 Trilock 주대에서 12% 가량의 재수술이 있었다고 하였으나, 이 재수술은 전예에서 비구 삽입물 재 치환 시 골두가 조립형이 아니었기 때문에 재치환한 것이 었다고 하며 디자인 자체는 매우 안정적인 골내성장을 기 대할 수 있어 그로 인한 좋은 임상적 결과를 보였다고 하 였다.
5) 사각형의 Tapered 쐐기형 주대(Rectangular tapered wedge stem)
이 디자인은 전술한 개념들과는 전혀 다른 형태의 삽입
물로 구조는 전후, 상하, 내외의 세 평면 중 최소한 두 곳 이상에서 tapered 되어있고 대퇴 골수강의 곡선 모양과 상관 없는 직선으로 단면은 납작한 사각형이거나 좁은 사 다리형이다. 주대 전장에 걸쳐 표면 처리가 되어있으나, 일반적인 미세포말, 혹은 mesh가 아니고 표면을 거칠게 한 corrundum blasted 형태로 골의 ingrowth가 아닌 ongrowth를 목표로 하고있다. 주로 유럽에서 개발되고 많이 사용되고 있으며 Zweymuller (Plus Orthopedics AG, Swiss), CLS (Zimmer, USA)등이 이 디자인에 해당된다. 이 주대들은 근위부, 원위부 모두를 꽉 채우지 않으며 골간단 -골간 접합부(metaphyseal-diaphyseal junction)에 고정된다. 확공(reaming)을 하지 않으며 rasping 만으로 골수강을 준비한 후 주대를 삽입하는 진 정한 의미의 압박 고정(press fit)을 한다. 원통형의 골수 강에 단면이 사각형인 쐐기가 들어가므로 강한 회전 안전 성을 갖고, Tapered 주대와 같이 조기에 삽입물이 침강하 더라도 침강이 멈춘 그 자리에서 다시 압박 고정을 얻을 수 있다. 또한 전장에 걸쳐 표면처리를 하여 생물학적인 고정도 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 10년 이상의 추시에서 해리로 인한 재수술은 0~2% 이내인 좋은 성적 을 보이며11,33) 유럽과 아시아를 중심으로 점차 사용이 증가 되고 있는 추세이다. 주대의 외측부가 크고 두꺼워 삽입 시 대전자의 골이 많이 제거되며 그렇지 않은 경우 주대가 내반 삽입이 되는 경향이 있으나, 내반 삽입이 주대의 고 정이나 임상적인 결과에 영향을 끼치지는 않는 것으로 알 려져 있다32). 쐐기형이므로 삽입 시 Fit and Fill 주대를 삽입할 때와 같이 강하게 압박을 하면 대퇴골의 골절이 일 어날 가능성이 높으므로 수술 시 주의해야 한다.
2. 인공 관절 주대의 디자인 선택 시 고려 사항
1) 근위 대퇴골의 형태
인체의 근위 대퇴골은 연령, 성별, 민족, 키, 체중 등에 따라 다양한 형태를 보인다. 삽입물을 선택하기 위해 도움 을 주는 골수강의 형태는 연구자들마다 조금씩 다른 몇 가 지의 치수로 분류된다. 그 중 대표적인 것은 Dorr의 비율 (Dorr index)로6) 소전자부와 소전자 원위 10 cm 지역의 대퇴골의 내경의 비로 정의되며 이 비율이 1에 가까울수록 무시멘트성 삽입물의 고정이 힘들게 된다. 이 비율에 따라 근위 대퇴골의 형태는 샴페인잔 형(Champagne fluted), 정상형, 연통형(stovepipe configuration)으로 나뉜다.
비슷한 것으로 Noble 등23)은 소전자 상방 20 mm와 협부 의 대퇴 내경의 비율을 Canal-Flare index로 정하여 4.7 이상을 샴페인잔 형, 3.0 이하를 연통형으로, 그 사이를 정상형으로 정의하였다. 이러한 골수강의 모양은 주대의 선택에 중요한 의미를 부여하는데, 연통형의 굵지만 피질 골이 얇은 대퇴에 일반적인 무시멘트성 주대를 사용하여
적절한 고정을 얻기는 대단히 힘든 경우가 많아 특수한 디자 인이나, 시멘트성 주대를 사용하는 것이 적절한 때가 많다.
골수강의 모양 뿐 아니라 근위 대퇴골의 형태도 대단히 중요하다. 정상적인 대퇴골은 전후면에서 tapered 되며 가볍게 외측으로 굽어있고, 측면에서는 경부와 간부에서 이중으로 굽어 있는 복잡한 모양을 하고 있다. 좋은 고정 을 위해서는 이러한 모양에 가장 근접한 주대를 사용하거 나, 삽입이 가능한 길이와 크기의 쐐기형 주대를 선택하여 야 한다. 직선형 주대의 경우에는 전후방 사진에서 적절한 주대라고 하더라도 측면 사진에서 깊게 삽입되지 못하는 경우 삽입물을 바꾸어야 하는 경우도 있다. 또한 이전의 근위 대퇴골 골절이나, 질병으로 인해 변형이 발생하였다 면 이를 절골술을 통해 교정하고 정상적인 주대를 선택할 것인지 작고 특수한 주대를 사용할 것인지 아니면 표면 치 환술 등의 다른 수술을 고려할 것인지 신중하게 선택하여 야 한다.
2) 연령, 골다공증
최근 환자의 생리학적인 연령을 기준으로 시멘트의 사용 유무나 주대의 종류를 선택하는 것은 바람직하지 않다는 의견이 차차 대두되고 있다. 이는 80대 이상의 고령의 환 자에게 시행한 무시멘트성 인공 고관절 전치환술의 탁월한 결과들이 발표되는 것으로 입증되고 있다28). 결국 연령 자 체나 골다공증의 정도보다는 골의 형태가 더 중요한 요소 로 작용되는 것으로 생각된다. 특히 골간-골간단 접합부에 서 고정이 이루어지는 Zweymuller 주대와 같은 경우는 고령의 한 환자에서도 비교적 우수한 결과를 보이는 것으 로 알려져 있다.
3) 환자의 기능
조기 거동이 필요한 다른 질환이 많은 고령의 환자나 여 명이 얼마 남지 않은 걸을 수 없는 환자에게 신형 무시멘 트성 고관절 전치환술을 시행하고 골내성장이 일어날 때까 지 목발 보행을 권유하는 것은 아무리 삽입물이 고정이 잘 되고 마모가 일어나지 않는다고 할 지라도 결코 좋은 선택 은 아니라고 생각된다. 모든 관절 치환술은 환자의 상황이 나 그 당시의 기능을 염두에 두고 선택되어야 하며 수술과 수술 전후의 처치가 환자에게 해가 되어서는 안 된다는 점 을 고려 하여야 한다.
4) 시술자의 경험
경험이 부족한 술자에 의해 시행된 인공 고관절 치환술 시에 수술 중에 발생하는 문제는 대부분 비구 측에 호발 되는 것으로 알려져 있다2). 그러나 시멘트형 주대나, 이전 에 사용해 본적이 없는 새로운 디자인의 기구를 사용하는 경우에도 다양한 오류가 발생할 수 있다. 따라서 삽입물의 선택에는 시술자의 경험이나 삽입물의 디자인에 대한 이해
도 대단히 중요하다.
결 론
Charnley경 이후 40여년의 경험이 우리에게 준 결론은 인공 고관절 치환술이 장기적인 성공을 거두기 위해서는 삽입물의 안정적인 고정과 마모가 없는 관절면이라는 두 가지 요소를 가지고 있어야 한다는 것이다. 이 둘 중 안정 적인 골 고정은 현재의 표면 처리 기술과 디자인으로 어느 정도는 이미 이룩되었다고 생각되며 따라서 상황에 적절한 큰 원칙과 각 디자인마다의 기본적인 개념을 잊지 않는다 면 디자인의 지엽적인 변화는 장기적인 결과에 그리 큰 영 향을 미치지는 않을 것으로 생각된다.
현재 시판되고 있는 많은 인공 고관절 치환술 삽입물은 극히 일부의 실패한 디자인을 제외하고는 각자 좋은 장기 적인 추시 기록을 가지고 있는 증명된 삽입물들이다. 이들 중 수술 시 꼭 한가지 삽입물만이 필요한 상황은 실제로 그리 많지 않다. 또한 어느 한 디자인이 다른 디자인에 비 해 월등히 우월하다고 입증된 디자인 또한 없다. 따라서 인공 고관절 치환술의 목적을 염두에 두고, 환자 대퇴골의 형태와 환자의 기능, 술자 자신의 경험과 이해를 바탕으로 삽입물을 선택한다면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 생 각된다.
REFERENCES
11) Bobyn JD, Engh CA and Glassman AH: Radiography and histology of a threaded acetabular implant. J Bone Joint Surg, 70B:302-304, 1988.
12) Callaghan JJ, Heekin RD, Savory CG, Dvsart SH and Hopkins WJ: Evaluation of the learning curve associated with uncemented primary porous-coated anatomic total hip Arthroplasty. Clin Orthop, 282:132-144,1992.
13) Capello WN, Colyer RA, Kernek CB, Hile LE and Carnahan JV: Experience with non-cemented total hip replacements- Screw in rings. Orthop Trans, 13:495, 1989.
14) Charnley J: Low Friction Arthroplasty of the Hip. New York, Springer Verlag, 1970.
15) Crowninshield RD, Brand RA, Johnston RC and Pedersen DR: An analysis of collar function and the use of titanium in femoral prostheses. Clin Orthop, 158:270- 277, 1981.
16) Dorr LD: Optimizing results of total joint arthroplasty.
Instr Course Lect. 34:401-4.1985.
17) Ellison B, Berend KR, LombardiAV Jr. and Mallory TH: Tapered titanium porous plasma-sprayed femoral component in patients aged 40 years and younger. J arthroplasty, 21:32s-37s, 2006.
18) Effenberger H, Ramsauer T, Dom U and Imhof H:
Factors influencing the revision rate of Zweymuller
acetabular cup. Int Orthop, 28:155-158, 2004.
19) Engh CA and Hooper R: The odyssey of porous-coated fixation. J Arthroplasty. 17- 4 Suppl. 1:102-107,2002.
10) Glassman AH and Engh CA: The removal of porous coated femoral hip stems. Clin Orthop, 285:164-180, 1992.
11) Grubl A, Chiari C, Gruber M, Kaider A and Gottsquner WF: Cementless total hip arthroplasty with a tapered rectangular titanium stem and a threaded cup. A minimum ten-year follow up. J Bone Joint Surg 84A:425- 431,2002.
12) Haddad R, Cook SD and Brinker MR: A comparison of three varieties of non-cemented porous-coated hip replacement. J Bone Joint Surg, 72B:2-8, 1990.
13) Ivory JP, Kershaw CJ, Choudhry R, Parmar H and Stoyle TF: Autophor cementless total hip arthroplasty for osteoarthrosis secondary to congenital hip dysplasia. J Arthroplasty, 9:427-433, 1994.
14) Kawamura H, Dunbar MJ, Murray P, Bourne RB and Rorabeck CH: The porous coated anatomic total hip replacement. A ten to fourteen year follow-up study of a cementless total hip arthroplasty. J Bone Joint Surg, 83A:
1333-1338, 2001.
15) Kendoff D, Strobel C, Krettek C and Gerich T:
thirteen-year results for the CLS expansion cup in primary hip arthroplasty. Unfallchirurg, 109:457-462, 2006.
16) Kennedy WF: Modes of failure of the threaded acetabular total hip replacement components. Orthop Trans, 1:691, 1988.
17) Kienapfel H, Sprey C, Wilke A and Griss P: Implant fixation by bone ingrowth. J Arthroplasty, 14:355-368, 1999.
18) Kim S and Park G: Primary total hip arthroplasty with a CLS expansion acetabular component ? mid term follow- up study-. J of Korean Orthop Assos, 35:455-460, 2000.
19) Kim YH and Kim VEM: Uncemented porous coated anatomic total hip replacement. J Bone Joint Surg, 75B:
6-13, 1993.
20) Kim YS, Callaghan JJ, Ahn PB and Brown TD:
Fracture of the acetabulum during insertion of an oversized hemispherical component. J Bone Joint Surg, 77-A:111-117, 1995.
21) Mahoney OM and Dimon JH: Unsatisfactory results with a ceramic total hip prosthesis, J Bone Joint Surg, 72A:663-671, 1990.
22) Martell JM, Pierson RH, Jacobs JJ, Rosenberg AG, Maley M and Galante JO: Primary total hip reconstruction with a titanium fiber-coated prosthesis inserted without cement. J Bone Joint Surg, 75A:554-571, 1993.
23) Noble PC, Alexander JW, Lindahl LJ et al: The anatomic bases of femoral component design. Clin Orthop, 235:148-165,1988.
24) Pertill JJ, Rothman RH, Hozack WJ and Sharkey PF:
Total hip Arthroplasty using two different cementless
tapered stems. Clin Orthop Relat Res, 393:121-127, 2001.
25) Peters CL, Urban RM, Sumner Dr, Koutozos C and Galante JO: Interface phenomena in well-functioning porous-coated acetabular components: an autopsy retrieval study. Orthop Trans. 19: 401, 1995.
26) Peters CL and Dunn HK: The cementless acetabular component. In: Callaghan JJ, Rosenberg AG and Rubash HE ed., Adult Hip. 1st ed. Philadelphia, Lippincott-Raven:
993-1016, 1998.
27) Pidhortz LE, Urban RM, Jacobs JJ, Sumner Dr and Galante JO: A quantitative study of bone and soft tissues cementless porous-coated acetabular components retrieved at autopsy. J Arthroplasty, 8:213-227, 1993.
28) Pieringer H, Labek G, Auersperg V and Bohler N:
Cementless total hip arthroplasty in patients older than 80 years of age. J Bone Joint Surg 85-B:641-5, 2003.
29) Pospischill M and Knahr K: Cementless total hip Arthroplasty using a threaded cup and a rectangular tapered stem. Follow up for ten to 17 years. J Bone Joint Surg, 87B:1210-1215, 2005.
30) Schimmel JW and Huiskes R: Primary fit of the Lord cementless total hip. Acta Orthop Scand, 59:638-642, 1988.
31) Schmalzrid TP and Harris WH: The Harris-Galante porous-coated acetabular component with screw fixation.
J Bone Joint Surg, 74A:1130-1139, 1992.
32) Schneider U, Breusch SJ, Thomsen M, Wirtz DC and Lukoschek M: Influence of implant position of a hip prosthesis on alignment exemplified by the CLS shaft.
Unfallchirurg, 105:31-35, 2002.
33) Schramm M, Keck F, Hohmann D and Pitto RP: Total hip arthroplasty using an uncemented femoral component with taper design. Outcome at 10 year follow up. Arch Orthop Trauma Surg, 120:407-412, 2000.
34) Sharkey PF, Albert TJ, Hume EL and Rothman RH:
Initial stability of a collarless wedge-shaped prosthesis in the femoral canal. Semin Arthroplasty,1:87-90, 1990.
35) Tanzer M, Chan S, Brooks CE and Bobyn JD: Primary cementless total hip arthroplasty using a modular femoral component: a minimum 6-year follow-up. J Arthroplasty, 16(8 Suppl 1):64-70, 2001.
36) Tittel K and Hogt B: Experience with the expansion cup developed by L.Sportono. Unfallchirurg, 17:218-224, 1991.
37) Vervest TM, Anderson PG, Van Hout F, Wapstra FH, Louwerse RT and Koetsier JW: Ten to Twelve year results with the Zweymuller cementless total hip prosthesis. J Arthroplasty, 20:362-368, 2005.
38) Whiteside LA and Easley JC: The effect of collar and distal stem fixation of micromotion of the femoral stem in uncemented total hip Arthroplasty. Clin Orthop, 239:145- 153, 1989.
39) Wiles P: The surgery of the osteoarthritic hip. Br J Srg, 45:488-497, 1958.
40) Xenos JS, Callaghan JJ, Heekin RD et al: The porous coated anatomic total hip prosthesis inserted without cement: A prospective study with a minimum of ten years of follow up. J Bone joint Surg, 81A:74-82, 1999.