J. of Korean Orthopaedic Research Society V o l u m e 8 , N u m b e r 1 , A p r i l , 2 0 0 5
경골 근위부 절골술 후 내고정을 위한 Rigid Stepped Plate (RSP)
서울대학교 의과대학 정형외과학교실, 한국과학기술원 의과학연구센터*,보라매병원 정형외과
유재호・이명철・성상철・이상훈・장종범 최선종・최귀원*・이문규*・이창양*・이지호
= Abstract =
Rigid Stepped Plate (RSP) for the Internal Fixation of the High Tibial Osteotomy
Jae Ho Yoo, Myung Chul Lee, Sang Cheol Seong,
Sahnghoon Lee, Chong Bum Chang, Sun Jong Choi, Kuiwon Choi*, Moon Kyu Lee*, Changyang Lee*, Ji Ho Lee
Department of Orthopaedic Surgery, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea Biomedical Research Center, Korea Institute of Science and Technology*, Seoul, Korea Department of Orthopaedic Surgery, Seoul Municipal Boramae Hospital, Seoul, Korea
Purpose: To compare the fixation power of the newly devised RSP (rigid stepped plate) with the L-plate by mechanical study and to prove the efficacy of the RSP.
Materials and Methods: Lateral closing wedge proximal tibial osteotomy was performed on the 10-months- old porcine tibiae, which were fixed by 15 L-plates and 15 RSP’s. Each group of 5 pairs of the specimen were applied to the Instron apparatus and loaded by compression, valgus, and varus bending. The fixation power was compared by the stiffness of each construct.
Results: Specimen fixed by the RSP's showed larger stiffness than those fixed by the L-plate. Even though the difference was not statistically significant in compression (p=0.465), it was statistically significant in valgus (p=0.047) and varus (p=0.009) bending.
C o n c l u s i o n: The RSP can be applied with minimal skin incision, will provide firm initial fixation to the osteotomy site, and seems to enable early range of motion exercise. It will improve the outcome of proximal tibial osteotomy by preventing excessive soft tissue dissection and complications resulting from long-term immobilization of the knee joint.
Key Words: Proximal tibial osteotomy, Internal fixation, Mechanical properties
※ 통신저자: 이 지 호
서울특별시 동작구 신대방동 3 9 5번지 서울특별시립 보라매병원 정형외과
TEL: 02) 840-2225 FAX: 02) 831-2826 E-mail: [email protected]
서 론
경골 근위부 절골술은 슬관절 골관절염의 수술 적 치료 방법의 하나로서 그 자체로서도 매우 효 과적인 치료 방법이며, 인공 슬관절 치환술의 시 행 시기를 지연시킬 수 있는 치료 방법으로 인정 받고 있다5 , 6 , 1 3 , 2 2 )
. 이러한 경골 근위부 절골술의 성 공을 위해서는 적절한 환자의 선택, 수술 전 계획 및 정확한 수술 술기, 재활 치료가 모두 필수적이 다. 절골부의 고정 방법으로는 석고 고정 만을 시 행하는 방법1 4 )에서 Coventry staple4 - 6 , 1 4 , 1 8 ), 나사 ( s c r e w s )1 2 ), conventional plate8 , 9 , 2 0 , 2 1 ), angled blade plate1 3 , 1 5 ), 외고정 장치1 , 1 6 , 1 7 )까지 여러 가지 가 있다. 장기간의 고정으로 인한 관절 강직 및 관절 연골의 퇴화와 같은 부작용을 방지하기 위해 견고한 고정을 얻어 조기에 관절 운동을 가능하도 록 하는 것이 바람직하지만3 , 6 ) 기존의 고정물들은 만족스럽지 못하였으며, 그 동안 수많은 내고정 기기가 개발되었던 것은 역설적으로 만족스러운
내고정 기기가 없었다는 반증이기도 하다.
저자들은 경골 근위부 절골술 시에 적은 절개와 연부 조직 박리로도 견고한 고정을 얻을 수 있는 내고정물로 RSP (rigid stepped plate)를 개발 하였기에 기계적 물성치(mechanical proper- ties) 결과와 함께 보고하는 바이다.
대상 및 방법 1. 실험 재료
전문 도축업자에 의해서 도축된 1 0개월 된 돼지 의 경골을 비골이 제거된 상태에서 실험에 사용하 였다. 시편의 보관에 있어서 내고정 장치를 적용 하기까지는 냉장 보관하였고, 수술 후 역학 시험 시까지는 - 7 0℃에서 냉동 보관하였으며, 역학적 실험 전에는 2 4시간 동안 실온에서 해동( t h a w- i n g )을 하였다. 경골 시편에서 골막, 지방 조직, 관절내 구조물 등의 연부 조직은 최대한 제거하였 으나, 내측 근위부는 골막과 지방 조직을 일부 남 겨 두었다. 압축력(compression), 외반력( v a l- gus), 내반력(varus) 에 대하여 각각 L - p l a t e 대조군 5개와 RSP 실험군 5개를 준비하여 총 3 0 개의 시편을 준비하였다(Fig. 1).
시편의 골질(bone quality)을 평준화하기 위하 여 수술 부위에 QCT(quantitative computed t o m o g r a p h y )를 실시하였다. 정상 성인 여성의 골밀도가 100~160 mg/cc 임을 참조하여, 골밀 도가 정상 범위에 포함되는 시편만을 선택하여 실 험을 실시하였다.
2. 수술 술기
경골 고평부(tibia plateau)에서 2 cm 원위부 외측에서 1 5도 closing wedge 절골술을 시행하 였으며, 내측 피질골은 가능한 유지한 상태에서 절골술 부위가 닫히도록 한 후에 대조군은 4 hole L-plate를 이용하여 고정하고, 실험군은 R S P를 이용하여 고정하였다. L-plate 고정군은 절골면의 접촉이 잘 되도록 근위, 원위 피질골에 맞추어 금속판을 휘어(bending) 접촉시키고, 근 위 골편에 6.5 mm 망상골 나사( c a n c e l l o u s Fig. 1. Prepared porcine tibia with RSP and 4-hold L-plate
screw) 2개를 이용하여 고정하였고, 원위 골편은 2개의 4.5 mm 피질골 나사(cortical screw)를 이용하여 고정하였다. RSP 고정군은 절골부가 닫혀 절골면이 접촉하도록 유지한 상태에서, 금속 판 손잡이(plate holder)로 RSP 를 잡고, 망치 ( m a l l e t )로 가격하여 근위 2개의 s p i k e는 근위 골편에, 원위 1개의 s p i k e는 원위 골편에 삽입하 였다. 근위부 s p i k e가 어느 정도 삽입되어, 원위 부의 s p i k e가 삽입될 부위가 결정되면 드릴을 이 용하여 피질골에 구멍을 내고 그 구멍을 통하여 원위 s p i k e가 삽입되도록 하였다. 일단 spike 를 통해서 절골 부위가 고정이 되면, 5.0 mm 유경 나사(cannulated screw)를 근위부와 원위부에 각각 2개씩 고정하였다(Fig. 2).
3. 역학 실험
Instron 8511 (Instron limited, High-
wycombe, UK)을 이용하여 압축 실험( c o m- pression test)과 굽힘 실험(bending test)으로 외반(valgus) 내반(varus) 변형력을 가하였다.
RSP 군 1 5개와 L-plate 군 1 5개의 시편을 준비 하여 각 부하에 대하여 각각 5개의 다른 시편을 사용하여 실험을 실시하였다. 압축 실험의 경우, 근위 골편과 원위 골편을 r e s i n을 이용하여 j i g에 물리고 I n s t r o n에 장착하여, 절골 면에 압축력이 작용하도록 하였다. 굽힘 실험의 경우, 원위 골편 을 resin 을 이용하여 j i g에 물리고, 절골면에 대 한 외반, 내반 방향을 고려하여 I n s t r o n에 수직 으로 장착하였다(Fig. 3). 압축 속도는 2 mm/min, sampling rate 는 10 Hz로 하여 load cell (1210AJ-1k, Interface MFG, Scottsdale, AZ, USA)을 이용하여 하중( l o a d ) 과 전위( d i s p l a c e m e n t )를 측정하였다. 부하는 압축력의 경우 4000 N, 굽힘력의 경우 30 mm 전위가 생길 때까지 가하였으며, 실험의 종료점은
Fig. 2. Lateral close wedge osteotomy was performed. After closing the wedge, either L-plate or RSP was applied to the porcine tibiae.
육안으로 보아서 시편의 구조가 붕괴되거나, 하중 의 증가가 고평부를 이룰 때로 하였다.
4. 분석
압축력(compression), 외반력(valgus), 내반 력(varus) 의 세가지 힘에 대한 각각 5개 시편의 강성( s t i f f n e s s )의 평균를 비교하여 절골면에 대 한 내고정물의 고정력을 비교하였다. 강성( s t i f f- n e s s )는 외부의 변형력에 저항하는 물체의 지지 력 중에서 그 질과 형태에 의해 결정되는 성질로, 단위 거리를 변형시키는데 필요한 변형력으로 해 석할 수 있다.
S t i f f n e s s ( N / m m )
=Load(N)/Displacement (mm)
실험 결과는 압축력에 대해서는 300 N에서 3000 N 까지의 선형적인 부분을 취하여 그 기울 기 즉, 강성( s t i f f n e s s )를 비교하였고, 굽힘력에 대해서는 선형적인 부분을 취하여 s t i f f n e s s를 비 교하였다.
통계적인 분석으로 SPSS(SPSS Inc, Chica- go, Illinos)를 이용하였으며, 비모수적 평균치의 분석 방법인 Mann-Whitney U test를 실시하 였고, 통계적인 유의수준은 p = 0 . 0 5로 하였다.
결 과
압축력, 외반력, 내반력에 대한 각 시편의 강성 ( s t i f f n e s s )은 Table 1과 같다. RSP로 고정된 시편이 L - p l a t e로 고정된 시편보다 더 큰 강성을 보였으나, 그 차이는 압축력에 대해서는 통계적으 로 유의하지 않았고(p=0.465), 외반력( p = 0 . 0 4 7 ) 과 내반력( p = 0 . 0 0 9 )에 대해서는 통계적으로 유의 하였다(Fig. 4).
고 찰
경골 근위부 절골술(proximal tibial osteoto- m y )은 1 9 5 8년 J a c k s o n에 의해 처음 소개되고
1 0 , 1 1 ), 이후 Coventry 에 의해 널리 사용되었다4 - 6 ).
Fig. 3. specimens were applied to the Instron 811 with customized jig and resin. Compression (A) and Bending (B) studies were performed to compare the stiffness of the constructs of each group.
A B
슬관절 골관절염의 효과적인 수술적 치료방법이지 만, 최근 인공 관절 치환술의 결과가 매우 향상되 면서 상대적으로 관심이 줄었다. 하지만 비교적 젊은 나이의 환자에서 슬관절 내측 구획에 국한된 골관절염의 경우에 좋은 적응이 되는 것으로 생각 되고 있으며, 동통 해소와 환자 자신의 관절을 보 존하여 비교적 제한 없이 활동을 영위할 수 있도 록 해주는 치료방법으로 슬관절 전치환술의 시기 를 좀더 늦출 수 있다는 면에서도 의의가 있는 치
료방법이다1 3 ). 또한 하지 정렬의 회복 면에서도 절골술은 의의가 있으며, 만성 인대 손상의 원인 치료적인 면에서도 꼭 고려하여야 한다.
경골 근위부 절골술 후, 장기간의 관절 고정에 따른 합병증으로는 관절 강직, 교정의 상실, 근 위축, 관절 연골의 퇴화 등이 있다3 , 6 , 1 4 , 2 2 ). 이런 부 작용을 예방하기 위하여 조기에 관절 운동을 허용 할 수 있도록 견고한 고정이 필요하다. 절골술 부 위를 고정하기 위한 방법으로는 내고정을 하지 않
Table 1. The stiffness of the construct to respective forces (N/mm).
Specimen Compression Valgus Varus
L-plate RSP L-plate RSP L-plate RSP
Specimen 1-6 0618.4 0807.4 13.1 28.5 17.9 53.8
Specimen 7-12 0602.7 0658.1 12.6 53.5 25.2 90.5
Specimen 13-18 0827.5 1160.9 22.7 29.5 32.8 44.3
Specimen 19-24 1205.6 1139.9 23.4 52.1 28.9 69.0
Specimen 25-30 0926.9 1122.9 36.0 29.7 44.2 54.1
Average 0836.2 0977.8 21.6 38.7 29.8 62.3
SD 0248.4 0230.3 09.6 12.9 09.7 18.1
RSP: rigid stepped plate, SD: standard deviation
Fig. 4. The stiffness of the L-plate and RSP to (A) the compression force (p=0.465), ( B) the valgus force (p=0.047), (C) the varus force (p=0.009).
C
A B
고 석고붕대 고정을 하는 방법1 4 ), 나사못( s c r e w ) 만을 이용하는 방법1 2 ), Staple1 , 2 ), 금속판 ( p l a t e )3 , 8 , 1 3 , 1 5 , 2 0 , 2 1 ), 외고정 장치1 , 1 6 , 1 7 )등 여러 가지 방법을 사용할 수 있으며, 전체적으로 staple, 금 속판, 외고정 장치로 나누어 볼 수 있다7 , 9 , 1 9 )
. 전 통적으로 사용되는 Coventry staple의 경우 변 형이 있는 관절면에서 가장 가까운 부위에서 절골 술을 시행할 수 있다는 장점이 있지만5 , 6 ), 고정이 견고하지 못하여 석고 고정을 같이 해야 하는 경 우가 많아 장기간의 관절 고정을 피하기 힘든 문 제가 있었다. Plate의 경우 충분한 고정을 얻으 려면, 근위부 골편의 두께 s c r e w가 들어갈 정도 의 두께가 되어야 하므로 관절면에서 어느 정도 거리를 두고 절골술을 시행하여야 하여 절골부와 슬개건 부착부에 의해 교정각이 제한되며, 원위부 쪽으로도 상당한 박리가 필요하여, 과도한 연부 조직 손상을 피할 수 없는 단점이 있었다. 외고정 기기를 사용하려는 시도가 있었으나, 핀 삽입으로 인한 감염으로 골수염 및 화농성 관절염이라는 이 라는 치명적인 합병증이 생길 수 있다1 , 1 6 , 1 7 ).
Kriegshauser 등은 수술 후, Cylinder cast 를 4 4 . 3일 동안 착용한 환자 군과 c a s t - b r a c e를 착용하고 가능한 빨리 관절 운동을 시작한 군을 비교하여, 후자에서 좋은 결과를 얻었다고 보고하
였으며1 4 ), Khalfayan 등은 유경 나사( c a n n u-
lated screw) 만을 이용하여 고정하는 방법을 보 고하였으며1 2 ), Yercan 등은 tension band fix- a t i o n을 보고하였다2 2 ). Koshino 등의 K - p l a t e1 3 ), Miniaci 등의 bent 1/2 tubular p l a t e1 5 ), Staubli와 L o b e n h o f f e r등 의 T o m o F i x2 0 , 2 1 )
, Billings 등의 L - b u t t r e s s p l a t e3 ) 등의 금속판을 이용한 고정 방법도 소개 되었으나 널리 보급되지 못했다. 국내에서도 miniplate staple를 개발하여 사용한 바 있다2 ). 이처럼 다양한 내, 외고정 기기가 개발되어 시도 되었지만, 현재도 Coventry staple이 널리 사용 되고 있는 것은, 다양한 시도에도 불구하고 만족 스러운 고정 기기가 개발되지 못하였기 때문이라 고 할 수 있겠다.
고정 기기의 제안은 많았지만, 그 역학적 성능 을 실험적으로 규명한 것은 상대적으로 희소했다.
Zhang 등은 1 9 9 5년 사체에서 경골 근위부 외측
폐쇄(lateral close wedge) 절골술을 시행하고, Coventry staple, modified tension band, Mansat staple blade로 고정하여 내반 긴장 검 사를 시행하여 modified tension band 방법이 가장 견고하다고 하였으며2 3 ), Bae 등은 스스로 개발한 miniplate staple과 Coventry staple를 돼지 경골에 같은 방법으로 적용하여 p u l l - o u t , push-out strength 면에서 m i n i p l a t e가 우수함 을 보였다2 ). Flamme 등은 1/3 tubular plate, blade plate, Krackow staple, Orthofix 외고 정 장치를 axial force, transverse force 면에 서 비교한 결과를 보고하였고7 ), Spahn 등은 내 측 개방(medial open wedge) 절골술에서 C - plate, spacer plate, AO plate 를 비교하였다
1 9 )
. Hartford 등은 궁극적으로 s t a p l e과 p l a t e를 비교하였는데, sinusoidal pattern의 종적 압박 력과 신연력을 적용하여 피로 강도(fatigue life) 를 측정하여, staple보다 plate and screw가 우 월함을 증명하였다8 ).
저자들은 본 연구에서 Hartford 등의 의견에 따라, 궁극적으로 p l a t e를 이용한 내고정이 기존 의 Coventry staple 등의 방법보다 고정력 면에 서 우수하다고 판단하여8 ), 저자들이 고안한 R S P 의 대조군으로 4-hole L-plate를 선택하였다. 저 자들이 고안한 RSP(rigid stepped plate)는 압 축력, 외반력, 내반력에 대하여 4 hole L-plate 보다 견고한 고정력을 나타내었다. 압축력에 대하 여는 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았지 만, 더 견고한 경향을 보였다(p=0.465). 시편의 구조상 압축력에 대한 강성은 내고정물에 의한다 기 보다, 어느 정도 골편의 접촉이 이루어진 후에 는 골 자체의 강도에 의해 결정된다고 볼 수 있 다. 실제로 내고정물의 적용하는데 필요한 피부 절개와 연부 조직 박리의 차이를 비교해 본다면 R S P의 우수성이 명백해진다. RSP L-plate에 비하여 작은 피부 절개와 연부 조직 박리를 필요 로 하지만, 압축력에 더 큰 강성을 나타내었다.
외반력( p = 0 . 0 4 7 )과 내반력( p = 0 . 0 0 9 )에 대하여는 통계적으로 의미 있는 차이를 나타내었으므로 R S P의 우수성이 증명되었다고 할 수 있다.
이전에 보고되었던 다른 내고정물들과의 직접적 인 강도 비교는 어렵다. 시편과 수술 기법이 차이
가 있으며, 내고정물 자체의 강도가 아니고, 각기 다른 시편에 적용된 상태에서 얻은 자료이기 때문 이다. Zhang 등은 Coventry staple 의 v a r u s maximum load 를 평균 115.27-132.44 N으로 보고하였고2 3 ), Flamme 등은 50 mm blade plate 에서 1000 N/mm, 1/3 tubular plate with medially compromised cortices 에서 1200 N/mm, 1/3 tubular plate and long cortical screw 에서 3000 N/mm 의 s t i f f n e s s 를 보고하였다7 ). Bae 등은 Coventry staple과 miniplate staple의 pull-out strength를 2 7 . 8 8±5.12 Kgf, 182.47±32.7 Kgf로 보고하 고, push-out strength를 1 8 . 4 0±4 . 4 7 , 1 1 9 . 9 5±1 9 . 0 6으로 보고하였다2 ). Sphan 등은 절골하지 않은 골의 Fmax 를 2574 N, C-plate 의 axial stress에 대한 F m a x를 2 0 4 2±9 9 . 6 N, spacer plate of Puddu 1687±6.7 N, AO plate without BG 1612±127.6N, AO plate with BG 1583±163.6 N이라고 보고하였다1 9 ).
R S P는 재질이 t i t a n i u m으로 생체 적합성이 높고, 유경 나사(cannulated screw)를 이용하므 로 guided screw insertion이 가능하여, 비교적 얇은 근위 골편에 효과적으로 나사를 삽입할 수 있다. 또한 s t e p의 크기가 5 mm, 10 mm, 15 m m로 세가지 종류가 있어서, 실제 수술 시 골편 간의 계단 정도에 따라 맞는 것을 삽입할 수 있도 록 고안되었다(Fig. 5).
저자들의 연구에서 얻은 결과는 생후 1 0개월 된 돼지 경골에서 얻은 결과이므로, 그 수치를 직접 임상적으로 적용하여 해석하는 것은 옳지 않다.
실제 생체 내에서는 주위 연부 조직의 고정 효과 가 있고, 시간이 경과함에 따라 골유합이 진행된 다. 본 실험에서는 절골부의 고정력이 단지 내고 정물에 의해서만 제공되었지만, 실제 생체 내에서 는 다른 환경에 놓이게 됨을 고려하여야 한다. 그 러나, 동일한 조건에서 R S P가 L - p l a t e보다 견고 한 고정력을 보였으므로 임상에서도 같은 결과를 보이리라 기대된다. 즉 충분한 골유합이 진행되기 전의 초기에 충분한 고정력을 제공하여 조기 관절 운동을 가능하게 하는 것이 내고정물의 주요한 역 할이며, 4-hole L-plate 에 비하여 R S P는 더 견 고한 고정력을 제공할 것으로 기대된다.
본 연구에서는 시편이 견딜 수 있는 최대 부하 (Fmax) 값을 비교하지 않았다. 실제 임상에서는 환자의 체중과 일상 생활의 활동을 고려하여 절골 후 내고정된 경골이 어느 정도의 부하를 지탱할 수 있는지에 대한 정보가 관절 운동과 체중 부하 를 어느 정도로 허용할 것인지 결정하는데 중요하 겠지만, 본 실험에서 이용한 돼지의 경골이 실제 인체의 경골과 상이하여, 골질, 나사의 길이, 모 우멘트(moment) 등이 다를 것이므로 실험에서 얻은 값을 임상에 직접 적용하는 것은 어렵다고 판단하여 분석하지 않았다. 일상적 보행 시 보통 성인이 한쪽 다리에 2200 N 까지의 하중이 가해 진다는 보고가 있으며, 본 실험에서 강성 분석을 3000 N 까지 하였기 때문에 임상적으로 참고할 수 있겠다8 ).
본 실험에서는 일회의 부하에 대한 전위를 비교 하였다. Hartford 등은 p l a t e와 s c r e w에 대하여 사인 곡선 형태 (sinusoidal pattern)의 압축력 2200 N과 신연력 77 N을 2 0 0 , 0 0 0회 가하여 주 기적 부하 (cyclic load)에 대한 피로 부전 (fatigue failure)를 비교하였다8 ). 주기적 부하 에 대한 반응을 보는 것이 실생활을 좀 더 잘 반 영하여, 임상적 적용에 대하여 더 적절한 정보를 제공해 주는 것으로 생각할 수 있으나, 주기적 부 하 실험은 ex vivo 실험이므로, 연부 조직 상태 나 시간의 경과에 따른 골절의 치유(healing) 등 in vivo 상태를 완벽하게 재현하지 못한다는 한 계가 있고, 주기적 부하 실험에는 많은 비용과 시 간이 소요되므로 비용-효과 면에서 검토가 필요할 것으로 사료된다.
Fig. 5. The profile of RSP. The step is 5 mm, 10 mm, 15 mm, respectively.
결 론
저자들이 고안한 R S P는 적은 절개로 적용이 가능하면서 초기에 견고한 고정력을 제공하여 조 기 관절 운동이 가능하게 할 것으로 기대된다. 과 도한 연부 조직 손상이나 장기간의 관절 고정에 따른 부작용을 방지하여 경골 근위부 절골술의 성 적을 향상시킬 것으로 사료된다.
R E F E R E N C E S
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