무시멘트 일체형 압박고정 비구컵을 이용한 일차성 고관절 치환술

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목 적 :조합형 비구컵의 단점인 부식(fretting)과 back side 마모에 의한 골용해를 방지하기위해 티타니움 그물망(titanium mesh)으로 코팅된 무시멘트 일체형 압박고정 비구컵을 사용하여 고관절 전치환술을 실시하고 중단기 추시 결과를 보고하고자 한다.

대상 및 방법 :1995년 4월부터 1998년 8월까지 무시멘트 일체형 압박고정 비구컵을 이용하여 고관절 전치환술을 시행하였던 75명 82예 중 임상적 및 방 사선학적 추시가 가능했던 55명, 62예을 대상으로 하였다. 추시기간은 평균 62개월이었으며, 수술 시 평균 연령은 59세였다. 임상적으로 Modified Harris hip score (HHS), 서혜부 동통, 파행 등을 평가하였고, 방사선학적으로 비구컵의 안정성, 폴리에틸렌의 마모, 비구컵 주위 골용해 및 골의 재형성 등을 분 석하였다.

결 과 :HHS는 수술 전 평균 50.2점에서 최종 추시 시 평균 90.5점으로 호전되었다. 비구컵의 이동을 포함한 불안정성을 보인 경우는 없었으며, 폴리에틸 렌의 선형마모율은 평균 0.07 mm/year였다. 비구 골용해는 없었으며, 수술 후 방사선 사진에서 극간 간격이 관찰 된 25예(40%) 중 22예(88%)에서 최종 추시 시 극간 간격이 완전히 소실되어 골소주로 대치 되었다. 1예에서 진구성 탈구로 재치환술을 시행하였다.

결 론 :무시멘트 일체형 압박고정 비구컵을 사용한 고관절 전치환술의 중단기 추시 결과 안정적인 비구컵의 고정, 비구 주위골의 재형성, 낮은 폴리에틸

렌의 마모율 및 골용해를 보여 우수한 고정물로 사료되었다.

색인 단어 :고관절 전치환술, 일체형 압박고정 비구컵

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무시멘트 일체형 압박고정 비구컵을 이용한 일차성 고관절 치환술 - 세라믹 대 폴리에틸렌 관절면의 사용 -

김신윤∙위호욱∙오창욱∙김성중∙김풍택∙인주철∙김석영*

경북대학교 의과대학 정형외과학교실, 영남대학교 금속 및 재료공학부*

1960년대 John Charnley에 의해 시작된 시멘트를 이용한 고 관절 전치환술의 장기 추시 결과 골과 시멘트 사이의 무균성 해

리가 재치환술의 흔한 실패요인으로 밝혀져, 1980년대 부터는 골소주의 내성장(bone ingrowth)을 유도하여 생물학적 고정

239 239 통신저자 : 김 신 윤

대구광역시 중구 삼덕동 2가 50 경북대학교병원 정형외과

TEL: 053-420-5635∙FAX: 053-422-6605 E-mail: [email protected]

Nonmodular One-Unit Cementless Acetabular Compoment in Primary Total Hip Arthroplasty - With Alumina to Polyethylene Articulation -

Shin-Yoon Kim, M.D., Ho-Wook Wee, M.D., Chang-Wook Oh, M.D., Sung-Jung Kim, M.D., Poong-Taek Kim, M.D., Joo-Chul Ihn, M.D., and Suk-Young Kim*

Department of Orthopedic Surgery, Collage of Medicine, Kyungpook National University, Daegu; *School of Metallurgy and Materials Engineering, Collage of Engineering, Yeongnam University, Daegu, Korea

Purpose :Modular acetabular components have the potential of fretting and back side wear leading to osteolysis. The present study evalu- ated the outcomes of total hip arthroplasties (THAS) using a nonmodular cementless acetabular component with those of press-fit titani- um mesh coatings fixed.

Materials and Methods :Eighty-two primary THAS in 75 patients were performed consecutively between April 1995 and August 1998. Sixty- two hips were eligible for follow up for an average 62 months. Mean patients age was 59 years. The clinical evaluation was performed using the modified Harris hip score (HHS), inguinal pain and limping. The radiologic evaluation included, component stability, polyethy- lene wear rate, pelvic osteolysis and the remodeling pattern around the acetabular component.

Results : Mean HHS improved from 50.2 points preoperatively to 90.5 points at the most recent follow up. All components were stable radiologically. The linear polyethylene wear rate was 0.07 mm/year. No pelvic osteolysis was found. Polar gaps found in 25 hips (40%) in postoperative radiographs and disappeared during follow up in 22 hips (88%). One hip was revised due to chronic unreduced dislo- cation.

Conclusion :Total hip arthroplasty with a nonmodular cementless acetabular component seems to enhance satisfactory early mid-term results in terms of stability and acetabular remodeling with minimal wear and pelvic osteolysis.

Key Words : Total hip arthroplasty, Nonmodular cementless acetabular component

Address reprint requests to Shin-Yoon Kim, M.D.

Department of Orthopedic Surgery, Kyungpook National University Hospital 50, 2 Ga, Samduk-dong, Jung-gu, Daegu 700-721, Korea

Tel : +82.53-420-5635, Fax : +82.53-422-6605 E-mail: [email protected]

(biologic fixation)을 얻기 위한 무시멘트 고관절 치환술 개념 이 도입되어 많이 이용되고 있다. 그러나, 무시멘트 고관절 치환 술에서는 삽입물 주위 골용해가 수명을 결정하는 가장 중요한 요 소로 알려져 있으며^10,18,29), 이러한 골용해는 폴리에틸렌 마모와 상관관계에 대한 보고가 있은 후^11,17,26), 폴리에틸렌 마모에 영향 을 줄 수 있는 여러 가지 인자에 대한 연구가 활발하다^3,22,23). 조 합형 비구컵에 있어서 폴리에틸렌 라이너와 금속 비구컵 사이의 미세운동(micromotion)으로 back side 마모가 일어나 골용해를 유발할 수 있다는 보고도 있다^8,12). 최근에는 back side 마모를 줄이기 위해 미세운동을 줄일 수 있는 locking 기전을 향상시키 거나, screw hole이 없고 금속 비구컵과 폴리에틸렌 라이너가 하 나로 된 일체형 비구컵에 대한 관심이 높아지고 있다.

저자들은 back side 마모를 줄이기 위해 폴리에틸렌 라이너와 금속 비구컵의 분리가 없는 무시멘트 일체형(nonmodular) 비구 컵을 이용하여 고관절 치환술을 실시하고 최소 48개월 이상(평 균 62개월)추시 관찰이 가능하였던 환자들에서 임상적 및 방사 선학적 평가를 통해 그 중단기 결과를 알아 보고하고자 하였다.

연구대상 및 방법 1.

1995년 4월부터 1998년 8월까지 무시멘트 일체형 압박고정 비 구컵을 이용하여 고관절 전치환술을 시행하였던 75명 82예를 대 상으로 하였다. 총 82예 중 최소 4년 추시기간 전에 사망한 경우 가 9명 9예, 추시 중 소실된 경우가 6명 6예, 추시를 거부한 예가 5명 5예로 최종 추시시 55명 62예에 대해 임상적 및 방사선학적 평가를 시행하였다. 추시기간은 평균 62개월(48-84개월)이었으며, 수술 시 평균 연령은 59세(34-75세)였고, 남자가 43예, 여자가 19예였다. 수술의 원인 질환으로는 대퇴골두 골괴사증이 47예, 골 관절염이 8예, 대퇴 경부골절이 6예, 류마토이드 관절염이 1예로 대퇴골두 골괴사증이 다수를 차지하였다.

2.

무시멘트 일체형 비구컵(Sulzer, Baar, Switzerland)의 외부 표면은 4층의 순수한 티타늄 그물망(Sulmesh)으로 세공 피복 (porous coating)되어 있고, 그 상부에 돌출된 쐐기못(anchorage spigot)은 Ti6Al7Nb 합금으로 구성되어 있으며 다공성의 속이 빈 원주형태로 회전과 경사 능률을 막아 초기 비구컵의 안정성을 증가시킬 수 있도록 고안되어 있다. 비구컵의 내면은 ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE)로 이루어져 있으 며 외부의 티타늄 그물망과 일체형으로 shrink-fit 공정을 통해 삽입되어 있다. 또한 티타늄 그물망의 세공 크기를 내부로 갈수 록 줄여 줌으로써 생체조직과 인공 삽입물간의 급격한 형태 조직 학적(histomorphological), 기계적 변화(mechanical transition) 를 막을 수 있도록 제작된 생물학적 통합(biologic integration) 개념의 삽입물이다^19,20). 비구컵 하부 반구는 20^°경사를 이루고 있는데 이는 외전시 대퇴 전자간부와 비구컵 변연부의 충돌을 막

기 위해 고안된 것이다(Fig. 1). 비구컵은 완전한 반구모양이 아 니어서 1.5 mm적게 확공을 함으로써 비구컵의 정점이 편평해지 고 극간간격이 형성되어 변연부에 압박력을 가중 하면서 고정이 되며, 완전한 구형의 비구컵보다 접촉면을 넓힐 수 있다. 대퇴부 스템은 37예에서 무시멘트(CLS, Protek, Winterthur, Switzer- land)형을 25예에서 시멘트형(MS-30, Protek, Winterthur, Sw- itzerland) 스템을 사용하였다. 관절면은 28 mm 세라믹 헤드 (alumina)와 UHMWPE조합을 사용하였다.

수술은 모두 제 1저자(KSY)에 의해 측와위에서 후측방 도달 법을 이용하여 시행하였으며, 수술 후 양측 슬부 사이에 삼각형 모양의 외전 보조기를 착용하였으며, 1주 후 부터 목발이나 보행 기를 이용하여 부분체중 부하운동을 실시하였고, 수술 후 6-8주 사이에 전 체중 부하보행을 허락하였다.

3.

환자의 추시는 수술 후 3개월, 6개월, 12개월에 하였으며, 그 후에는 1년 간격으로 실시하였다. 임상적 결과의 평가는 HHS와 서혜부 및 둔부의 동통, 대퇴부 동통과 파행의 여부를 조사하였 다. HHS는 90점 이상을 우수(Excellent), 80점에서 89점을 양 호(Good), 79점에서 70점을 보통(Fair), 69점 이하는 불량(Poor) 으로 분류하였다. 동통은 활동에 연관되나 일상 생활에 지장을 주지 않으며 투약을 요하지 않는 경우를 경도(mild), 통증으로 활동에 변화가 있으며 가끔 투약을 요하는 경우를 중등도(mod- erate), 일상 생활에 심각한 제한이 있는 경우를 중증(severe)

Fig. 1.This photographs shows a nonmodular press fit cup with 4 layers of titanium wire mesh (SULMESH) coating (Sulzer, Baar, Switzerland). Note that the peg (perforated hollow cylinder) increas- es the stability of the cup against rotational and tilting, and the bevel at the equator diminishes the risk of dislocation by preventing im- pingement when the hip is abducted.

으로 분류하였다.

방사선학적 평가는 가급적 모든 환자에서 동일한 각도와 조건 으로 촬영한 수술 직후 및 최종 추시 시의 고관절 전후방 사진에 서 측정상의 오차와 편견을 줄이기 위해 수술과 무관한 정형외과 의사(HWW)에 의하여 비구컵의 수평 혹은 수직이동을 포함한 안정성과, 폴리에틸렌의 마모, 비구컵 주위 골 용해 및 재형성에 대해 조사하였다. 비구컵의 안정성에 대한 평가는 Capello 등⁵⁾과 Kawamura 등¹³⁾의 분류에 따라, 방사선 투과선이 없거나 있더 라도 1, 2영역에 국한되면서 비구컵의 이동이 없는 경우를 골성 안정(bony stable), 방사선 투과성이 전 영역에서 모두 관찰되 나 비구컵의 이동이 없는 경우를 섬유성 안정(fibrous stable), 그리고 비구컵이 2 mm 이상이나 5^°이상 이동하였을 경우 불 안정(unstable)으로 구분하였다. 폴리에틸렌의 마모는 0.01 mm 까지 측정할 수 있는 디지털 캘리퍼(Digmatic caliper, Mitutoyo campany, Japan)를 이용하여 Dorr 등⁷⁾의 방법에 의한 수술 후 방사선과 최종 추시 방사선에서 비구컵의 하연과 상연에서 대퇴 골 두 외연과 비구 컵 외연 사이의 거리를 측정하여 차이를 반으 로 나눈 값으로 하였다. 28 mm 대퇴골 두의 직경을 기준으로 확대비율을 보정하였다.

비구컵 주위의 방사선 소견은 Delee와 Charnley의 방법⁶⁾에 의 해 비구컵 주위를 I, II, III의 3개의 구역으로 나누어 비구컵 주 위의 방사선 투과성선(radiolucency)을 측정하여 2mm 이상인 경우를 유의한 것으로 판정하였는데, 제 2구역에서는 컵의 구조 상 비구와 완전히 접촉하지 않기 때문에 제 2구역에서의 방사선 투과 소견은 제외하였다. 극간간격^19,20)의 측정은 비구컵의 정점 에서 비구골까지의 최대 거리를 측정하였고, 수술 직후 극간간격

및 연골하 낭종의 최종추시 시 골소주로 재형성 되는 양상을 조 사하였다. 이소성 골형성은 Brook 등⁴⁾의 분류에 따라 분류하였다.

통계학적 분석으로는 폴리에틸렌의 마모율과 나이, 성별, 진 단명, 체밀지수(Body mass index), 폴리에틸렌 두께, 비구컵 경사각과 전향각 등과의 연관성을 t-test, Pearson 상관분석 및 chi-square test를 이용하였고 유의성은 p<0.05로 하였다.

결 과 1.

HHS는 수술 전 평균 50.2점에서 최종 추시에서 90.5점으로 향상되었으며, 우수 40예, 양호 12예, 보통 8예, 불량 2예로 52예 (84%)에서 우수 또는 양호의 결과를 보였다. 수술 전 전례에서 보였던 서혜부 및 둔부 동통은 최종추시시 8예로 감소 하였으며, 중등도 이상의 동통은 수술 전 52예에서 최종 추시상에 3예(4.8

%)로 감소하였다. 파행은 수술 전 22예에서 수술 후 마지막 추 시상에 4예(6.5%)로 감소하였다. 대퇴부 동통은 3예에서 호소하 였으며 대부분 보행 후에 생기는 동통이었으며 동통으로 인한 옥 외 활동에 제한 받는 예는 없었다.

2.

비구컵의 고정 안정성에 있어서 골내 성장에 의해 골성 안정을 보인 경우가 60예(97%), 섬유성 결합에 의한 안정을 보인 경우 가 2예(3%)였으며, 비구컵의 이동을 포함한 불안정성을 보인 경 우는 없었다(Fig. 2). 사용된 폴리에틸렌의 평균 두께는 13 mm 이었고 최소 9.75 mm에서 최대 15.75 mm이었다. Dorr 방법에 의한 폴리에틸렌의 선형마모율은 평균 0.38 mm (0.05-1.58 mm),

Fig. 2.Postoperative radiograph showing a press-fit acetabular compomemt with appropriate position (A). After 84 months, the component was well fixed without migration. Note minimal polyethylene wear and no periprosthetic osteolysis (B).

A B

연간 마모율은 평균 0.07 mm/year (0.01-0.23 mm/year)이었 다. 폴리에틸렌의 마모율과 나이, 성별, 체밀 지수, 진단명, 비구 외전각 및 전경각과는 통계학적 의의가 없었으나, 폴리에틸렌의 두께와 통계학적으로 유의한 상관관계가 있었다(p=0.049).

비구컵 주위 골용해는 없었으며, Delee와 Charnley의 zone I, III에 방사선 투과성 선이 2 mm 이상인 경우도 없었다. 수술직

후 25예(40.3%)에서 관찰 되었던 극간 간격은 최종 추시 시 3 예를 제외하고 모두 없어졌으며 평균소실 기간은 27개월(6-48 개월)이었다(Fig. 3). 또한 수술 직후 9예(15%)에서 연골하 낭 종이 관찰 되었으나 최종 추시 시 전례에서 재형성되어 골 소주 로 대치된 소견을 보였다.

대퇴 스템 주위 골용해는 3예에서 있었는데 모두 시멘트를 사 용한 군에서 발생하였으며, 1예는 미만성, 2예는 Gluen의⁹⁾ zone I, VII에 국소적으로 나타났다.

3.

합병증으로는 이소성 골형성증이 8예, 탈구가 6예, 일시적 좌 골 신경 마비가 2예, 심부정맥 혈전증이 1예였다. 이소성 골형성 증은 Brooker 등⁴⁾의 분류에 따라 class I이 4예, class II가 3예, class III가 1예 이었다. 탈구는 외전 보조기 6주간 착용 후 재발 없이 치유되었으며, 1예만이 재발성 탈구 소견을 보였는데 추시 경과 관찰이 소실되었던 환자로, 수술 후 64개월에 만성 탈구소 견 및 스템 주위골절로 재치환술을 실시하였다. 이 때 티타니움 그물망 코팅안으로 골 내성장이 잘 된 것을 관찰할 수 있었다 (Fig. 4). 일시적 좌골 신경 마비는 모두 수술 2개월 후에 호전 되었고, 수술 후 심부 정맥 혈전증을 보였던 1예는 내과적인 치 료로 호전을 보였다.

고 찰

시멘트 기법의 발달로 대퇴스템의 수명이 많이 향상되었으나, 비구컵의 경우 그에 비례하는 향상을 보이지 못하여 비구측 해리 는 여전히 중요한 문제점으로 남아 있다. 반면에 세공 피복 처리 Fig. 3.Immediate postoperative radiograph showing the polar gap between the acetabulum and pole of the cup, and subchondral scle- rosis (A). Forty-eight months later, the gap had disappeared and was bridged by a trabecular structure. The radiograph also shows can- cellization of the sclerotic bone (B).

A B

Fig. 4.The photograph shows a bony ingrowth through the layers of wire mesh when well fixed acetabular component was revised due to chronic unreduced dislocation and periprosthetic fracture.

된 무시멘트 비구컵의 경우 시멘트 컵 보다 우수한 결과를 보고 하고 있으나^15,27), 골용해가 가장 흔한 합병증의 하나로 알려져

있다^10,22,25). 따라서 비구컵 고정에 있어서 안정성과 마모에 의한

골용해가 인공관절의 수명을 결정한다고 할 수 있다.

비구컵의 안정성 문제에 있어 이 연구에서는 최종 추시 상 비 구컵의 이동을 포함한 불안정성을 보인 경우는 없었다. 이것은 사 용된 비구컵이 최종 확공된 크기보다 1.5 mm 큰 비구컵을 압박 고정함으로서, 비구 정점 부위를 편평하게 하여 비구컵이 기울어 진다거나 흔들리는(rocking) 것을 최소화 시킬 수 있었고 추가 적인 나사못의 고정 없이 하나의 돌출된 쐐기 못으로 초기 안정 성을 줄 수 있다는 점과 티타니움 그물망 코팅위로 osseointegra- tion이 잘 일어나 골세포와 삽입물 표면간의 직접적인 결합에 의 한 이차적인 안정성에 기인한다고 판단되었으며 무시멘트 비구 컵 고정의 궁극적인 목표를 이룬데 기인한다고 사료되었다¹⁾. 실 제로 1예의 재발성 탈구로 인한 재치환술을 실시한 환자의 삽입 물에서 비구컵의 표면에 골내성장을 확인할 수 있었다.

비슷한 추시 기간의 다른 무시멘트 비구컵 디자인의 경우 2.3- 18%의 비구 골용해율를 보고^2,16,29)하고 있는데 반하여 본 연구에 서는 비구 측 골 용해를 보인 예는 없었으며, Dorr 방법에 의한 폴리에틸렌의 선형마모율은 평균 0.38 mm (0.05-1.58 mm)이 었고, 연간 마모율은 평균 0.07 mm/year (0.01-0.23 mm/year) 로 다른 유형의 무시멘트 비구컵 보다 낮았다^16,25,28). 이는 Morsch- er 등¹⁹⁾과 Young 등²⁸⁾에 의한 일체형 비구컵의 경우 매우 낮은 비구 측 골 용해율을 보였다는 보고와 일치하며 여기에는 몇 가 지 요소가 작용한 것으로 보인다. 먼저 압박 고정 비구컵이 일체 형으로 liner와 shell 간의 높은 일치성(conformity)으로 미세운 동에 의한 backside마모가 없으며, 또한 고정나사 홈이 없어 마 모가 있더라도 마모입자가 이동할 확률이 거의 없다. Huk 등¹²⁾ 은 조합형 비구컵에서는 폴리에틸렌과 금속비구컵 사이의 미세운 동에 의한 backside마모로 골용해를 유발할 수 있다고 하였다.

또 일체형 비구컵의 경우 두꺼운 폴리에틸렌의 두께를 얻을 수 있다. 이 연구에 있어서도 사용된 폴리에틸렌의 평균 두께가 13 mm (9.7-15.75 mm)로 타 연구에 비해 두꺼웠으며, 마모율과 의 상관 관계에 대한 분석에서도 통계학적으로도 유의한 소견을 보였다(p=0.049). 다른 요인으로는 세라믹 헤드와 폴리에틸렌 관절면 조합을 사용함으로써 마모율을 낮출 수 있었다고 판단된 다²⁴⁾. 인공 관절에서 생성되는 마모 입자가 골용해를 유발시키는 인자로 삽입물의 무균성 해리를 유발시킬 수 있다고 알려 지면 서 폴리에틸렌 마모에 영향을 미칠 수 있는 인자에 대한 연구가 활발하였으나^3,22,23) 본 연구에서는 나이, 성별, 진단명, 체밀 지 수(Body mass index), 비구컵 경사각이나 전경각 등 인자와 마 모율 간의 통계학적 유의성은 없었다. 탈구는 추시가 되지 않았 던 6예를 제외한 76예(추시 4년에 전에 사망한 9예와 추시 거부 한 5예에서는 탈구의 병력이 없었던 것을 가족이나 환자 본인과 통신상으로 확인 할 수 있었다) 중 6예에서 발생되어 7.9%의 발 생율을 보였다. 이는 모든 수술이 후측방 도달법을 이용하였고,

디자인 특성상 비구 컵에 20^°경사각을 주었기 때문으로 추측되 나, 이에 대해서는 전향적인 비교연구가 필요할 것으로 사료된다.

본 연구에 사용된 비구컵은 4층의 티타니움 그물망 코팅이므 로 금속 비구컵과 단순 폴리에틸렌 컵의 중간 탄성을 가짐으로 써 비구컵 주위의 골소주의 성장과 재형성을 볼 수 있으며^19,20), 변연부 압박고정으로 Delee와 Charnley II구역을 통한 부하를 최소화 시킬 수 있어. 생리적인 조건에 가까운 체중 전달을 가 능하게 한다. 이러한 이유로 II구역에 극간 간격이 발생할 수 있 으며, 방패차단 효과(stress shielding)를 통한 골 위축이 일어날 수 있다. 실제 본 연구에서 수술 후 25예(40.3%)에서 극간 간격 이 관찰 되었으나 최종 추시 시 3예를 제외하고 모두 없어졌으며, 수술 직후 극간 간격이 있는 경우가 없는 경우보다 비구컵의 이 동이 적었으며²¹⁾ 방사선 투과성 선이 Gruen zone I, III에 없다 는 것은 변연부에 압박고정으로 비구컵 표면이 골조직에 밀착되 어 마모입자의 이동도 차단될 수 있었다고 생각되었다. 또 9예에 서 관찰되었던 연골 하 낭종이 최종 추시 상 사라진 것도 비구컵 의 탄성과 생리적인 하중전달에 의한 영향이 어느 정도 반영되 었다고 생각되었다. 그러나 수술 시 비구컵의 위치가 잘못 되어 다시 고정을 할 때 더 큰 컵을 사용하여야 한다. 또 일체형 비구 컵의 폴리에틸렌 라이너만 재치환할 필요가 있을 경우, 비록 일부 에서 일체형 비구컵 라이너의 재치환 술기를 보고하고 있으나¹⁴⁾, 골내성장이 된 비구컵에서 폴리에틸렌만을 교체할 수 없다는 단 점이 있다²⁸⁾. 이 연구에서도 1예의 재발성 탈구 환자에서 골내 성장이 잘 일어난 비구컵에서 폴리에틸렌만의 교체는 불가능하 여 컵 전체를 교체하였다.

결 론

무시멘트 일체형 압박고정 비구컵을 사용한 고관절 전치환술의 중단기 추시 결과에서 안정적 비구컵의 고정, 낮은 폴리에틸렌의 마모율 및 골용해, 비구 주위골의 재형성을 관찰할 수 있었다.

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