DOI: 10.5124/jkma.2011.54.3.313 pissn: 1975-8456 eissn: 2093-5951 http://jkma.org Continuing Education Column 송은규 선종근 * 박경순 윤택림 화순전남대학교병원정형외과서울대학교병원 The evloution of total knee and hip joint arthroplasty Eun-Kyoo Song, MD Jong-Keun Seon, MD* Kyoung-Soon Park, MD Taek-Rim Yoon, MD Department of Orthopedic Surgery, Chonnam National Univeristy Hwasun Hospital, Hwasun, Korea *Corresponding author: Jong-Keun Seon, E-mail: eksong@chonnam.ac.kr Received December 15, 2010 Accepted January 5, 2011 The evolution of total joint replacement is not merely of historical interest. We review the historic development of total joint arthroplasty to look at what has been selected and what has not selected in the past. For more than 30 years, total joint arthroplasty has been progressively developed to improve functional outcomes and survivorship. There has been debate regarding the presence of posterior cruciate ligament (cruciate retaining vs. posterior stabilized) and bearing articulation (fixed vs. mobile). Unicompartmental knee arthroplasty is used through minimally invasive surgery with relatively good results. Still, liner wear and limitation in the range of motion were concerns, prompting the development of highly cross-linked polyethylene and hyperflexion design prostheses. Although there have been a number of improvements in the design and concepts behind hip joint arthroplasty for many years, fixation methods and bearing surfaces are still in debate. Future developments in total joint arthroplasty should be focused on improved function, wear reduction, enhanced kinematics, and increased range of motion. We can look forward to further advancements in total joint arthro-plasty in the area of new materials and designs. Keywords: Total joint arthroplasty; History; Development 인공슬관절치환술 40 년이다되어가는근대적형태의인공슬관절치환술 (knee arthroplasty) 의진화과정은역사적으로실패와재발견의반복이다. 초창기 (1970-1974) 의인공슬관 절치환술에는 unicondylar, duocondylar, 또는경첩 (hinged) 방식의치환물을선택하여사용하였으나성공률이좋 지못하여도태되었다. Total condylar 방식의치환물이성 공적으로개발되어후방십자인대대치형인공슬관절치환 술의모델이되었다. 최근에는특정환자들에게 unicondylar 치환물이성공적인결과를보여주었고, 구속형 (constrained) 과경첩형두가지치환물도각각재수술이나복합수술등에서의유용성을인정받고있다. 고정형베어링 (fixedbearing) 관절의문제를개선하기위하여가동형베어링 (mobile-bearing) 관절이개발되었으며, 최근신소재의개발로무시멘트고정인공슬관절치환물이다시관심을끌고있으며, 또한세라믹이나교차결합폴리에틸렌같은신소재의개발과, 굴곡을최대화하고운동성과내구성을높이기위 c Korean Medical Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons. org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 대한의사협회지 313
Song EK Seon JK Park KS Yoon TR 한인공관절디자인, 최소침습수술등인공슬관절치환술의끊임없는개선이시도되고있다. 1. 인공슬관절전치환술 1) 초기의인공슬관절모델 (1) 삽입물 (interposition) 과표면재건 (resurfacing) 인공관절치환술 Ferguson [1] 은슬관절의연골부분을절제하여연골하골표면 (subchondral surface) 으로슬관절운동을시도하는절제인공관절술 (resection arthroplasty) 을시도하였으나그결과가좋지않았고 1863년에 Verneuil에의해관절면을재건하기위해연부조직을삽입하는삽입물인공관절술 (interposition arthroplasty) 이제안되었다. 그이후돼지방광, 나일론, 대퇴근막, 무릎전면부활액낭, 셀로판등을이용한삽입물인공관절술이이용되었으나, 그결과들이좋지않아더이상시행되지않았다. 고관절에서의 mold arthroplasty의성공적결과에힘입어 Campbell과 Smith-Peterson에의해금속대퇴부 mold arthroplasty가고안되었으며 [2], McKeever와 MacIntosh 에의해경골의반관절치환술 (hemiarthroplasty) 이고안되었으나동통완화효과가미흡하고초기에치환물의실패가많아널리사용되지못하였다 [3]. (2) 경첩형치환물 Walldius [4] 에의해대퇴골과경골의관절면을모두대치하는경첩형치환물이 1950년대에개발되어사용되기시작하였다. 경첩형치환물은골수강내스템 (stem) 이인공슬관절을스스로정렬하게만들고, 치환물의기계구조적으로안정하기때문에모든인대들과연부조직들을제거할수있어기술적으로이용하기에수월한장점을가지고있다. 하지만이러한단순경첩형치환물은슬관절의복잡한운동을재현할수없고, 치환물과골접촉면으로의과도한부하전달에의한조기해리 (loosening) 및감염으로인한실패율이높아널리사용되지못하였다. 2) Bicompartmental prosthesis 1971년 Gunston [5] 은다중심 (polycentric) 인공슬관절치환물을개발하였다. 이는 Charnley의저마찰고관절치환 술의개념들을도입한것이었다. Gunston의인공슬관절은대퇴부 condyles의뒷부분을대신하는반구형태의대퇴치환물과고밀도폴리에틸렌으로구성된비교적편평한경골치환물로이루어져있다. 이구조물들은골시멘트로골에고정하여 femoral roll-back 이라고알려진복잡한움직임을재현하도록했다. 다중심인공슬관절치환물은슬관절의향상된운동범위및가동성덕분에초반에성공을거뒀으나치환물의고정이불충분하여실패하였다. Geomedic 인공슬관절치환물은 1972년 Mayo Clinic의 Coventry 등 [6] 에의해소개되었으며, 폴리에틸렌경골받침부분이하나의구조로되어있어시상면에서대퇴 condyles 치환물과관절을이루도록하였다. 이디자인은원래십자인대를유지하려하였으나십자인대때문에관절운동을많이얻을수없었다. Freeman 등 [7] 의 Imperial College London Hospital 디자인은관절낭과측부인대의장력에의해시상면에서대퇴치환물과경골치환물이 roller-in-trough 개념으로개발되었다. 전방및후방십자인대는보통제거하였다. 경골치환물은가능한감염위험성을최소화하고 salvage procedure로서의슬관절기능을최대화하기위해골수강내스템이없었다. 따라서경골치환물의해리가이후에주요단점이되었다. 1970년대중반에개발된 duocondylar 치환물은해부학적으로슬관절과유사하게디자인되었다 [8]. 대퇴부치환물은두개의 unicondylar 치환물이앞쪽의 bridge에의해연결되어있고두개의편평한경골받침과관절하는데, 이받침구조는이전의다중심인공슬관절치환물에비해훨씬넓었다. 하지만이디자인에서는경골치환물의붕괴와변형이흔했다. 3) Tricompartmental prosthesis 1970년대초에다음의 3종류의 condylar 치환물이개발되면서근대적인인공슬관절의시대가시작되었다고볼수있다. 첫째, 1976년 Hospital for Special Surgery에서는 Ranawart 등 [8] 에의해 duocondylar 치환물이개발되었고, 둘째, Coventry 등 [6] 은 geometric 치환물을, 셋째, Townley[9] 는 anatomic 치환물을개발하였다. 이러한 condylar 치환물은전후방십자인대를모두보존하여슬관절의 314
The evloution of total knee and hip joint arthroplasty 의학강좌 안정성을제공하였고, 골시멘트를사용하여골에고정하였다. 그러나초기의 condylar 치환물중 geometric type과 anatomic type은고정부위의조기해리로인한실패로생산이중단되었으며, duocondylar type은 Hospital for Specisl Surgery를축으로연구를통한수정보완으로 1976년 Walker 등 [10] 에의해경골스템을가진최초의 total condylar 치환물로진화되어오늘날후방십자인대대치형인공슬관절의초기형태가되었다. Total condylar 치환물은전방및후방십자인대를제거하는디자인이다. Chrome cobalt로구성된대퇴삽입물은편평한슬개골 trochlear groove를가진이중만곡의대칭적인대퇴과를특징으로하였다. 경골삽입물은전체가폴리에틸렌으로되어있으며굴곡과신전상태에서적합성 (conformity) 이좋고, 경골관절면에전방과후방 lip이있으며, 중앙관절면에융기 (eminence) 가있어전후방및내외측안정성을얻을수있었다. 또한경골삽입물에스템이있어비대칭적인부하에도견딜수있게고안되었다. 슬개골삽입물은반구형으로전체가폴리에틸렌으로구성되었으며, 중앙에고정 lug이있어골시멘트로고정하도록되어있었다. 이러한초기의 total condylar 치환물의특징은지금사용되는대부분의인공슬관절치환물에도반영되어있다. 이러한 total condylar 치환물의발전과더불어후방십자인대를보존하는 duocondylar 치환물의변형인 duopatellar 치환물이개발되었다. Duopatellar 치환물은대퇴삽입물의 trochlear groove 를해부학적으로정상슬관절과비슷하게고안하였으며, 폴리에틸렌으로만들어진슬개골삽입물과관절을이룰수있게하였다. 경골삽입물의초기모델은내측과외측이분리되어있었으나이후내측과외측이연결된일체형이개발되어사용되었다. Duopatellar 치환물은 kinematic condylar 치환물로발전되어 1980년대에널리사용되었다 [11]. 초기의 total condylar 치환물은굴곡간격 (flexion gap) 의균형이맞지않으면굴곡시 roll-back이생기지않고경골부가후방으로아탈구되어운동범위가감소하는문제점이있었다. 초기의임상결과에의하면평균운동각도는약 90-100 정도였다. 이러한문제점을해결하기위하여 Insall 등 [12] 이후방십자인대대치형인공슬관절의대퇴치환 물에 cam을, 경골치환물에 post를더해 70 정도굴곡되었을때대퇴치환물의후방전위를도모해굴곡을증가시키기위한인공관절을개발하였다. 이러한 Insall-Burnstein과 Kinematic 치환물이근대적인인공슬관절치환물의근간이되었다. 그러나근대적인공관절의디자인적발전에도불구하고 1980년대와 1990년대에인공슬관절후에대퇴슬개관절의합병증이많이발생하여, 현재사용되고있는인공관절은대퇴슬개관절의접촉부위를증가시키고슬개골의외측전위를막을수있게고안되어사용되고있다. 지금부터여러가지의인공슬관절치환물의종류와각기장점과단점에대해서알아보도록하겠다. (1) 후방십자인대보존형및대치형인공슬관절모든인공슬관절의경우에전방십자인대를제거하는것을원칙으로하고있지만후방십자인대는인공관절의종류에따라보존하기도하고절제하기도한다. 후방십자인대를유지하는보존형은대치형보다계단오르기같은운동기능을수행하는데더낫다고인식되고있으며, 또한골소실이적어재치환술이용이하다는장점이있다. 하지만퇴행성관절염을가진슬관절은주위의모든연부조직이구축되어있어후방십자인대를보존하는경우연부조직의균형이쉽지않은것으로되어있으며, 후방십자인대의조임으로폴리에틸렌삽입물에과도한압력증가로인해인공관절조기실패의원인이될수있다 [13]. 후방십자인대대치형의경우비교적심한변형을가진퇴행성슬관절의경우에도인대균형이쉽고 60-70 굴곡에서경골치환물의 post가대퇴치환물의 cam에접촉되면서대퇴골의후방전위를유도하므로비교적만족할만한 roll-back을가능하게해슬관절의충분한굴곡을얻을수있다는장점이있다 (Figure 1)[14]. 그러나 intercondylar notch의골소실로인해추후재치환술시힘들고대퇴골이작은환자에서는수술중이나수술후에골절이생길수있다는단점이있다. 그러나생체역학적인면에서는아직까지후방십자인대보존형이나대치형모두정상적인슬관절의생체역학을복원하지는못하며지속적인연구개발이필요하다하겠다. 임상적인결과에있어서는두인공슬관절간의차이가없다는의견이지배적이다. 대한의사협회지 315
Song EK Seon JK Park KS Yoon TR Figure 1. Posterior-stabilized prosthesis showing that the postand-cammechanism offers no restraint to varus or valgus stability. (2) 고정형과가동형베어링디자인전통적인고정형베어링인공슬관절치환물은시술후 10-15년정도매우좋은임상결과를보이고있다. 하지만, 젊은환자에서는폴리에틸렌마모에의한장기내구성에문제가발생할수있다. 폴리에틸렌마모는근본적인재료자체의개선과관절면에서의접촉스트레스를감소시킴으로써감소될수있다. 접촉스트레스감소는대퇴골치환물과폴리에틸렌삽입의적합성을증가시킴으로써이뤄질수있다. 하지만, 고정형베어링인공관절에서는적합성과자유로운운동범위사이의 trade-off( 한쪽이증가하면다른쪽은감소하게되는현상 ) 때문에접촉스트레스에관한두드러진개선은현실적으로불가능하다. 그리하여고정형베어링인공슬관절의문제를해결하고자접촉스트레스를줄이고운동의자유도가유지되는가동형베어링인공슬관절치환물이개발되었다. 1986년, Goodfellow와 O connor [15] 에의해 bicondylar형의가동형베어링인공슬관절인 Oxford 인공슬관절이최초로개발된이후로 Beuchel과 Pappas [16] 는적은접촉스트레스를특징으로하는 low contact stress 라고알려진반월판지지치환물을개발했다 (Figure 2). 그러나이러한가동형베어링치환물의경우굴곡신전간격 Figure 2. Low contact stress prosthesis (Courtesy of Dr. DePuy). 균형이맞지않은경우베어링이이탈될수있다는단점이있다. 유럽에서는이가동형베어링치환물이수십년동안임상적으로사용되어좋은결과를보고하고있으나최근연구들에의하면고정형베어링치환물을사용한인공슬관절치환술의결과와차이가없다. (3) 무시멘트형및시멘트형치환물골시멘트고정의장기추시상의내구성에대한고민은 1980년에무시멘트고정형디자인의인공슬관절치환물의개발을촉진시켰다. Hungerford 등 [17] 에의해개발된첫번째디자인은 porous-coated anatomic이었다. 다른예는 Miller-Galante, Miller-GalanteII, Tricon-M, Genesis, 그리고 Ortholoc 등이있다. 불행하게도, 이러한치환물을이용한인공슬관절의높은무균성해리 (aseptic loosening) 는시멘트형인공슬관절보다높은실패를가져왔다. 결과적으로, 무시멘트형인공슬관절은광범위하게사용되지못하였으나최근에는골의 ingrowth를촉진시키는새로운재료가 316
The evloution of total knee and hip joint arthroplasty 의학강좌 Figure 3. The Legacy Constrained Condylar Knee prosthesis (Courtesy of Zimmer). 개발되면서젊은환자에서다시무시멘트형인공슬관절의 사용이시도되고있다. (4) 구속형 condylar 치환물 초기모델의구속형 condylar 치환물은 Insall 등에의해 고안되었고, 후방십자인대대치형인공관절과비슷하지만 폴리에틸렌의 post 가더두껍고길어, 뒤쪽으로의움직임뿐 아니라외반과내반에대해서도어느정도안정성을제공할 수있도록하였다 [18]. 이러한초기모델은 Legacy Constrained Condylar Knee (LCCK; Zimmer, Warsaw, IN, USA) 로진화하였다 (Figure 3)[19]. 그러나 LCCK 를이용한 인공슬관절에서도과도한구속때문에여전히치환물의해 리에의한실패가문제시되고있다. 그러므로어려운인공 슬관절치환술중에는구속이필요한정도를고려하여수술 중사용여부의판단이이뤄질수있다. 예를들어, 심한외 반슬관절에서는 LCCK 치환물을사용하는것이좋을수있 지만, 가능하다면구속형경골삽입물보다는후방십자인대 대치형경골삽입물을쓰는것이좋다. (5) Cross-linked 폴리에틸렌베어링및고도굴곡형인 공치환물 지금까지인공슬관절의디자인과재료의발전에힘입어 장기생존율은높아졌으나, 폴리에틸렌베어링의마모로인한인공슬관절의재치환술이적지않게필요한점과고도굴곡이불가능한점이인공슬관절치환술을받은많은환자들의불만족의원인이되고있다. 기존의폴리에틸렌베어링의마모를줄이고자 1990년대에 cross-linked 폴리에틸렌베어링이개발되어인공고관절에사용되었으며, 그효과도입증되었다. 그러나인공슬관절에있어서는아직까지많이사용되고있지않으며, 이에대한연구또한많지않은실정이다. 일반적으로인공슬관절치환물의술후관절운동범위는대개 120 미만으로보고되고있다. 이에최근에는정상슬관절과같은정도의운동범위를얻고자대퇴치환물의후과부를두껍게하여, 베어링과접촉되는면적을넓힘으로써접촉압력을적게하고마모를줄여, 고도굴곡시의안정성을증가시킨, 고도굴곡형대퇴삽입물이개발되어사용되고있다. 또한고도굴곡시발생할수있는슬개건인대와베어링간의충돌을베어링의전방을비스듬히잘라낸개념의고도굴곡형베어링도고안되었으며, 많은실험연구에서기존인공슬관절치환물에비해고도굴곡형인공슬관절치환물사용시적은접촉부하와넓은운동범위를얻을수있다고보고하였다. 그러나두인공슬관절치환물을사용한임상비교연구에의하면고도굴곡형인공슬관절치환물에서의슬관절굴곡범위의증가에대한효과는입증되지않았다. (6) Ultracongruent 폴리에틸렌베어링후방십자인대보존형인공슬관절치환물을사용할때가장중요한것은후방십자인대의균형을맞추며, 수술중발생할수있는후방십자인대파열에의한굴곡시불안정성을막는것이다. 이러한이유로 deep-dished 폴리에틸렌삽입물, 또는 ultracongruent 삽입물이개발되었다. 이삽입물은관상면과시상면에서중등도의적합성을지니는데이는삽입물의전방 lip 부분을올려, 굴곡시의들어올려짐을막고, 후방아탈구 (subluxation) 을막아, 궁극적으로역설적전방전위운동 (paradoxical anterior translation) 으로생길수있는 edge loading을막을수있다. 또한 ultracongruent 베어링을사용함으로써후방십자인대안정형인공슬관절치환물을사용할때잠정적으로발생할수있는 cam-and-post 부위의마모현상을줄일수있고, 대퇴과간 대한의사협회지 317
Song EK Seon JK Park KS Yoon TR A B Figure 4. Unicompartmental knee system (B: Courtesy of Zimmer). 절흔부위의골소실을막을수있다. 또한이베어링은인공슬관절치환술에서후방십자인대를유지하면서중등도이상의적합성을줄수있는구조물로서사용될수있는예전의다른특정한치환물에서볼수없는새로운개념이며, 후방십자인대보존형및대치형, 안정형의비교연구와함께임상적결과에대한장기추시가필요할것으로생각된다. 2. 단일구획슬관절치환술 1950년대부터소개되어지금까지사용되고있으나아직까지도단일구획슬관절치환술 (unicompartmental knee arthroplasty) (Figure 4) 에대한결과에는논란의여지가많다. 1970년초반에몇몇저자들이단일구획슬관절치환술에대한좋지않은결과를내놓았으나그후약 10년동안, 수술기법이정교해지고, 적절한환자의선택으로좋은결과가보고되고있다 [20]. 단일구획슬관절치환술의개념은비교적관절염의정도가심하지않으며, 단일구획에만질환이한정되어있을경우사용될수있다. Repicci와 Eberle [21] 의최소침습방법 (minimally invasive techniques) 의소개와함께, 최근단일구획슬관절치환술은많은관심을불러일으켰다. 인공슬관절전치환술과비교해볼때, 단일구획 슬관절치환술은전후방십자인대를보존하고거의정상에가까운슬관절의운동을회복시킨다는장점이있다. 또한골소실이적다는장점이있기때문에이론상으로는재치환술을시행하기더욱용이하다 [22]. 최근에보고된단일구획슬관절치환술의장기생존률은약 85-95% 로전치환술의생존율과비슷하게보고되고있어적절한환자의선택과정확한술기가사용된다면좋은수술법으로받아들여지고있다. 인공고관절치환술 초기의고관절질환치료에는관절유합술이나, 신경절제술, 관절의변연절제술등이시도되었으며, 현재고관절인공관절전치환술에이르기까지지난 100여년간많은발전을이룩하였다. 많은외과의사들과생체재료학자들이발전에기여하였고그중 John Charnley경은그의과거많은시술을통한배움을바탕으로인공관절에서기존에해결하지못한문제점을해결하였다 [23]. 현재에도 Charnley경에의한혁신적인발전이고관절인공관절전치환술에있어서기본이되고있으며, 이를바탕으로지속적인발전과진화를거듭하고있다. 318
The evloution of total knee and hip joint arthroplasty 의학강좌 탈리아볼로냐의 Putti 및멤피스의 Campbell, 보스톤의 Mac-Ausland는삽입물로서대퇴근막을이용하였다 [27-29]. 1913년 Loewe는삽입물로서피부조직을사용했으며, 1955년에는전층두께의피부를삽입하는방법이핀란드의 Kalle Kallio에의해서소개되었다 [30]. 이런다양한시도들은결국실패하였지만이후에도생체에적합하면서고관절에주어지는부하를이길수있는물질에대해다양한연구가진행되었다. Figure 5. Moor hemiarthroplasty prosthesis. There is a long stem fenestrated to reduce its weight. 1. 절골술과개재관절성형술 (Interposition arthroplasty) 1826 년 John Rhea Barton 은강직성고관절에서대전자 와소전사사이에절골술 (osteotomy) 을시행하여가관절을 만들어주었고이러한것이고관절질환의치료에도움이될 수있음을보고하였다 [24]. 이런치료는초기에는결과가좋 았으나불행하게도몇몇성공의사례를제외하고, 대부분은 술후 6 년이내에관절움직임이다시사라지면서결과가좋 지못하였다. 이후몇몇외과의사들에의해관절내에다른물질을끼 워넣는방법이사용되었다. 1885 년 Leopold Ollier 등은 침범된관절에지방조직을끼워넣는방법을사용하였다 [25]. 그러나이런방법은첨가된지방조직이주위골조직에 고정되지못했기때문에결과는좋지못했다. 1918 년볼티 모어의 Baer 는돼지방광의점막하층을사용했으며 [26], 이 2. 금형 ( 컵 ) 관절성형술보스턴의 Smith-Peterson은 1923년에고관절치환술에있어서다양한재료를이용하였다. 1923년 Smith-Peterson은대퇴골두를재형성하는데유리를사용하였다 [31]. 이런물질은생체적합성은있었지만보행시고관절에주어지는부하를이길만큼강하지않았고곧실패로이어졌다. 이후에도그는플라스틱, 스테인리스스틸등과같은물질을이용하였다. 그후 15년뒤 vitallium을이용하여컵을제작하는데성공하였고정형외과수술에있어서최초의무반응금속합금이되었다 [32]. 1936년 cobalt-chromium이소개되면서급격한발전이이루어졌다. 이새로운합금은부식에저항성을가지고있고매우강하였다. Smith-Peterson은이후약 10년간 500예에서좋은결과를얻을수있었다 [33]. Smith-Peterson이사망후 2년이지나고그의보조자였던 Aufranc는 Massachusetts General Hospital에서 Smith-Peterson vitallium cup 을이용한 1,000개의고관절에서 82% 의양호하거나만족스러운결과를얻을수있었다고보고하였다 [34]. 그러나이러한술기에서환자들의통증의경감정도는기대에아직미치지못하였고, 관절운동범위는비교적제한되었다. 또한이러한 mold arthroplasty는고관절의수많은관절변형에적용하기는힘들었으며따라서다양한형태의인공삽입물에대한연구가지속되었다. 3. 인공고관절반치환술비구의표면치환술대신, Frederick Thompson 및 Austin Moore는골수강내에위치하는금속기구와고관절비 대한의사협회지 319
Song EK Seon JK Park KS Yoon TR 구에맞아들어가게되어있는금속구의두가지부분으로구성된대퇴골두인공삽입물을개발하였다 (Figure 5)[35]. Moore는 1940년이런금속인공삽입물을처음시도하였고이를 hemiarthroplasty 라고명명하였으며고관절골절이나해부학적이상등에이용하였다. 그러나이것은대퇴골부분만치환하였고문제가있거나질환이있는비구는치환되지않는단점이있었다. 이런형태의고관절치환술은 1950년대에대중화되었지만비구의관절염이진행한다는점과대퇴부삽입물의적절한고정방법이없어많은환자에서해리에의한통증이발생하였다 [36]. 4. 인공고관절전치환술 1890년대베를린에서근무하는 Themistocle Gluck은인간의몸은커다란이물질도허용할수있다고설명했으며합성수지와석재또는석고의복합체를이용해상아로구성된인공고관절을고안하였다 [37]. 이것은비구부와대퇴부를가지고있었으며 filter의개념으로시멘트를사용하였다 [38]. 이것이근대적고관절전치환술 (total hip arthroplasty) 의시작이라고불리고있다. 1938년 Philip Wile은 Still 병을가진환자 6명에서스테인리스스틸로만들어진조합된비구와대퇴부분을이용하여고관절치환술을시행하였고 [38] 이것이현재의고관절전치환술의개념의시작이라고인정되고있다. 영국의 Mckee, Farrar, Ring 및미국의 Haboush, Urist, McBride 등에의해전구성부품이금속으로구성된조합이소개되었다. 이러한기구의사용을통해고관절인공관절치환술에대한경험은증가하였지만해리나마모등에의해완벽히만족스러운결과를얻지는못하였다. 고관절인공관절치환술을유용한시술로발전시키는데있어서기초를세운사람은 John Charnley 였다. Charnley [23] 는매우적극적으로대퇴골두와비구를함께치환하는효과적인방법을추구하였으며그의가장중요한지적은저마찰관절치환술 (low-friction arthroplasty) 의개념이었다. Charnley 이전의모든외과의사들은해부학적정상구조와같은크기및구성의인공물을사용하였으나 Charnley는대퇴골두의직경을 22 mm까지감소시켜회전마찰력을크게줄였다. 그후 Muller는 32 mm 직경의대퇴골두를소개하였다. 1958년, Charley는 Teflon 삽입물로마모된비구를치환하는등의시도를하였으나결과가기대에미치지못하였으며 2년뒤그는고분자의폴리에틸렌을적용하였고결과는만족스러웠다 [39]. 그의디자인으로인해인공삽입물과수술의기술이자리를잡았고이것을인공고관절전치환술의탄생이라고한다. 1) 시멘트형삽입물초기메틸메타아크릴레이트를 (methyl methacrylate) 를골시멘트로사용하여인공고관절전치환술을시행하는것은문제가많을것으로생각되었다. 골을절제하거나 reaming 할때발생하는여러오류들을골시멘트를이용하여채울수있었지만이는인공삽입물의해리를더욱조장하였다. 이에대해 Robin Ling은골표면의주의깊은준비및적정한힘을가해골속에시멘트를집어넣는것이중요하다고지적하였고 [40], Miller [41] 는낮은점도의시멘트를소개하였다. 이후 Harris 등 [42] 은개선된시멘트기술을연구했으며이를대중화시켰다. 이후에도시멘트를이용한고정은기술의개선을거듭하면서무시멘트성대퇴인공삽입물고정과상관없이하나의훌륭한고정의방법으로발전되어현재에도많이사용되고있으며훌륭한임상적성공을이루고있다. 2) 무시멘트형삽입물시멘트를사용하면서발생하는문제들을해결하기위해더욱시멘트를사용하지않고다공성표면을가진인공삽입물을사용하여골의내성장을유도하는방법등의생체학적인고정을위한노력들이진행되었다. 1960년대후반과 1970년대초반은인공삽입물코팅에있어다공성물질의발전에특히수확이많았던시기이다. Hirschhorn과 Renolds는삽입물로써다공성금속 ( 코발트 -크롬합금 ) 의합성을최초로보고했으며 [40], 1969년에는 Lueck 등이다공성티타늄 fiber composite 물질의조립과이식을보고했다 [43]. 그이후에도 Rostoker와 Galante에의해섬유금속물질은계속연구되었다 [43]. 1970년대다공성코발트크롬 (porous cobalt chromium) 에대한연구가 Welsh, Pillar, Cameron에의해지속되었고 Bobyn 등에의해발전을거 320
The evloution of total knee and hip joint arthroplasty 의학강좌 Figure 6. Ceramic on polyethylene articulation. Figure 7. Metasul metal on metal articulation. Figure 8. Ceraminc on ceramic articulation with composed of ceramic head and ceramic threaded cup. 듭하였다. Canine cortical bone model 에서 mechanical push out 테스트에기초하여그들은구멍의크기가작아도 모두효과가있다는결론을내렸으며이연구는최근사용하 는다공성코발트크롬코팅 (porous cobalt chromium coating) 에있어서기초가되었다 [43]. 3) 관절면인공관절의발전에서빼놓을수없는것이마모를줄이기위한관절면 (bearing surface) 소재의발전이다. 폴리에틸렌은과거 40여년이상인공고관절전치환술의관절면소재로가장많이사용되어왔으나폴리에틸렌의마모입자에의한골용해는인공고관절전치환술의장기생존에영향을줄수있는요인으로알려져있다. 따라서이러한문제점을해결하기위해다양한연구가보고되고있으며교차결합폴리에틸렌, 금속-금속관절면, 세라믹- 세라믹관절면의사용이증가하고있다 [40,43]. (1) 교차결합폴리에틸렌 1990년대후반폴리에틸렌의마모입자를줄이기위해 1세대교차결합폴리에틸렌인소개되었다. 이것은방법의차이는있지만폴리에틸렌을가열및전자빔방사 (electron beam radiation) 로교차결합을증가시킴으로써마모에저항성을높였다. 폴리에틸렌은충격등에의한파손이적어주로비구부에사용되고있으며, 세라믹이나코발트크롬합금골두와조합을이루어세라믹대폴리에틸렌관절면 (Figure 6) 과금속대폴리에틸렌관절면을이룬다. 현재까지도전세계적으로가장많이쓰이고있는관절면이다. (2) 금속대금속금속대금속관절면은 1930년부터의긴역사를가지고있다. 1938년 Wile에의해처음으로사용되었으나 2차세계대전으로인해그기록이소실되었고, 이후 1950년 Mc- Kee, 1959년 Sivash, 1964년 Ring, 1965년 McKee-Farr, Huggler, Muller 등이이를개량하여사용하였다. 그러나이런 1세대금속대금속고관절삽입물은스테인리스합금을사용하여재질의선택이잘못되었고, 대퇴스템이너무크고대퇴골두가원형이아니었으며, 대퇴스템경부가넓어충돌이문제가되었고비구컵의벽이너무얇았다. 이러한문제점들로인해그사용이중단되었다. 1988년 Weber 는관절면을개량하여 2세대금속대금속관절면인 Metasul을사용하게되었다 [40]. 이관절면은적절한관절간극인 0.1 mm를유지하였고, 우수한재질의사용과함께관절 대한의사협회지 321
Song EK Seon JK Park KS Yoon TR Figure 9. Ceramic on ceramic articulation with metal cup, ceramic liner (Biolox Delta) and ceramic head (Biolox Forte). 표면거칠기를개량하였으며정확한구형을이루고있고, 안정된폴리에틸렌 inlay 결합을이루고있다 (Figure 7). 그러나이관절면의가장우려되는문제중의하나는금속이온에의한장기적인생물학적반응이다. 금속대금속관절면에사용되는코발트대크롬은인체내에서돌연변이를일으키고이온화되면발암물질로작용할수도있다. 또한코발트와크롬은소변을통해배설되므로신장장애를갖는만성신부전환자등에서는사용하지않는것이좋다는연구결과도있다 [40]. (3) 세라믹대세라믹제1세대세라믹대세라믹관절면은 1970년 Boutin에의해유럽에서처음사용되었으나제 1세대금속대금속관절면과같이완벽한디자인은아니었다. 초창기세라믹비구컵은시멘트를이용하여고정하거나나사형컵 (screwedin-cup) 이었는데불활성세라믹이므로골성장이일어나지않아비구컵의안정적고정에문제가있었다 (Figure 8). 또한세라믹골두는금속스템에 epoxy resin을이용하여붙이거나스템끝에나사홈고정을하는방식을사용하였는데이러한고정방법들은인공관절의조기실패와연관이있었다. 뿐만아니라초창기세라믹은제조과정의미숙으로세라믹의순도가비교적낮았고입자의크기가크며다공도가높아깨지기쉬운문제가있었다. 1977년대에제 2세대가여러단점을보완하여출시되었으며 Mitterlmeier 디자인은한때유행하였으나 neck-socket 충돌, 세라믹골절및이완으로실패한모델이되었다. 1994년 3세대 alumina ceramic (Biolox Forte; CeramTec, Plochingen, Germany) 이소개되었다 [40]. 이는입자의크기를 2 μm 이하로줄이고밀도를 3.98 g/m 2 으로상승시켜인성과굴곡강도의상응을가져왔으며 100% 검증을시행하여사용의안정성을도모하였다. 따라서알루미나세라믹골두의파손빈도는 0.004% 까지감소하였다. 그러나최근에는이러한 3세대세라믹에서도세라믹파손, 삐걱거림등이문제가되고있으며, 4세대 alumina ceramic (Biolox Delta, CeramTec) 가소개되어국내에서도사용되고있다 (Figure 9). 5. 고관절표면치환술고관절표면치환술 (hip resurfacing arthroplasty) 은 Smith-Peterson의 mold arthroplasty로부터유래하였으나실패율이높아관심을끌지못하다가최근인공고관절전치환술의여러가지문제점과한계점들이표출되면서다시관심을모으고있다. 1950년대초 Charnley가사용한이중컵치환술 (double cup arthroplasty) 에의해처음소개되었으나심한마모와이에따른부품의해리로인한실패로관심을끌지못하였다 [24]. 1971년부터 Freemarl과 Furuya 등은폴리에틸렌대퇴부품과금속비구부품, Capello, Paltrinien과 Tretanl, Amtstuz, Wagner 등은각각얇은고밀도폴리에틸렌비구컵과금속혹은세라믹대퇴컵을골시멘트로고정하는표면치환인공관절을개발하여사용하였다 [41]. 그러나이러한술기들도소개된지얼마안되어빠른초기실패및비구부위심각한피해로인하여사용이점 322
The evloution of total knee and hip joint arthroplasty 의학강좌 차감소하였다. 이후에도금속대금속관절을사용하고관절면의공차들을개선한표면치환술은 McMinn 등에의한 Birmingham hip resurfacing 등일부그룹에서꾸준히연구되어사용되어왔고최근인공고관절전치환술의여러가지문제점과한계점들이표출되면서다시관심을모으고있다 [41]. 고관절표면치환술은대퇴근위부의골약화현상이없고, 하지길이가늘어나는합병증이적으며반대측과같은정상적인상쇄를얻을수있고술후고관절탈구발생률이지극히낮다는점, 문제발생시인공고관절전치환술로재치환술이용이하다는점등의많은장점을가지고있어적응증만잘선택하면특히젊은환자에서사용되는좋은관절치환방법의하나가될수있다. 결 론 이제까지알아본인공관절치환물의역사는수많은치환물의개발과도태의역사였다. 생체역학적및재료공학적변화가지속적으로이루어지는 20세기의인공관절수술의급속한발전은종종정형외과의가다흡수하지못할만큼의정보의확장을가져왔다. 그러나아직까지도치환물의디자인이나고정방법등논쟁이되고있는부분이많은것도사실이다. 우리는인공관절전치환술의역사를통해단점을버리고장점을취하여보다나은치환물을발전시킬수있을것이다. 핵심용어 : 인공관절치환술 ; 역사 ; 발전 REFERENCES 21. Ferguson W. Excision of the knee joint: recovery with a false joint and a useful limb. Med Times Gaz 1861;1:601. 22. Campbell WC. Interposition of vitallium plates in arthroplasties of the knee: preliminary report. By Willis C. Campbell, 1940. Clin Orthop Relat Res 1988;(226):3-5. 23. MacIntosh DL. Hemiarthroplasty of the knee using a space occupying prosthesis for painful varus and valgus deformities. J Bone Joint Surg Am 1958;40:1431. 24. Walldius B. Arthroplasty of the knee joint using an endoprosthesis. Acta Orthop Scand 1957; 24 Suppl:19. 25. Gunston FH. Polycentric knee arthroplasty: prosthetic simulation of normal knee movement. J Bone Joint Surg Br 1971; 53:272-277. 26. Coventry MB, Finerman GA, Riley LH, Turner RH, Upshaw JE. A new geometric knee for total knee arthroplasty. Clin Orthop Relat Res 1972;83:157-162. 27. Freeman MA, Swanson SA, Todd RC. Total replacement of the knee using the Freeman-Swanson knee prosthesis. Clin Orthop Relat Res 1973;(94):153-170. 28. Ranawat CS, Insall J, Shine J. Duo-condylar knee arthroplasty: hospital for special surgery design. Clin Orthop Relat Res 1976;(120):76-82. 29. Townley CO. The anatomic total knee resurfacing arthroplasty. Clin Orthop Relat Res 1985;(192):82-96. 10. Walker PS, Ranawat C, Insall J. Fixation of the tibial components of condylar replacement knee prostheses. J Biomech 1976;9:269-275. 11. Rand JA, Chao EY, Stauffer RN. Kinematic rotating-hinge total knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am 1987;69:489-497. 12. Insall JN, Lachiewicz PF, Burstein AH. The posterior stabilized condylar prosthesis: a modification of the total condylar design. Two to four-year clinical experience. J Bone Joint Surg Am 1982;64:1317-1323. 13. Martin SD, McManus JL, Scott RD, Thornhill TS. Press-fit condylar total knee arthroplasty: 5- to 9-year follow-up evaluation. J Arthroplasty 1997;12:603-614. 14. Freeman MA, Railton GT. Should the posterior cruciate ligament be retained or resected in condylar nonmeniscal knee arthro-plasty? The case for resection. J Arthroplasty 1988;3 Suppl: S3-S12. 15. Goodfellow JW, O Connor J. Clinical results of the Oxford knee: surface arthroplasty of the tibiofemoral joint with a meniscal bearing prosthesis. Clin Orthop Relat Res 1986; (205):21-42. 16. Buechel FF, Pappas MJ. Long-term survivorship analysis of cruciate-sparing versus cruciate-sacrificing knee prostheses using meniscal bearings. Clin Orthop Relat Res 1990;(260): 162-169. 17. Hungerford DS, Kenna RV, Krackow KA. The porous-coated anatomic total knee. Orthop Clin North Am 1982;13:103-122. 18. Ranawat CS, Sculco JP. History of the development of total knee prosthesis at the hospital for special surgery. In: Ranawat CS, editor. Total condylar knee arthroplasty: technique, results, and complications. Berlin: Springer Verlag; 1985. p. 3-6. 19. Easley ME, Insall JN, Scuderi GR, Bullek DD. Primary constrained condylar knee arthroplasty for the arthritic valgus knee. Clin Orthop Relat Res 2000;(380)58-64. 20. Laskin RS. Unicompartmental tibiofemoral resurfacing arthroplasty. J Bone Joint Surg Am 1978;60:182-185. 대한의사협회지 323
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