Ολική αρθροπλαστική ισχίου με μεταλλικές αρθρούμενες επιφάνειες, συναρμολογούμενους μεταβλητούς αυχένες και μεγάλες κεφαλές: μελέτη της εμβιομηχανικής συμπεριφοράς της και συσχέτιση με την κλινική και ακτινολογική πορεία των ασθενών

Abstract

Due to their theoretical advantages, hip systems combining modular necks and largediameter femoral heads have gained gradually popularity. However, among others,concerns regarding changes in the load transfer patterns were raised. Recent stressanalyses have indeed shown that the use of modular necks and big femoral headsalters significantly the strain distribution along the femur. Our original hypothesis wasthat these changes may affect early distal migration of a modular stem. We examinedthe effect of head diameter and neck geometry on migration at two years of follow-upin a case series of 116 patients (125 hips), who have undergone primary Metal-on-Metal THA with the modular grit-blasted Profemur®E (Wright Medical TechnologyInc., Arlington, TN) stem combined with large-diameter heads (≥40mm). We foundthat choice of neck geometry and head diameter has no effect on stem migration. Amultivariate regression analysis including the confounding variables of the body mass index, bone quality, canal fill and stem positioning revealed only a negativecorrelation between subsidence and canal fill in midstem area. Statistical analysisdidn’t confirm our hypothesis that choice of neck geometry and/or head diameteraffects early distal migration of a modular stem. However, the importance of correctstem sizing was revealed.In order to further investigate whether the different strain distributions of the variousneck geometries and head diameters play a role in the increased rate of loosening, wedesigned a Finite Element Analysis (FEA) and used as reference the loading behaviorof the straight-neck system with the 28 mm head. Using data acquired by ComputedTomographies and a Coordinate Measurement Machine, a cadaveric femur and aProfemur-E modular stem were fully digitized, leading to a three dimensional finite element model in ANSYS Workbench. Firstly, strains and stresses were calculated, focusing on areas of clinical interest: the calcar and below the greater trochanter in theproximal femur, the stem tip region and a profile line along linea aspera. Theperformed FE analysis revealed that the use of large heads produces significantchanges in strain development within the bone volume, with respect to the referencemodel featuring a typical femoral head of 28mm. In the lateral side, along linea asperaand for the stem tip area increasing the head diameter, results in strain rise, while inthe calcar area the opposite is observed.Mean strain values, for each of the 11 available neck geometries were then calculated,focusing on specific regions of interest (ROIs) as a whole: medially the calcar andlaterally the area below the greater trochanter, as well as, the anterior and the posteriorsurfaces of the femur and a circumferential area around the stem tip. Compared withthe straight neck system, the 15° anteverted neck system showed an increase of 17% and 17.7% in the mean strain developed at the anterior and posterior ROIsrespectively and seems to be the most precarious. The same neck showed the greateststrain increase also at the lateral ROI (13%) and at the calcar (5%). At the stem tip thegreatest increase was recorded with the double-angled valgus-retroverted neck(15.4%), while for the 15° anteverted neck was 11%.We believe, however, that the reported higher incidence of aseptic loosening ofmodular-neck stems cannot be confirmed only by the findings of this study. Instead,the explanation should be sought also in the bioreactivity of the metal ions generatedby the metal-on-metal junctions and not in the biomechanics of these systems alone.

Λόγω των θεωρητικών πλεονεκτημάτων τους, τα συστήματα ισχίου που συνδυάζουνμεταβλητούς αυχένες και μεγάλες κεφαλές απέκτησαν βαθμιαία μεγάληδημοτικότητα. Όμως, μεταξύ των άλλων, ανησυχίες διατυπώθηκαν για τις αλλαγέςπου τα συστήματα αυτά επιφέρουν στο πρότυπο των φορτίσεων στο εγγύς μηριαίο.Πράγματι, πρόσφατες αναλύσεις φορτίσεων έδειξαν ότι η χρήση τωνσυναρμολογούμενων αυχένων και των μεγάλων κεφαλών αλλάζει σημαντικά τηνκατανομή των φορτίων κατά μήκος του μηριαίου. Η αρχική μας υπόθεση είναι ότι οιμεταβολές αυτές επηρεάζουν την πρώιμη άπω μετανάστευση του μηριαίου στυλεού.Εξετάσαμε, κατόπιν, την επίδραση της διαμέτρου της κεφαλής και της γεωμετρίαςτου αυχένα στην μετανάστευση του στυλεού μετά δύο χρόνια παρακολούθησης σεμια σειρά 116 ασθενών (125 ισχίων), οι οποίοι υποβλήθηκαν σε πρωτογενή ΜοΜΟΑΙ με την εγγύς αρθρωτή πρόθεση Profemur®E (Wright Medical Technology Inc., Arlington, TN) συνδυασμένη με κεφαλές μεγάλης διαμέτρου (≥40mm). Βρήκαμε ότιη επιλογή της γεωμετρίας του αυχένα και της διαμέτρου της κεφαλής δεν είχε καμίαεπίδραση στην μετανάστευση του στυλεού. Μία πολυπαραγοντική ανάλυσηπαλινδρόμησης που περιέλαβε τους συγχυτικούς παράγοντες του δείκτη μάζαςσώματος, της ποιότητας του οστού, της πλήρωσης του αυλού σε διάφορες θέσεις καιτης θέσης τοποθέτησης του στυλεού απεκάλυψε μόνο μια αρνητική συσχέτιση μεταξύ της καθίζησης και της πλήρωσης του αυλού στο ύψος της μέσης του στυλεού. Ηστατιστική ανάλυση δεν επιβεβαίωσε την αρχική μας υπόθεση ότι η επιλογή τηςγεωμετρίας του αυχένα και/ή της διαμέτρου της κεφαλής επηρεάζει την πρώιμη άπωμετανάστευση του στυλεού. Απεδείχθη όμως η σημασία της σωστής εκτίμησης τουμεγέθους του στυλεού. Για να διερευνήσουμε παραπέρα αν τα διαφορετικά πρότυπα φορτίσεων τωνδιαφόρων κατευθύνσεων του αυχένα και των διαφορετικών διαμέτρων της κεφαλήςπαίζουν κάποιο ρόλο στην αυξημένη συχνότητα χαλάρωσης, σχεδιάσαμε μιαανάλυση πεπερασμένων στοιχείων και χρησιμοποιήσαμε σαν πρότυπο το σύστημα μετον ευθύ αυχένα και την κεφαλή των 28 χιλ. Χρησιμοποιώντας στοιχεία πουπροήλθαν από αξονικές τομογραφίες, αλλά και τη χρήση μιας σταθερής μετρητικήςμηχανής, ένα πτωματικό μηριαίο και ο αρθρωτός στυλεός Profemur®Eψηφιοποιήθηκαν πλήρως, οδηγώντας μέσω του λογισμικού ANSYS Workbench σεένα τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Αρχικά, προσδιορίσθηκαν ταφορτία και οι παραμορφώσεις, εστιάζοντας σε ορισμένες περιοχές κατά μήκος τουμηριαίου: στο μηριαίο πλήκτρο και στην εξωτερική επιφάνεια κάτω από τον μείζονατροχαντήρα, στην περιοχή του άκρου του στυλεού, καθώς και κατά μήκος τηςτραχείας γραμμής. Η ανάλυση των πεπερασμένων στοιχείων απέδειξε ότι η χρήσητων μεγάλων κεφαλών προκαλεί σημαντικές αλλαγές στις παραμορφώσεις μέσα στονοστικό όγκο, σε σχέση με το μοντέλο με την κεφαλή των 28 χιλ. Στην εξωτερικήεπιφάνεια του μηριαίου, κατά μήκος της τραχείας γραμμής και στο άκρο του στυλεούη αύξηση της διαμέτρου οδηγεί σε αύξηση των παραμορφώσεων, ενώ στην περιοχήτου μηριαίου πλήκτρου συμβαίνει το αντίθετο.Κατόπιν υπολογίσθηκαν οι μέσες τιμές των παραμορφώσεων για καθεμία από τις 11γεωμετρίες του αυχένα, εστιάζοντας σε συγκεκριμένες περιοχές ενδιαφέροντος: στηνέσω πλευρά του μηριαίου στο μηριαίο πλήκτρο, στην έξω πλευρά στην περιοχή κάτωαπό τον μείζονα τροχαντήρα, καθώς επίσης στην πρόσθια και οπίσθια επιφάνεια τουμηριαίου και σε μια κυκλική περιοχή γύρω από το άκρο του στυλεού. Συγκρινόμενοιμε το σύστημα με τον ευθύ αυχένα, ο αυχένας με πρόσθια κλίση 15° έδειξε μιααύξηση 17% και 17.7% στην πρόσθια και οπίσθια επιφάνεια του μηριαίου και φαίνεται να είναι ο πιο επικίνδυνος. Ο ίδιος αυχένας έδειξε τη μεγαλύτερη αύξησητων παραμορφώσεων στην εξωτερική περιοχή ενδιαφέροντος (13%) και στο μηριαίοπλήκτρο (5%). Στην περιοχή του άκρου του στυλεού η μεγαλύτερη αύξησηκαταγράφηκε με τον διπλής γωνίας βλαισό-οπίσθιας κλίσης αυχένα (15.4%), ενώ μετον 15° πρόσθιας κλίσης ήταν 11%.Πιστεύουμε, πάντως, ότι η δημοσιευμένη μεγαλύτερη συχνότητα άσηπτηςχαλάρωσης των συγκεκριμένων συστημάτων δεν μπορεί να εξηγηθεί με τα ευρήματααυτής της μελέτης. Αντίθετα η εξήγηση πρέπει να αναζητηθεί στη βιοδραστικότητατων μεταλλικών ιόντων που παράγονται από τις ΜοΜ συνδέσεις και όχι μόνο στηνεμβιομηχανική αυτών των συστημάτων.