In many studies related to the total hip arthroplasty, it has been found that incorrect alignment of the total hip component is one of the major factors influencing mechanical failures. Proper acetabular cup orientation is a major factor affecting ROM and longevity of the inserted hip implants. Although various recommendations for cup orientation have been presented, there were few studies that seek to determine a proper orientation of the implants based on the human motion data. The objective of this study is to determine an optimum orientation of the hip implant considering various daily activities.
In numerical analysis to determine the cup safe zones, an existence of prosthetic impingement was evaluated on the oblique plane perpendicular to pole axis of the circular cone represented the technical ROM of implant. Firstly, the cup orientations for impingement-free zone were calculated for a given set of implant geometric parameters and the required range of motion for the ROM criteria based on literatures and daily activities measured in ten subjects. Next, the optimum values for the cup orientation and stem anteversion avoiding impingement and minimizing cup wear were determined for the proposed motion criteria.
The circular safe zone was identified as the largest circle enclosed by the zone and the center of the circle was designed as the optimum cup orientation. Different cup orientation was obtained as optimum for each combination of the neck angles (40° and 50°) and oscillation angles (120° and 135°). There was a small zone that was common to every circular safe zone. As the margin for the impingement-free orientation of the cup was small, the optimum cup orientation and stem anteversion should be adopted specific for each combination of the neck angle and oscillation angle.
When the oscillation angle got larger, the optimum cup inclination became smaller (p < 0.001) and the size of the circular region grew larger (p < 0.001). Also, the optimum cup anteversion became larger when the stem neck angle got steeper (p < 0.001). The corresponding optimum femoral anteversion was also different when different cup anteversion was used. The optimum total anteversion which was defined as the sum of the femoral anteversion and the anatomical cup anteversion was 39° for the non-steep neck stem and 46° for the steep neck stem
It is known that in the conventional approach, the positioning error for the implanted component is more than 5° and depends on various factors, such as the patient’s status, the level of experience of the surgeon, the surgical procedure, and the surgical tools. Sometimes confirming orientation of the cup might be difficult during operation because of the difficulty in identifying the pelvic plane. There were many helpful surgical techniques and devices for surgeon to secure accurate orientation of acetabular component intra-operatively. A-frame attached to positioner serves as a representative example with an additional measurement device for positioning cup properly. However alignment by A-frame can be wrong when patient’s pelvic plane is inclined to operative table. The other hand navigation systems with use of computer and position measuring provide an accurate position and alignment in real-time. But these navigation systems require expensive measurement devices additionally, which cause extra cost and time. We developed mechanical orientators and CT free navigation system which are feasible and accurate with much less cost and effort.
One of mechanical orientator employs a T-bar shaped gauge and economic tilt sensors to secure a fairly orientation of acetabular cup in THR. The T-bar gauge having three feet with adjustable distance is designed to obtain the anatomical landmarks concurrently. The gauge has its own tilt sensor to identifiy the tilt angle of the gauge using AD input board. Similarly, the cup positioning tool and dynamic reference base have their own tilt sensors.
The other mechanical-orientator consists of pelvic marker, T-bar shaped gauge, orthogonal frames and 2 graduators. The orientator employed a radiographic definition for alignment of acetabular-cup. A pelvic marker is firmly attached to the pelvis by 2 pins and T-bar shaped gauge is placed at three anatomical landmarks for finding pelvic plane. Both pelvic marker and T-bar shaped gauge have orthogonal frames which are used to align the pelvic marker with pelvic plane.
The proposed navigation system, AceNav, is attached to pelvis and acquires the associated anatomical landmarks. Anterior pelvic plane defined by these points is standard for measuring the orientations of acetabular cup. The navigation system is not affected by patient posture and pelvic motion during positioning the cup component because the system is attached to pelvis.
After measuring the pelvic plane, these mechanical orientators and navigation system can provide the orientation of the acetabular-cup by mechanical graduators or tilt sensor output without expensive measurement devices. The repeatability and angle accuracy of systems were evaluated by independent measurement devices.
These developed systems have both accuracy and costless because an expensive devices are not necessary. All systems used anatomical landmarks of the pelvis to measure the anterior pelvic plane is the standard in the determination of the orientation of the acetabular cup. However, there is a difference between the measured and actual pelvic plane due to measurement error caused by the thick soft tissue on the anatomical landmark. Thus, it is necessary to correct the error between the planned and inserted cup angle due to the pelvic inclination and thickness of the soft tissue.
The preparation process for imageless navigation system is very easy because it uses three anatomical bony markers to define the anterior pelvic plane. When these anatomical bony markers are hard to locate, especially at the pubic symphysis due to the thick soft tissue, the accurate direction of the cup cannot be secured. We proposed the method to estimate the soft tissue thickness without using the patient’s specific data such as the A-mode ultrasound image or C-arm image. It was found that the thickness of the hypodermic fat obtained through an ultrasound image could be estimated using the patient’s BMI and the displacement created by a specific force. Difference between the ideal and measured plane affect the Rotational error of APP. Amount of soft tissue can be estimated with BMI and Maximal vertical displacement without additional measurement device. With the proposed estimation equation, it is possible to reduce the error in the anteversion that occurs as a result of the difference between the actual and measured pelvic plane.
고관절은 엉덩이 뼈 관절로 골반골과 대퇴골을 연결하여 거동 시 자유롭게 운동할 수 있는 관절이다. 양쪽 뼈 끝부분은 연골로 덮여 있어 관절 운동을 원활하게 하고, 체중으로 인한 충격을 흡수한다. 하지만 질병, 사고 등과 같은 원인으로 고관절이 찌그러지거나, 관절 내 연골이 닳아 없어지게 된다. 이때 내과적인 치료를 통해 통증이 감소하지 않을 경우, 손상된 관절 부위를 잘라내고, 관골구에 비구컵으로, 대퇴골은 스템으로 바꾸어주는 인공 고관절 전치환술이 필요하다.
본 연구에서는 인공고관절의 운동범위를 극대화 시키고 수명을 연장하기 위한 최적의 임플란트 방향을 모색하고자 한다. 문헌조사를 통해 일상 생활에서 필요한 다리의 움직임 범위를 분석하고 부딪힘과 탈구를 유발하는 동작들을 11가지로 분류하였다. 또한 환자의 신체 능력과 생활 습관을 고려하여 최적의 방향을 제안하기 위하여 실제 운동범위를 측정하여 필요 운동범위를 정립하였다. 컵과 스템의 최적의 방향을 정량적으로 결정하기 위하여 목적함수를 정의하고 이를 통해 환자의 운동범위와 컵의 수명을 고려하여 주어진 임플란트에 대한 최적의 방향을 계산하였다.
제안된 목적함수는 폴리에틸렌 마모에 따른 생존율을 고려하였으므로 본 연구가 추천하는 컵의 방향은 PE-on-Metal 또는 PE-on-Ceramic 과 같은 부품 결합일 때 적용할 수 있다. 2개의 변수에 의해 구분된 4개의 그룹에 대한 안전범위와 최적의 방향을 얻었다. 4개의 그룹의 모든 운동조건을 만족하는 영역은 39° 에서 41°의 컵 경사각과 15° 에서 17° 범위의 컵 전경각으로 나타났다. 그러나 이러한 공통부분의 크기가 너무 작아서 위치 정확도가 좋은 항행시스템을 사용하는 경우에도 적용되기 어렵다. 따라서 최적의 방향은 공통적으로 얻어지는 하나의 값을 이용하기 보다는 각 상황에 맞는 최적 방향을 이용하여 수술계획을 수립하여야 한다. 각 그룹에 적합한 최적값을 사용할 때 허용오차는 4°에서 8°까지 증가하므로 잘못된 방향으로 삽입될 확률이 감소하게 된다.또한 잠재적 충돌 위험과 탈구 위험을 보다 줄이기 위하여 컵 방향뿐만 아니라 대퇴골경각 또한 정확하게 삽입해야 하며 두 요소의 일정한 상관관계를 유지해야 한다. 본 연구에서 제안하는 두 요소의 전경각의 합 (TA = FA + AA) 은 최적의 컵의 방향으로 제안되는 영역 내에서 거의 변하지 않는 것을 확인하였다 (RI = 40°, RA = 12° ~ 23°). TA 의 합은 골경각의 차이에 의해 달라지며 그 평균값은 각각 39° (non-steep neck stem) 와 46° (steep neck stem)로 유지되었으며 허용 오차범위는 4°로 나타났다.
계획된 최적의 방향을 새롭게 개발된 항행시스템을 통해 구현하고 오차 발생원인에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서 사용한 세 가지 장치들은 기계식 기준자를 이용한 방향 안내기, 경사센서를 이용한 방향안내기 그리고 골반 부착형 항행시스템이다. 시스템 모두 CT 스캔과 같은 3차원 의료영상이나 고가의 측정장비를 필요치 않기 때문에 기존의 여러 시스템과 비교하여 경제적이며 효율적인 수술 정확도를 얻을 수 있다. 골반 부착형 항행시스템은 골반에 부착되어 환자의 수술 자세 혹은 수술 중 발생할 수 있는 골반의 움직임에 관계없이 골반 좌표계로 모든 점의 위치를 좌표변환 없이 알 수 있다. 따라서 동적 마커를 사용하는 항행시스템에서 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다. 또한 수작업 수술과정에는 없는 추가적인 측정 과정을 최소화하여 10분 이내의 추가 소요시간을 필요로 하였다. 두 번째로 제안한 기계식 방향안내기는 인공관절 제조회사에서 제공되는 기존의 기계식 기준자와 다르게 골반의 자세를 표시하는 골반 마커를 삽입하여 컵에 부착된 기준자를 눈으로 비교하여 정확한 방향을 안내한다. 또한 위의 골반 부착형 항행시스템과 다르게 골반의 3개의 특이점 측정 시 T형 삼발이를 사용하여 한번의 측정으로 전방골반평면을 찾을 수 있다. 방향 안내기에 부착된 각도기를 통해 의사는 비구컵의 방향을 항상 확인 할 수 있으며 원하는 방향을 미리 설정할 수 있다.
새롭게 제안된 시스템 모두 비구컵 최적의 방향을 계획한대로 수행함을 목표로 하고 있다. 모형뼈를 이용한 검증을 통하여 제안된 시스템들의 정확도는 임상에서 충분히 사용 가능함을 확인하였다. 하지만 피부 위에서 골반의 특이점을 측정하여 방향 기준을 마련하는 시스템이므로 비만도가 높은 환자에게 적용 시 발생되는 측정 오차로 인해 시스템 정확도의 저하가 야기될 수 있다. 전 임상실험을 통해 사용과정에서 발생하는 오차의 주요 원인은 골반 특이점의 잘못된 측정이었다. 특히 두꺼운 피하지방으로 감싸진 치골 중심점의 측정오차로 인하여 전체 시스템 정확도가 저하됨을 확인하였다. 따라서 환자의 피부 두께를 보상하는 방법을 제안하고 검증하였다.
본 연구에서는 피하지방의 두께를 예상하기 위해 데이터 베이스로 구성된 환자의 정보를 이용하여 예측식을 구성하였다. 이 예상식은 6mm의 평평한 형태의 탐침에 적용이 가능하며 특이점 측정의 정확도 향상에 기여한다. 또한 측정의 정확도가 증가함으로써 시스템이 결과적으로 보여주는 비구컵의 방향 정확도의 신뢰성이 향상된다. 본 예측식을 이용한 피하지방 두께를 보상하는 방법은 부가적인 측정장치를 사용하지 않고 잔류 두께를 예측하므로 추가비용이 필요하지 않다. 그러나 예측모델을 이용한 보정 과정을 통해 컵 방향의 전경각 오차를 3° 이내로 감소시킬 수 있다. 본 연구에서 제안한 피하지방의 잔류량 두께 예측 모델을 통해 잔류 두께를 예상하고 이를 적용하였을 때, 보정 후 컵의 방향 오차는 감소하였으며 계획단계에서 얻어지는 최적 방향의 허용 범위 4° 이내로 감소함을 확인하였다.
