Anatomy of the proximal femoral medullary canal and fit and fill characteristics of cementless endoprosthetic stems

Abstract

Lonkan tekonivelleikkauksen tavallisin indikaatio on kipua ja liikerajoitusta aiheuttava nivelrikko, artroosi. Tekonivelen reisiosa implantoidaan reisiluun yläosan ydinonteloon ja ns. sementitöntä kiinnitystä käytettäessä luu kasvaa kiinni metallisen implantin huokoiseen pintaan. Väitöskirjassa tutkittiin kadaverireisiluita käyttäen ydinontelon yläosan muodon vaihtelua ja sitä, kuinka erilaiset reisiosat sopivat ydinonteloon sekä kliinisessä sarjassa sitä, kuinka sopivuus vaikuttaa kliinisiin tuloksiin ja luun mukautumiseen viiden vuoden seurannassa.

Ensimmäisessä osatyössä kehitettiin rajantunnistusmenetelmiä käyttävä tietokoneohjelma, jolla reisiluun tietokonetomografiakuvauksen poikkileikkeistä pystytään analysoimaan ydinontelon muoto ja dimensiot. Menetelmä testattiin vertaamalla poikkisahattujen reisiluiden ydinontelosta manuaalisesti tehtyjä mittauksia rajantunnistusmenetelmän antamiin tuloksiin. Näiden mittausmenetelmien välinen ero oli keskimäärin 1.1 mm (SD 0.7 mm). Tulosta voidaan pitää hyvänä ja hyväksyttävänä menetelmän käyttämiseksi ydinontelon anatomian tutkimiseen.

Toisessa osatyössä 50 reisiluun tietokonetomografiakuvista analysoitiin ydinontelon yläosan anatomiaa tekonivelsuunnittelun ja valinnan kannalta. Uutena havaintona oli, että muodon suuri vaihtelu tapahtuu pääosin aivan reisiluun yläosassa, jossa nimenomaan toivotaan sementittömän tekonivelkomponentin tiivistä kontaktia luuhun ja sen myötä luun kasvua kiinni implanttiin. Ydinontelon yläosan aukeamaa kuvaamaan luotiin uudet indeksit, joiden käyttö helpottaa sopivimman komponentin valintaa kullekin potilaalle.

Kolmannessa osatyössä implantoitiin muovista valmistettuja sementittömän lonkkatekonivelen reisiosien kopioita kadaverireisiluihin. Perinteinen röntgenkuvaus antoi implantin täyttöasteesta ydinontelossa 1.2 ­ 1.6 kertaa liian suuria arvoja verrattaessa sitä tietokonetomografiaan yhdistettyyn kuvankäsittelymenetelmään, jota voidaan pitää luotettavana menetelmänä. Kuitenkin korrelaatio näiden mittausmenetelmien välillä oli hyvä (0.76 ­ 0.80). Johtopäätöksenä oli, että perinteistä röntgenkuvausta voidaan käyttää tutkimussarjoissa, joissa erilaisten reisikomponenttien sopivuutta ydinonteloon verrataan keskenään.

Neljännessä osatyössä verrattiin kahden designiltaan erilaisen lonkkatekonivelen reisiosan sopivuutta ydinonteloon tekonivelpotilaiden leikkauksen jälkeisistä röntgenkuvista, sekä näillä potilailla todettuja luun mukautumismuutoksia viiden vuoden seurannassa. Kliiniset tulokset molemmissa ryhmissä olivat erinomaiset eikä sopivuus vaikuttanut siihen. Sen sijaan luun mukautuminen tekonivelen aiheuttamiin kuormitusmuutoksiin oli jossain määrin suotuisampaa anatomisesti suunnitelluilla komponenteilla kuin suoravartisilla komponenteilla. Anatomisella tekonivelvarrella luun mukautuminen ei kuitenkaan ollut niin suotuisaa kuin aiemmissa tutkimuksissa on esitetty.

Computed tomography (CT) was performed on 50 cadaver femora and an image processing program was developed to analyse the CT data. Ten femora were used for accuracy testing in Study I. The anatomy of the canal of 50 femora was examined in Study II. In Study III 20 cadaver femora were used; plastic replicas of the cementless femoral stem were implanted and the canal fill of the stems measured from standard radiographs and by CT method. The accuracy of radiographs was evaluated and at the same time two different stem designs were compared.

In Study IV two patient groups were analysed five years after cementless hip arthroplasty. The first group consisted of 50 patients with Bi-Metric stems (straight, proximal porous coating) and the second of 26 patients with ABG stems (anatomic, proximal HA coating, distal canal overreaming). The fit and fill were measured from immediate postoperative radiographs, bone ingrowth and remodeling was evaluated from 5-year postoperative radiographs and the clinical result was recorded with the Harris hip score. The stem groups were compared, and the influence of the fit and fill on bone remodeling and clinical result was assessed.

During the development stage of the image-processing method it became obvious that individual threshold value computation for each image is necessary. There was a mean difference of 1.1 mm (± 0.7 mm) in measured femoral canal diameters between the CT-based image processing system and manual measurement with a caliper ruler. This accuracy was considered acceptable for studying canal anatomy. Also custom?made prostheses could be produced with the three?dimensional data obtained on the femoral canal.

The femoral canal opening from isthmus to neck-osteotomy level has been described by the canal flare index (CFI). The average CFI was larger (4.2) and the proportion of wide champagne-fluted canals greater (24%) in this material compared to previous observations. The greatest variation in canal shape was observed in the metaphysis. The metaphyseal canal flare indices (MCFI) were determined to describe the shape of the metaphyseal canal, which should be considered in selecting a suitable femoral stem for an individual patient together with the MCFI variation in designing cementless stems. A dense trabeculation in the calcar region modified the posteromedial canal shape in nearly all femora. This structure is obviously an important support against torsional motion of a femoral stem. The fill values measured from conventional radiographs were excessive, 1.2 ­ 1.6 times higher than actual. However, the correlations between the values from CT and from radiographs were high (r = 0.76 ­ 0.80) if both radiographic views were used, which justifies using radiographic methods for example in clinical studies comparing different stem designs and when the effect of the canal fill on bone remodeling changes is to be assessed.

The anatomic design of the ABG yielded significantly higher fill values than the straight Bi-Metric in the metaphysis; this was established in the clinical (78% v. 74%, p Fit and fill had no influence on the clinical results, but the fit and fill characteristics of the stem designs studied were different, as were the consequent bone remodeling changes. In the Bi-Metric group (a straight second-generation stem) there were signs of bone remodeling indicating to distal stress transfer in about half of the cases. In the ABG group (a HA-coated anatomic third-generation stem) slightly more signs of metaphyseal stress transfer were observed than in the straight stem group, but the prevalence was markedly lower than reported in previous studies. Tight diaphyseal fit and fill were clearly related to cortical hypertrophy of the diaphysis. Resorptive changes in the metaphysis appeared independently of metaphyseal fill, but metaphyseal hypertrophy was related to greater metaphyseal fill.