CT-gestützte Osteodensitometrie zur Verlaufsuntersuchung der Knochenreaktion nach zementfreier und zementierter Hüftpfannenimplantation
Language
Document Type
Issue Date
Issue Year
Authors
Editor
Abstract
Total hip arthroplasty (THA) is a common procedure using implants with cemented cups or press fit cups. Critical quality parameters of these endoprotheses are longevity of material and local stability of these implants. The aim of this study was to evaluate load-transfer mechanism and stress pattern of periacetabular cortical and cancellous bone after cemented and noncemented THA in patients using computer tomography (CT) assisted osteodensitometry. Further we wanted to evaluate the reproducibility of this novel method by measuring the periacetabular bone density (BD). This was studied by inter and intraobserver analysis in patients after insertion of cemented acetabular cups. In addition, we analyzed the efficacy of CT in detecting radiolucent lines around the acetabular component compared to plain radiography. Patients were also examined before and after operation with the Harris Hip Score. For inter- and intraobserver analysis we obtained CT scans from 20 patients after cemented cup implantation. A manual segmentation of cancellous and cortical pelvic bone ventral, dorsal and cranial to the cup was undertaken. To define the reproducibility, all measurements were evaluated according to Bland and Altmann (1). The reproducibility was high. For the main analysis 13 acetabular cups and 21 noncemented cups were investigated using conventional sequential axial CT scans. For both groups examination were performed on average on day eight and 26 months postoperatively. Periacetabular BD (mgCaHa/ml) was determined in five CT scans cranial and in six CT scans at the level of the cup. We also examined three different regions of interest (ventral, dorsal and cranial) to compare our results with other studies. Radiolucent lines of the cemented cups were evaluated using both CT and plain radiography. For press-fit cups BD decreased significantly in all CT scans except in four out of five scans of cortical bone cranial to the cup. The decrease was highest for cancellous bone ventral to the cup (-53 to -45%). After cemented cup fixation, significant cortical BD decrease was only seen ventral to the cup (-20 to -11%). Cancellous BD decreased only ventral (-31 to -21%) and in two scans cranial (-12 to -11%) to the cup. The BD changes dorsal and cranial to the cup were not significant. The modes of load transfer between cemented and uncemented cups differ fundamentally. Press-fit cups are rigidly fixated in the surrounding bone stock. This bone stock around the implant reacts to the mechanical stimuli in a typical load dependent pattern. Finite element analysis were postulating a stress concentration to the rim of the implant leading to a mechanical load transfer to the cortical bone cephaled to the cup and a decreased stress distribution to the cancellous bone. Cemented cups especially prevent the loss of cancellous bone of the acetabulum. Interestingly, cortical BD loss was also significantly lower in the area surrounding the cemented cup compared to the press-fit component. This suggests a more balanced load transfer to the bone. Long-term results are required to prove if this is important for the cup stability. In addition we analyzed the efficacy of CT in detecting radiolucent lines around the acetabular component of the cemented cups compared to plain radiography. Postoperativley no radiolucent lines were observed in the cement-bone interface, while on plain radiography acetabular lucent lines were seen in 12 out of 22 cases. Thus, plain radiography is cheaper and more suitable for the early detection of radiolucent lines compare to axial CT scans.
Abstract
Der entscheidende Qualitätsparameter nach Hüftendoprothetik ist die Langlebigkeit eines Hüftimplantats, wobei das Versagen der Pfannenverankerung die häufigste Ursache von Revisionseingriffen darstellt. Dies ist hauptsächlich durch aseptische Vorgänge mit einhergehenden periprothetischen, osteolytischen Knochenstrukturveränderungen bedingt. Eine aussagekräftige Untersuchung zur Beurteilung von protheseninduzierten Knochenumbauvorgängen ist die Knochendichtemessung. Ziel der Arbeit war es, mittels eines manuell CT-gestützten Verfahrens eine periprothetische, differenzierte Knochendichtemessung bei unterschiedlichen Verankerungstechniken (press-fit / zementiert) am Azetabulum in-vivo durchzuführen. Die so gewonnenen Erkenntnisse konnten den Theorien der Finite Elemente Modelle und vorhandenen DEXA-Messungen gegenübergestellt und diskutiert werden. Außerdem erfolgte eine differenzierte Auswertung der zementierten Pfannen im a.p. Röntgenbild hinsichtlich Saumbildung, Osteolysen, Zementmantel und Inklinations- sowie Anteversionswinkel. Die Ergebnisse der Röntgenbilder wurden mit den Ergebnissen der CT-Bilder hinsichtlich ihrer Aussagekraft verglichen. Jeder Patient wurde zudem mit Hilfe des standardisierten Harris Hip Scores zur Bewertung des klinischen Ergebnisses untersucht. Zur Validierung des angewandten Verfahrens bei zementierten Hüftpfannenprothesen wurden eine Inter- und Intraobserver Studie durchgeführt, welche eine ausreichend hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Methode bestätigte. Bei der nachfolgenden Analyse wurden 21 press-fit fixierte und 13 zementiert verankerte Implantate mittels eines standardisierten CT-Protokolls nach durchschnittlich 8,8 Tagen (press-fit) bzw. 8,1 Tagen (zementiert) und 25,8 Monaten (press-fit) bzw. 25,9 Monaten (zementiert) untersucht und anschließend mit einer speziellen Software ausgewertet. Mit Hilfe eines Phantoms konnten die Houndsfield - Werte in Hydroxylapatit - Äquivalent umgerechnet werden. Zur exakten Beurteilung des periprothetischen Knochens wurden bei jeder untersuchten Prothese insgesamt 11 CT-Scans direkt miteinander verglichen (Scan 1-6 auf Höhe der Prothese; Scan 7-11 oberhalb der Prothese). Zusätzlich wurden der ventrale, dorsale und kraniale Bereich eines Datensatzes in Form von Untersuchungsregionen zusammengefaßt. Dies ermöglichte den Vergleich mit bereits vorhandenen Studien. Press-fit Implantate zeigten gegenüber zementierten Hüften in allen Bereichen einen größeren Knochendichteverlust. Am höchsten war der Knochendichteverlust auf Prothesenhöhe ventral, die spongiösen Substanzverluste waren hierbei im Vergleich zu den kortikalen deutlich höher. Der Knochendichteverlust war bei allen 6 Scans auf Prothesenhöhe gleichmäßig ausgeprägt. Nach zementierter Hüftpfannenimplantation wurde ein signifikanter kortikaler Knochendichteverlust ventral festgestellt, der spongiöse Knochen war nur ventral, sowie in 2 kranialen Schichten rückläufig . Die gemessen Werte zeigen, dass frühzeitig nach Implantation einer Hüfttotalendoprothese ausgeprägte bone-remodelling Vorgänge aufgrund biomechanischer Knochen-Implantat Interaktion stattfinden. Dabei ist die Art der Kraftübertragung bei zementierten und press-fit implantierten Hüftendoprothesen unterschiedlich. Durch die relative Steifheit der press-fit Pfanne gegenüber dem Knochen kommt es zu einer verminderter Krafteinleitung v.a. auf den zentralen Bereich der Pfanne, während der Pfannenrand im Verhältnis am stärksten belastet ist. Dies führt zu einer Knochenresorption im Bereich des spongiösen Knochens. Bei den zementierten Polyethylenpfannen ist auch die Kraftumverteilung ausgeglichener. Daher kommt es bei den zementierten Pfannen zu insgeamt geringeren Knochendichteverlusten. Inwiefern dies für die Standzeit der Pfannenverankerung relevant ist muss über einen längeren Follow-up Zeitraum untersucht werden. Die zementierten Pfannen wurden hinsichtlich vorhandener Lysesäume differenziert analysiert. Es zeigte sich bei Vorhandensein von Lysesäumen eine Zunahme der Knochendichte. Ursächlich könnte eine Impaktierung der Spongiosa bei lockeren Hüftpfannen sein. In diesem Zusammenhang wäre die Beurteilung von Knochendichtedaten mit einhergehender Dichtezunahme nicht positiv zu bewerten. Bei niedrigen Patientenzahlen, hohem Durchschnittsalter und ungleicher Geschlechtsverteilung bedarf es jedoch weiterer Untersuchungen zur Klärung. Die Auswertung der Röntgenbilder im Vergleich zu den CT-Scans ergab, dass die a.p. Röntgenaufnahme die prognostisch wichtige Region I besser darstellt, als es in den CT-Aufnahmen möglich ist. Dies und die niedrigeren Kosten sind Vorteile des Röntgenbildes. Insgesamt werden längerfristigere Follow-up Knochendichtemessungen in Verbindung mit klinischen Daten weitere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Implantat und Knochen erbringen. Die Auswertung des Harris Hip Scores zeigte, dass alle Patienten postoperativ ein besseres klinisches Ergebnis erzielten als vor dem Eingriff.