Clinical and experimental studies on wear and osteolysis in total joint replacement

Abstract

Total hip arthroplasty is a very successful procedure. Despite this fact, however, a certain portion of patients has to be revised. One major reason for revision is the wear of the polyethylene leading to loosening and osteolysis. The overall aim of this thesis was to evaluate linear wear and migration of cemented, all - polyethylene sockets and polyethylene liners in total hip arthroplasty. The aim was also to identify patients for whom increased wear was a risk and who therefore were likely to require a revision, and further to evaluate different methods for measuring wear and their accuracy



Material and results



Study I: 154 hips had received an uncemented Omnifit total hip. 66 cups were revised and in these cases mean annual wear was 0.32 mm compared to 0.12 mm in hips not revised. Osteolytic processes were present in 51 patients at revision but these could be observed in only 35 hips on radiographs. Micromotion evaluated by RSA, weight, age, side, size of cup, screw fixation, polyethylene thickness or shelf - life of the polyethylene did not correlate to wear, whereas male gender did.



Study II: Cross - linked N-telopeptide of type I Collagen (NTx), a marker of osteoclast - mediated bone resorption, has been proposed for the evaluation of the often non-symptomatic peri-prosthetic osteolysis. NTx in urine was analysed in 160 patients with and without osteolysis. The group of patients with osteolysis had significantly higher mean NTx levels (p=0.03) and an increased annual wear of the polyethylene.



Study III: 120 patients were randomised to have a primary total hip replacement with one out of four possible articulations. The femoral heads were of conventional steel or of a new ceramic, zirconium oxide. The cup was either made of conventional polyethylene or of polyethylene that had been reheated under pressure, Hylamer. All combinations that included Hylamer or Zirconium oxide had increased polyethylene wear as compared to the standard steel / polyethylene combination (p<0.008). 12 patients have been revised to date- none had a stainless steel / polyethylene articulation.



Study IV: Polyethylene penetration (wear) was measured by RSA in 111 patients by radiostereometric analysis (RSA) in the supine and weight-bearing position. There was a small (0.02mm) systematic difference. The degree of penetration of the head into the polyethylene or the time for the first examination did not alter this result.



Study V: We analysed the accuracy of 2 radiostereometric (RSA) techniques for wear measurement and 3 standard radiographic techniques using a phantom with different prosthetic components. The mean differences between phantom and measurement were, for digital RSA examinations 0.010 mm (accuracy 0.42, n=175). The corresponding error values for the three radiographic techniques were 0.19 (accuracy 1.3, n=180) for Charnley Duo, 0.13 (accuracy 1.3, n=180) for Imagika corrected, and 1.021 (accuracy 2.99, n=180) for Imagika. Measurement error decreased from 0.011 mm with ordinary RSA to 0.004 with RSA digital measurement. Head size, direction of wear in relation to the cup or type of prosthetic component did not influence the measurement error.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Total höftledsplastik är en vanlig och mycket framgångsrik behandling av smärttillstånd i höftleden. Enligt svenska höftplastikregistret opererades 12651 patienter år 2002 men 1056 patienter fick samma år genomgå ett utbyte av sin höftledsprotes (revision). Att höftleden vrids ur led (luxation) upprepade gånger eller infektion kan vara orsaken till revision men det vanligaste är att protesen slitits och / eller lossnar. Olika slitagepartiklar från tex. metall eller cement, men framför allt polyethylen från plastinsatsen i bäckenbenet inducerar en inflammatorisk process som kan resultera i nedbrytning av benet runt protesen (osteolys). Denna osteolys ger ofta initialt inga symptom och är ofta svårupptäckt med vanlig röntgen. Bennedbrytningen kan då fortsätta så till den grad att revisionen blir komplicerad.



Syftet med denna avhandling var att utvärdera slitage och hur proteskomponenterna rör sig i förhållande till omgivande ben (migration). Målet var också att identifiera patienter med ökat slitage och därmed osteolys, lossning och behov av revision. Mätmetodernas mätnoggrannhet utvärderades också.



I studie I analyserades resultatet av operation med en höftledsprotes vilken fästs i benet utan cement (Omnifit) i 154 höfter. 66 av dessa höfter hade ett årligt plastslitage om 0.32 mm jämfört med 0.12 mm hos de som inte genomgått reoperation (revision). 51 patienter hade osteolys men denna gick inte att se på vanlig röntgen hos 17 patienter. Vi kunde inte visa att migration mätt med Radiostereometrisk analys (RSA), patientens ålder, vikt, kön, opererad sida, storlek av bäckenkomponenten, antal skruv den var fastsatt med, plast tjocklek eller hur länge plasten lagerhållits före operation var relaterad till hur plasten slets. Däremot visade det sig att plasten slets mer hos män. Vi kunde inte identifiera någon säker orsak till den höga andelen revisioner med denna protes typ.



Det finns rapporter som föreslår att man genom att identifiera produkter av bennedbrytning bör kunna identifiera patienter som har osteolys runt sin höftprotes. I studie II analyserade vi en sådan bennedbrytningsprodukt - NTx (Cross linked N-telopeptide of type I Collagen), i urin och fann att gruppen patienter med osteolys hade signifikant högre NTx koncentration i urinen än patientgruppen utan osteolys. Patientgruppen med osteolys hade också ett ökat plastslitage.



120 patienter fick slumpvis en av fyra proteskombinationer i studie III. En ny typ av keramik, Zirconium oxid, som är slät samt motstår repor och keramikbrott väl, provades samtidigt med en ny typ av plast (Hylamer) som efterbehandlats med smältning under tryck för att göra den mer obenägen att slitas. De nya materialen prövades mot konventionella ledhuvuden av stål och polyethylen plast. Alla tre kombinationer med de nya materialen var sämre än den vanliga stål plast kombinationen vi använder idag. 12 patienter har reopererats, ingen av dessa hade vårt vanliga stål plast kombination.



Vid mätning av slitage av höftproteser används vanligen idag röntgen bilder tagna med patienten liggande på röntgenbordet och man använder den första bilden tagen direkt efter operationen som utgångspunkt för de följande mätningarna. Kritik har framförts i den internationella ortopediska litteraturen mot detta förfarningsätt. Man menar att det skulle ge felaktiga resultat och förordar att en extra röntgenbild tas i stående. Vi gjorde därför i studie IV parallella slitage mätningar på röntgen bilder tagna i både stående och liggande på 111 patienter med RSA teknik. Vi fann att det fanns en mycket liten men systematisk skillnad om 0.02 mm mellan sätten att mäta slitaget. Vi fann också att resultatet inte påverkades av hur stort slitaget var eller vilken tid som användes som utgångspunkt för de följande mätningarna.



Det finns i dag många olika metoder att mäta slitage på och lika många sätt att redovisa metodernas mätnoggrannhet. För att kunna jämföra resultatet av slitagemätningar i olika studier bör mätmetoderna vara jämförbara. Vi analyserade i vårt laboratorium mätnoggrannheten vid slitagemätning hos två radiosterometriska (RSA) tekniker (tredimensionellt) och tre konventionella (två dimensionellt) tekniker, de sist nämnda på vanliga röntgen bilder. Medel skillnaden mellan mätvärdet för en specialbyggd fantom som simulerade slitage och respektive metods resultat var för de olika metoderna; RSA 0.010 mm (accuracy 0.42, n, antal mätningar=175), Charnley Duo 0.19 mm (accuracy 1.3, n=180), ?Imagika corrected? 0.13 mm (accuracy 1.3 , n=180) och för Imagika 1.021 mm (accuracy 2.99, n=180). Den digitala RSA-metoden var tre gånger noggrannare än den vanliga RSA-metoden. Storleken på använt ledhuvud, slitagets riktning i förhållande till ledskålen eller de ingående komponenternas material påverkade inte signifikant mätfelet.



Sammanfattningsvis har vi utifrån resultaten i studierna I-III, funnit att ett årligt slitage mer än 0.2 mm är ett varningstecken och att patienter med ett sådant slitage löper stor risk för reoperation. Dessa patienter bör följas noggrant. Vi visade i studie II att NTx kan användas som markör för periprostetisk bennedbrytning, på grupp basis. Sannolikt behövs ett utgångsvärde taget före operation för att man skall kunna använda NTx som markör i individuella fall. Utifrån resultaten i studie III förslår vi att Zirconium oxid inte bör används i ledhuvudet vid höftledsplastik. Hylamer används inte längre. Vi slår fast att det är onödigt att utsätta patienten för ytterligare röntgenexponering för att mäta slitage eftersom mätfelet mellan liggande och stående mätningar är litet och framför allt systematiskt. Vi har redovisat mätfel och accuracy enligt ISO standard för vårat lab. och det är klart att tredimensionella undersökningar såsom RSA mäter slitage mer korrekt än två dimensionella metoder oavsett riktningen av slitaget eller materialet i ingående protes komponenter.

• author: von Schewelov, Thord
• supervisor: Åke Carlsson
• opponent: MD. PhD, Docent Lundberg, Arne, Karolinska Instituet, Huddinge Universitetssjukhus AB, Stockholm
• organization: Orthopedics - Clinical and Molecular Osteoporosis Research (research group)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Orthopedics
• keywords: Surgery, reumatologi, muskelsystem, Skelett, rheumatology locomotion, muscle system, NTx, Skeleton, radiostereometry, osteolysis, wear, Hip, arthroplasty, metabolism, orthopaedics, traumatology, Kirurgi, ortopedi, traumatologi, Biochemistry, Metabolism, Biokemi
• in: Faculty of med. Doct diss
• volume: 2005:67
• pages: 100 pages
• defense location: Universitetsklinikens aula, ingång 35, universitetssjukhuset MAS.
• defense date: 2005-09-30 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85439-71-1
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• additional info: T von Schewelov, L Sanzen, I Önsten and Å Carlsson. 2004. Catastrophic failure of an uncemented acetabular component due to high wear and osteolysis - an analysis of 154 Omnifit prostheses with on average 75 months-follow up. ACTA Orthopaedica Scand, vol 75 pp 283-298.; T von Schewelov, Å Carlsson and L Dahlberg. 2005. N-telopeptide of type I Collagen (NTx) in urine as a predictor of periprosthetic osteolysis. Journal of Orthopaedic Research, (accepted); T von Schewelov, L Sanzén, J Besjakov, I Önsten and Å Carlsson. 2005. Increased wear in total hip arthroplasties with a Zirconium oxide ceramic head - A randomised RSA study of 114 Elite plus prostheses with four different articulations. J Bone Joint Surg Br, (accepted); T von Schewelov, Å Carlsson and I Önsten. 2005. Weight bearing radiographs are not necessary for measuring polyethylene penetration in total hip prostheses - A radiostereometric study of 111 patients examined in weight bearing and supine position. Acta Orthopedica, (accepted); T von Schewelov, L Sanzén, P Börlin, P Markusson and I Önsten. 2004. Accuracy of radiographic and radiostereometric wear measurement of different hip prostheses - an experimental study Acta Orthopaedica Scand, vol 746 pp 691-700.
• id: 75d7bfde-a499-4a0a-9784-8f0d47ac1bf4 (old id 545348)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:38:57
• date last changed: 2019-05-21 14:08:06