김영용 교수(인제대/서울백병원 고관절클리닉)

필자가 1972년 처음으로 찬리형 저마찰 인공고관절 전치환술을 우리나라에 소개한지도 이미 30년의 세월이 흘렀으며, 찬리경이 저마찰 인공고관절치환술을 개발 후 아깝게도 1982년 작고 하셨고, 인공고관절을 실용화시킨 이후 40년이 지났으나 오늘날 다시 각광을 받게 되었다.

현재 고관절 전치환술은 미국에서는 1년에 20만 건 이상 시행되는 가장 흔히 사용되는 시술중의 하나가 되었으며 국내에서도 매년 대략 1만명 정도가 이 혜택을 받고 있는 실정이다. 근래에 와서 고관절 전치환술을 젊고 활동적인 환자에게 확대하여 적용하고 있는데 이 수술의 임상적 성공이 지속적으로 확인되면서 지난 10년간 점차 증가하는 추세이다.

21세기에 들어와서 과거 40년간의 인공고관절 발전상을 파악하기 위하여 저명한 선진국 정형외과지에 발표되었던 2000년 4월부터 최근까지의 논문을 참고로 하였다.

고관절 전치환술은 대퇴 삽입물과 비구컵을 사용하여, 여러가지 질병으로 파괴된 고관절을 재건하는 수술이며 노령인구가 급증함에 따라서 증가되고 있는 현실이다.

초창기에는 금속 대 플라스틱(Charnley), 혹은 금속 대 금속(McKee) 인공관절로 시작되어 골시멘트에 의해 뼈에 고정하는 수술로 시작되었다. 같은 시기에 같은 영국에서 개발되었던 시멘트를 사용하지 않는 금속 대 금속형 인공관절인 Ring형은 수술 후 곧 해리가 일어난다는 결점이 드러나면서 5년도 못 가서 폐기되었다.

그러나 얼마 안가서 골수강에 삽입된 골시멘트가 골용해를 일으켜 인공관절 실패의 주요원인이 된다고 오해하고 있었다. 물론 인공고관절의 수명은 환자의 연령, 활동능력 및 수술전 진단이 예후를 평가하는데 중요하다고 하나, 스웨덴에서 시행한 9만2,675명의 1978년에서 1990년까지의 원격성적 분석에서 수술후 7~8년 후에 대개 무균성 해리가 야기됨을 엿볼 수 있었다.

현재는 폴리에틸렌이 골용해를 일으키는 주범이라고 판단되었으나 1980년대 초에는 골시멘트가 골용해를 유발시켜 인공관절 실패의 원인으로 간주되어 골시멘트 사용을 기피하는 현상도 있었으며, 따라서 시멘트를 사용하지 않는 고관절 전치환술에 관하여 관심을 가지게 되었다.

무시멘트 고정 고관절 전치환술은 인공관절 삽입물 표면에 미세한 구멍이 무수하게 뚫려있어 뼈가 이 구멍을 통해 자라 들어가거나 뼈의 구조에 꽉 끼게 제작되어 대퇴골과 골반골에 단단히 고정되게 된다. 그러나 1980년대 말에는 비구컵의 무시멘트 고정하고 스템의 시멘트 고정이 다시 보스톤 학파에 의하여 의견의 일치를 보아 실용단계에 들어갔으며 시멘트 주입방법도 2차원, 3차원을 지나서 4차원으로 비약적 발전이 거듭되었다.

그러나 그 원격성적이 가장 우수하였던 것은 재래식 시멘트를 사용하는 찬리식 인공 고관절 전치환술이다. 반면 우리나라에서는 1980년초 독일에서 수입된 M형 세라믹 대 세라믹 인공관절이 각광을 받게 되었는데 부하접촉면이 소잡하여 많은 합병증이 야기되었다. 1998년 윤등은 그들이 경험한 103례의 원격성적 추적에서 골용해 합병에 관하여 보고한 바 있으며 세라믹 대 세라믹 인공관절 사용에 많은 참고가 될 것이다.

무시멘트 고정

대퇴골 스템의 무시멘트 고정은 지난 20년에 걸쳐 발전을 거듭해 왔다. 그 재료와 장시간에 걸친 임상시술 및 10~15년의 기간에 관한 더 많은 자료가 소개되고 있다. 표면 재질은 스템의 무시멘트 고정의 성공에 영향을 주는 주요 인자이다. 통기성과 수산화 인회석의 두 가지 주된 형태의 표면이 지난 20년에 걸쳐 사용되어 왔다. 이 기간에 많은 스템 디자인의 임상적 유용성에 대한 평가가 다양한 스템 기하학(직선, 굴곡, 끝이 가는 형태, 변형된 형태), 표면처리의 정도, 그리고 구성 재질(티타늄 합금, 코발트-크롬 합금)에 의해 복잡하게 진행되었다.

Zenos 등은 1980년대 임상적으로 광범위하게 사용된 초기 디자인 중 하나인 통기성 표면처리 해부학적 스템에 관한 최신 자료를 소개하였다. 100개의 고관절 기구 중 65개가 14~15년간 그대로 남아있다. 두개(2%)의 스템은 이완 때문에 재치환되었고, 16개(16%)컵은 골용해와 이완 때문에 재치환 되었다.

또 다른 끝이 가는 스템을 사용한 50세 이하의 연속적인 108명의 고관절 치환술 환자에 대하여 보고하였다. 환자들의 평균 연령은 37세였고, 평균 추시기간은 10.2년이었다. 이완과 골용해는 7%에서만 관련되었고, 98%에서 골내 안착이 확보되었다고 판단되었기 때문에 재치환된 스템은 없었다.

수산화 인회석으로 표면 처리된 스템이 고정의 안정성과 내구성을 기하기 위해 소개되었다. 2000년도 미국 고관절 학회에서 5년 추시 기간을 갖는 230례의 고관절 전치환술의 결과를 발표하였다. 평균 환자 연령은 56세였다. 한 개의 스템은 이완 때문에 재치환 되었고, 네 개의 스템은 다른 이유 때문에 재치환 되었다.

어떤 스템도 방사선적 이완소견은 없었다. 기계적 실패율은 0.4%였다. 이어서 근위부가 표면처리 되어지고 끝이 가늘며 수산화인회석으로 표면처리된 스템과 다공질로 표면처리된 스템을 비교분석하였다. 연구는 최소 5년(평균 9.3년)의 추시기간을 갖고 52쌍의 환자들에서 이루어졌다. 어떤 스템도 양 그룹에서 이완에 의해 재치환 되지 않았고, 양 그룹간의 임상적 차이는 없었다.

20세기 말에 가장 획기적인 업적은 인공관절 실패를 토대로 하여 마모와 그에 따른 생물학적 기전에 관한 연구이다.

마모조각의 식세포와 단핵구에 대한 효과는 널리 연구되어 왔다. 최근 연구는 골모세포도 관여하며, 골용해에 기여하는 것으로 나타났다. Andersson 등은 무균성 해리에 의한 재치환술시 세포가 활액에 노출되었을 때 인간에 대한역효과에 대해 보고하였다. 이것은 해리된 전치환 인공삽입물 주위의 활액에 의해 세포작용에 직접영향을 미친다는 첫 연구였다. 파골세포에 의한 골흡수는 세포작용, 분화, 성장, 생존에 있어 불균형의 결과일 수 있다.

Bi 등은 파골세포가 티타늄조각에 노출되면 분화가 30배로 증가함을 보여주었다. 조각의 식작용은 세포생존에 영향을 주지 않으며, 증가된 세포분화는 골흡수를 증가시켰다. 어떤 학자는 금속조각의 식작용은 파골세포의 시간과 용량에 의존한 감소를 일으키고, 골흡수를 야기시킨다고 하였다. 그런 효과는 코발트-크롬과 스테인레스-스틸조각에서 더 현저했다.
　골용해 치료에 있어서 alendronate, Lipitor, bafilomycin-A 같은 여러 시약이 연구되었다. 파골세포에 억제효과를 내는 이러한 약제의 정확한 기전은 완전히 정해졌다. 대식세포는 티타늄 조각에 노출됨으로써 활성화되었다. 골흡수, 사이토카인의 농도, 내피성장요소는 양적으로 측정되었다. 사이토카인의 생성은 조각에 의해 세포가 활성화됨으로써 증가하였다. 골흡수의 용량 의존적 억제는 VEGF-NA사용시 가장 현저했다. 이러한 결과는 혈관형성의 억제가 골용해의 억제를 위해 중요하다는 것을 의미한다.
　
폴리에틸렌(비구컵)

금속 대 폴리에틸렌 조합은 현재에도 가장 널리 사용되는 조합이며 마모를 줄이는 것이 연구의 초점이 되어왔다. 지난 30년간 사용된 대부분은 대기 중에서 감마 방사선에 살균되어 사용되었다. 감마선은 대기와 만나 폴리에틸렌에 산화작용을 일으켜 폴리에틸렌의 마모성을 줄이는 동시에 폴리에틸렌과 결합하여 마모성을 향상시킨다. 기간이 길어지면 산소가 인공삽입물에 확산되어 자유 라디칼과 작용함으로써 폴리에틸렌의 산화작용을 증가시킨다.

최근 몇가지 폴리에틸렌 생산물은 결합을 증가시키고, 산화적 감소를 줄일 수 있게 되었다. 이 생산물은 방사선양, 종류, 폴리에틸렌이 잔여의 자유라디칼을 제거했는지 여부에 따라 다르다. 어떤 이들은 더 많은 방사선으로 폴리에틸렌이 생역학적으로 어떻게 변하는데에 관심을 가지고 있다.
　상업적으로 가장 널리 사용되는 폴리에틸렌 4가지를 시험했을 때, 4가지 모두 비교 대상보다 우수한 것으로 나타났다. 그러나 인공노화의 영향에 대한 결과는 논란이 많았다. 한가지 특별한 생성물의 마모율은 3주간 80도에서 노화시킨 후 현저히 증가했다. 실제로 이생성물은 비교대상보다 더 악화되었다. 더욱이 이 교차결합생성물은 현저한 산화를 보였다. 이 연구는 상업적으로 유용한 생성물사이에 큰 차이가 있음을 보여주었으며, 실험방법도 표준화해야함을 보여주었다.
　관절운동은 재건관절 성형술 후에 기능과 수명에 영향을 줄 수 있다. 고관절 분리는 기능상 양호하고 증상이 없는 환자보다 인공삽입물의 부전이 있는 경우 심하다. 분리는 몇가지 기전에 의해 일어나는데 비대칭적 부하가 폴리에틸렌 마모를 일으키고, 순간적 부하가 고정의 소실을, 마모조각에 의해 골용해가 일어나고, 불안정성에 의하여 분리가 조장된다.
　
　세라믹 인공관절
　미국의 Clarke 등은 세라믹 대 폴리에틸렌 관절의 마모가 금속 대 폴리에틸렌 관절의 50%라고 하였다. 그러나 일본의 Oonishi는 세라믹 골두와 금속 골두에서 같은 마모율을 보였다고 했다.
　유럽의 연구자들에 의해 세라믹 대 세라믹 인공관절의 임상 효과에 대해 보고되어 졌으며, 세라믹라이너의 잠김 기전이 향상됨으로써 감입시 파손되는 것이 줄었다. 최근 미국에서는 세라믹라이너와 폴리에틸렌 라이너의 2~4년째 추시에서 임상성능의 차이가 없다고 했고, 사소한 골용해가 폴리에틸렌에서 보인 반면, 세라믹은 관찰되지 않았으며, 파손이나 부전도 합병되지 않았다고 보고하였다.
　실제 임상에 있어서는 세라믹 자체의 입자가 많이 개량된 현재에 있어서도 골용해로 인한 접촉면의 파괴를 간혹 관찰할 수 있다. 따라서 세라믹대 세라믹 인공 고관절 설치에 있어서는 비구컵의 경사도를 45도 이상 증가시키면 세라믹 골두와 인공컵외 측면의 금속판이 굴곡시 서로 부딪혀 인공 고관절이 파괴되고, 골용해도 일으킬 수 있으므로 수술시 외전근 보존 등 각별한 주의를 요한다.
　
금속 대 금속 인공관절

이것은 낮은 마모율이 보고되어 왔고, Dorr 등은 연구에서 골용해는 보이지 않았으며 마모가 초기에는 0.03mm 였으나, 시간이 지나면서 0.003mm로 감소하는 현상은 보고하였고, 합병증은 드물지만, 한례에서 충동 및 재발성 탈구에 의해 라이너의 분리를 보였다.

파종성 마모조각의 전신적 영향에 대한 연구에서 Urban은 대동맥의 임파선과 간, 비장에 파종된 것을 보고하였다. 한례에서 육아종이 형성 되었으나, 임상적 영향은 불분명하며, 암과의 관계도 연관성이 없는 것으로 나타났다. 필자 등도 1992년 이후 100례 이상의 금속 대 금속 인공관절을 시술하여 그 예후를 추적하였던 바 젊은층임에도 불구하고 만족할만한 결과를 얻었다.
　
대퇴골 스템
　
1.시멘트 고정

대퇴스템의 시멘트고정에 관한 두가지 획기적인 사실은 향상된 시멘트 주입기술에 따른 긴 내구성을 얻을 수 있었다는 점과 거친 표면을 가진 시멘트 스템의 조기 실패이다.

최근 문헌고찰에서 어느 미국학자는 1960년에서 1965년에 개발된 찬리 제 1세대 스템인 직선등관절은 아직도 생존하고 있는 280명의 장기추적에서 생존율이 20년에 82%, 30년에 81%였다고 보고한 바 있다. 그러나 비구컵의 생존율은 52%에 지나지 못하였다고 한다.

저자도 찬리 제 1세대 스템의 사용증례 가운데서 8년전 비구컵 재치환술만 했음에도 불구하고 28년이 지난 오늘날에도 스템측은 우수한 생존율을 보였다.
　
〈그림1〉 56세 여자로 28년전 좌측 고관절 고정을 덜기 위하여 찬리 인공고관절 전치환슬을 받았으나 수술 18년 후에는 비구컵의 해리가 악화되어 비구컵의 재치환술을 받았다.

좌측사진은 수술전 방사선사진상 비구컵은 완전히 해리되어 상방으로 전위되어 있었으며 약 4mm 정도의 마모가 진행되어 있음을 엿볼 수 있다. 대퇴측은 찬리 제 1세대 직선등관절스템이 약간 외반위로 잘 삽입되 있는 상태이나 근위 대퇴골 내측에 직경 2cm정도의 컵마모에 기인된 골용해로 인한 골결 손상이 인정된다.

중간사진은 동종골이식 및 컵 재치환 상태이며 전술한 골용해부는 완전히 소파하고 이식골로 대치하였다. 우측사진에서 컵 재치환후 10년의 방사선사진상 대퇴근위부의 골용해부는 현저히 감소된 상태에서 일상생활에 지장이 없었다.

인공고관절 수술후 부적절한 체중의 감량은 인공고관절 수명 연장에 중요한 역할을 한다. 이 환자의 경우도 수술 후 10년간에 걸쳐서 매일 한 시간씩 수영을 권장하여 체중 60kg로부터 평균 52kg를 유지시켜왔다. 이 환자에게는 수영보다 오히려 어깨 너머까지 물에 잠겨 물속에서 걷는 치료방법을 택했다. 이 방법은 물속에서 걷는다는 잇점 외에도 수압으로 횡격막이 밀려 올려져 폐용적이 적어지게 되므로 호흡수가 증가하여 육상에서의 보행보다 약 2배의 에너지를 소모시켜 체중감량에 결정적인 요인이 되었다고 본다.

참고로 대퇴전치환술에서 인공관절을 고정시키기 위해 사용하는 시멘트는 3가지 역할을 한다.

(1)마모입자들이 대퇴골수강에 들어가는 것을 막는 밀봉재 역할과, (2)인공관절을 대퇴근위부에 순간적으로(가능하면 끝까지) 고정시키는 역할과, (3)인공관절로부터 뼈로 전달되는 힘을 조절하고 응력을 전파시키는 역할을 한다.

시멘트 고정 대퇴스템의 연마로 인한 지구성은 그 표면이 연마되어 있는 대퇴스템인 1960년대 제작된 찬리 제 1세대 직선등관절 스템을 예로 들 수 있으며 40년이 지난 오늘날에 와서 이론적으로 다시 세계적인 인정을 받게 되었으며 이러한 연제는 2002년도 선진국에서 개최되는 중요 고관절 학회의 하이라이트이기도 하다.

그 이론적 배경을 좀더 설명하자면 대퇴부는 복합보(composite beam) 혹은 가중 테이퍼(테이퍼-슬립 모델로도 알려진)의 역할도 한다. 이 모델들은 비록 단순화되기는 했지만 대퇴인공관절을 고정시키는데 사용된 기본 역할을 명확히 설명하고 있다. 이러한 시스템 각각으로부터 최적의 결과를 얻기 위해서는 인공관절의 형상, 표면처리와 인공관절과 시멘트 접촉면 등의 차이점들을 살펴볼 필요가 있다.

복합보 모델에서, 인공관절은 2개의 튜브(안쪽튜브는 시멘트 바깥쪽 튜브는 뼈)안에 들어있는 막대기로 간주된다. 복합보가 안정된 구조를 갖기 위해서는 기계적 물성치가 서로 다른 금속, 시멘트, 뼈의 3개의 재료가 형성하는 인공관절/시멘트 접촉면, 뼈/시멘트 접촉면들이 강하게 접착되어 있어야 한다.

유한요소해석에 의하면 3개의 요소 중 가장 강한 것이 하중의 대부분을 전달하는 것으로 나타난다. 복합요소로 작용하는 대퇴인공관절을 수술한 다리로 체중을 지탱할 때 하중은 대퇴근위부를 지나치고 인공관절두에서 곧바로 인공관절 끝부분으로 전달된다. 하중은 인공관절 끝단에서 원위부 시멘트로 전달되고 계속해서 주뼈로 전달된다.

표면이 연마되고, 테이퍼진 인공관절은 다른 메커니즘으로 하중을 전달한다. 복합보형의 인공관절은 대부분이 견고하게 접착되어 있는 반면에, 테이퍼형 인공관절은 시멘트막 내부에서 움직일 수 있어야 한다. 테이퍼형이며 시멘트를 사용한 대퇴인공관절을 시술한 다리로 하중을 지탱할 때 하중은 인공관절의 대퇴골두로 전달되어 테이퍼진 인공관절을 시멘트막 아래로 밀어 내리게 된다.

이러한 하강은 시멘트 내부에 방사 방향의 압축력을 발생시키고 이어서 뼈 내부에 원주방향의 응력을 유발시킨다. 이러한 힘들이 대퇴인공관절의 전길이에 대해 발생할 때, 그에 따른 동적 응력의 균일한 분배로 근위부 응력차폐가 최소화 된다. 또한 시멘트와 뼈 경계층간의 접촉 압력의 증가로 뼈에 해로운 상대 미끄럼 운동이 최소화됨이 알려졌다.

아울러 표면을 연마한 테이퍼형 스템의 시멘트 고정과 이 스템을 시술한 결과에 대해 논의하겠다. 연마 및 테이퍼형 스템을 사용하는 것의 성공은 스템의 실제 설계와 수술기법과 관련된 특징들에 의해 좌우된다. 스템의 설계는 테이퍼의 유무, 칼라의 유무, 플렌지의 유무, 스템 표면처리와 스템의 재료 등을 의미한다. 가장 중요한 수술기법은 사용하는 시멘트의 형태이다.

필자는 최근 시멘트 사용 인공고관절의 반영구성에 착안하여 장시일이 경과되었음에도 불구하고 간혹 비구컵의 무균성 이완의 경우 대퇴골 시멘트의 결손이 없는 한 골수강내 대퇴 시멘트의 제거없이 대퇴 스템만 교체하는 것을 시도하고 있다. 이러한 방법은 시멘트의 지구성이 인정되고 나서 미국, 영국, 그리고 남아공에서 시행되는 실정이다.

최근 저명한 외국 학술지에 보고된 필자의 논문을 인용해 전술한 바와 같이 찬리 제 1세대 직선등관절 스템을 제 1세대 주입기법인 두 엄지손가락 기법으로 수술하였음에도 불구하고 28년이 지난 오늘날에도 건재하다함에 대해 놀라움을 금치 못한다. 필자의 수술 례 중에서도 컵 재치환술이 소요되었던 41명의 증례군에 있어서 29명은 다소 대퇴부가 헐거워져 있음을 인정할 수 있었으나 그 중 12명은 20년 이상 사용하였음에도 불구하고 매우 건전한 상태였었다.

〈그림2〉 45세 여자환자로, 좌측 사진은 고관절 전치환술후 15년된 방사선사진으로 비구컵의 마모 및 해리로 컵이 상방으로 전위되었음을 보여주며, 우측 사진은 비구컵을 동종골 이식 및 시멘트를 이용하여 재건하고, 대퇴골 스템은 골수강내 시멘트의 제거없이 그 위에 시멘트를 이용하여 스템을 삽입한 방사선사진이다.

필자 등은 최근 재치환술을 시행한 12명의 환자 중 3명을 상기 증례와 같은 방법으로 시술하였으며, 1명은 시멘트의 골수강내 삽입이 적절치 못하여 실패하였다.

필자 등은 이러한 방법의 재치환술은 방사선학적 소견 및 수술 중 시멘트와 골 사이의 접촉면의 상태에 따라 시행하는 것이 옳을 것으로 생각되었다. 그러나 대퇴골내의 기존에 있던 시멘트의 방사선학적 등급에 따른 시멘트의 재생성은 논란의 여지가 많으며 따라서 필자 등은 수술 중 시멘트로 이루어진 대퇴골수강의 상태를 관절경을 이용하여 시멘트의 유용성을 확인하였다.(관절경 소견)
　
〈그림3〉 관절경 소견

골시멘트의 생체역학적 판정에서 가장 중요한 인장응력의 저하는 원통상 물체로 실험한 결과로 볼 때 기존의 시멘트와 새로운 시멘트 사이의 접촉면전단력이 단일 실린더에 비교하여 단지 6%만이 감소하였음이 1980년 초에 보고되어 있다. 따라서 기존의 시멘트 위에다 새로운 시멘트를 첨가하여 대퇴 스템을 고정하는 방법은 받아들일만 하다. 시멘트 등급의 표시는 골수강내 시멘트의 파괴상을 중심으로 만들어진 Gruen 분류법을 채택하였으며 가장 골수강내 시멘트의 상태를 설명하기 어려운 Gruen 5부위를 중심으로 관절경을 통하여 눈으로 직접 확인하였다.

더욱이 골수강을 채울 수 있는 길고 협소한 노즐을 발전시켜왔으며 앞으로 고관절 재치환술에 있어서 밝은 미래를 보장해 줄 수 있을 것으로 사료된다.