超高分子量聚乙烯在髋关节置换中的临床磨损

5 历史性和传统超高分子量聚乙烯在髋关节置换中的临床性能

5.1 引言

尽管超高分子量聚乙烯（UHMWPE）已有超过50年的临床应用历史，但其最初十年的临床实施完全由约翰·查恩利在怀廷顿主导。继聚四氟乙烯（PTFE）失败之后，查恩利一直未发表其使用UHMWPE进行低摩擦关节成形术的经验，直到20世纪70年代才公布。因此，在20世纪60年代，全关节置换术在怀廷顿以外地区的推广受到查恩利的严格控制[1]。然而，到了20世纪70年代中期，查恩利的设计开始在美国出现；随着手术细节被广泛知晓，全髋关节置换术进入了一个持续稳定增长的时期，并延续整个20世纪80年代。从20世纪90年代开始，关节成形术进入了持续且呈指数级增长的阶段，预计这一趋势将持续未来二十年，除非出现资金供应、新兴颠覆性技术或骨科外科医生队伍规模方面的不可预见变化[2,3]。美国骨科医师学会（AAOS）将21世纪头十年（2002–2011年）定为“美国骨骼与关节十年”。

人们对关节置换术普遍持乐观态度，这不仅基于这些外科手术在美国历史上取得的成功，还基于我们人口老龄化的人口统计学特征。肥胖的流行率不断上升，以及通过大众媒体和互联网对关节置换术进行的直接面向消费者的广告宣传显著增加 [2,4,5]。 中的图表显示了2012年接受初次髋关节置换术患者的年龄分布。由于这些因素的共同作用，预计未来对初次髋关节置换术的需求将增加 [2,3,6]。预计未来接受全髋关节置换术（THA）的患者中约有一半年龄小于65岁[3,6]。

绘制了美国初次全髋和全膝关节手术的历史增长情况美国1993年至2012年间的数据。图5.2中绘制的数据表明，与膝关节相比，髋关节的初次全关节手术数量较少。预计未来十年内这一趋势不会发生显著变化[2,3,6]。尽管全髋关节置换术（THA）的实施频率低于全膝关节置换术（TKA），但对髋关节临床性能的研究远比膝关节深入。因此，本章的重点是THA的临床性能。

由于磨损在导致骨溶解、无菌性松动以及最终引发植入物翻修方面曾发挥重要作用，本章回顾了与量化髋关节置换术中γ射线灭菌的超高分子量聚乙烯临床磨损性能相关概念的历史发展。我们目前对这一主题的理解基础主要来自查恩利在20世纪70年代发表的文献。关于与植入物磨损相关的生物学、设计和植入因素的更多背景资料，可参见之前的综述[7,8]。已有若干优秀的书籍章节和综述文章发表，描述了影响实验室中超高分子量聚乙烯材料磨损的各种因素[9–12]。随着高交联超高分子量聚乙烯在髋关节成形术中的临床成功，传统超高分子量聚乙烯在全髋关节置换术中的应用正变得越来越少。对现代高交联超高分子量聚乙烯髋关节轴承性能感兴趣的读者可直接跳转至第6章。

5.2 关节置换并非永久有效

关节置换术非常成功，尤其是在使用后的第一个十年内。然而，由于假体、患者和外科医生相关的多种因素，关节置换术在植入后的前10年内每年仍可能有1%或更低的翻修率[13–17]。斯堪的纳维亚地区关于全髋关节置换术的结果研究表明，长期存活率在植入10年后显著下降，尤其是对于年龄小于55岁的患者 [14]。

全关节置换术的翻修率仍然是西方国家医疗经济的重大负担，并且根据国籍不同，翻修率在10%至20%之间波动[14]。例如，在美国，对国家医院出院调查（NHDS）流行病学数据的分析表明，相对于1990至2002年间的初次手术数量，翻修手术的发生比例约为15.2–20.5%[13]。然而，根据瑞典1979年至1998年的翻修数据，75.7%的髋关节翻修手术是由于无菌性松动所致。对美国2005–2010年数据的分析表明，目前全髋关节置换术中最常报告的翻修原因是脱位，而非无菌性松动[19,20]。

传统超高分子量聚乙烯的磨损历来被认为是导致髋关节置换术中炎症性骨丢失和晚期翻修的主要原因。研究人员估计，患者每天活动时，约有上亿个微观超高分子量聚乙烯磨损颗粒释放到髋关节周围组织中[21]。这些颗粒状磨损碎屑可引发一系列不良组织反应，导致骨溶解（骨坏死），最终造成假体部件的无菌性松动[22–25]。 中的X光片显示了骨盆内一个骨溶解病灶，位于历史性的γ射线灭菌髋臼部件上方。

2002年，根据对文献的回顾，Dumbleton等人[26]提出，影像学磨损率低于0.05毫米/年时处于“骨溶解阈值”以下，此时患者发生骨溶解的风险较低。这种普遍的、剂量依赖性骨溶解阈值的概念在文献中存在争议[27,28]。目前，个体特异性因素，例如遗传多态性，被认为在调节个体对聚乙烯磨损碎屑的易感性方面具有重要作用[29]。因此，如果确实存在骨溶解阈值，那么该阈值可能因患者而异。

无论其病因如何，骨溶解都可能与翻修需求相关，具体取决于其位置（即骨盆或股骨）和进展速度。正如Hozack等人所指出的，[30]，“单纯的聚乙烯磨损（I期）是即将发生失败的征兆，当出现症状时（IIA期），应进行翻修。影像学骨溶解的发生是一个关键事件，一旦出现骨溶解（IIB期或III期），应立即进行翻修。从翻修外科医生的角度来看，对聚乙烯磨损和骨盆骨溶解进行早期干预具有重要意义。”因此，了解临床环境中超高分子量聚乙烯磨损的自然发展过程，始于查恩利的开创性工作，是提高全髋关节置换术longevity的重要第一步。

5.3 骨水泥型髋臼部件的临床磨损性能范围

查恩利及其同事首次开发了用于评估患者中超高分子量聚乙烯髋臼部件磨损率的放射学技术。1973年，查恩利和丘皮克报告了第一组在1962年11月至12月期间接受超高分子量聚乙烯假体部件植入的患者的长期磨损性能1963[31]。在此期间，共有170名患者接受了带有超高分子量聚乙烯部件的骨水泥型低摩擦关节成形术；总共植入了185个髋臼杯。由于最初接受植入的患者多为老年群体，许多人已经去世或因身体虚弱无法前往诊所进行随访检查（植入时超过三分之二的患者年龄超过60岁）。因此，在植入后9年或10年，仅能对原始185个超高分子量聚乙烯髋臼杯中的106个进行评估。该系列病例的并发症包括4–6%的感染率、1–2%的机械性松动率以及2%的晚期脱位发生率。

1963年初，查恩利在髋臼部件的背面引入了一个半圆形金属环标记，以协助通过X光片测量磨损情况。萨克雷博物馆收藏的未使用过的查恩利髋臼杯照片显示，金属标记物已插入水泥槽中。尽管所示植入物 生产于1968年至1975年之间，但其金属标记物的构型与查恩利和丘皮克研究中所使用的相似。

查恩利和丘皮克[31]通过测量髋臼杯负重区和非负重区股骨头与内衬背面之间的最窄距离，从X光片计算磨损量。然后将负重区与非负重区厚度的差值除以二，以估算因髋臼杯磨损导致的股骨头径向穿透量。这些测量的精度仅为0.5毫米，因此使用该技术无法检测到小于0.5毫米的磨损。相比之下，当代基于计算机的X光片磨损分析技术的精度可达0.1毫米或更高[32]，我们将在第5.8节中看到这一点。

在查恩利的9至10年系列研究中，共有72个假体部件测量了磨损情况。该系列中的其他髋关节要么没有金属标记物，要么没有X光片。查恩利报告的平均磨损率为0.15毫米/年，但对其论文中表5.1所列数据的分析表明，该平均值排除了磨损不可检测（0毫米）的患者。根据其表5.1中的数据绘制的查恩利72例患者的磨损率分布，以直方图形式显示在 中，并包含了磨损不可检测（0毫米）的患者。

平均（均值）磨损，包括那些具有不可检测的磨损的患者，为1.18毫米（范围：0到4毫米）。还将标准正态（高斯）分布叠加于这些数据上，显示分布左偏，且具有更大的出现磨损低于平均值的患者数量多于高于平均值的患者。此外，还有少量患者的磨损程度远高于平均值。这种超高分子量聚乙烯在患者群体中的磨损性能分布偏斜现象早已被查恩利所认识[31,33]，并在后续使用现代模块化髋关节设计的研究中被观察到[8]。因此，有时采用非参数统计方法来表征临床磨损性能更为合适，因为这些方法不对数据的基础分布做任何假设。“箱形图”（或简称为箱形图），如 所示，基于查恩利和丘皮克研究得出的相同磨损数据的直方图绘制，有助于总结磨损数据的分布情况。

对于可能不熟悉箱形图的读者，可以如下理解：箱子的上下两端分别对应数据的25%和75%百分位数（例如，分别为0.5毫米磨损和1.5毫米磨损）。中位数（50%百分位数）是箱内的一条水平线（位于1.0毫米磨损处）。因此，箱子本身代表了四分位距，即对应于人群“中间一半”的分布集中趋势。中位数是分布的中心，有一半的人群位于其两侧。需要注意的是，磨损数据的中位数（1毫米）略低于算术平均值或平均数（1.18毫米）。最后，图中的“须线”对应于分布的10%和90%（例如分别为0.0和2.0毫米磨损），用以表示人群中中间80%范围的宽度。一些统计学家喜欢将10%和90%百分位之外的数据作为个体数据点或离群值绘制出来，但此处我并未采用这种表示方法。

5.4 髋关节置换术的磨损与磨损率

在一组患者中观察到的磨损绝对量将取决于放射学检查之间的时间间隔。因此，从查恩利开始的临床研究人员一直关注线性磨损率（LWR），或表观股骨头压入量（P）随时间（t）的变化：

$$ P / t = LWR $$ (5.1)

查恩利还建议，体积磨损率（VWR）相较于线性磨损率（LWR）可能也是衡量磨损的临床相关指标，因为生物刺激可能与磨损碎屑的体积有关[34]。如果股骨头沿线性轨迹穿透髋臼杯（这一假设已由查恩利使用聚四氟乙烯（PTFE）的临床经验验证），则磨损体积可近似为一个圆柱体，其底面积等于股骨头的投影圆形面积（A），高度等于穿透深度。在此假设下，体积磨损率（VWR）可按如下方式计算：

$$ VWR = A \times P / t = (\pi D^2 / 4) \times LWR $$ (5.2)

在1975年发表的一项研究中，查恩利和哈利[35]通过分析系列X光片，计算了72名患者在9至10年随访期间的磨损率。查恩利和哈利发现，在最初的几年磨合期后，磨损率随时间呈线性进展，如 所示。

绘制了72名患者（同样，仅针对可测量磨损的患者）的平均放射学磨损情况，因此必须理解的是，如果将所有患者的数据都显示出来，这种变异性将会叠加在该图上。个体数据点已被绘制。总体而言，整个系列的平均磨损随时间推移而减少。在前5年期间，72名患者的磨损率为0.18毫米/年，而在5到10年期间，平均磨损下降至0.10毫米/年。

5.5 不同临床研究间磨损率的比较

如果两项研究具有不同的随访周期，则应有可能比较其磨损率。然而在实际中，患者群体、外科医生群体和植入系统之间的差异极大地增加了调和临床研究中观察到的磨损行为差异的复杂性。例如，考虑查恩利及其同事来自怀廷顿发表的研究，这些研究描述了超高分子量聚乙烯在两个队列中的磨损行为。我们已经讨论过的第一个队列包括72例关节成形术，于1962年至1963年间植入，并随访了9至10年[31]。格里菲斯等人描述的第二个队列包括493例关节成形术，于1967年至1968年间植入，并随访了7至9年（平均8.3年）[33]。

两组患者均在怀廷顿采用相同的骨水泥固定设计进行植入，髋臼杯由德国鲁尔化学公司的RCH‐1000制成。理论上，这两项研究应最容易进行比较，因为它们由相同的外科医生主导，并且患者来自相同的老年人群。然而，两项研究得出的磨损率存在显著差异：查恩利研究中患者的平均磨损率为0.15毫米/年，而格里菲斯研究中的磨损率为0.07毫米/年。两项研究报道的平均磨损率均未包含表现出不可检测磨损的患者，这是一个重要的遗漏，特别是考虑到格里菲斯研究中491个髋关节中有110个（即22%）在植入8.3年后测得磨损为0毫米。

当我们纳入磨损量为零的患者时，这两项研究中的磨损率分布均以箱形图形式总结于 中，并考虑了公式(5.1)中所述的计算方法。

数据表明，在格里菲斯的研究中，低磨损患者数量使得磨损率分布比查恩利的研究更偏斜[33]相较于查恩利的研究[31]。两项研究的线性磨损数据分布按百分位数进一步列表。

因此，两项研究中超过60%的患者的磨损低于0.15的平均值查恩利等人和格里菲斯等人分别报告了0.07毫米/年。此外，在这两项研究中，10%的患者（即第90百分位）的磨损率达到了中位数的2至3倍！

5.6 临床和取出研究中磨损率的比较

Isaac等人还对Charnley假体进行了另外两项相关的临床研究。[36,40]研究对象为一组在翻修手术中取出的100个超高分子量聚乙烯髋臼杯，这些植入物平均植入时间为9年，最长达到17.5年。与Charnley及其研究同事之前的研究不同，他们关注的是功能正常的超高分子量聚乙烯关节成形术的磨损行为，而这些取出的假体部件则代表了手术失败的一组患者。因此，对取出的植入物进行研究有助于了解导致全关节置换术翻修（即临床失败）的因素。在对取出的Charnley假体部件的研究中，对100个病例中的86个髋臼杯通过放射学方法以及直接对实际取出的假体进行磨损测量（另有14个假体部件磨损过于严重，无法准确测量）。该系列取出的髋臼杯的平均磨损率为0.2 mm/年，但再次观察到磨损率存在较大差异。各个髋臼杯的磨损率作为植入时间的函数绘于 中。

5.7 全髋关节置换术中测量临床磨损的当前方法

磨损可以通过X光片使用手动或计算机辅助技术进行测量。20世纪70年代为测量放射影像磨损而开发的查恩利方法已在第5.3节中进行了回顾。利弗莫尔及其同事[42]随后通过使用圆形模板改进了查恩利的磨损测量技术。尽管查恩利和利弗莫尔技术在欧洲和美国被广泛使用，但这些手动方法的观察者内和观察者间重复性较差，并且不适合测量小于0.3–0.5毫米的磨损[26,32]，而这可能是髋关节置换用新开发的高交联超高分子量聚乙烯材料的情况。

为了检测超高分子量聚乙烯髋关节假体部件的早期低水平磨损，研究人员已开发出二维和三维计算机辅助放射学磨损测量方法，最近的一篇综述对此进行了总结[26]。此外，放射立体测量法（RSA）结合数字射线照相技术在测量超高分子量聚乙烯早期磨损方面有望提高准确性[43]。然而，一些实际限制使得RSA和三维计算机辅助技术难以在常规临床环境中广泛应用。例如，使用RSA需要在髋臼和股骨部件中添加钽标记物，并且全球仅有少数专业放射科设备可用于该技术。

另一种由德瓦恩等人开发的先进三维磨损评估技术[44]，要求制造商提供植入物设计的计算机辅助设计模型，以便通过多幅放射影像重建磨损情况。相比之下，一种利用边缘检测和计算机视觉的二维计算机辅助技术，已得到开发由马特尔和贝尔迪亚开发的技术，使测量的内部和外部观察者重复性较手动技术提高十倍[32]。 说明了马特尔技术用于计算机辅助测量X光片上的磨损。

马特尔技术已得到改进，以实现三维磨损评估。在大规模临床人群中比较二维和三维分析，马特尔显示仅使用前后位骨盆X光片进行二维分析即可检测到87–90%的磨损，且二维与三维磨损值高度相关（r²= 0.993）。此外，由于侧位骨盆X光质量较差，三维分析的重复性比二维技术差多达四倍[43,45]。因此，使用马特尔技术对全髋关节置换术进行磨损检测时，二维分析是首选方法。通过使用经过验证的动态假体全髋磨损模型，马特尔分析的准确性已证明为0.2 ± 0.073 mm，而精度为0.023 ± 0.002 mm[46]。最后，马特尔技术与假体无关，仅需数字化前后位（AP）X光片以及头尺寸信息。

现代高交联超高分子量聚乙烯轴承中低磨损率的解读技术十分复杂。有关放射学磨损测量和放射立体测量法的更多细节，请参见第34章。

5.8 模块化髋臼组件的临床磨损性能范围

在定性方面，使用当前计算机辅助磨损测量技术评估时，骨水泥型假体部件观察到的趋势似乎也适用于模块化髋臼部件（表5.2和表5.3，）。”盒状和whisker”图（）比较了第一代模块化髋臼部件设计中超高分子量聚乙烯的线性磨损（穿透）。马特尔等人之前发表的数据[45]通过仅使用平面（前后位）X光片与结合平面和侧位X光片的三维分析进行了X光片比较（）。请注意，如前所述，侧位X光片捕捉到了髋关节总磨损量的约90%。

5.9 结论

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）自20世纪60年代以来在全髋关节置换术中具有长期成功的临床应用记录。然而，对于一些接受全髋关节置换术（THA）的患者而言，传统超高分子量聚乙烯的体内磨损率可能导致骨溶解，并最终需要进行翻修手术。尽管目前已开发出精确的计算机辅助方法来追踪体内的进展vivo超高分子量聚乙烯的磨损，这些技术揭示了其在人体内的性能范围。即使在假体和外科医生相关因素保持不变的情况下，患者因素（例如活动水平）在临床磨损率中仍起着重要作用[7,47–49]。由于减少体内观察到的磨损率分布范围具有重要意义，20世纪90年代开展了大量研究工作，致力于开发用于髋关节置换术的改进型超高分子量聚乙烯材料，从而促成了高交联超高分子量聚乙烯于1998年的临床应用，详见第6章。

致谢

作者感谢芝加哥大学的约翰·马特尔博士和德雷塞尔大学的艾夫·埃迪丁博士对本章节提出的宝贵意见以及编辑上的帮助。

百分位数	磨损率（毫米/年）[31]	磨损率（毫米/年）[33]
10	0.00	0.00
25	0.06	0.01
50	0.11	0.04
75	0.17	0.09
90	0.22	0.15

表5.1 基于X光片得出的1962年至1968年植入的查恩利假体部件的线性磨损率（毫米/年）

	植入1–6年 N = 35患者		植入7–10年 N = 43患者		植入11+年 N = 29患者
百分位数	2D	3D	2D	3D	2D	3D
10	−0.070	0.080	0.040	0.058	0.054	0.064
25	0.080	0.122	0.060	0.070	0.077	0.090
50	0.150	0.200	0.090	0.110	0.120	0.130
75	0.228	0.287	0.170	0.210	0.182	0.185
90	0.340	0.480	0.272	0.272	0.218	0.232

表5.2 基于X光片的模块化HG I髋臼部件线性磨损率（毫米/年）随植入时间的变化

	植入1–6年 N = 35患者		植入7–10年 N = 43患者		植入11+年 N = 29患者
百分位数	2D	3D	2D	3D	2D	3D
10	2.2	26.6	17.4	20.9	28.9	31.4
25	44.3	48.9	28.0	31.1	37.3	41.6
50	75.0	88.3	42.2	51.7	60.2	56.1
75	127.5	149.3	90.1	91.8	82.0	80.9
90	182.8	226.4	135.2	132.3	113.7	108.0

表5.3 基于X光片的模块化HG I髋臼部件体积磨损率（mm³/y）与植入时间的关系

磨损率与植入时间的关系。改编自Isaac等人[36]。

采用马特尔和贝尔迪亚方法的计算机辅助放射学磨损测量[32]。（A）磨损分析前的数字放射影像。（B）沿白色箭头方向使用边缘检测器处理数字影像的结果。每个白点代表假体边缘的一个可能位置点。（C）计算机利用上一幅图像生成的边缘点，为髋臼壳和股骨头选择最佳拟合圆。股骨头相对于髋臼中心随时间的位置变化被报告为磨损，并显示在屏幕上。影像由芝加哥大学J. 马丁内尔医生提供，谨此致谢，伊利诺伊州芝加哥市。

第一代模块化髋臼部件设计（Harris‐Gallante，捷迈，印第安纳州华沙）中通过X光片估算的线性和体积磨损率的分布。这些图表显示了磨损率随植入时间延长而降低的趋势。结果基于仅前后位X光片（二维）分析，以及前后位和侧位X光片联合分析（三维）进行比较。数据由芝加哥大学伊利诺伊州芝加哥市J. 马丁内尔医生提供。