Assessment of interchangeable applicability of two wear detection methods for total hip arthroplasty within an experimental phantom-model setup

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-06-13
Issue Year
2022
Authors
Wu, Junzhe
Editor
Abstract

Introduction / Background Osteoarthritis (OA) constitutes the most common reason for total hip arthro-plasty (THA). The obligatory preoperative planning is laid down in the statutes of certified German endoprosthetic centers. Next to planning the implant size and posi-tion, additional applications are included within such planning software solu-tions. One of these applications presents the detection of in vivo wear. Wear of polyethylene (PE) components is a major factor limiting the longevity of THA. Currently, common techniques for measuring wear include 2D analysis based on conventional a.p. radiographs (2Dwear) and 3D analysis using exclusive radiological technologies (3Dwear), such as Roentgen Stereophotogrammetric Analysis (RSA). The application of relevant techniques to measure wear in vivo can help better understand the bearing behaviors of total joint arthroplas-ty by evaluating wear rates of different materials. Meanwhile, surgeons can advise patients when revision surgery is necessary based on the level of wear. RSA is widely regarded as a gold standard for wear measurement. However, RSA requires additional equipment and specific settings (extra x-ray equip-ment, calibration boxes, etc.), which obstructs its routine clinical application. However, the change of patient positions, for example, tilt or rotation of the pelvis, may influence the accuracy of wear measurement in THA. This study aims to investigate whether a 2Dwear detection method can be an alternative to 3Dwear and how these two wear detection methods are impacted by the positions of the pelvis. It is hypothesized that the accuracy and preci-sion of the 3Dwear approach are superior to conventional PE wear detection of THA, using single plain radiographs. Furthermore, the effect of various pelvic positions on the PE wear measurements for both methods is investigated us-ing an experimental phantom model. Material and Methods A phantom model was designed to simulate a defined linear PE wear of an acetabular insert. It consisted out of a micrometer screw and a femoral bone-implant-model (FBIM), which could be moved precisely around three degrees of freedom (DOF) relative to an acetabular bone-implant-model (ABIM). Rela-tive to the standard “neutral” position, the ABIM could be positioned in three DOF (tilt, obliquity, and rotation). This phantom was located within a radiologic measurement setup, which was able to capture RSA and conventional x-ray images in parallel without moving the phantom model. Three different wear protocols were performed by FBIM for seven different orientations of the ABIM. Each protocol was repeated five times per ABIM orientation. The two methods of 2Dwear and 3Dwear were used to obtain corresponding images and compared in many aspects from seven different pelvic orientations. Precision, accuracy, and pelvic position factors for wear measurements were evaluated. Results From the perspective between different wear detection methods, the precision and accuracy were 0.206 mm and 0.159 mm for 2Dwear and 0.043 mm and 0.017 mm for 3Dwear, respectively. With respect to different pelvic positions, for 2Dwear, p values of the four relative positions were all less than 0.05; for 3Dwear, the p-value between pelvic lateral tilted left (obliquity left) 5-degree position and the pelvic neutral position was less than 0.05. From the perspec-tive between different wear groups, for 2Dwear, the medium wear group was not significantly different among all wear positions (p = 0.068); for 3Dwear, the low wear group was not significantly different among all wear positions (p = 0.235). Discussion / Conclusion For the two methods used in this experiment, i.e. 3Dwear and 2Dwear, precision and accuracy using 3Dwear were approximately by factor 5 and 9 better than for the 2Dwear approach despite the pelvic positions. The low wear group in 3Dwear and the medium wear group in 2Dwear were relatively unaffected by pel-vic positions. Attention should be paid to the potential malposition of the pelvis during the image acquisition because this affected the 2Dwear measurement outcome significantly. If this is taken into account, an in vivo wear measure-ment will be possible using the 2Dwear technology because 2Dwear is an excel-lent alternative to 3Dwear.

Abstract

Einleitung / Hintergrund Die Osteoarthrose (OA) ist der häufigste Grund für eine Hüfttotalendoprothese (THA). Die obligate präoperative Planung ist in den Statuten der zertifizierten deutschen Endoprothetikzentren festgelegt. Neben der präoperativen Planung der Implantatgröße und -position sind weitere Anwendungen in solchen Planungssoftwarelösungen enthalten. In einer der kommerziell erhältlichen Anwendungen ist z.B. die Option verfügbar, den Verschleiß der Artikulation in-vivo zu bestimmen. Der Verschleiß von Polyethylen (PE)-Komponenten ist ein wesentlicher Faktor, der die Langlebigkeit der THA limitiert. Zu den derzeit üblichen Techniken zur Verschleißmessung gehören die 2D-Analyse auf der Grundlage konventioneller a.p.-Röntgenaufnahmen (2Dwear) und die 3D-Analyse unter Verwendung spezieller radiologischer Technologien (3Dwear), wie z.B. der Roentgen Stereophotogrammetric Analysis (RSA). Die Anwendung besonderer Techniken zur in-vivo-Verschleißmessung kann dazu beitragen, das Implantatverhalten im Verlauf besser zu verstehen, indem die Verschleißraten verschiedener Materialien bewertet werden. Zudem können Operateure ihre Patienten rechtzeitig beraten, wenn ein Revisionseingriff aufgrund fortgeschrittenen Abriebs ratsam ist. Die RSA wird gegenwärtig als Goldstandard für Verschleißmessungen angesehen. Sie erfordert jedoch eine zusätzliche technische Ausrüstung / Messtechnik (2 Röntgenröhren, Kalibrierbox, etc.), was ihre routinemäßige klinische Anwendung einschränkt. Die Veränderung der Patientenposition, z.B. Neigung oder Rotation des Beckens, kann die Genauigkeit der Verschleißmessung in der Hüftendoprothetik beeinflussen. In dieser Studie soll untersucht werden, ob eine 2Dwear-Methode eine Alternative zu einer 3Dwear-Methode sein kann und wie diese beiden Verschleißerkennungsmethoden durch die Position des Beckens beeinflusst werden. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass die Genauigkeit und Präzision des 3Dwear-Ansatzes der konventionellen PE-Verschleißerkennung von THA unter Verwendung einzelner, einfacher Röntgenaufnahmen überlegen sind. Darüber hinaus wird der Einfluss verschiedener Beckenpositionen auf die PE-Verschleißmessungen für beide Methoden mit einem experimentellen Phantommodell untersucht. Material und Methoden Es wurde ein spezielles Phantommodell entwickelt, um einen definierten linearen PE-Verschleiß eines Hüftgelenkpfanneninlays zu simulieren. Es bestand aus einer Mikrometerschraube und einem femoralen Knochen-Implantat-Modell (FBIM), das relativ zu einem acetabularen Knochen-Implantat-Modell (ABIM) präzise um drei Freiheitsgrade (DOF) bewegt werden konnte. Relativ zur Standard-neutralen Position konnte das ABIM in drei Freiheitsgraden (Neigung, Schräglage und Rotation) positioniert werden. Das Phantommodell befand sich innerhalb eines radiologischen Messaufbaus, der in der Lage war, RSA- und konventionelle Röntgenbilder parallel aufzunehmen, ohne das Phantommodell zu bewegen. Drei verschiedene Verschleißprotokolle wurden vom FBIM für sieben verschiedene Ausrichtungen des ABIM durchgeführt. Jedes Protokoll wurde pro ABIM-Orientierung fünf Mal wiederholt. Die beiden Methoden von 2Dwear und 3Dwear wurden verwendet, um entsprechende Bilder zu erhalten und in vielen Aspekten aus sieben verschiedenen Beckenorientierungen verglichen. Präzision, Genauigkeit und Beckenpositionsfaktoren wurden für die Verschleißmessungen ausgewertet. Ergebnisse Bezogen auf die verschiedenen Verschleißerkennungsmethoden betrug die Präzision und Genauigkeit 0,206 mm und 0,159 mm für 2Dwear bzw. 0,043 mm und 0,017 mm für 3Dwear. Bezüglich der verschiedenen Beckenpositionen waren bei 2Dwear die p-Werte der vier relativen Positionen alle kleiner als 0,05; bei 3Dwear war der p-Wert zwischen der seitlich nach links geneigten (Schräglage links) 5-Grad-Position des Beckens und der neutralen Beckenposition kleiner als 0,05. Im Vergleich zwischen den verschiedenen Verschleißgruppen unterschied sich bei 2Dwear die mittlere Verschleißgruppe nicht signifikant zwischen allen Verschleißpositionen (p = 0,068); bei 3Dwear unterschied sich die niedrige Verschleißgruppe nicht signifikant zwischen allen Verschleißpositionen (p = 0,235). Diskussion / Fazit Für die beiden in diesem Experiment verwendeten Verschleißmessmethoden, d.h. 3Dwear und 2Dwear, waren Präzision und Genauigkeit unter Verwendung von 3Dwear trotz der unterschiedlichen Beckenpositionen um den Faktor 5 und 9 besser als bei der 2Dwear-Methode. Die ermittelten Abriebraten für die Gruppe mit geringem Verschleiß in 3Dwear und die Gruppe mit mittlerem Verschleiß in 2Dwear waren unbeeinflusst von den Beckenpositionen. Es sollte allerdings bei der Bildaufnahme auf eine mögliche Fehllagerung des Beckens geachtet werden, da diese das Messergebnis von 2Dwear erheblich beeinflusst hat. Wenn dies berücksichtigt wird, ist eine in-vivo-Verschleißmessung mit der Technologie von 2Dwear möglich, da 2Dwear eine ausgezeichnete Alternative zu 3Dwear ist.

DOI
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