Taoは.タウ人工股関節全置換術後のガタつき現象について詳しく報告しています。 一般に.これは患者さんが耐えられる良性の合併症で.再手術が必要になることはまれです。 ガタつきの原因は完全には解明されていないが.多因子性の現象であることは明らかだ。 人工股関節置換術後に股関節のガタつきの原因となる人工股関節の人口動態や埋込位置を調査し.この人工股関節群のガタつきの発生メカニズムについて一連の研究を行い.ガタつきの発生メカニズムを提唱しました。
キーワード：ヘテロダイン.セラミックス.股関節.人工関節置換術
人工股関節置換術後のラットリングは.1990年代にJudet hemiarthroplastyで初めて報告されたものであり.最近の現象ではありません。 現代の人工股関節全置換術は.一般にハード-ハードの関節界面の合併症であり.最近ではタウ-タウの摩擦界面の報告もある。
ラットリング現象は広く報告されているが.その病因についてはまだ議論の余地がある。 通常.ポリエチレン摩耗後の金属製大腿骨頭と金属製ソケットカップとの直接摩擦.セラミックライニングの破断.セラミックの研磨粉の存在など.特殊な状況で発生しますが.正常な動作をする一部のケースでは.セラミック-セラミック人工股関節全置換術（THR）後にも発生する可能性があります。 整形外科の文献にあるセラミックとセラミックの摩擦界面のガタつきの発生率は.1％から20％と非常にばらつきがあります。
一般に.患者さんはラットリングによく耐え.ラットリングがある股関節とない股関節では.患者さんの満足度や股関節のスコアに差はないそうです。 しかし.ガタつきが我慢できず.再手術に至るケースも少なくありません。
ガタつきの病因を明らかにするため.これまでの研究で.患者因子と人工関節の位置因子がタウtoタウヒップに関連していることが分かっています。 また.ヘテロアクシス生成のメカニズムも提案しています。
股関節の振動の人口統計学的要因
股関節の振動に関連する要因は.患者関連要因と人工関節の位置関連要因に大別される。
我々は以前.股関節のガタつきの発生率の増加と関連する可能性のある人口統計学的および人工関節の要因について検討したことがある。 本試験は.1997年6月から2008年12月の間に.同じセンターの3人の外科医によって行われた合計2406件のtau-to-tau原発性股関節全置換術に関連する2つの因子を含む.これまでで最大の研究である。 平均10.6年の追跡調査において.74関節が術後40ヶ月で様々な段階で不均質性を発現した。 振動の頻度は様々で.4名（5％）が毎回のステップで振動を経験し.一部の患者は股関節の屈曲または伸展時にのみ時々振動を経験し.この順序ではproneが最も頻繁に振動を誘発した。15％の振動は術後平均9.5年で消滅し.これは一時的問題である可能性を示唆している。
Sextonらによる本研究の人口統計学的データ解析では.身長と体重が高く活動的な若い人ほど股関節振動を起こしやすいことが分かっており.これらの人口統計学的特徴はMuraliらによる別の独立研究の結果と一致するため.この関連性の証拠レベルが強化されることになります。 これらの要因が単独または複合的に作用することで.股関節への力学的負荷が増大し.ガタつきが生じやすくなるのです。 肥満そのものがガタガタの可能性を高めるわけではありません。
なお.今回の研究では.異常の有無は確認されなかった。 ラルスのある患者とない患者では.満足度やハリススコアに有意な差があった。 ハリススコアの中央値は.不均質な股関節では96（51-100）.不均質でない股関節では95（29-100）であった（p=0.34.MannCWhitneyUtest)。
股関節のヘテロタキシーの補綴位置要因について
我々は.異形成に寄与する4つの補綴物位置の要因を特定した。 以下の要因が1つ以上ある場合.股関節の不均一性のリスクが高くなる可能性があります。
1.人工寛骨臼の外転角が大きすぎる。
この状態は.金属とポリエチレンの界面での摩耗を増加させる。 タウとタウの摩擦界面におけるin vitroの実験では.寛骨臼の外転角が悪いと.摩耗の進行速度も速くなることが示唆されている11。
2.股関節の中心が外側に移動していること。
そのため.股関節に作用する力が大きくなります。
3.人工寛骨臼の前傾角が大きすぎる.または小さすぎる。
この場合.大腿骨人工関節と寛骨臼人工関節がインピンジしやすく.寛骨臼リムへの負荷が大きくなります。
4.大腿骨の偏心距離が大きすぎる。
このとき.身長が交絡因子となる可能性があり.身長の高い患者（股関節への力学的負荷が大きい場合）では.大腿骨偏心距離が大きくなる。
Walterらは一連の研究の中で.偏心股関節と非偏心股関節の股関節X線写真を分析し.前転角15°から35°.外転角35°から55°を許容範囲と考え.偏心股関節16関節中6関節だけが寛骨臼外転角と前捻角が許容範囲内にあり.それに対応して非偏心股関節17関節中16関節が許容範囲内にあったことから.その病因の探求を試みています。
人工寛骨臼の前捻が大きすぎても小さすぎても.大腿骨頚部が寛骨臼リムに衝突するリスクが高まり.リムの荷重が増加し.heterotaxyの発生につながる可能性があります。 一方.術後の内旋・外旋可動性が良好な患者さんほど.異種リングを経験しやすいという研究結果もあります。
しかし.人工関節の位置が完璧であっても.大腿骨頚部と寛骨臼リムのインピンジメントがない股関節は雑音がすることがあり.雑音は単独の要因によるものではなく.多因子性の現象であることが示唆されています。
人工股関節のノイズ発生
Walterらは.いくつかの股関節置換術の騒音メカニズム研究の分析に基づく累積データを報告しています。 この研究グループの研究では.人工股関節置換術後に雑音や痛みのために抜去された人工関節と再手術を受けた雑音について詳細な分析を行いました。 平均除去期間は術後23ヶ月でした。 この研究では.3カ国の11人の外科医が収集した合計12個の第3世代アルミナセラミック対セラミック摩擦界面を分析した。 摩耗の長さ.幅.深さを測定し.チタン製寛骨臼カップのエッジがインピンジメントしているかどうかを観察した。 測定したパラメータから総摩耗量を算出した。
大腿骨頭で2.9mm3.寛骨臼ライニングで3.4mm3という年間平均摩耗量は.以前に報告された大腿骨頭で0.1mm3.寛骨臼ライニングで0.04mm3という摩耗量を大幅に上回った。摩擦を取り除いたサブセットの12セットすべてにエッジロード摩耗が見られ.7セットに寛骨臼端に対する大腿骨首のインピン庄が見られた。 また.寛骨臼ライナーとチタン製寛骨臼カップの間に若干の相対的な移動が見られました。
インピンジはラットリング股関節から取り出された人工関節のほとんどに存在したが.ラットリングの発生に必要な条件ではなかった。 すべての人工股関節の除去に共通するのは.エッジローディング摩耗の存在であった。 研究チームは.有限要素解析を使ってエッジ荷重をさらに詳しく調べました。
骨盤全体のCTスキャンを取得して再構築し.アルミナセラミックライナー付きチタン寛骨臼カップを移植した。 チタン合金とアルミナセラミックは.公表されている文献をもとに材質が割り当てられています。 専門ソフトを用い.歩行サイクルにおいてつま先が地面から離れる瞬間に.ライナー外縁の半楕円形状の20個の節点に荷重をかけました。 試験は.寛骨臼の外転角45°.前傾角42°または24°の2種類の状態で行われました。
この研究では.寛骨臼カップとライナーの間に剛性の非互換性があることがわかりました。 その結果.カップが変形しやすくなり.カップとライナーのテーパーシステムがアンマッチになってしまったのです。 不一致が生じると.ライナーはカップから.加えられた応力と反対方向に傾く（図1参照）。 寛骨臼の前彎が大きいと.カップとライナーの剥離が大きくなる。 例えば.前傾角42°では40μm.前傾角24°では4μmしか離れておらず.この分離がカップを発振器としてヘテロダインを発生させていると研究者は考えています。 ヘテロダイン音と前傾角の増加の相関は.これまでの研究と一致する。
股関節形成術後のヘテロアクシスとは.強制的な共鳴の結果であり.駆動力と動的な反応から構成されていると考えています。 その原動力は.ハードとハードの界面に流体膜潤滑がない場合に発生する高い摩擦力である。 動的応答とは.デバイスの一部（共振器）がその固有の振動数に従って共振することである。
液膜潤滑は.摺動速度.潤滑油の流動粘度.摩擦界面の粗さ.クリアランス.接触圧など多くの要因の微妙なバランスが必要である。 液膜潤滑の破綻は.エッジロード（接触面積の減少）.接合部の三層粒子（セラミック研磨片など）.接合面の損傷（粗さの増大）.摩擦界面径の不一致をもたらすことがある。
ソケットカップライニングシステムのミスマッチは.エッジローディングの原因となり.また補綴物間の相対的な活性が高まり.摩擦駆動力の一因となると思われる。 さらに研究チームは.ヘテロダイン人工股関節の発生周波数と.人工股関節のさまざまな部品の固有周波数を比較し.どの部品が共振器となりうるかを突き止めた。
これは.人工股関節が発する音の周波数や性質について.in vitroおよびin vivoで綿密な音響解析とモード解析を行い.さらに.個々の人工股関節についても同様の解析を行ったものです。 デジタルビデオレコーダー.外部マイク.音響ソフトを組み合わせて.Tao-to-Tao人工股関節置換術後に等音響を受けた指名患者から股関節等音波を収集した。 ガラガラ音が特定できれば.ガラガラ音成分の卓越した周波数を測定することは容易であった。
生体内ガラガラの基本周波数は400Hzから7500Hzであることがわかった。 各患者は.各発生時に少なくとも1つの基本周波数を持っていた。 3人の患者では.残響は2回に分けて.それぞれ異なる周波数で記録された。
また.プロテーゼの各パーツのインビトロモード解析も行いました。 解析の対象となった補綴物は以下の通りです。
1. 大腿骨頭部を含む大腿骨茎部
2. 3種類のカップとライナーの組み合わせ – 完全に一致するテーパー接合部.カップの口部のみ接触するテーパー接合部.カップの底部のみ接触するテーパー接合部
3.セパレートカップ
4.セパレートセラミックライナー
モード解析の結果.セラミック人工関節は人間の可聴域以上の周波数でのみ共振し.金属人工関節は人間の可聴域内の周波数で共振することが示唆されました。 また.セラミックライナーとチタンカップの組み合わせでも.可聴域に入らないという分析結果が出ています。
研究チームはこの仮説を検証するために.さらに音響分析を行った。 この結果からも.セラミック部品の固有の周波数は可聴域になく.ガラガラ音の発生に関与していないことが示唆されました。 しかし.チタンカップや金属製の人工大腿骨は固有振動数がかなり低く.ガタつきの原因となっている可能性が高いのです。 これは.チタンカップと金属製人工大腿骨に内在する周波数が臨床的に見られるガタつきと関連しており.セラミック部分ではなく金属部分で共振が起きていることを示唆していると思われます。
結論
タウ・トゥ・タウ人工股関節置換術後の不均質な共鳴には単一の要因はなく.多因子性の現象であるべきであることは明らかである。 私たちは.セラミックとセラミックの股関節の共振のメカニズムの1つを提案しています。理想的な条件下では.ハードとハードの摩擦界面は液膜によって潤滑され.非常に低い摩擦を持つはずです。 しかし.液膜潤滑が崩壊すると.摺動接触により摩擦力が大幅に増加する。 摩擦力の増大により.システムが消散できるエネルギー（熱や副音声など）よりも多くのエネルギーが供給されると.摩擦により共振や音響放射などの不安定性が生じることがある。 音響解析とモーダル解析により.金属はこの共振駆動力を部分的に増幅して可聴音にすることがわかった。
身長や体重が高く.活動的な若年層では.股関節の機械的負荷が必然的に大きくなるため.人工関節の早期摩耗のリスクが高くなります。 股関節のガタつきのある患者さんでは.人工寛骨臼の位置異常が多く見られることから.ガタつきは液膜潤滑の破壊による限界荷重の二次的なものである可能性が示唆されます。
現在確認されているガタツキに関連する要因のうち.術者がコントロールできるのは一部だけであることは明らかであり.不良なプロテーゼ位置はガタツキと関連しているが.他の原因もあることは間違いない。 セラミック製の人工股関節を使用されている患者さんで.異常な反応を示す方は.レントゲン写真ではわからないセラミックの破裂の可能性を排除するために.CTスキャンを受けることをお勧めします。 これが除外できる場合は.患者が騒音に深く悩まされている場合のみ再手術を考慮すべきであることを患者に伝えるべきである（再手術を示唆する他の要因が存在しない）。
多くの場合.騒音は臨床的に重大な問題ではなく.騒音と摩擦面の早期破壊との間に相関関係は認められていない。 摩耗が非常に少なく.オステオライシスの発生率が低いことから.タウ・タウ摩擦インターフェースは.活動的な若い患者の第一選択であり続けています。 タウ・タウ人工股関節置換術後のガタつきを完全に説明するのは時間がかかると思われますが.その病因は次第に明らかになりつつあります。 不均質性におけるプロテーゼのデザインの役割については.まださらなる調査が必要である。