Adverse Reactions to Metal Debris in Metal-on-Metal Hip Resurfacings and Total Hip Arthroplasties: Screening, diagnostics and treatment

Abstract

Perinteiset 1990-luvulla käytössä olleet lonkan metalli-muovi-tekonivelet kuluivat etenkin nuorilla ja liikunnallisesti aktiivisilla potilailla nopeasti, minkä vuoksi näitä tekoniveliä jouduttiin vaihtamaan usein uusintaleikkauksissa. Tämä johti metalli-metalli-liukupintaa (metal-on-metal, MoM) hyödyntävien uusien tekonivelten kehittämiseen ja laajamittaiseen käyttöönottoon. MoM-tekonivelten alustavat tulokset olivat hyviä, mutta usean vuoden käytön jälkeen niihin havaittiin liittyvän tekonivelen pinnasta irronneiden koboltti- ja kromi-ionien aiheuttamia lonkkaa ympäröivien pehmytkudosten muutoksia, niin kutsuttuja metallireaktioita.

Tässä väitöskirjassa arvioitiin metallireaktion tutkimisessa käytettävien menetelmien käyttökelpoisuutta sekä metallireaktion vuoksi tehtyjen uusintaleikkausten tuloksia. Väitöskirjatutkimus suoritettiin Tekonivelsairaala Coxassa 2011-2016. Tutkimuksessa määritettiin riskitekijöitä kohonneille veren koboltti- ja kromipitoisuuksille, arvioitiin magneettikuvauksen ja ultraäänen käyttökelpoisuutta MoM-tekoniveliin liittyvien pehmytkudosmuutosten tunnistamisessa sekä tutkittiin MoM-tekonivelen uusintaleikkauksen vaikutusta veren metalli-ionipitoisuuksiin sekä potilaiden oireisiin.

Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä havaittiin erityisesti varrellisiin suurinupillisiin MoM-tekoniveliin liittyvän kohonneita veren koboltti- ja kromi-ionipitoisuuksia. Varrellisissa MoM-tekonivelissä riskiä kohonneille metalli-ionipitoisuuksille lisäsivät naissukupuoli, suuri komponentin koko sekä leikkauksesta kulunut aika. MoM-pinnoitetekonivelen saaneilla potilailla riskiä lisäsivät pieni komponentin koko, korkea kuppikomponentin kallistuskulma sekä potilaan nuori ikä.

Toisessa ja kolmannessa osatyössä sekä magneetti- että ultraäänikuvantamisen todettiin olevan käyttökelpoisia menetelmiä metallireaktioiden havaitsemisessa, eikä omien tuloksiemme ja kirjallisuuden perustella kumpaakaan voida nostaa yksiselitteisesti toisen yläpuolelle. Vuotta vanhempien kuvantamistutkimusten totesimme olevan epäluotettavia, eikä niiden käyttöä suositella päätöksenteossa tai uusintaleikkauksen suunnittelussa.

Väitöskirjan neljännessä osatyössä havaittiin, että MoM-tekonivelen saaneiden potilaiden systemaattinen seuranta paljastaa paljon oireettomia metallireaktiota ja johtaa lisääntyneeseen uusintaleikkausten määrään. Viidennessä osatyössä taas havaittiin, että metallireaktion vuoksi tehdyn uusintaleikkauksen jälkeen veren metalli-ionipitoisuudet pienenivät, mutta osalle potilaista jäi edelleen merkittävissä määrin oireita.

Vaikka väitöskirjatyö vastasikin useisiin kysymyksiin, herätti se myös uusia kysymyksiä. Ketkä potilaat hyötyvät uusintaleikkauksesta, keiden kohdalla seuranta olisi parempi vaihtoehto, ja mitkä ovat ne vaikeaa kudostuhoa ennustavat löydökset, joiden perusteella oireettomalle potilaallekin kannattaa tehdä uusintaleikkaus? Tulevaisuudessa on tärkeää arvioida eri hoitovaihtoehtojen hyötyjä ja haittoja MoM-tekonivelen saaneilla potilailla, ja kehittää nykyistä yksilöllisemmin räätälöityjä seuranta- ja hoitosuosituksia parhaan lopputuloksen saavuttamiseksi.

High hopes were placed on the third generation metal-on-metal (MoM) hip replacements, as they were considered to be an excellent option for young and physically active patients for whom the conventional metal-on-polyethylene (MoP) hip replacement was not durable enough. The problem with MoP replacements was the high rates of polyethylene wear and the osteolysis associated with wear debris. Over one million MoM hips were implanted in the 2000s. Unfortunately, higher than anticipated revision rates were reported for hip resurfacings in the Australian Orthopaedic Association National Joint Registry Annual Report 2007, in addition to several individual centers writing case reports about periprosthetic soft tissue abnormalities related to pain and implant failure. The term Adverse Reaction to Metal Debris (ARMD) was created to describe these soft tissue lesions related to the increased wear of metallic bearing surfaces and the inflammatory reaction to metal debris. Around the world, orthopaedic hospitals launched screening programs in order to detect these new types of abnormalities with the help of clinical examination, plain radiographs, whole blood cobalt (Co) and chromium (Cr) measurements and cross-sectional imaging.

The aim of this thesis is to evaluate the usefulness of diagnostic tools used to detect ARMD, and to investigate the effects of the systematic screening program and operative treatment policy at our institution. The aim of study I was to identify the MoM implant brands with a high percentage of elevated whole blood Co and Cr levels, along with the patient and implant-specific risk factors for elevated ion levels. In studies II and III, we sought to determine the sensitivity and specificity of magnetic resonance imaging (MRI) and ultrasound for detecting extracapsular pseudotumors, which are common ARMD-related findings. In study IV, we evaluated the effect of our systematic MoM screening program on the revision rate and number of ARMD cases detected in a cohort of Pinnacle (Depuy Orthopaedics, Warsaw, IN) MoM total hip arthroplasties (THA). Systematic screening of the Pinnacle cohort was launched in January 2012, and our aim was to evaluate the effect of screening by comparing pre- and post-screening statistics. In study V, we determined the effect of the revision surgery on the whole blood Co and Cr levels and hip function. In study I, we found that elevated whole blood metal ion levels (>7 parts per billion, ppb) are more common in large head size MoM THA than in patients with resurfacing (17.4% vs 5.9%, p<0.001). In resurfacings, small femoral head size, high inclination and young age increased the risk for elevated ions, and in THAs the corresponding risk factors were female gender, large femoral head size and long time between surgery and ion measurement. In study II, we found sensitivity of 71% and specificity of 87% for MRI in detecting extracapsular pseudotumors. The sensitivity was significantly lower if more than one year had elapsed since imaging, which would implicate that over one-year-old MRI/ultrasound imaging should not be used to guide clinical decisions. In study III, ultrasound had a sensitivity of 83% and specificity of 92% in the trochanteric region, and 79% and 94% in the iliopsoas region, respectively. In study IV, the launch of the screening program revealed 29 new cases of ARMD decreasing the implant survival rate from 96% (95% confidence interval [95% CI], 95 to 98) to 86% (95% CI, 82 to 90) with only three cases found before the screening. In study V, we noticed a clear decreasing trend towards normal levels in blood Co and Cr levels after the removal of MoM resurfacings and THAs, although Cr remained elevated for several years in a few patients. The median Oxford Hip Score (OHS) improved from the preoperative value to the 1-year postoperative value in the unilateral resurfacing and THA groups.

Elevated whole blood metal ion levels are common among MoM hip resurfacings and THAs, and the risk factors for elevated metal ion levels are similar to those for revision surgery. Both MRI and ultrasound provide good accuracy for imaging extracapsular pseudotumors and, based on our results, neither is superior over the other. On the other hand, over one year old cross-sectional imaging should not be used in surgical planning. We observed that systematic screening of MoM hips with blood Co and Cr measurements and cross-sectional imaging reveals a vast number of hips with ARMD. However, it is hard to estimate the true significance of this finding, as the natural history of ARMD is unclear, and it is not certain which patients would benefit most from the surgical intervention and revision of a MoM hip replacement and which patients would benefit from a conservative approach. After all, even though the revision of a MoM implant was an effective procedure to diminish systemic metal ion burden virtually in all patients, many patients were left symptomatic and in some cases the postoperative situation was actually worse than the preoperative one. In future, it is important that the best possible treatments for various grades of ARMD lesions are determined and that stratified guidelines for treatment are created in order to ensure the best possible outcome.