CT based Motion analysis of mechanical impingement in total hip arthroplasty

The range of motion (ROM) represents the maximum potential movement that an articulation can achieve in the anatomical planes. Its reduction can indicate the presence of impingement at the articulation’s level. In particular, in the prosthetics field, a reduced ROM usually depends on the wrong positioning of a prosthetic component. However, it is also influenced by soft tissue, by a possible secondary impingement (bone on bone) and by the articulation condition before the surgery. An impingement is the contact between two joint components and it represents the main cause of the prosthesis’s dislocation. The aim of this work is to examine the implanted prosthesis’s ROM in order to estimate the risk of a possible material erosion or the risk of a dislocation due to a non-optimal positioning of the prosthetic components. Materials: patients who had gone through a total hip replacement surgery (THA) between 2013 and 2019 and who had at least one hip or pelvis TC were included. Of these, the ones who presented a free dislocation of the joint, an aseptic mobilisation of the prosthesis, peri-prosthetic fractures or worn prosthesis to the point of modifying the position of the head inside the cup, were all excluded. Methods: the TC were downloaded as single images in .jpeg format, then segmented with the use of the “3D slicer” software. The single components taken by TC, were divided and saved in the STL (Stereo Lithography Interface format) format. At this point, the STL models were imported. However, since the system’s dimensions and positioning were not correct, it was necessary to use a script, which could set an equal scale for all the models and which could position the model at the centre of the Cartesian axes. Once the model was established, the rotational centre of the prosthesis was set with the “sphere fitting” command and with a dedicated script. The completed models were submitted to a decimation and smoothing process and exported in PLY format. At this point, the files obtained were imported into the simulator known as the “Prosthesis Impingement Software”, which at the end of the simulation, calculated the ROM of each prosthesis. The simulated movements were: flexion, abduction, intra-rotation, flexion 60° + intra-rotation, flexion 90° + intra-rotation, flexion 30° + intra-rotation + adduction 20°, flexion 60° + intra-rotation + adduction 20°, flexion 90° + intra-rotation + adduction 20°, extension 15° + extra-rotation. Finally, only the prostheses with the cup positioned in the safe-zone limits were taken into account. Their ROM average was calculated for each movement and then compared with the averages of three not replaced joints (these were also simulated). Results: the work demonstrated that the ROM average of the prostheses with the cup positioned in the safe-zone limits is comparable to the physiological non replaced hips, with the exception of flexion, which falls within acceptable ranges (98° versus 120°). Conclusion: This study defined the average ROM of a prosthesis placed inside the safe-zone, confirming the need to implant the cup in the best possible way to allow the execution of a ROM as close as possible to the physiological values. In addition, it was shown that it is possible to recognize which implants presented errors by simulating the movements.

Il range of motion (ROM) rappresenta il massimo movimento potenziale che un’articolazione può compiere nei vari piani dello spazio. Una sua riduzione può indicare la presenza di impingement a livello articolare; in particolare, in ambito protesico, un ROM ridotto è dovuto soprattutto ad un mal posizionamento dell’impianto ma è anche influenzato dai tessuti molli circostanti, da un eventuale impingement secondario (osso su osso) e dalle condizioni dell’articolazione prima dell’intervento. L’impingement, anche detto conflitto, consiste in una condizione di contatto tra i due capi articolari e rappresenta la causa principale di lussazione della protesi. Lo scopo dello studio è stato quello di esaminare il ROM della protesi impiantata al fine di stimare il rischio dell’eventuale consumo di materiali o di una lussazione nel caso di un posizionamento non ottimale delle componenti protesiche. Materiali: sono stati selezionati i pazienti che avessero subito un intervento di protesi d’anca totale (PTA) tra il 2013 e il 2019 e che avessero almeno una TC dell’anca o del bacino. Di questi soggetti sono stati esclusi coloro che presentavano una lussazione franca dell’articolazione, una mobilizzazione asettica della protesi, fratture peri-protesiche, protesi usurate a tal punto da alterare il posizionamento della testina all’interno del cotile. Metodi: sono state scaricate le TC sotto forma di immagini singole in formato .jpeg, poi segmentate con l’uso del software “3D slicer”. Le singole componenti recuperate dalle TC, sono state separate e salvate in formato STL (Stereo Lithograpy Interface format). A questo punto i modelli STL sono stati importati e, siccome le dimensioni e la posizione del sistema non risultavano corrette, si è reso utile l’uso di uno script che potesse impostare una scala uguale per tutti i modelli e che ponesse il modello al centro degli assi cartesiani. Una volta sistemato il modello, è stato impostato il centro di rotazione della protesi con il comando “sphere fitting” e un successivo script. I modelli terminati sono stati sottoposti ad un processo di decimazione e levigatura ed esportati in formato PLY. A questo punto i file ottenuti sono stati importati nel simulatore denominato “Prosthesis Impingment Software”, il quale a fine simulazione calcolava i ROM di ciascuna protesi. I movimenti analizzati erano: flessione, intrarotazione, abduzione, flessione 60° + intrarotazione, flessione 90° + intra-rotazione, flessione 30° + intrarotazione + adduzione 20°, flessione 60° + intrarotazione + adduzione 20°, flessione 90° + Intrarotazione + adduzione 20°, estensione 15° + extrarotazione. Infine sono state prese in considerazione solamente le protesi con il cotile inserito entro i limiti della safe-zone; di queste è stata calcolata la media per ciascun movimento poi confrontata con le medie di tre articolazioni sane non protesizzate (simulate anch’esse). Risultati: lo studio ha dimostrato che la media dei ROM delle protesi inserite entro i limiti della safe-zone è paragonabile alle anche fisiologiche non protesizzate, ad eccezione della flessione che comunque rientra in range accettabili (98° contro i 120°). Conclusione: Questo studio ha definito quale sia il ROM medio di una protesi posizionata all’interno della safe-zone, confermando la necessità di impiantare il cotile nel miglior modo possibile così da permettere l’esecuzione di un ROM il più simile possibile ai valori fisiologici. Inoltre, si è dimostrata la possibilità di riconoscere quali impianti presentassero degli errori semplicemente eseguendo virtualmente i movimenti con il simulatore.