Periacetabular bone metabolism following hip revision surgery

Summary

The treatment of loosened total hip replacement (THR) acetabular components may require the management of severe bone defects. Although being applied for decades, there is only limited scientific data about the osteointegration of cancellous bone allografts (CBA) and other void fillers. Monitoring of periprosthetic bone regeneration could possibly help to optimize this process thereby reducing late failure rates. The aim of this study was to show osteometabolic changes in periprosthetic CBA after THR revision with the use of sodium-[¹⁸F]-fluoride (NaF) and positron emission tomography (PET). Patients, methods: Twelve patients undergoing THR revision with the use of CBA were prospectively enrolled in the study. Nine patients completed all necessary examinations and were included in the evaluation. The temporal pattern of osteointegration was assessed via NaF-PET at one (PET1) and six weeks (PET2) after surgery. CBA, tantalum implants, supraacetabular regions ipsilateral and contralateral, and parasymphyseal pubic bones were delineated as volumes of interest (VOI) in postop CT scans, which were then merged with the PET data. Results: In comparison to the contralateral supraacetabular reference bone, a significant 1.5-fold increase of osteometabolic activity from PET1 to PET2 was seen in the CBA region. Also, the ipsilateral supraacetabular host bone showed a higher NaF-in- flux in week 6, compared to the first postoperative week. The supraacetabular site exhibited a significantly 1.8- to 2-fold higher influx and uptake than bone regions in non-operated sites. Tantalum implants had a low NaF influx at both time points investigated. Conclusion: Using NaF-PET osteometabolic changes of CBA and implant- bone-interfaces can be monitored. Applying this method we demonstrated early periprosthetic temporal bone regeneration patterns in THR cup revision patients.

Zusammenfassung

Die Herausforderung in der operativen Versorgung gelockerter Hüftendoprothesen besteht im Management großer acetabulärer Knochendefekte. Eine Standardmethode zum Füllen dieser Defekte stellt die Verwendung von allogener Spongiosa dar. Über die osteometabolische Potenz dieses Verfahrens in der klinischen Situation existieren jedoch keine funktionellen Messdaten. Dabei würde gerade ein Monitoring der Knochenregeneration nach Implantation von Allograft-Spongiosa helfen, den Einheilungs- prozess zu optimieren. Das Ziel der vorliegenden Studie war, in einem Pilotmodell die os- teointegrative Einheilung von Allograft-Spon- giosa mittels NaF-PET in einem standardisierten Modell prospektiv zu untersuchen. Patienten, Methoden: Zwölf Patienten, die einer Hüf- tendoprothesen-Wechseloperation mit Auffüllung eines großen Knochendefektes unterzogen wurden, nahmen an der Studie teil. Neun dieser Patienten konnten alle relevanten Untersuchungen abschließen und wurden in die Studie eingeschlossen. Es wurden NaF-PET- Untersuchungen in der ersten (PET1) und sechsten (PET2) postoperativen Woche durchgeführt. Die allogene Spongiosa, Tantal-Implantate, die supraacetabuläre Knochenregion ipsi- und kontralateral und die parasymphyse- al gelegenen Knochenstrukturen wurden in den postoperativen CT-scans erfasst und mit den PET-Daten abgeglichen. Ergebnisse: Im Vergleich zur kontralateralen supraacetabulä- ren Referenzregion, zeigte sich ein signifikanter, 1,5-facher Anstieg der Knochenstoffwechselaktivität in der implantierten Spongioso- plastik von PET1 zu PET2. In der supraaceta- bulären Beckenregion der operierten Seite, außerhalb der Spongiosaplastik, konnte im Verlauf ebenfalls eine Steigerung der Stoffwechselaktivität beobachtet werden. Die supraace- tabuläre Region der operierten Seite zeigte einen signifikant 1,8- bis 2-fach höheren NaF- Einstrom als die pubischen Kontrollregionen. In Tantal-Implantaten konnte zu beiden Untersuchungszeitpunkten nur ein niedriger NaF- Einstrom gemessen werden. Schlussfolgerung: Die osteometabolischen Veränderungen in der allogenen Spongiosa und im Grenzbereich zum Implantat können zuverlässig orts- und zeitaufgelöst mittels NaF-PET gemessen werden. Wir konnten mit dieser Methode eine Aktivierung der periprothetischen Knochenregeneration zu einem frühen Zeitpunkt nach der Operation zeigen.

Keywords

Allograft - NaF-PET - bone metabolism - endoprosthesis - acetabular

Schlüsselwörter

Hüftendoprothetik - Knochendefekt - Allograft - PET - Revision

• References

• 1 Aarvold A, Smith JO, Tayton ER. et al. From bench to clinic and back: skeletal stem cells and impaction bone grafting for regeneration of bone defects. J Tissue Eng Regen Med. 2012
• 2 Bailey DL, Willowson KP. Quantitative SPECT/ CT: SPECT joins PET as a quantitative imaging modality. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2013
• 3 Berding G, Burchert W, van den Hoff J. et al. Evaluation of the incorporation of bone grafts used in maxillofacial surgery with [¹⁸F]fluoride ion and dynamic positron emission tomography. Eur J Nucl Med 1995; 22: 1133-1140.
• 4 Bernstein P, Bornhäuser M, Günther K-P, Stiehler M. Knochen Tissue Engineering in der klinischen Anwendung – eine Standortbestimmung. Orthopäde 2009; 38: 1029-1037.
• 5 Blake GM, Park-Holohan SJ, Cook GJ, Fogelman I. Quantitative studies of bone with the use of ¹⁸F-fluoride and ^99mTc-methylene diphosphonate. Semin Nucl Med 2001; 31: 28-49.
• 6 Fujikawa Y, Torisu T, Takasita M, Masumi S. Grafted bone used in acetabular reconstruction: assessment by SPECT scintigraphy. Skeletal Radiol 1995; 24: 441-445.
• 7 Hawkins RA, Choi Y, Huang SC. et al. Evaluation of the skeletal kinetics of fluorine-18-fluoride ion with PET. J Nucl Med 1992; 33: 633-642.
• 8 Hirschmann MT, Konala P, Iranpour F. et al. Clinical value of SPECT/CT for evaluation of patients with painful knees after total knee arthroplasty – a new dimension of diagnostics?. BMC Musculoskelet Disord 2011; 12: 36.
• 9 Hofheinz F, Langner J, Petr J. et al. A method for model-free partial volume correction in oncological PET. EJNMMI Res 2012; 2: 16.
• 10 Hofheinz F, Potzsch C, Oehme L. et al. Automatic volume delineation in oncological PET. Evaluation of a dedicated software tool and comparison with manual delineation in clinical data sets. Nuklearmedizin 2012; 51: 9-16.
• 11 Hsu WK, Feeley BT, Krenek L. et al. The use of ¹⁸F-fluoride and ¹⁸F-FDG PET scancs to assess fracture healing in a rat femur model. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2007; 34: 1291-1301.
• 12 Paprosky WG, Perona PG, Lawrence JM. Acetabular defect classification and surgical reconstruction in revision arthroplasty. A 6-year follow-up evaluation. J Arthroplasty 1994; 9: 33-44.
• 13 Piert M, Winter E, Becker GA, Bilger K, Machulla H, Muller-Schauenburg W. et al. Allogenic bone graft viability after hip revision arthroplasty assessed by dynamic [¹⁸F]fluoride ion positron emission tomography. Eur J Nucl Med 1999; 26: 615-624.
• 14 Piert M, Zittel T, Becker G. et al. Assessment of porcine bone metabolism by dynamic [¹⁸F]fluoride ion PET: correlation with bone histomorphometry. J Nucl Med 2001; 42: 1091-1100.
• 15 R: A Language and Environment for Statistical Computing.. Vienna, Austria: 2011
• 16 Sörensen J, Ullmark G, Längström B, Nilsson O. Rapid bone and blood flow formation in impacted morselized allografts. Acta Orthop 2003; 74: 633-643.
• 17 Strobel K, Steurer-Dober I, Huellner MW. et al. Importance of SPECT/CT for knee and hip joint prostheses. Radiologe 2012; 52: 629-635.
• 18 Tagil M, Jeppsson C, Aspenberg P. Bone graft incorporation. Effects of osteogenic protein-1 and impaction. Clin Orthop Relat Res 2000; 371: 240-245.
• 19 Tam HH, Bhaludin B, Rahman F. et al. SPECT-CT in total hip arthroplasty. Clin Radiol 2014; 69: 82-95.
• 20 Temmerman OP, Raijmakers PG, Heyligers IC. et al. Bone metabolism after total hip revision surgery with impacted grafting: Evaluation using H₂ ¹⁵O and [¹⁸F]fluoride PET. A pilot study. Mol Imaging Biol 2008; 10: 288-293.
• 21 Tsiridis E, Ali Z, Bhalla A, Heliotis M. et al. In Vitro and In Vivo Optimization of Impaction Allografting by Demineralization and Addition of rh-OP-1. J Orth Res 2007; 25: 1425-1437.
• 22 Ullmark G, Sundgren K, Milbrink J. et al. Osteonecrosis following resurfacing arthroplasty. Acta Orthop 2009; 80: 670-674.
• 23 Ullmark G, Sundgren K, Milbrink J, Nilsson O. Femoral head viability following resurfacing arthroplasty. A clinical positron emission tomography study. Hip Int 2011; 21: 66-70.