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関節置換術は、関節炎や機能不全を起こした関節面を人工関節に置き換える整形外科手術の一種です。関節置換術は、より侵襲性の低い治療法で重度の関節痛や機能不全が改善しない場合の治療法として検討されます。関節置換術は、変形性関節症や関節リウマチなど、さまざまな関節疾患に対して適応となることが多い手術です。
関節置換手術はより一般的になりつつあり、特に膝と股関節の置換手術が盛んに行われている。2009年には約77万3000人のアメリカ人が股関節または膝関節の置換手術を受けた。[ 1 ]
肩関節置換術では、肩関節にアクセスするための主要なアプローチがいくつかあります。1つ目は三角筋胸筋アプローチで、三角筋は温存されますが、棘上筋を切開する必要があります。[ 2 ] 2つ目は三角筋経由アプローチで、関節窩にまっすぐアプローチできます。ただし、このアプローチでは三角筋が損傷するリスクがあります。[ 2 ]どちらの手法も、外科医の好みに応じて使用されます。
毎年実施される肩関節置換手術の数は増加しているが、世界的な記録を調べた研究によると、肩関節置換手術の10件中9件は少なくとも10年間持続することが示唆されている。[ 3 ] [ 4 ]
股関節置換術は、全置換術と半置換術（股関節の一部置換術）の2種類があります。全置換術では寛骨臼と大腿骨頭の両方を置換するのに対し、半置換術では一般的に大腿骨頭のみを置換します。股関節置換術は現在、最も一般的な整形外科手術ですが、患者の短期および長期的な満足度は大きく異なります。
補助器具の使用が術後ケアに役立つかどうかは不明である。[ 5 ]
股関節置換手術は主に3つの方向から行うことができ、それぞれに利点と欠点があります。古典的なアプローチは後方アプローチで、寛骨臼に到達するために大殿筋や大腿後部の他の大きな筋肉を切開する必要があります。前方アプローチは股関節に前方からアクセスし、大きな筋肉の切開は少なくなりますが、寛骨臼のすぐ内側に大腿動脈、対応する静脈、および脚の主要な神経束が近接しているため、外科医は注意を払い、適切なランドマークを維持する必要があります。外側アプローチは後方アプローチよりも小さな筋肉を切開しますが、前方アプローチと同様のナビゲーション上の懸念があります。外科医の経験が外科医の好みを決定する傾向があり、つまり外科医は最初に訓練された方法から逸脱することはめったにありません。
膝関節置換術では、膝前面を露出させ、大腿四頭筋（内側広筋）の一部を膝蓋骨から剥離します。膝蓋骨を関節の片側に移動させ、大腿骨遠位端と脛骨近位端を露出させます。次に、骨の長軸に沿って配置された切断ガイドを使用して、これらの骨の端を正確に切断します。軟骨と前十字靭帯は除去されます。後十字靭帯も除去される場合がありますが、脛骨側副靭帯と腓骨側副靭帯は温存されます。[ 6 ]次に、金属部品を骨に打ち込むか、ポリメチルメタクリレート（PMMA）セメントを使用して固定します。セメントを使用せずにインプラントを固定する代替技術も存在します。これらのセメントレス技術には、多孔質金属プロテーゼを含む骨統合が含まれる場合があります。[ 7 ]
この手術は通常、術後にかなりの痛みを伴い、積極的な理学療法が必要となります。回復期間は6週間以上かかる場合があり、術前の歩行能力を取り戻すために歩行補助具（例：歩行器、杖、松葉杖）を使用する必要がある場合もあります。[ 8 ]
足関節置換術は、関節形成術を必要とする人々にとって第一選択の治療法となり、従来の関節固定術（骨の融合）に取って代わった。可動域の回復は、関節固定術と比較して足関節置換術が優れている主な特徴である。しかし、前者の優位性を示す臨床的証拠は、特定の単独のインプラント設計についてのみ実証されている。[ 9 ]
指関節置換術は30分程度と比較的短時間で済む手術ですが、術後数ヶ月のリハビリテーションが必要です。[ 10 ]術後リハビリテーションには、手用スプリントの装着や、機能と痛みを改善するための運動などが含まれます。[ 11 ]
手術によるストレスは、発生頻度や重症度が異なる様々な健康問題を引き起こす可能性がある。
多くの論争がある。整形外科コミュニティの研究努力の多くは、関節置換術の研究と改善に向けられている。主な論争は
大手術を行う前には、術前検査を徹底的に行う必要があります。高齢者の場合、通常は心電図、尿検査、血液検査、血液学的検査が含まれます。輸血を受ける人が多いため、血液型適合検査もルーチンで行われます。術前計画には、患部の関節の正確なX線撮影、インプラントの設計選択、X線画像に合わせたサイズ調整（テンプレート作成と呼ばれるプロセス）が必要です。
数日間の入院後、数週間は機能保護下での療養、治癒、リハビリテーションが行われます。その後、数ヶ月かけて徐々に筋力と持久力が回復していく可能性があります。
患者の早期離床は、静脈血栓塞栓症や肺炎などの合併症の発生率を減らす鍵と考えられています[ 1 ]。現代の診療では、患者をできるだけ早く離床させ、歩行補助具を使用して歩行を許容します。入院期間は、関与する関節と患者の術前状態によって異なり、1日から2週間まで幅があり、ほとんどの地域では平均4～7日です。
理学療法は、関節置換手術後の機能回復を支援するために広く用いられています。手術後、筋肉の回復には時間がかかるため、最初は段階的な運動プログラムが必要です。関節の可動域を広げたり、歩行を補助したりする運動は、無理のない範囲で行うべきです。筋肉が回復したら、運動の目的は筋力強化や機能回復へと拡大していきます。
関節置換術で一般的に使用されるセラミック材料には、アルミナ（Al 2 O 3）、ジルコニア（ZrO 2）、シリカ（SiO 2）、ヒドロキシアパタイト（Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2）、窒化チタン（TiN）、窒化ケイ素（Si 3 N 4）などがあります。チタンと炭化チタンの組み合わせは、非常に硬いセラミック材料であり、その優れた強度と靭性、および医療画像との適合性から、人工関節の構成要素によく使用されます。
炭化チタンは、超硬質セラミックである焼結多結晶ダイヤモンド表面（PCD）と組み合わせて使用できることが証明されており、人工関節用の改良された、強く、長持ちする材料を提供することが期待されています。PCDは、高圧と高温を伴うプロセスを経て多結晶ダイヤモンドコンパクト（PDC）から形成されます。立方晶窒化ホウ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどの他のセラミック材料と比較すると、PCDは高い硬度と比較的低い摩擦係数など、多くの優れた特性を示します。人工関節への応用では、コバルト、クロム、チタン、バナジウム、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、ハフニウム、シリコン、コバルトクロム、タングステン、ジルコニウムなどの特定の金属および金属合金と組み合わせられる可能性が高いです。[ 12 ]これは、ニッケルアレルギーまたは他の金属に過敏な人は、デバイス内の化学物質による合併症のリスクがあることを意味します。[ 13 ]
膝関節置換術では、セラミック製の部品が2つあり、これらは同じセラミックで作られている場合もあれば、異なるセラミックで作られている場合もあります。ただし、同じセラミックで作られている場合は、重量比が異なります。これらのセラミック部品は、インプラントから破片が剥がれ落ちた場合でも、破片が無害で鋭利にならないように設計されています。また、2つのセラミック部品のうち1つから破片が剥がれ落ちた場合でも、インプラントの検査や点検の際にX線で確認できるように設計されています。股関節インプラントなどのインプラントでは、インプラントのボール部分がセラミックで作られており、セラミック層とインプラント本体との接合部の間には、通常、セラミックを保持するための膜があります。この膜は亀裂を防ぐのに役立ちますが、2箇所で亀裂が発生して破片が分離した場合でも、膜が破片を所定の位置に保持し、インプラントから外れてさらなる損傷を引き起こすのを防ぎます。このような亀裂や分離が発生する可能性があるため、膜の材料は、高い破壊靭性と高いせん断靭性を持つ生体適合性ポリマーです。[ 14 ]
感染症や人工関節の破損などの合併症により、人工関節の交換が必要になる場合があります。交換は1回の外科手術で行うことができます。あるいは、以前の人工関節材料を除去する最初の手術を行い、その後別の手術で新しい人工関節を挿入することもできます。このような場合、特に感染症を伴う場合は、スペーサーを使用することがあります。スペーサーは、より恒久的な人工関節が挿入されるまで、基本的な関節の安定性と可動性を提供する頑丈な塊です。感染症の治療に役立つ抗生物質が含まれている場合もあります。 [ 15 ]
ニューヨーク市を拠点とする外科医のスティーブン・S・ハダックは、1939年に人工関節を用いた動物実験を開始した。 [ 16 ] 1948年までに、彼はニューヨーク整形外科病院（コロンビア・プレスビテリアン医療センターの一部）に勤務し、海軍研究局からの資金援助を受けて、人間の股関節置換手術を行っていた。[ 16 ]
以前はよく行われていた関節形成術には、(1)皮膚、筋肉、腱などの他の組織を介在させて炎症を起こした関節面を分離する「介在関節形成術」と、(2)関節面と骨を除去して瘢痕組織で隙間を埋める「切除関節形成術」の2種類がありました。その他の関節形成術には、切除（または切除）関節形成術、表面置換関節形成術、モールド関節形成術、カップ関節形成術、シリコン置換関節形成術などがあります。関節の適合性を回復または修正するための骨切り術も、関節形成術の一種です。
近年の人工関節置換術で最も成功し、一般的に行われているのは、関節または関節面を人工関節に置き換える手術です。例えば、変形性関節症に侵された股関節は、人工股関節に完全に置換されることがあります（全人工股関節置換術）。この手術では、寛骨臼（股関節窩）と大腿骨頭および大腿骨頸部の両方を置換します。この手術の目的は、痛みを軽減し、可動域を回復させ、歩行能力を改善し、ひいては筋力を向上させることです。
人工関節周囲感染（PJI）は、人工関節全置換術後の最も深刻な合併症の1つです。これは、重大な罹患率、再手術、長期にわたる抗菌薬療法、および医療費の増加と関連しています。一次股関節および膝関節置換術後の感染の発生率は一般的に1%から2%と報告されていますが、再置換手術ではその負担が大幅に増加します。診断基準、分子診断、手術手技、および感染予防プロトコルの進歩は、過去20年間でPJIの管理に大きな影響を与えてきました。[ 17 ]
PJIの診断と管理に関する現代の枠組みは、主にジャバド・パルヴィジの研究によって形成されました。彼の貢献には、筋骨格感染症学会（MSIS）および後に整形外科感染症に関する国際コンセンサス会議（ICM）を通じてコンセンサスに基づく診断基準の開発が含まれます。これらの分類システムは、検査マーカー、滑液分析、組織病理学、微生物培養、および臨床所見の解釈を標準化し、国際的に広く採用されました。[ 18 ]
PJIの診断における大きな制約の一つは、培養陰性感染症の発生である。従来の微生物培養では、以前の抗生物質曝露、バイオフィルム形成、増殖の遅い細菌、または培養が困難な微生物のために、原因菌を特定できないことがある。この課題は、分子診断法、特に滑液や組織サンプルから直接微生物DNAを特定できる次世代シーケンシング（NGS）への関心を高めた。[ 19 ]
PJI診断におけるNGSの使用を探求した初期の研究者の一人に、ジャバド・パルヴィジの指導の下、ロスマン整形外科研究所で働いていたマジュド・タラビチがいる。2018年にJournal of Bone and Joint Surgeryに掲載された前向き研究で、タラビチらは、次世代シーケンシングが、特に培養陰性症例において、感染した人工関節内の病原体を検出するのに、従来の培養よりも大幅に高い感度を示すことを実証した。この研究は、整形外科感染症診断におけるNGSの役割を支持する初期の臨床研究の1つとして頻繁に引用されている。[ 20 ]
Majd Tarabichi 氏と共同研究者による追加の論文では、NGS が珍しい病原体を特定する上で臨床的に有用であることがさらに実証されました。Streptococcus canisによる人工関節周囲感染症の症例報告では、シーケンス技術が従来の培養では検出できなかった微生物を特定し、それによって決定的な抗菌治療に影響を与えた例が示されています。[ 21 ]
その後、複数の国際センターで行われた研究により、培養陰性のPJIおよび多菌性感染症の診断におけるメタゲノムおよびターゲットNGSの有用性が裏付けられました。これらの研究では、従来の培養と比較して感度が高く、所要時間が短いことが実証されましたが、汚染、低病原性微生物の解釈、コスト、および普遍的な標準化の欠如に関する懸念が残っています。[ 22 ]
PJIに関する現在の研究は、分子診断の改良、バイオフィルムを標的とした治療法、人工知能による検出、および予防プロトコルの最適化に焦点を当てています。シーケンス技術の臨床診療への導入は依然として発展途上の分野ですが、整形外科インプラント感染症における微生物の多様性の理解を大きく変えました。[ 23 ]