무릎 관절 전 치환술에서의 역학적 정렬은 과거부터 가장 많이 사용되며 무릎 시스템에 대해 좋은 결과를 보고하지만 임상적 결과는 환자의 만족도와 반드시 일치하지 않는다. 오늘날의 활동적인 환자는 이전보다 더 많은 무릎의 운동성과 기능을 요구하지만 현대의 기술 발전에도 불구하고 잔류 증상에 대해 완전히 개선되지 못한 한계가 존재한다. 이론적으로 운동학적으로 정렬된 무릎관절 전치환술은 환자의 생리적인 인대를 재현함으로써 역학적으로 정렬된 무릎 관절 전치환술보다 무릎의 운동학을 본래의 상태로 만든다. 역학적 정렬법 수행 시 역학적 축에 맞게 골 절제를 하는 경우 임플란트의 장기 생존에는 도움이 될 수 있지만 원위 대퇴골부터 후방 대퇴골의 관절선과 경골 관절선의 각도를 변경하여 환자 고유의 해부학적 축이 변하기 때문에 무릎 관절의 불안정성을 초래하였으며 환자 고유의 운동학을 재현하는데 실패하기 때문에 환자에게는 부자연스럽고 바람직하지 않다는 의견이 제시되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 골 절제시 환자의 해부학에 맞춘 운동학적 정렬의 개념이 더욱 발전하였지만 이에 대한 생체역학적 증거는 부족하다. 본 연구에서는 사체 표본을 사용하여 두 가지 관점에서 무릎 관절 전치환술 전후 무릎 관절의 내측 측부 인대에 대한 생체역학적 특성을 평가하고자 하였다. 첫 번째로, 역학적 정렬법과 운동학적 정렬법에 따른 수술 전후 내측 측부 인대의 변형을 비교하여 무릎 관절 전치환술에서의 최적의 정렬법을 제시하고자 하였다. 두 번째로, 인체의 해부학적 축을 모방한 각기 다른 비대칭 경골 삽입물을 사용하는 치환물을 통해 정렬 변경을 도입하여 임플란트 디자인에 따른 수술 전후 내측 측부 인대의 변형을 분석하고자 하였다.
10쌍의 시체(20개 무릎)에 대하여 실험이 진행되었으며, 각 쌍에 대한 무릎에 임의로 역학적 정렬과 운동학적 정렬이 시행되었다. 정렬법에 따른 무릎 관절 전치환술을 시행한 그룹은 표준 후방 치환(PS) 보철물 시스템을 사용하여 각 사체에 대해 무작위로 하나의 무릎은 역학적 정렬법을 반대쪽 무릎은 운동학적 정렬법을 시행하였다. 임플란트 디자인에 따른 무릎 관절 전치환술을 시행한 그룹은 이중 치환을 통해 정상적인 무릎 운동학을 복제하는 이중 십자형 안정화(BCS) 보철물 시스템을 사용하여 관절 성형술을 시행하였다. 각 시편은 무릎 관절의 굽힘 운동을 구현하기 위해 knee squatting simulator system 장비에 장착하였다. 모든 표본은 생리적 하중 조건 하에서 굽힘과 폄 운동을 시행하였다. 해당 장비는 지속적인 굴곡-신전 운동을 수행하기 위해 대퇴골과 경골에 6자유도를 허용하고 생리학적 근육 부하를 재현하기위해 5개의 근육 갈래에 대한 하중 부하가 가능하도록 설계되었다. 수술 전과 수술 후, 내측 측부 인대에 대한 변화는 고해상도 디지털 카메라(ISG, MONET 3D)와 실시간 이미지 처리 소프트웨어로 구성된 비접촉 비디오 신율계를 사용하여 분석하였다.
운동학적 정렬은 역학적 정렬에 비해 내측 측부 인대에 대한 최대 변형률을 유사하게 재현했으며 내측 측부 인대의 변형률 분포 또한 수술 전 상태와 같게 유지하였다. 운동학적 정렬을 시행한 내측 측부인대의 변형률은 2% 미만으로 내측 측부 인대의 적절한 복원을 통해 구조적 안정성을 유지할 수 있는 반면 역학적 정렬을 시행한 내측 측부 인대의 변형률은 최대 굴곡 운동 동안에 약 6-8%의 변형이 발생함에 따라 인대의 파손 및 변형을 유발할 수 있다고 사료된다. 치환물 디자인에 따른 내측 측부 인대의 변형률은 이중 십자형 안정화 임플란트를 사용한 무릎 관절 전치환술에서의 내측 측부 인대 변형 및 최대 변형은 수술 전 자연상태로의 내측 측부 인대의 변형률과 약 2% 미만으로 거의 유사하게 나타났으며 모든 굴곡 각도에서 자연상태의 무릎과 유의한 차이가 발견되지 않았다(p<0.05).
우리의 연구 결과는 연조직에 변형에 대한 수술 이전의 상태로 회복하는 사지에 대한 정렬법과 더불어 정상적인 무릎 감각과 운동학을 재현할 수 있는 해부학적 형상이 고려된 치환물의 선택이 수술 예후에 많은 영향을 미치는 중요한 사항이며 무릎 관절 전치환술에서 내측 측부 인대의 변형 분포 특성에 대한 생체역학적 근거로 제시될 수 있음을 의미한다.