척추는 인체의 체중을 견디며 골격을 유지하고, 인체의 몸통 운동을 발생시키며, 뇌로부터 신체의 각 부분으로 연결되는 척수를 보호하는 인체에서 가장 중요한 골격이다. 동시에 가장 많은 정형외과 및 신경외과 질환이 발생하는 부분이기도 하며, 2007년 현재 우리나라에서 가장 많은 수술을 시행하는 부위 중 하나로 알려져 있다. 척추 수술에서는 임플란트를 이용하여 운동 분절을 완전히 고정시키는 유합술이 가장 일반적으로 사용된다. 그런데 척추 유합술을 시행한 경우 수술 부위의 과도한 강성으로, 2차 질환이 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 최근에는 인공추간판과 동적안정기 등의 새로운 임플란트가 개발되어 사용되고 있다. 하지만 비교적 새로운 임플란트인 이유로 생체역학적 특성 연구가 많이 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 유한요소 해석 기반의 가상시험 기술을 이용하여 경추 및 요추 부위 수술에 사용되는 인공추간판 및 동적안정기에 대한 생체역학적 성능 분석을 수행하였다.
척추에 질환이 없는 사람의 CT 영상, 해부학 정보, 기존 연구에서 제시한 ...
척추는 인체의 체중을 견디며 골격을 유지하고, 인체의 몸통 운동을 발생시키며, 뇌로부터 신체의 각 부분으로 연결되는 척수를 보호하는 인체에서 가장 중요한 골격이다. 동시에 가장 많은 정형외과 및 신경외과 질환이 발생하는 부분이기도 하며, 2007년 현재 우리나라에서 가장 많은 수술을 시행하는 부위 중 하나로 알려져 있다. 척추 수술에서는 임플란트를 이용하여 운동 분절을 완전히 고정시키는 유합술이 가장 일반적으로 사용된다. 그런데 척추 유합술을 시행한 경우 수술 부위의 과도한 강성으로, 2차 질환이 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 최근에는 인공추간판과 동적안정기 등의 새로운 임플란트가 개발되어 사용되고 있다. 하지만 비교적 새로운 임플란트인 이유로 생체역학적 특성 연구가 많이 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 유한요소 해석 기반의 가상시험 기술을 이용하여 경추 및 요추 부위 수술에 사용되는 인공추간판 및 동적안정기에 대한 생체역학적 성능 분석을 수행하였다.
척추에 질환이 없는 사람의 CT 영상, 해부학 정보, 기존 연구에서 제시한 모델링 기법, 척추 각 요소의 물성 정보 등을 이용하여, 요추 및 경추 유한요소 모델을 개발하였다. 개발한 각각의 모델은 기존의 실험 및 해석 연구들과 비교하여 타당성을 검증하였다. 타당성이 검증된 요추 및 경추 모델에 정형외과 및 신경외과 척추 전문의에 의하여 작성된 수술 예비계획에 따라 동적안정기를 이용한 척추 유합술과 인공추간판을 이용한 추간판 치환술을 가상으로 시행하였다. 임플란트가 삽입된 요추 및 경추에, 각각의 척추에 가해지는 인체의 무게를 고려하여 추적 하중 경로 방향의 압축하중을 부가하고, 최상위 추체의 상단에 다양한 방향의 모멘트를 가하여, 척추 임플란트의 생체역학적 성능 평가를 위한 가상시험을 시행하였다.
동적안정기의 연성을 증가시켰을 때, 척추경 나사못은 목 부분에서 나타나는 응력 집중이 낮아짐에 따라 파손 위험성이 감소하였다. 하지만 이와 함께 척추경 나사못 연결봉에 발생하는 응력이 증가하였으며, 그 결과 연결봉의 파손 위험성은 증가하였다. 요추에 인공추간판을 삽입하였을 때, 임플란트의 종류와 무관하게 굽힘에서는 수술 분절에서의 운동량이 정상 요추의 동일 운동 분절에서의 운동량과 비교하여 큰 차이가 없었다. 하지만, 신전 운동에서는 과신전이 발생하였으며, 이는 후관절의 접촉력의 증가를 가져왔다. 반구속 개념의 인공추간판이 비구속 개념의 인공추간판에 비하여, 굽힘 운동 시 인공추간판에 삽입된 폴리에틸렌 코어의 파손 위험성이 크게 나타났다. 경추에서는 삽입된 인공추간판의 종류에 상관없이, 모든 운동 방향에 대하여 인공추간판이 삽입된 분절의 운동성이 정상 척추의 동일 분절과 비교하여 높은 운동성을 보였다. 이는 후관절에 걸리는 접촉력의 증가, 주요 인대의 내부 응력 증가의 원인으로 작용하였다. 또한, 인공추간판의 위치 변화가 신전 운동에는 영향을 크게 미치지 않았다. 하지만, 굽힘 및 선 자세에서는 인공추간판이 앞쪽으로 위치할수록 수술분절은 신전 운동 방향으로, 뒤쪽으로 위치할수록, 굽힘 운동 방향으로 운동의 변화가 나타났다.
본 연구에서 수행한 연구의 결과를 통하여 척추 유합술과 추간판 치환술과 같은 척추 수술에서 나타날 수 있는 다양한 문제점들을 파악할 수 있었다. 이러한 본 연구의 결과들은 임상에서 척추 수술 방법의 선택과 임플란트 선정, 수술 시행 및 예비계획 작성에 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 다양한 임플란트에 대한 생체역학적 성능 시험 결과와 개발한 척추 유한요소 모델, 척추 유한요소 모델을 이용한 가상시험 기술은 다양한 수술 방법의 효과 검증 및 검토, 기존 척추 수술용 임플란트의 문제점 분석 및 개선, 새로운 척추 수술법 및 척추 임플란트의 개발 등에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
척추는 인체의 체중을 견디며 골격을 유지하고, 인체의 몸통 운동을 발생시키며, 뇌로부터 신체의 각 부분으로 연결되는 척수를 보호하는 인체에서 가장 중요한 골격이다. 동시에 가장 많은 정형외과 및 신경외과 질환이 발생하는 부분이기도 하며, 2007년 현재 우리나라에서 가장 많은 수술을 시행하는 부위 중 하나로 알려져 있다. 척추 수술에서는 임플란트를 이용하여 운동 분절을 완전히 고정시키는 유합술이 가장 일반적으로 사용된다. 그런데 척추 유합술을 시행한 경우 수술 부위의 과도한 강성으로, 2차 질환이 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 최근에는 인공추간판과 동적안정기 등의 새로운 임플란트가 개발되어 사용되고 있다. 하지만 비교적 새로운 임플란트인 이유로 생체역학적 특성 연구가 많이 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 유한요소 해석 기반의 가상시험 기술을 이용하여 경추 및 요추 부위 수술에 사용되는 인공추간판 및 동적안정기에 대한 생체역학적 성능 분석을 수행하였다.
척추에 질환이 없는 사람의 CT 영상, 해부학 정보, 기존 연구에서 제시한 모델링 기법, 척추 각 요소의 물성 정보 등을 이용하여, 요추 및 경추 유한요소 모델을 개발하였다. 개발한 각각의 모델은 기존의 실험 및 해석 연구들과 비교하여 타당성을 검증하였다. 타당성이 검증된 요추 및 경추 모델에 정형외과 및 신경외과 척추 전문의에 의하여 작성된 수술 예비계획에 따라 동적안정기를 이용한 척추 유합술과 인공추간판을 이용한 추간판 치환술을 가상으로 시행하였다. 임플란트가 삽입된 요추 및 경추에, 각각의 척추에 가해지는 인체의 무게를 고려하여 추적 하중 경로 방향의 압축하중을 부가하고, 최상위 추체의 상단에 다양한 방향의 모멘트를 가하여, 척추 임플란트의 생체역학적 성능 평가를 위한 가상시험을 시행하였다.
동적안정기의 연성을 증가시켰을 때, 척추경 나사못은 목 부분에서 나타나는 응력 집중이 낮아짐에 따라 파손 위험성이 감소하였다. 하지만 이와 함께 척추경 나사못 연결봉에 발생하는 응력이 증가하였으며, 그 결과 연결봉의 파손 위험성은 증가하였다. 요추에 인공추간판을 삽입하였을 때, 임플란트의 종류와 무관하게 굽힘에서는 수술 분절에서의 운동량이 정상 요추의 동일 운동 분절에서의 운동량과 비교하여 큰 차이가 없었다. 하지만, 신전 운동에서는 과신전이 발생하였으며, 이는 후관절의 접촉력의 증가를 가져왔다. 반구속 개념의 인공추간판이 비구속 개념의 인공추간판에 비하여, 굽힘 운동 시 인공추간판에 삽입된 폴리에틸렌 코어의 파손 위험성이 크게 나타났다. 경추에서는 삽입된 인공추간판의 종류에 상관없이, 모든 운동 방향에 대하여 인공추간판이 삽입된 분절의 운동성이 정상 척추의 동일 분절과 비교하여 높은 운동성을 보였다. 이는 후관절에 걸리는 접촉력의 증가, 주요 인대의 내부 응력 증가의 원인으로 작용하였다. 또한, 인공추간판의 위치 변화가 신전 운동에는 영향을 크게 미치지 않았다. 하지만, 굽힘 및 선 자세에서는 인공추간판이 앞쪽으로 위치할수록 수술분절은 신전 운동 방향으로, 뒤쪽으로 위치할수록, 굽힘 운동 방향으로 운동의 변화가 나타났다.
본 연구에서 수행한 연구의 결과를 통하여 척추 유합술과 추간판 치환술과 같은 척추 수술에서 나타날 수 있는 다양한 문제점들을 파악할 수 있었다. 이러한 본 연구의 결과들은 임상에서 척추 수술 방법의 선택과 임플란트 선정, 수술 시행 및 예비계획 작성에 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 다양한 임플란트에 대한 생체역학적 성능 시험 결과와 개발한 척추 유한요소 모델, 척추 유한요소 모델을 이용한 가상시험 기술은 다양한 수술 방법의 효과 검증 및 검토, 기존 척추 수술용 임플란트의 문제점 분석 및 개선, 새로운 척추 수술법 및 척추 임플란트의 개발 등에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
The spine, which gives and supports human body structure, makes motion of trunk, and protects spinal cord, is the most important part of skeleton in human body. The spine is also one of the human regions in which a surgery is most frequently performed though. Spinal fusion is one of the most common ...
The spine, which gives and supports human body structure, makes motion of trunk, and protects spinal cord, is the most important part of skeleton in human body. The spine is also one of the human regions in which a surgery is most frequently performed though. Spinal fusion is one of the most common surgical techniques for treating spinal disease. However, complications of spinal fusion due to its excessive stiffness have been reported. Although new spinal implants such as flexible rods and artificial discs were developed and have been recently used to avoid the complications of spinal fusion, there are only few studies on analyzing biomechanical characteristics of these implants. In this study, biomechanical performance of new spinal implants such as flexible rods and artificial discs were evaluated using virtual test technology based on finite element analysis.
Three dimensional finite element models of the lumbar and the cervical spines were developed using computed tomography images of a male subject, anatomical information such as attachment points of ligaments, and material properties of bones and implants from previous studies. The models were validated by comparing their stiffness to the stiffness reported in previous studies. Spinal fusion using dynamic stabilization and total disc replacement using artificial disc were virtually performed in the validated models according to preoperative surgical plans made by orthopedic and neurosurgical surgeons. The virtual tests were performed to evaluate biomechanical performance of spinal implants. For the tests, bottom of each implanted spine model was fixed, and moments in various directions were applied on the superior plate of each model with follower load.
The maximum von-Mises stress concentrated on the neck region in the pedicle screw of dynamic stabilization system decreased as flexibility of rod increased. Accordingly, the fracture risk of the system also decreased. However the maximum stress on the flexible rod and its fracture risk increased. When every artificial disc was inserted in the lumbar spine, range of the flexion motion of implanted level was similar with the same level of the model of an intact lumbar spine. However, excessive extension motion generated in every artificial inserted level leads to increase of contact force on the facet joint. On the aspect of fracture risk of an artificial disc, an artificial disc of un-constraint concept had an advantage comparing with one of semi-constraint concept. When an artificial disc was inserted in the cervical spine, motions of the implanted level in all direction were higher than motions of the same level of intact cervical spine. In addition, high range of motion leads to increase of contact forces on the facet joints and stresses of major ligaments. The movement of an artificial disc to posterior direction made flexion motion increased.
From the results of this study, various complications which might occur in spinal surgeries such as spinal fusion and total disc replacement could be comprehended. These results could be helpful to select a spinal surgical method and a spinal implant, and to make a preoperative plan for a spinal surgery. Furthermore, the developed finite element models of the lumbar and the cervical spines, and virtual test technology using the developed models could be very useful to prove the effect of a surgical technique, to analyze and improve a present spinal implant, and to develop new surgical methods and spinal implants.
The spine, which gives and supports human body structure, makes motion of trunk, and protects spinal cord, is the most important part of skeleton in human body. The spine is also one of the human regions in which a surgery is most frequently performed though. Spinal fusion is one of the most common surgical techniques for treating spinal disease. However, complications of spinal fusion due to its excessive stiffness have been reported. Although new spinal implants such as flexible rods and artificial discs were developed and have been recently used to avoid the complications of spinal fusion, there are only few studies on analyzing biomechanical characteristics of these implants. In this study, biomechanical performance of new spinal implants such as flexible rods and artificial discs were evaluated using virtual test technology based on finite element analysis.
Three dimensional finite element models of the lumbar and the cervical spines were developed using computed tomography images of a male subject, anatomical information such as attachment points of ligaments, and material properties of bones and implants from previous studies. The models were validated by comparing their stiffness to the stiffness reported in previous studies. Spinal fusion using dynamic stabilization and total disc replacement using artificial disc were virtually performed in the validated models according to preoperative surgical plans made by orthopedic and neurosurgical surgeons. The virtual tests were performed to evaluate biomechanical performance of spinal implants. For the tests, bottom of each implanted spine model was fixed, and moments in various directions were applied on the superior plate of each model with follower load.
The maximum von-Mises stress concentrated on the neck region in the pedicle screw of dynamic stabilization system decreased as flexibility of rod increased. Accordingly, the fracture risk of the system also decreased. However the maximum stress on the flexible rod and its fracture risk increased. When every artificial disc was inserted in the lumbar spine, range of the flexion motion of implanted level was similar with the same level of the model of an intact lumbar spine. However, excessive extension motion generated in every artificial inserted level leads to increase of contact force on the facet joint. On the aspect of fracture risk of an artificial disc, an artificial disc of un-constraint concept had an advantage comparing with one of semi-constraint concept. When an artificial disc was inserted in the cervical spine, motions of the implanted level in all direction were higher than motions of the same level of intact cervical spine. In addition, high range of motion leads to increase of contact forces on the facet joints and stresses of major ligaments. The movement of an artificial disc to posterior direction made flexion motion increased.
From the results of this study, various complications which might occur in spinal surgeries such as spinal fusion and total disc replacement could be comprehended. These results could be helpful to select a spinal surgical method and a spinal implant, and to make a preoperative plan for a spinal surgery. Furthermore, the developed finite element models of the lumbar and the cervical spines, and virtual test technology using the developed models could be very useful to prove the effect of a surgical technique, to analyze and improve a present spinal implant, and to develop new surgical methods and spinal implants.
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