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문제 정의
- 이러한 기존의 연구들은 단분절 시스템의 피로 수명에 관한 측정만 있을 뿐 단분절 시스템의 요소들이 피로 수명에 미치는 영향에 관한 연구는 미흡한 상태이다. 그러므로 본 연구에서는 척추 후방 내 고정 기구로 널리 사용되는 척추경 나사 못 고정시스템의 국산화의 일환으로 현재 개발되고 있는 척추경 나사못(pedicle screw)[10]과 국내에서 많이 사용되고 있는 수입품들(CCD, DIAPASON)에 대한 정하중(static loading) 상태하의 단 분절 시스템의 기계적 특성평가용 지그를 개발하고, 국산 개발품과 수입품의 하중요소에 대한 안정성을 비교평가하였다. 그리고 단일 나사못에 작용하는 하중요소별 시험을 수행하여 단분절 시스템과 단일 나사못의 관계를 규명하고, 단일 나사 못 시험으로부터 단분절 시스템의 강성 예측이 가능함을 보였다.
- 본 연구에서는 척추내고정 시스템의 구성요소별 기계적 특성평가를 통하여 척추내고정 시스템에 영향을 미치는 주요 하중요소를 규명하였다. 또한 대상재의 기계적 물성치가 척추경 나사못의 피로 수명에 미치는 영향과 나사못의 위치에 따른 피로 수명의 영향 등을 연구하였으며, 그 결과를 종합하여 다음과 같은 결론을 얻었다
제안 방법
- Willian.L 등[13]은 나사못 사이의 연결매체로서 plate를 사용하였으며, 주요 변위 발생 요소로서 금속판(plate) 과 나사 못 사이의 마찰력으로 간주하고, 척추경 사이각 (pedicle-to-pedicle angle)의 변화에 따른 변위량의 변화를 연구하였지만 본 연구에서는 나사 못 사이의 연결매체로 봉을 사용하였으며 변위 발생 요소로는 마찰력, 굽힘력, 결합력을 고려하였다. 삽입부 표면에서 삽입 방향으로 40mm 떨어진 지점에 일정한 변형율 속도(0.
- 본 연구에서는 전자(i) 에 대한 나사 두부와 봉과의 기계적 특성평가 시험을 결합력 시험(Holding Force Test : HFT), 후자(ii)에 대한 봉의 굽 힘 저항성 시험을 굽힘력 시험(Bending Force Test : BFT)이라 칭하고, 단일 나사못의 기계적 특 성 평가에 HFT와 BFT를 수행하였다. 굽힘력 시험에서는 봉에 가하는 하중을 나 사 진입 방향으로 가해야 하지만 시험의 안정성과 효율을 위해서 본 연구에서는 나사후퇴 방향으로 하중을 가하였다. Fig.
- 굽힘력 시험(BFT)은 봉을 나사 두부에 체결한 후, 나사못이고정된 지 그를 시험 장비의 하단부에 고정하고, 봉의 끝단부에 굽힘하중을 가하는 시험이다. 굽힘력 시험의 결과인 힘-변위 곡선으로부터 굽힘력을 구하고 국산 나사못과 수입품의 굽힘 저항 성을 평가하였다.
- 21은 단일 나사못의 피로 수명 평가 결과를 나타낸다. 나사못의 삽입 조건은 2피치 불완전 삽입을 하였다. 흉추용 나사못과 요추용 나사 못 모두 왼쪽 척추경 나사못의 피로 수명 이 작게 나타났고, 왼쪽 나사못과 오른쪽 나사 못의 피로 수명 차이는 흉추용 나사못에서는 42%, 요추용 나사못은 22%가 발생 하였다.
- 단 분절 시스템 시험에서는 흉추용 나사못을 이용한 대상재에 따른 시험과 요추용 나사못을 이용한 삽입 상태(완전삽입, 불완전 삽입 : full insertion, partial insertion)에 따른 피로 수 명을 비교하였다. Fig.
- 단 분절 시스템에 작용하는 하중은 Fig. 3의 척추에 작용하는 하중 분석을 기초로나사 삽입부 표면에서 삽입 방향으로 40mm 되는 지점에 전방 굽힘하중을 가하였다. 이때 단분절 시스템에 발생하는 하중은 나사 두부와 봉의 결합력과 굽힘력이다.
- 단 분절 시스템에서 봉이 피로 수명에 미치는 영향을 알아보기 위해서봉이 없는 상태에서 Fig. 10과 같이나사못 두부만를 고정한 상부 부분에 대하여 피로시험을 수행하였으며, 하중 및 경계조건은 단분절 시스템의 상부조건과 동일하게 하였다.
- 상부 부분 나사못에서 삽입 위치(왼쪽 오른쪽: left side, right side)에 따른 피로 수명을 평가하기 위해서 시험조건을 왼쪽 척추경 나사못(left side pedicle screw)만을 삽입한 상태와 오른쪽 척추경 나사못(right side pedicle screw)만을 삽입한 단일 나사 못 시험 조건으로 나누어 각각의 피로 수명 평가를 실시하였다. 단일 나사 못 삽입 시의 비대칭형상에서 오는 측방향의 회전을 방지하기 위해서 지그의 양 옆에 안내면(guide plane)을 설치하고, Fig. 11과 같이 지그를 피로시험기에 장착하여 시험을 수행하였다.
- 정하 중하에서의 기계적 특성을 비교하기 위해서 선택한 나사못은 수입품인 CCD와 Diapason이며, 각각의 재질은 Co-Cr 합금과 티타늄합금이다. 또 한 척추체의 강도와 밀도 등에 따른 내 고정 시스템의 기계적 특성과 피로 수명을 평가하기 위해서 척추부의 재료로는 밀도가 균일한 초고밀도 폴리에틸렌(UHMWPE, Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 과 이보다 강성이 큰 NMC -nylon을 대상재로 사용하여 비교. 평가하였다.
- 2mm/s)로 누르면서 힘-변위 선도를 구하였다. 또 힘-변위 선도로부터 나사못의 결합력을 구하여 국산 개발품과 수입품의 결합력을 비교하였다.
- 그리고 단일 나사못에 작용하는 하중요소별 시험을 수행하여 단분절 시스템과 단일 나사못의 관계를 규명하고, 단일 나사 못 시험으로부터 단분절 시스템의 강성 예측이 가능함을 보였다. 또한 단분절 시스템을 이루는 요소들이 피로 수명에 미치는 영향을 평가하고, 평가 결과로부터 나사못의 뽑힘력 저하 없이 피로 수명을 증가시키는 방법을 제안하였다.
- 본 연구에서는 척추내고정 시스템의 구성요소별 기계적 특성평가를 통하여 척추내고정 시스템에 영향을 미치는 주요 하중요소를 규명하였다. 또한 대상재의 기계적 물성치가 척추경 나사못의 피로 수명에 미치는 영향과 나사못의 위치에 따른 피로 수명의 영향 등을 연구하였으며, 그 결과를 종합하여 다음과 같은 결론을 얻었다
- L 등[13]은 나사못 사이의 연결매체로서 plate를 사용하였으며, 주요 변위 발생 요소로서 금속판(plate) 과 나사 못 사이의 마찰력으로 간주하고, 척추경 사이각 (pedicle-to-pedicle angle)의 변화에 따른 변위량의 변화를 연구하였지만 본 연구에서는 나사 못 사이의 연결매체로 봉을 사용하였으며 변위 발생 요소로는 마찰력, 굽힘력, 결합력을 고려하였다. 삽입부 표면에서 삽입 방향으로 40mm 떨어진 지점에 일정한 변형율 속도(0.2mm/s)로 하중을 가하였으며, 각각의 힘-변위 선도로부터 결합력과 굽힘력을 구하여 단분절 시스템의 기계적 특성과 안정성을 평가하였다.
- 상부 부분 나사못에서 삽입 위치(왼쪽 오른쪽: left side, right side)에 따른 피로 수명을 평가하기 위해서 시험조건을 왼쪽 척추경 나사못(left side pedicle screw)만을 삽입한 상태와 오른쪽 척추경 나사못(right side pedicle screw)만을 삽입한 단일 나사 못 시험 조건으로 나누어 각각의 피로 수명 평가를 실시하였다. 단일 나사 못 삽입 시의 비대칭형상에서 오는 측방향의 회전을 방지하기 위해서 지그의 양 옆에 안내면(guide plane)을 설치하고, Fig.
- 결합력 시험(HFT)은 봉의 끝단부에서 봉의 길이 방향으로 하중을 가할 경우, 봉과 나사두부(screw head) 와의 결합력을 측정하기 위한 시험이다. 시험 시 지그를 인장시험기(MTS 810, 100kN)의 하단부와 결합하고 봉을 일정한 변형율 속도(0.2mm/s)로 누르면서 힘-변위 선도를 구하였다. 또 힘-변위 선도로부터 나사못의 결합력을 구하여 국산 개발품과 수입품의 결합력을 비교하였다.
- 그러나 과거의 연구자들은 척추에 작용하는 후방 굽 힘만을 고려한다 든지 굴곡(flexion)과 신전(extension) 이나 오른쪽 또는 왼쪽 후반부 굽힘 (right/left lateral bending)만을 고려하였다. 이와 같이 과거의 단분절 시스템 연구에서는 전체 척추에 작용하는 하중만을 고려하였지만, 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 척추에 작용하는 하중을 분석하여 단일 나사못과 단분절 시스템에 나타나는 하중을 분석하였으며, 각하중별 시험지그를 개발하여 척추경 나사못의 기계적 특성을 평가하였다.
- 척추경 나사못의 삽입 위치에 따른 피로수명을 평가하기 위해서 각각의 척추경 나사못에 대해서 Fig. 11과 같이 단일 나사 못 피로시험을 수행하였다.
- 지그의 운동은 두 분 절 사이의 정면에 대한 굴곡이 생기게 하였으며, 하부 부분에서는 회전운동만 발생하며 상부 부분에 대해서는 회전운동 및 상하운동이 가능하게 하였다. 피로시험은 피로시험기 (MTS 810)를 이용하여 Table 2와 같은 조건으로 수행하였으며, 시스템의 파괴는 단분절 시스템에 삽입된 네 개의 나사 못 중에서 임의의 한 개가 파단이 일어날 경우로 정하였다.
- 하부 조립부(assembly)의 연결은 핀-구름 조인트(pin-rolling joint)로 연결되어 있어서, 구름 조인트에 의한 상부조립부의 수직 방향 운동과 핀조인트 에 의한 상. 하부 조립부의회전운동이 가능하도록 설계하여 개발하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 국산 나사못의 재료는 생체적 합 재료로 널리 알려진 Ti6A14V를 사용하였다. 정하 중하에서의 기계적 특성을 비교하기 위해서 선택한 나사못은 수입품인 CCD와 Diapason이며, 각각의 재질은 Co-Cr 합금과 티타늄합금이다.
- 본 연구에 사용된 국산 나사못의 재료는 생체적 합 재료로 널리 알려진 Ti6A14V를 사용하였다. 정하 중하에서의 기계적 특성을 비교하기 위해서 선택한 나사못은 수입품인 CCD와 Diapason이며, 각각의 재질은 Co-Cr 합금과 티타늄합금이다. 또 한 척추체의 강도와 밀도 등에 따른 내 고정 시스템의 기계적 특성과 피로 수명을 평가하기 위해서 척추부의 재료로는 밀도가 균일한 초고밀도 폴리에틸렌(UHMWPE, Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 과 이보다 강성이 큰 NMC -nylon을 대상재로 사용하여 비교.
- 22는 상부 부분과 단분절 시스템에서 왼쪽 나사못에 대한 피로수명의 저하 원인을 관찰하기 위한 광탄성 해석의 결과이다. 해석에 사용된 광탄성 모델은 에폭시 수지를 이용하여 요추용 나사못을 모델 주형법으로 제작하였으며, 3차원 광탄성 실험법을 이용하여 나사못에 가해진 하중에 의한 응력을 동결하였다, Fig. 21에서 알 수 있듯이 왼쪽 나사못과 오른쪽 나사 못 모두 삽입부에서 큰 응력이 집중되어 있음을 알 수 있고, 오른쪽 나사 못 보다는 왼쪽 나사 못에서 더 큰 응력 집중이 발생하였다. 왼쪽 나사 못은 나사의 골과 골 부분에서 응력이 집중되어지고, 오른쪽 나사못에서는 나사의 산과 골 부분에서 응력이 집중된다.
이론/모형
- 4와 같이 i ) 인체하중이 봉을 통하여 전달되어 발생하는 봉의 길이 방향 하중과 ii) 하중 작용점과 나사 못 중심과의 차이에서 발생하는 굽힘력으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 전자(i) 에 대한 나사 두부와 봉과의 기계적 특성평가 시험을 결합력 시험(Holding Force Test : HFT), 후자(ii)에 대한 봉의 굽 힘 저항성 시험을 굽힘력 시험(Bending Force Test : BFT)이라 칭하고, 단일 나사못의 기계적 특 성 평가에 HFT와 BFT를 수행하였다. 굽힘력 시험에서는 봉에 가하는 하중을 나 사 진입 방향으로 가해야 하지만 시험의 안정성과 효율을 위해서 본 연구에서는 나사후퇴 방향으로 하중을 가하였다.
성능/효과
- 1.국산 나사 못은 나사 두부의 캡반경이 작아서 마찰에 의한 체결력 소산을 적게 유발시켜 CCD와 Diapason보다 높은 결합력을 나타내며, 굽힘력을 비교할 때 두 제품의 굽힘력은 비슷한 크기를 나타냈으나 DIAPASON의 경우는 중간자에 의해서 초기 구간에서 일정한 값을 나타내게 된다.
- 2. 2자유도 단 분절 시스템의 힘-변위 관계에서 변위는 결합력보다는 굽힘력에 크게 의존하여 발생하며, 굽힘력과 2자 유 도 단분절 시스템의 이론적 관계를 이용하여 굽힘력의 실험 결과로부터 2자 유도 단분절 시스템의 결과를 예측할 수 있었다.
- 3.기계적 물성치가 다른 NMC-nylon과 UHMEPE를 대상 재 로 사용하여 대상 재의 강도가 척추경 나사못의 피로 수명에 미치는 영향을 연구할 결과, 대상재의 강도가 클수록 나사못의 피로 수명이 감소되었으며, 또 한 나사못의 삽입 깊이 변화에 따른 피로수명은 완전삽입한 나사못에 비해서 불완전 삽입한 나사못의 피로수명이 50% 이상 감소되었다.
- 4.왼쪽 척추경 나사못의 경우 나사골 부분에서의 응력 집중 현상에 의해서 수명이 오른쪽에 비해 단축되는 결과를 보였으며, 이를 보완하기 위해서나사못의 내경(골지름)을 증가시키는 방법이 있으나 이 경우 뽑힘력의 저하가 발생되므로 일반적으로 사용되는 오른 나사를 왼쪽 척추경 나사못의 경우 왼 나사로 가공시 나사 골 부분에서의 응력 집중을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림에서 알 수 있는 것처럼 두 곡선이 잘 일치하고 있다. 그러므로 시스템에 하중을 가할 경우 발생하는 변위는 굽힘력에 의한 변위이고, 단분절 시스템 시험 없이 굽힘력 시험 결과만으로도 2자 유도 단분절 시스템의 시험 결과를 충분히 예측할 수 있다.
- 2086kN)。] 측정되어야 한다. 그런데 단분절 시스템 시험인 Fig. 15의 5mm 변위에서의 굽힘력이 0.21kN이므로 단분절 시스템 시험을 직접 수행하지 않고, 굽힘력 시험만으로도 결과의 유추가 가능함을 알 수 있고, 본 연구의 유효성을 확인할 수 있다.
- 그러므로 본 연구에서는 척추 후방 내 고정 기구로 널리 사용되는 척추경 나사 못 고정시스템의 국산화의 일환으로 현재 개발되고 있는 척추경 나사못(pedicle screw)[10]과 국내에서 많이 사용되고 있는 수입품들(CCD, DIAPASON)에 대한 정하중(static loading) 상태하의 단 분절 시스템의 기계적 특성평가용 지그를 개발하고, 국산 개발품과 수입품의 하중요소에 대한 안정성을 비교평가하였다. 그리고 단일 나사못에 작용하는 하중요소별 시험을 수행하여 단분절 시스템과 단일 나사못의 관계를 규명하고, 단일 나사 못 시험으로부터 단분절 시스템의 강성 예측이 가능함을 보였다. 또한 단분절 시스템을 이루는 요소들이 피로 수명에 미치는 영향을 평가하고, 평가 결과로부터 나사못의 뽑힘력 저하 없이 피로 수명을 증가시키는 방법을 제안하였다.
- 변위 구간 12mm까지는 탄성변위구간 이며 12mm 이후부터는 소성변형 구간이다. 전체적인 힘-변위 선도의 양상은 유사하며, CCD의 굽힘력이 탄소성천이지점에서 20N 정도의 근소한 차이로 높게 나타났다. 그러나 Diapason의 경우는 5~ 10mm 변위 구간에서 소성이 일어난 것처럼 보이지만 실제로는 중간자의 변형에 의한 것이며, 봉의 소성은 20mm 이상의 변위가 발생된 후에 나타난다.
- 나사못의 삽입 조건은 2피치 불완전 삽입을 하였다. 흉추용 나사못과 요추용 나사 못 모두 왼쪽 척추경 나사못의 피로 수명 이 작게 나타났고, 왼쪽 나사못과 오른쪽 나사 못의 피로 수명 차이는 흉추용 나사못에서는 42%, 요추용 나사못은 22%가 발생 하였다.
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