대퇴골 전자간 골절의 새로운 수술기법에 관한 생체역학적 분석 A Biomechanical Study on a New Surgical Procedure for the Treatment of Intertrochanteric Fractures in relation to Osteoporosis of Varying Degrees원문보기
본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 대퇴골 전자간 골절 치료에 대한 다양한 수술기법을 골밀도 변화에 따라 생체역학적으로 분석하여 이를 평가하고자 한다. 이에 구현된 모델들은 압박 고관절 나사만을 이용하여 시술한 모델 (Type I), 삽입된 압박 고관절 나사 주위에 시멘트 영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하는 시술을 구현한 모델 (Type II),대학교추가의 골소실이 없이 시멘트를 가압하여 주입하는 시술을 구현한 모델 (TypeIII)의 3가지 형태로 구현하였다. 시술 상황에 따라 골절부위와 삽입물의 경계면 주위에 접촉요소를 사용하기 위해 적절한 마찰계수를 설정하였으며, 골다공증 정도 (Singh Indices, II∼V)에 따라 대퇴골의 물성치를 적절하게 적용시켰다. 각 모델에 있어 골밀도 변화에 따른 수술기법의 차이를 분석하기 위하여 다음과 같은 인자를 분석하였다 : (a) 대퇴골두 내에서의 von Mises 응력 부피비, (b) 대퇴골두 망상골과 인공 삽입물내에서의 최대 von Mises 응력 (PVMS), (c) 대퇴골두 내에서의 최대 von Mises 변형률 (MVMS), (d) 골절 부위와 인공 삽입물 주위에서의 미세운동량. 수술기법 중 Type III가 대퇴골두 내에서 골밀도 변화에 상관없이 가장 낮은 PVMS, MVMS 수치를 보여 가장 효율적인 결과를 나타내었다. 이는 기존 시술법 (Type I,II)에 비해 내고정 실패 가능성이 가장 적을 것으로 예측되었다. 특히, 골밀도가 낮을 때에는 Type III의 수술 효과가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 또한, 삽입물 주위에서 미세운동량을 분석한 결과, Type III의 수치가 다른 시술법들의 15∼20%로 나타나 시멘트를 가 압하여 보강하는 시술법이 삽입물 주위의 미세운동을 억제하는데 있어 가장 효과적이다는 것을 증명하는 것이다. 이러한 결과로부터, 압박 고관절 나사를 이용한 대퇴골두 전자간 골절 치료에 있어 골 시멘트를 가압하여 보강하는 방법이 골밀도가 낮은 환자에 있어 인공삽입물의 내고정 및 골유합에 가장 큰 효과를 보일 것으로 사료된다.
본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 대퇴골 전자간 골절 치료에 대한 다양한 수술기법을 골밀도 변화에 따라 생체역학적으로 분석하여 이를 평가하고자 한다. 이에 구현된 모델들은 압박 고관절 나사만을 이용하여 시술한 모델 (Type I), 삽입된 압박 고관절 나사 주위에 시멘트 영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하는 시술을 구현한 모델 (Type II),대학교추가의 골소실이 없이 시멘트를 가압하여 주입하는 시술을 구현한 모델 (TypeIII)의 3가지 형태로 구현하였다. 시술 상황에 따라 골절부위와 삽입물의 경계면 주위에 접촉요소를 사용하기 위해 적절한 마찰계수를 설정하였으며, 골다공증 정도 (Singh Indices, II∼V)에 따라 대퇴골의 물성치를 적절하게 적용시켰다. 각 모델에 있어 골밀도 변화에 따른 수술기법의 차이를 분석하기 위하여 다음과 같은 인자를 분석하였다 : (a) 대퇴골두 내에서의 von Mises 응력 부피비, (b) 대퇴골두 망상골과 인공 삽입물내에서의 최대 von Mises 응력 (PVMS), (c) 대퇴골두 내에서의 최대 von Mises 변형률 (MVMS), (d) 골절 부위와 인공 삽입물 주위에서의 미세운동량. 수술기법 중 Type III가 대퇴골두 내에서 골밀도 변화에 상관없이 가장 낮은 PVMS, MVMS 수치를 보여 가장 효율적인 결과를 나타내었다. 이는 기존 시술법 (Type I,II)에 비해 내고정 실패 가능성이 가장 적을 것으로 예측되었다. 특히, 골밀도가 낮을 때에는 Type III의 수술 효과가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 또한, 삽입물 주위에서 미세운동량을 분석한 결과, Type III의 수치가 다른 시술법들의 15∼20%로 나타나 시멘트를 가 압하여 보강하는 시술법이 삽입물 주위의 미세운동을 억제하는데 있어 가장 효과적이다는 것을 증명하는 것이다. 이러한 결과로부터, 압박 고관절 나사를 이용한 대퇴골두 전자간 골절 치료에 있어 골 시멘트를 가압하여 보강하는 방법이 골밀도가 낮은 환자에 있어 인공삽입물의 내고정 및 골유합에 가장 큰 효과를 보일 것으로 사료된다.
This study investigates the biomechanical efficacies of various cement augmentation techniques with or without pressurization for varying degrees of osteoporotic femur. For this study, a biomechanical analysis using a finite element method (FEM) was undertaken to evaluate surgical procedures, Simula...
This study investigates the biomechanical efficacies of various cement augmentation techniques with or without pressurization for varying degrees of osteoporotic femur. For this study, a biomechanical analysis using a finite element method (FEM) was undertaken to evaluate surgical procedures, Simulated models include the non-cemented(i.e., hip screw only, Type I), the cement-augmented(Type II), and the cemented augmented with pressurization(Type III) models. To simulate the fracture plane and other interfacial regions, 3-D contact elements were used with appropriate friction coefficients. Material properties of the cancellous bone were varied to accommodate varying degrees of osteoporosis(Singh indices, II∼V). For each model. the following items were analyzed to investigate the effect surgical procedures in relation to osteoporosis of varying degrees : (a) von Mises stress distribution within the femoral head in terms of volumetric percentages. (b) Peak von Mises stress(PVMS) within the femoral head and the surgical constructs. (c) Maximum von Mises strain(MVMS) within the femoral head, (d) micromotions at the fracture plane and at the interfacial region between surgical construct and surrounding bone. Type III showed the lowest PVMS and MVMS at the cancellous bone near the bone-construct interface regardless of bone densities. an indication of its least likelihood of construct loosening due to failure of the host bone. Particularly, its efficacy was more prominent when the bone density level was low. Micromotions at the interfacial surgical construct was lowest in Type III. followed by Type I and Type II. They were about 15-20% of other types. which suggested that pressurization was most effective in limiting the interfacial motion. Our results demonstrated the cement augmentation with hip screw could be more effective when used with pressurization technique for the treatment of intertrochanteric fractures. For patients with low bone density. its effectiveness can be more pronounced in limiting construct loosening and promoting bone union.
This study investigates the biomechanical efficacies of various cement augmentation techniques with or without pressurization for varying degrees of osteoporotic femur. For this study, a biomechanical analysis using a finite element method (FEM) was undertaken to evaluate surgical procedures, Simulated models include the non-cemented(i.e., hip screw only, Type I), the cement-augmented(Type II), and the cemented augmented with pressurization(Type III) models. To simulate the fracture plane and other interfacial regions, 3-D contact elements were used with appropriate friction coefficients. Material properties of the cancellous bone were varied to accommodate varying degrees of osteoporosis(Singh indices, II∼V). For each model. the following items were analyzed to investigate the effect surgical procedures in relation to osteoporosis of varying degrees : (a) von Mises stress distribution within the femoral head in terms of volumetric percentages. (b) Peak von Mises stress(PVMS) within the femoral head and the surgical constructs. (c) Maximum von Mises strain(MVMS) within the femoral head, (d) micromotions at the fracture plane and at the interfacial region between surgical construct and surrounding bone. Type III showed the lowest PVMS and MVMS at the cancellous bone near the bone-construct interface regardless of bone densities. an indication of its least likelihood of construct loosening due to failure of the host bone. Particularly, its efficacy was more prominent when the bone density level was low. Micromotions at the interfacial surgical construct was lowest in Type III. followed by Type I and Type II. They were about 15-20% of other types. which suggested that pressurization was most effective in limiting the interfacial motion. Our results demonstrated the cement augmentation with hip screw could be more effective when used with pressurization technique for the treatment of intertrochanteric fractures. For patients with low bone density. its effectiveness can be more pronounced in limiting construct loosening and promoting bone union.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 압박 고관절 나사를 이용한 전자간 골절 치료에 따른 수술 기법들과 현재 임상에서 새로이 시도되는 수술 기법에 대한 생체역학적 분석을 시행하였다. 이러한 목적으로 대퇴골 근위부를 유한 요소 모델로 구현하여 기존 실험 결과와 비교 .
본 연구는 대퇴골 전자간 골절 치료에 따른 각각의 수술 기법들에 대하여 비교 . 평가하여 효과적인 수술 기법을 제시하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 압박 고관절 나사를 이용한 대퇴골 전자간 골절 치료에 따른 수술 기법들과 현재 임상에서 새로이 시도되는 수술 기법에 대한 생체역학적 분석을 위해 유한요소법을 도입하여 수술 기법들을 다양한 골밀도 상황에서 비교. 평가하였다.
대하여 비교 . 평가하여 효과적인 수술 기법을 제시하는데 그 목적이 있다. 따라서, 본 결과를 바탕으로 하여 골시멘트를 가압하여 보강하는 시술시 환자의 골밀도 상황에 따라 적절한 골 시멘트의 양을 제시하는 보충 연구가 필요할 것으로 사료된다.
가설 설정
3으로 설정하였다(표 3). 특히, Type Ⅱ에서는 골 시멘트와 망상골 사이에 경계면이 존재한다고 가정하여 마찰계수를 적용하였으며, Type Ⅲ에서는 골 시멘트와 망상골이 같이 존재하는 영역으로 설정하여 경계면이 없는 것으로 가정하였다. 마지막으로 골절 부위의 마찰 계수는 골유합 정도에 따라 차이가 있지만 본 연구에서는 압박 고관절 나사의 압박 및 지지 효과를 고려하여 0.
제안 방법
(c) 골 시멘트를 가압하여 나사 부위의 망상골 사이로 시멘트가 주입되는 시술 방식을 구현한 모델(cement-pressurized model, Type Ⅲ)로 나누었다(그림 4). 이 때, 골 시멘트 영역의 기하학적 형상은 본 임상 저자(SYK)의 임상적 경험에 근거하여 결정하였으며 Type II에서는 골 시멘트만 존재하는 영역, 그리고 Type Ⅲ에서는 골 시멘트와 망상골이 같이 존재하는 영역을 각각 나사 경계면과의 거리가 5mm, 2.
이러한 목적으로 대퇴골 근위부를 유한 요소 모델로 구현하여 기존 실험 결과와 비교 . 검증을 통해 모델에 대한 신뢰성을 부여한 후, 압박 고관절 나사 기기가 시술된 상황을 고려하여 골 시멘트 사용 유무와 골 시멘트의 삽입 방법에 따른 유한요소 모델들을 구현하였다. 특히, 각각의 수술기법 및 대퇴골두의 골다공증 상태(Singh Index)에 따라 모델을 변화하여 다양한 임상적 측면에서 생체역학적 비교 .
골 조직 성장 및 골 유합에 영향을 미치는 요소인 미세 운동에 대하여 고찰하기 위해 시술 방식과는 상관없이 공통적으로 존재하는 골절 계면(bone-bone: Plane A)과 시술 방식에 따라 차이가 있는 각각의 삽입물과 해면골 사이의 경계면 (screw-bone & screw-complex & cement-bone: Plane B)으로 나누어 각각의 미소 변위를 다음과 같이 산출하였다.
이 때, 골밀도 변화에 따라 산출된 PVMS와 Krischak 등[22]이 제시한 식(6)에 의하여 계산되어진 항복 강도를 비교하였다. 그리고, 삽입물 영역에서는 기준 문헌에서 보고하고 있는 316L stainless steel의 최대 강도인 865MPa[20] 와 골 시멘트의 피로 강도인 26MPa[21] 를 기준으로 하여 정규화 한 후 골밀도 변화에 따라 삽입물의 파단 가능성을 예측하였다.
압박 고관절 나사의 기하학적 형상은 현재 임상에서 가장 선호하고 있는 135도 plate인 압박 고관절 나사 기기 (Osteo, Swiss)에 근거하였다(그림 3-B). 그리고, 압박 고관절 나사의 삽입 위치는 Davis 등[11]과 Mulholland 등 [12]이 제시한 대퇴골두 중앙부로 설정하였으며, Baumgaertner 등[4]이 제시한 임상 결과를 바탕으로 하여 cut-out의 가능성이 적은 TAD(tip-apex distance)인 22.5mm가 되는 지점에 삽입한 모델을 구현하였다.
따라서, 이 지점(Point A)의 응력 분석으로 삽입물이 흡수하는 하중의 정도와 분포를 예측할 수 있다. 두 번째 영역은 삽입물 경계면에서 물성의 불연속성에 의한 망상골에서의 응력 집중이 어느정도인지 알기 위해서 설정되었으며(Point B), 마지막으로 세번째와 네 번째 영역은 각각 압박 고관절 나사(Point C)와 골시멘트 영역 (Point D; Type Ⅱ, Point E; Type Ⅲ)으로 삽입물의 응력 집중을 분석하여 기기 전체의 안정성을 판단하기 위해 설정하였다. 이 때, 골밀도 변화에 따라 산출된 PVMS와 Krischak 등[22]이 제시한 식(6)에 의하여 계산되어진 항복 강도를 비교하였다.
또한, 골 시멘트 방식의 임플란트 기기술에 대한 많은 연구에서 골 시멘트 내의 실제적인 응력 분포를 살펴보기 위해서는 시멘트와 삽입 기기 및 인공삽입물과 골 계면의 마찰계수를 적용하여야 한다고 보고하고 있다[15T7]. 따라서, 본 연구에서는 구현된 모델에 있어 압박 고관절 나사와 망상골의 계면의 마찰계수는 Shirazi-adl 등[16] 이 제시한 것의 중간값인 0.5를 적용하였으며, 압박 고관절 나사와 골 시멘트, 골 시멘트와 망상골 계면의 마찰 계수는 기존 문헌의 보고[15-17]에 따라 각각 0.2, 0.3으로 설정하였다(표 3). 특히, Type Ⅱ에서는 골 시멘트와 망상골 사이에 경계면이 존재한다고 가정하여 마찰계수를 적용하였으며, Type Ⅲ에서는 골 시멘트와 망상골이 같이 존재하는 영역으로 설정하여 경계면이 없는 것으로 가정하였다.
따라서, 본 연구에서는 식(7)를 이용하여 계면에서 각기 다른 변위의 차이 값의 평균치를 구하여 미세운동량을 산출하여 수술 기법의 차이 및 골밀도 변화에 대한 분석을 하였다.
하지만, 항복응력에 대한 von Mises 응력 부피비 (YSR)와 허용응력에 대한 von Mises 응력 부피비(ASR)는 수술 기법의 차이에 상관없이 1% 내외의 낮은 수치들을 보이고 있어 수술 기법의 차이를 규명하기는 어려울 것으로 판단된다. 따라서, 수술 기법의 차이를 규명하기 위해서는 전체적인 부피비의 비교가 아닌 임상적으로 관심을 보이는 부위를 설정하여 비교 . 분석하여야 할 것으로 사료된다.
망상골의 파단 가능성을 예측하는데 있어 변형률이 예측인자로 적합하다는 기존 문헌의 보고[21] 에 따라 시술 직후 삽입물 주위의 망상골에서 최대 von Mises 변형률(MVMS)를 산출하였으며, 파단 가능성을 분석하기 위해 Singh Index 등급에 따라 적용되어진 물성치와 계산되어진 항복 강도를 이용하여 항복 변형률을 구하여 비교하였다.
먼저 정상적인 한국성인의 대퇴골 형상을 1mm 간격으로 CT 단층 촬영하여 슬라이스 이미지를 획득하였다(그림 1-A). 획득된 CT 이미지를 본 연구진이 개발한 이미지 처리 기법 프로그램을 이용하여 비트맵(bitmap) 형식의 이미지로 전환한 후(그림 1-B), 각 단면에 대해 바깥 경계와 안쪽 경계의 벡터화하여 유한요소 프로그램에 적합한 형태의 점군 데이터로 변환한다(그림 1-0.
골절의 상황을 재현하기 위해 수정되었다. 먼저, 시술 모델에 대한 다양한 변수들을 배제하기 위해 골절 유발은 단분절 골절로 골절각이 수직선상에서 30도가 이루어지도록 하였다(그림 3-A, 3-C). 압박 고관절 나사의 기하학적 형상은 현재 임상에서 가장 선호하고 있는 135도 plate인 압박 고관절 나사 기기 (Osteo, Swiss)에 근거하였다(그림 3-B).
본 연구에서는 유한요소 모델을 검증하기 위해서 스트레인 게이지를 이용하여 피질골에서의 변형률을 측정한 Oh 등[10]의 실험결과와 비교하였다(표 5). 우선, 본 연구에서 구현된 정상골 모델을 실험과 동일한 하중조건을 설정하여, 대응하는 위치(Medial 1, Medial 2, Lateral, 그림 2)에서 장축 방향에 대한 변형률의 평균값들을 구하였다.
수술 기법에 대한 차이를 좀 더 세밀하게 비교하기 위해 대퇴골두 망상골 영역 중 임상적으로 관심 영역인 골두 정점에서 수직하로 10mm인 지점 (Point A)과 삽입물 경계면의 망상골 영역(Point B)을 설정하여 PVMS를 산출하였다(표 7).
수술 직후의 예후를 고찰하기 위하여 각 수술모델을 Singh Index 변화(골밀도 변화)에 따라 대퇴골두 망상골내에서의 응력 분포를 고찰하였다. 이러한 해석을 위하여 Krischak 등[22] 이 제시한 식(4), (5)에서와 같이 전체 망상골 부피에 대한 각 Singh Index 등급에서의 항복응력보다 높은 응력을 보이는 부위의 부피비(YSR; yield strength ratio)와 항복 응력에 안전 계수(2.
수정된 모델은 골 시멘트의 사용 유무 및 삽입 방법에 따라 3종류의 유한요소 모델로 구현하였다. 즉, (a) 골 시멘트를 사용하지 않고 압박 고관절 나사만을 이용한 시술방식을 구현한 모델(non-cemented model, Type I), (b) 골 시멘트의 삽입영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하여 시술직후 골 시멘트와 망상골 계면에 접촉면이 존재한다는 가정이 이루어진 것을 구현한 모델(cement-augmented model, Type II), 그리고 (c) 골 시멘트를 가압하여 나사 부위의 망상골 사이로 시멘트가 주입되는 시술 방식을 구현한 모델(cement-pressurized model, Type Ⅲ)로 나누었다(그림 4).
실험결과와 비교하였다(표 5). 우선, 본 연구에서 구현된 정상골 모델을 실험과 동일한 하중조건을 설정하여, 대응하는 위치(Medial 1, Medial 2, Lateral, 그림 2)에서 장축 방향에 대한 변형률의 평균값들을 구하였다.
즉, (a) 골 시멘트를 사용하지 않고 압박 고관절 나사만을 이용한 시술방식을 구현한 모델(non-cemented model, Type I), (b) 골 시멘트의 삽입영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하여 시술직후 골 시멘트와 망상골 계면에 접촉면이 존재한다는 가정이 이루어진 것을 구현한 모델(cement-augmented model, Type II), 그리고 (c) 골 시멘트를 가압하여 나사 부위의 망상골 사이로 시멘트가 주입되는 시술 방식을 구현한 모델(cement-pressurized model, Type Ⅲ)로 나누었다(그림 4). 이 때, 골 시멘트 영역의 기하학적 형상은 본 임상 저자(SYK)의 임상적 경험에 근거하여 결정하였으며 Type II에서는 골 시멘트만 존재하는 영역, 그리고 Type Ⅲ에서는 골 시멘트와 망상골이 같이 존재하는 영역을 각각 나사 경계면과의 거리가 5mm, 2.5mm로 설정하여 모델을 구현하였다. 골 시멘트를 적용하여 구현된 모델들에 있어 시멘트 영역의 부피을 측정하여 주입된 시멘트 양을 추정하면 Type II와 Type Ⅲ에서 각각 8.
두 번째 영역은 삽입물 경계면에서 물성의 불연속성에 의한 망상골에서의 응력 집중이 어느정도인지 알기 위해서 설정되었으며(Point B), 마지막으로 세번째와 네 번째 영역은 각각 압박 고관절 나사(Point C)와 골시멘트 영역 (Point D; Type Ⅱ, Point E; Type Ⅲ)으로 삽입물의 응력 집중을 분석하여 기기 전체의 안정성을 판단하기 위해 설정하였다. 이 때, 골밀도 변화에 따라 산출된 PVMS와 Krischak 등[22]이 제시한 식(6)에 의하여 계산되어진 항복 강도를 비교하였다. 그리고, 삽입물 영역에서는 기준 문헌에서 보고하고 있는 316L stainless steel의 최대 강도인 865MPa[20] 와 골 시멘트의 피로 강도인 26MPa[21] 를 기준으로 하여 정규화 한 후 골밀도 변화에 따라 삽입물의 파단 가능성을 예측하였다.
이러한 목적으로 대퇴골 근위부를 유한 요소 모델로 구현하여 기존 실험 결과와 비교 . 검증을 통해 모델에 대한 신뢰성을 부여한 후, 압박 고관절 나사 기기가 시술된 상황을 고려하여 골 시멘트 사용 유무와 골 시멘트의 삽입 방법에 따른 유한요소 모델들을 구현하였다.
고찰하였다. 이러한 해석을 위하여 Krischak 등[22] 이 제시한 식(4), (5)에서와 같이 전체 망상골 부피에 대한 각 Singh Index 등급에서의 항복응력보다 높은 응력을 보이는 부위의 부피비(YSR; yield strength ratio)와 항복 응력에 안전 계수(2.2)를 적용한 허용응력을 초과하는 응력 부위의 부피비 (ASR; allowable strength ratioX 구하여 대퇴골두 망상 골 내에서의 응력변화를 분석하였다.
임상적으로 관심을 갖는 4개의 영역을 설정한 뒤 peak von Mises stress(PVMS)를 산출하여 비교 . 분석하였다.
획득된 CT 이미지를 본 연구진이 개발한 이미지 처리 기법 프로그램을 이용하여 비트맵(bitmap) 형식의 이미지로 전환한 후(그림 1-B), 각 단면에 대해 바깥 경계와 안쪽 경계의 벡터화하여 유한요소 프로그램에 적합한 형태의 점군 데이터로 변환한다(그림 1-0. 최종적으로 이러한 2차원 점군(point) 데이터를 각 1mm 간격의 슬라이드 이미지의 번호에 맞게 쌓아 올려 3차원의 전체 대퇴골 형상 자료를 획득하였다(그림 1-D).
검증을 통해 모델에 대한 신뢰성을 부여한 후, 압박 고관절 나사 기기가 시술된 상황을 고려하여 골 시멘트 사용 유무와 골 시멘트의 삽입 방법에 따른 유한요소 모델들을 구현하였다. 특히, 각각의 수술기법 및 대퇴골두의 골다공증 상태(Singh Index)에 따라 모델을 변화하여 다양한 임상적 측면에서 생체역학적 비교 . 분석을 수행하였다.
1-A). 획득된 CT 이미지를 본 연구진이 개발한 이미지 처리 기법 프로그램을 이용하여 비트맵(bitmap) 형식의 이미지로 전환한 후(그림 1-B), 각 단면에 대해 바깥 경계와 안쪽 경계의 벡터화하여 유한요소 프로그램에 적합한 형태의 점군 데이터로 변환한다(그림 1-0. 최종적으로 이러한 2차원 점군(point) 데이터를 각 1mm 간격의 슬라이드 이미지의 번호에 맞게 쌓아 올려 3차원의 전체 대퇴골 형상 자료를 획득하였다(그림 1-D).
데이터처리
구속 조건은 모델의 최하단부를 완전히 고정시켜 대퇴골의 강성체 운동을 방지하였다. 이렇게 구현된 모델은 범용 유한요소 프로그램인 ANSYS 5.7®을 이용하여 접촉면의 비선형성을 고려하여 해석하였다.
획득된 대퇴골의 형상 자료를 이용하여 범용 유한요소 프로그램 인 ANSYS 5.7®(Swanson Analysis Systems, Inc., Houston, PA, U.S.A.)을 이용하여 그림 2에서와 같이 요소 분할을 하였다. 구축된 성인 대퇴골 모델(Intact model)은 균일하고 방향성이 없는 8절점 등방성 요소로 구성되어 있으며, 이후 실험 결과[10]와의 검증을 위해 변형률 분석 지점을 그림에 표시하였다.
이론/모형
대퇴골 부위의 골다공증 진단을 위해 골소주 배열 형태에 따라 분류한 것이 Singh Index인데 이것을 바탕으로 골밀도 변화에 따른 유한요소 모델의 물성치를 알맞게 적용하기 위해 기존 문헌에서 제시한 식을 이용하여 산출하였다. 먼저, Elke 등[13]이 제시한 식(1)을 이용해 각 Singh Index에 따라 망상골의 골밀도를 설정하였으며, 피질골에서의 골밀도는 기존 문헌에 따라 1.
시술 방법에 따른 대퇴골두 내에서의 응력 분포의 차이를 비교하기 위해 항복응력과 허용응력을 이용한 von Mises 응력 부피비를 도입하였다. 이에 그 결과값을 표 6에 나타내었다.
분포로 설정하였다. 하중의 크기와 관절의 반력의 방향은 Bergmann 등[18]의 자료에 근거하여 한국 정상성인의 표준 몸무게의 3배(65Kgx3)인 2014.4N을 적용하여 설정하였다. 관절 반력의 방향과 크기를 표 4에 나타내었다.
성능/효과
1. 압박 고관절 나사를 이용한 전자간 골절 치료에 있어 골시멘트를 가압하여 보강하는 수술 기법(Type Ⅲ)이 전체적으로 기존 수술 기법들(Type I, II)에 비해 삽입물 경계면 주위의 망상골에서 보여지는 응력과 변형률의 분포가 낮은 수치를 보여 망상골의 파단 가능성이 가장 낮아 시술의 효과를 기대할 수 있었다.
2. 삽입물 주위에서의 미세운동량이 기존 수술 기법들에서는 골유합이 가능한 최대 미세운동 범위보다 높은 수치를 보여 시술 직후 삽입물 주위에서 골유합의 실패 가능성이 높아짐을 시사하였지만, 시멘트를 가압하여 보강하는 수술 기법에서는 낮은 수치를 보여 골유합의 가능성을 보였다.
3. 골밀도가 감소할수록 삽입물 주위의 망상골 영역에서 발생하는 응력 및 변형률, 그리고 미세 운동이 증가하는 경향을 보이고 있어 골밀도가 낮을수록 골 시멘트를 가압하여 보강하는 시술법의 시술 효과가 가장 큰 것으로 나타났다.
4. 압박 고관절 나사 기기의 응력 집중 현상은 골밀도가 감소할수록 심해져 골절 부위를 가압하는 효과가 커짐을 시사하였다. 이는 조기 거동을 가능케하는 시술 목적과 부합하는 결과를 보이고 있다.
골밀도 변화에 따라 정상골 모델들에서의 계산된 결과치를 실험 결과치와 비교해 보면, 골밀도가 낮은 상태인 Singh Index II와 HI에서는 내측과 외측의 결과값이 실험치와 거의 비슷한 분포를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 실험에서 쓰여진 사체가 연령이 높은 점을 감안하면 계산된 결과치가 높은 신뢰성을 보이고 있어 앞으로 수행될 유한요소 모델의 결과 값들이 신뢰성 있는 값을 가질 수 있을 것이라고 사료된다.
골밀도 변화에 따른 PVMS 수치 변화는 거의 나타나지 않았으며, 특히, 골밀도가 낮을수록 Type I, Ⅱ는 항복강도에 가까운 수치를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 골밀도가 낮은 노인들의 경우 시술 후 파단 가능성이 높음을 시사하고 있음을 알 수 있다.
대퇴골의 골밀도가 감소할수록 삽입물 내에서의 PVMS 수치는 시술 방법의 차이에 따라 값의 변화는 있지만 전반적으로 증가되는 경향을 보여 삽입물에 응력이 집중되는 것을 알 수 있었다(표 8).
특히, 골밀도가 낮을 경우 미세운동량이 Type II가 Type I에 비해 40% 이상의 증가율을 보여 그 위험성은 Type I보다 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 골밀도 변화에 따라 Type I과 Ⅱ의 미세운동량은 큰 폭으로 감소하는 경향을 보였으나, Type Ⅲ에서는 골밀도의 변화가 미세운동에 큰 영향을 주지 못하는 결과를 보였다.
받는 것을 알 수 있었다. 또한, 시술 후 골절 부위의 합병증 발생의 최소 전위 범위인 3mm 보다 모두 작은 값을 보여 골절면에서의 합병증 유발 가능성은 없는 것으로 나타났다. 삽입물과 망상골 계면에서의 미세운동량(Plane B, 그림 6-B)은 Type Ⅲ를 제외한 나머지 시술 방법에서 골유합이 가능한 최대 미세운동 범위인 0.
70MPa(Point B)로 예측되어 항복 강도보다 높은 수치를 보여 망상골 파단의 위험성이 있는 것으로 보였다. 또한, 전체적으로 골밀도 변화에 상관없이 Type Ⅲ가 가장 낮은 수치를 보여 망상골의 응력 집중을 완화시키는 시술 효과가 다른 수술 기법들(Tyoe I, II)에 비해상대적으로 높음을 확인할 수 있었다.
먼저 von Mises 응력 부피비에 적용된 수치들의 분포 부위를 살펴보면 대부분 대퇴골두 내에서 하중이 전달되는 골두 정점에서 수직하로 10mm인 지점과 삽입물과의 경계면 주위로 나타났으며, 그 결과 전체적으로 수술기법에 상관없이 골밀도가 낮을 경우 대퇴골두 내에서의 파단 가능성이 있는 것으로 나타났다. 하지만, 항복응력에 대한 von Mises 응력 부피비 (YSR)와 허용응력에 대한 von Mises 응력 부피비(ASR)는 수술 기법의 차이에 상관없이 1% 내외의 낮은 수치들을 보이고 있어 수술 기법의 차이를 규명하기는 어려울 것으로 판단된다.
먼저, 골절 부위의 미세운동(Plan A, 그림 6-A)을 골밀도 변화와 각 수술 기법에 따라 비교하면, 미세운동은 수술 기법의 차이에 대한 변화가 거의 없이 비슷한 경향을 보이고 있는 반면 골밀도의 변화에는 골밀도 등급에 따라 약 20%씩 감소하는 경향을 보여 골절 부위에서의 미세운동은 골밀도에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 또한, 시술 후 골절 부위의 합병증 발생의 최소 전위 범위인 3mm 보다 모두 작은 값을 보여 골절면에서의 합병증 유발 가능성은 없는 것으로 나타났다.
또한, 시술 후 골절 부위의 합병증 발생의 최소 전위 범위인 3mm 보다 모두 작은 값을 보여 골절면에서의 합병증 유발 가능성은 없는 것으로 나타났다. 삽입물과 망상골 계면에서의 미세운동량(Plane B, 그림 6-B)은 Type Ⅲ를 제외한 나머지 시술 방법에서 골유합이 가능한 최대 미세운동 범위인 0.15mm보다 큰 값을 보여 Type I 및 Ⅱ에서 골유합 실패의 가능성을 보였다. 특히, 골밀도가 낮을 경우 미세운동량이 Type II가 Type I에 비해 40% 이상의 증가율을 보여 그 위험성은 Type I보다 더 큰 것으로 나타났다.
수술 기법에 따라 압박 고관절 나사 기기와 골 시멘트 영역 내에서의 PVMS 최대값을 분석하면 골밀도가 가장 낮을 때 Singh Index IKType Ⅲ)에서 각각 861.27, 10.66MPa로 나타났지만 316L stainless steel의 최대 강도(865MPa) 및 골 시멘트의 피로강도(26MPa)에는 못 미쳐 삽입물의 파단 가능성이 거의 없는 것으로 보였다.
위와 같은 결과의 요약으로부터 결론을 내린다면, 압박 고관절 나사 기기를 이용한 대퇴골 전자간 골절 치료 시술에 있어 골 시멘트를 가압하여 보강하는 시술 방식이 골다공증이 있는 환자에 있어 가장 효과적인 수술 기법으로 사료된다.
15mm보다 큰 값을 보여 Type I 및 Ⅱ에서 골유합 실패의 가능성을 보였다. 특히, 골밀도가 낮을 경우 미세운동량이 Type II가 Type I에 비해 40% 이상의 증가율을 보여 그 위험성은 Type I보다 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 골밀도 변화에 따라 Type I과 Ⅱ의 미세운동량은 큰 폭으로 감소하는 경향을 보였으나, Type Ⅲ에서는 골밀도의 변화가 미세운동에 큰 영향을 주지 못하는 결과를 보였다.
후속연구
평가하여 효과적인 수술 기법을 제시하는데 그 목적이 있다. 따라서, 본 결과를 바탕으로 하여 골시멘트를 가압하여 보강하는 시술시 환자의 골밀도 상황에 따라 적절한 골 시멘트의 양을 제시하는 보충 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구에서는 시술 초기의 안정성만을 고려하였으므로 앞으로의 연구에서는 시술 후의 안정성을 평가하기 위해 기기의 피로 특성 및 골절 계면의 접촉 강도, 그리고 기기의 미끄럼 특징을 규명해야 할 것으로 사료된다.
따라서, 본 결과를 바탕으로 하여 골시멘트를 가압하여 보강하는 시술시 환자의 골밀도 상황에 따라 적절한 골 시멘트의 양을 제시하는 보충 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구에서는 시술 초기의 안정성만을 고려하였으므로 앞으로의 연구에서는 시술 후의 안정성을 평가하기 위해 기기의 피로 특성 및 골절 계면의 접촉 강도, 그리고 기기의 미끄럼 특징을 규명해야 할 것으로 사료된다.
따라서, 수술 기법의 차이를 규명하기 위해서는 전체적인 부피비의 비교가 아닌 임상적으로 관심을 보이는 부위를 설정하여 비교 . 분석하여야 할 것으로 사료된다.
분포를 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 실험에서 쓰여진 사체가 연령이 높은 점을 감안하면 계산된 결과치가 높은 신뢰성을 보이고 있어 앞으로 수행될 유한요소 모델의 결과 값들이 신뢰성 있는 값을 가질 수 있을 것이라고 사료된다.
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