[논문]요추부 극돌기간 고정기구의 생체역학적 해석

허순; 박정홍; 이성재; 손권

문제 정의

본 연구에서는 고정기구의 하중-변위 관계에 따른 특성 과 강성 값을 정량적 으로 평가하기 위 하여 기계적 특성 실험을 실시하였다. 하중조건의 적용에 있어 개개의 정확한 기계적 특성을 확보하여도 실제 인체 내에서 발생하는 영향을 예측하는 것은 대단히 어려운 문제이다.
본 연구에서는 만능재료시험기를 이용하여 기존 극돌기간 고정기구의 기계적 특성 실험을 하였다. 그리고 기존 고정기구유한요소 모델을델을 구성하고 실험결과와 비교유한요소 모델의모델의 타당성을 검증하였다.
본 연구의 목적은 극돌기 간 고정기구의 성능을 생체역학적으로 해석하고, 보다 유연성을 가지는 고정기구를 개발 하는데 있다. 즉 요추부 극돌기 간에 고정기구가 삽입되었을 때 두 극돌기간의 거리를 유지하며, 다양한 하중 및 충격을 받을 때 유연성을 발휘하여 완충작용을 할 수 있는 고정기구를 개발 하고자 하였다.
또한 고령의 퇴행성 척추관 협착증 환자의 시술에 있어서 시간 단축과 간단한 시술이 필요하다. 이러한 운동 제한의 문제점을 보완하고 크기를 줄이면서 유연성을 발휘하는 고정기구를 설계하여 시술 후 신전 운동을 제한하는 동시에 인접 부위의 퇴행성을 감소시키는 것이 설계의 목적이다.
개발 하는데 있다. 즉 요추부 극돌기 간에 고정기구가 삽입되었을 때 두 극돌기간의 거리를 유지하며, 다양한 하중 및 충격을 받을 때 유연성을 발휘하여 완충작용을 할 수 있는 고정기구를 개발 하고자 하였다.

제안 방법

(1) 유한요소 해석으로 기존 고정기구와 새로운 고정기구의 모델을 하중-변위 사이에서 나타나는강성값으로 비교하였다. 이때 높이 12 mm, 전체 길이 20 mm, 두께 1.
(3) 기존 고정기구 제작 시 사용된 재료와 국내에서 수입되는 동일 재료의 물성값을 비교하였다. 물성값 비교에서 기존 고정기구 제작 시 사용된 재료보다 시제품 제작 시 사용된 재료가 약 17.
검증된 기존 고정기구 모델의 해석을 통하여 하중-변위 관계에서 나타나는 강성 값을 얻고 형상, 전체 길이 그리고 두께의 설계변수를 얻었다. 기존 모델의 U자 형태와 높이는 12 mm로 기본 형상은 유지하였다.
그리고 기존 고정기구유한요소 모델을델을 구성하고 실험결과와 비교유한요소 모델의모델의 타당성을 검증하였다. 검증된 모델을 통해 다양한 설계변수를 얻고, 새로운 형상의 고정기구를 설겨], 제작하였다. 그리고 요추부에 작용하는 생체역학적 하중 조건에서 기존 고정기구와 제작된 시제품들의 기계적 특성 실험을 하고, 각각의 특성을 비교하였다.
고정기구에 대한 실험 및 해석 결과는 압축 하중을 주었을 때의 하중-변위 관계에서 나타나는 강성 값을 적용하였다.
2 mm이다. 구축된 모델들을 동일한 조건으로 유한요소 해석을 하고 하중-변위 관계에서 나타나는 특성과 강성 값을 얻었다. 그리고 얻어진 해석 값들과 기존 고정기구의 해석 값을 최종 분석하여 유연성과 안정성을 발휘하는 최적의 모델을 얻었다.
그리고 3차원 유한요소 모델을 구성하기 위하여 상용프로그램 (CATIA, Dassault Systems, France)을 사용하여 솔리드 모델링을 통한 유한요소 모델을 구성하였다. Fig.
그리고 기계적 특성 실험을 하여 기존 고정기구의 실험결과와 시제품의 실험결과를 비교하였다. Fig.
그리고 기존 고정기구유한요소 모델을델을 구성하고 실험결과와 비교유한요소 모델의모델의 타당성을 검증하였다. 검증된 모델을 통해 다양한 설계변수를 얻고, 새로운 형상의 고정기구를 설겨], 제작하였다.
제작하였다. 그리고 기존 제품의 최초실험에서 나타난 특성값과 새로운 모델의 특성값을 비교하기 위하여 새로운 모델의 시제품인 NP1, NP2, NP3를 제작하였다. Fig.
검증된 모델을 통해 다양한 설계변수를 얻고, 새로운 형상의 고정기구를 설겨], 제작하였다. 그리고 요추부에 작용하는 생체역학적 하중 조건에서 기존 고정기구와 제작된 시제품들의 기계적 특성 실험을 하고, 각각의 특성을 비교하였다.
유한요소 해석을 하였다. 그리고 유한요소 해석에서 나타난 하중-변위 관계에 따른 각각의 특성들을 실험에서 나타난 특성값과 비교하였다.
기존 고정기구를 모델링하기 위하여 3차원 측정에 의한 각 부분의 치수를 얻고 2차원 도면을 작성하였다. 그리고 3차원 유한요소 모델을 구성하기 위하여 상용프로그램 (CATIA, Dassault Systems, France)을 사용하여 솔리드 모델링을 통한 유한요소 모델을 구성하였다.
기존 제품 제작 시 사용된 재료의 물성값과 시제품을 만들기 위한 수입 재료의 물성값을 비교하기 위하여 기존 고정기구의 시제품 UP(interspinpus-u prototype)를 제작하였다. 그리고 기존 제품의 최초실험에서 나타난 특성값과 새로운 모델의 특성값을 비교하기 위하여 새로운 모델의 시제품인 NP1, NP2, NP3를 제작하였다.
6은 제작된 각각의 시제품들이다. 기존제품과 제작된 시제품들의 특성을 비교, 평가하기 위하여 기계적 특성 실험을 실시하였다. 실험조건은 최초 고정기구의 실험 방법과 동일한 구속조건을 적용하여 실험하였다.
하중조건의 적용에 있어 개개의 정확한 기계적 특성을 확보하여도 실제 인체 내에서 발생하는 영향을 예측하는 것은 대단히 어려운 문제이다. 따라서 척추체 사이에서 일어나는 여러가지 동적 변화를 배제하고 축 방향으로 작용하는 극돌기 간 발생 하중을 적용하였다. 따라서 하중이 가해지는 방향은 극돌기간 고정기구의 상단면에 수직한 방향으로 설정하였다.
기존제품과 제작된 시제품들의 특성을 비교, 평가하기 위하여 기계적 특성 실험을 실시하였다. 실험조건은 최초 고정기구의 실험 방법과 동일한 구속조건을 적용하여 실험하였다. 여기서 하중 조건은 인체내에서 발생할 수 있는 여러 하중 조건을 고려하여 50 N에서 250 N까지 50 N 간격으로 적용하였다.
실험조건은 최초 고정기구의 실험 방법과 동일한 구속조건을 적용하여 실험하였다. 여기서 하중 조건은 인체내에서 발생할 수 있는 여러 하중 조건을 고려하여 50 N에서 250 N까지 50 N 간격으로 적용하였다.
유한요소 모델은 검증을 위하여 기존 고정기구의 실험방법과 동일한 구속조건과하중 조건을을 적용하여 유한요소 해석을 하였다. 그리고 유한요소 해석에서 나타난 하중-변위 관계에 따른 각각의 특성들을 실험에서 나타난 특성값과 비교하였다.

대상 데이터

고정기구의 변위를 분석하기 위하여 현재 국내에서 수입하여 시술되는 티타늄(Ti-ASTM Fl36) 재료로 제작된 고정 기구(Interspinous-U, Fixano, France) 를 사용하였다. Fig.
국내에서 수입되는 고정기구 제작용 재료 (Ti-alloy Fl36)의 물성을 평가하기 위하여 설계된 도면과 모델링 형상을 바탕으로 시제품을 제작하였다. 그리고 기계적 특성 실험을 하여 기존 고정기구의 실험결과와 시제품의 실험결과를 비교하였다.
3과 같이 30초 동안에 최대 발생 하중에 도달하도록 하중을 제어하였다. 하중조건은 요추체 (L3~L4)의 극돌기 사이에서 발생하는 최대 수직 하중인 215N을 적용하였다.7

성능/효과

(2) 새로운 고정기구 모델의 유한요소 해석 결과에서 최대 von-Mises 발생응력은 재료의 항복강도 이하의 값으로 기계적 안정성을 만족하였다.
(4) 기존 고정기구와 새로운 고정기구의 실험 결과에서 시제품인 NP2 모델이 약 32.9 %만큼 더 유연한 것으로 나타났다. 이 결과에서 NP2는 요추부 극돌기간에 삽입되었을 때 극돌기 간의 거리 유지 뿐 아니라 하중 및 충격을 받을 때 유연성을 발휘하여 완충작용을 하고, 인접 부위의 퇴행을 감소시키는 안정성을 가진 고정기구로 판단된다.
9kN/m였다. 각각의 변위와 강성 값들을 비교해 볼 때 실험 결과와 유한요소 해석 결과의 오차가 약 “% 로 거의 일치함을 알 수 있었다. 따라서 유한요소 모델의 타당성을 검증할 수 있었다.
96 mm로 나타났다. 강성 값은 기존 모델이 122.9 kN/m, 새로운 모델은 109.7 kN/m로 새로운 모델이 약 10.7%만큼 유연성을 더 발휘하는 것으로 나타났다.
75 mm로 나타났다. 그리고 각각의 강성 값은 실험 결과 124.3 kN/m, 유한요소 해석 결과 122.9kN/m였다. 각각의 변위와 강성 값들을 비교해 볼 때 실험 결과와 유한요소 해석 결과의 오차가 약 “% 로 거의 일치함을 알 수 있었다.
구축된 모델들을 동일한 조건으로 유한요소 해석을 하고 하중-변위 관계에서 나타나는 특성과 강성 값을 얻었다. 그리고 얻어진 해석 값들과 기존 고정기구의 해석 값을 최종 분석하여 유연성과 안정성을 발휘하는 최적의 모델을 얻었다.
10은 기존 모델과 제안된 모델의 von-Mises 응력분포를 나타내었다. 기존 모델은 전방 곡면 부위에 응력분포가 넓게 나타났으며, 제안된 모델은 설계 형상에 따라 전방 곡면 부위에 응력분포가 좁게 나타났다. Table 3에서 기존 모델과 새로운 모델의 최대 von-Mises 발생응력은 기존 모델에서는 722 MPa, 새로운 모델에서는 756 MPa의 응력 값으로 나타났다.
이것은 Table 1의 재료 물성값에서 고정기구의 재료 Ti-alloy F136의 최대 항복강도인 896MPa 이하의 발생응력이다. 따라서 제안된 모델역 시 기계적 안정성을 만족한다.
따라서 NP3는 안정성을 고려했을 때 고정기구로서 역할을 할 수 없음을 알 수 있었다. 또한 NP1 은 탄성계수가 가장 높게 나타났으며, 고정기구로서의 역할에서 유연성이 저하됨을 알 수 있었다. NP2와 기존 고정기구의 최대변위는 각각 3.
비교하였다. 물성값 비교에서 기존 고정기구 제작 시 사용된 재료보다 시제품 제작 시 사용된 재료가 약 17.3 % 만큼 더 큰 탄성 계수 값을 나타내었다. 이 결과는 동일 재료라도 재료의 제조 시 화학적 구성의 차이에 따른 결과로 판단된다.
새로운 고정기구의 3가지의 모델들에 대한 하중-변위 관계의 유한요소 해석 결과 최적의 모델인 NP2를 얻었다. Fig.
Table 2에는 고정기구의 실험 결과와 유한요소 해석 결과를 나타내었다. 실험 결과 최대변위는 1.72 mm였으며, 해석 결과 최대 변위는 1.75 mm로 나타났다. 그리고 각각의 강성 값은 실험 결과 124.
3 kN/m로 나타났다. 이것은 기존 고정기구의 재료보다 시제품 제작 시 사용된 재료가 약 17.3% 더 큰 탄성 계수 값을 가지고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

평가가 필요할 것으로 판단된다. 그리고 임상실험에 앞서 척추체 모델을 유한요소 모델로 구성하고 고정기구의 유한요소 모델을 적용하여 생체역학적 조건에서의 해석이 필요할 것으로 판단된다.
향후 이러한 결과들을 바탕으로 제작된 극돌기 간 고정기구의 시제품은 생체역학적 조건에서의 임상적 평가가 필요할 것으로 판단된다. 그리고 임상실험에 앞서 척추체 모델을 유한요소 모델로 구성하고 고정기구의 유한요소 모델을 적용하여 생체역학적 조건에서의 해석이 필요할 것으로 판단된다.

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