스텐트는 인체내 비혈관 또는 혈관의 내강에 직접 삽입되어 장기간 내강의 개통을 확보해 주어야 하는 보형기구로 체내에서의 안정성이 매우 중요하다. 스텐트의 성능은 크게 radial force, shortening, anti-migration, 방사선 불투과성, 유연성, 회복력, 삽입기구의 굵기 및 삽입 용이성 등의 항목으로 평가된다. 현재 스텐트는 다양한 제품이 널리 사용되어지고 있으며, 병변에 따라 선택이 가능하다. 스텐트는 개통이라는 고유 목적을 달성하면서 시술의 편의성이 고려되는 데 스텐트의 radial force와 유연성, 그리고 삽입기구의 유연성이 중요하다고 할 수 있다. 최근에 유한요소 해석법을 이용한 스텐트의 기계적 특성을 평가하기 위한 연구는 상당량 진행되어 왔다. 그러나 유한요소 해석법을 이용한 스텐트의 피로 거동 분석을 위한 전산 모사에 관한 연구는 드물다. 특히, 세선형 스텐트의 연구 및 시술 이후의 안정성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 비혈관용 세선형 스텐트에 대하여 유한요소 해석법을 이용한 전산모의실험을 통한 피로특성 분석을 수행한 결과 해당 제품이 목표 수명을 지나서 피로 파괴(내구지수 : 1.74)가 발생한다고 예측할 수가 있었다. 이러한 유한요소 해석법은 스텐트 시술시의 장기적 안정성을 확보함으로써 산업체의 스텐트 개발 기간 및 예산 절감 등 경제적 개발에 많은 도움이 될 수 있을 것이다.
스텐트는 인체내 비혈관 또는 혈관의 내강에 직접 삽입되어 장기간 내강의 개통을 확보해 주어야 하는 보형기구로 체내에서의 안정성이 매우 중요하다. 스텐트의 성능은 크게 radial force, shortening, anti-migration, 방사선 불투과성, 유연성, 회복력, 삽입기구의 굵기 및 삽입 용이성 등의 항목으로 평가된다. 현재 스텐트는 다양한 제품이 널리 사용되어지고 있으며, 병변에 따라 선택이 가능하다. 스텐트는 개통이라는 고유 목적을 달성하면서 시술의 편의성이 고려되는 데 스텐트의 radial force와 유연성, 그리고 삽입기구의 유연성이 중요하다고 할 수 있다. 최근에 유한요소 해석법을 이용한 스텐트의 기계적 특성을 평가하기 위한 연구는 상당량 진행되어 왔다. 그러나 유한요소 해석법을 이용한 스텐트의 피로 거동 분석을 위한 전산 모사에 관한 연구는 드물다. 특히, 세선형 스텐트의 연구 및 시술 이후의 안정성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 비혈관용 세선형 스텐트에 대하여 유한요소 해석법을 이용한 전산모의실험을 통한 피로특성 분석을 수행한 결과 해당 제품이 목표 수명을 지나서 피로 파괴(내구지수 : 1.74)가 발생한다고 예측할 수가 있었다. 이러한 유한요소 해석법은 스텐트 시술시의 장기적 안정성을 확보함으로써 산업체의 스텐트 개발 기간 및 예산 절감 등 경제적 개발에 많은 도움이 될 수 있을 것이다.
Stents are frequently used throughout the human body. They keep pathways open in vascular or nonvascular duct for a long time. Therefore its stability is very important factor. In recent years, aconsiderable amount of research has been carried out in order to estimate mechanical properties of the st...
Stents are frequently used throughout the human body. They keep pathways open in vascular or nonvascular duct for a long time. Therefore its stability is very important factor. In recent years, aconsiderable amount of research has been carried out in order to estimate mechanical properties of the stent such as expansion pressure behavior, radial recoil and longitudinal recoil using FEM (Finite element analyses). However, published works on simulation of stent fatigue behavior using FEM are relatively rare. In this paper, a nonlinear finite-element methodwas employed to analyses the compression of a stent using external pressure and fatigue behavior. Finite element analyses for the stent system were performed using NASTRAN FX. In conclusion this paper shows how the stent is behaved in the body, and its fatigue behavior.
Stents are frequently used throughout the human body. They keep pathways open in vascular or nonvascular duct for a long time. Therefore its stability is very important factor. In recent years, aconsiderable amount of research has been carried out in order to estimate mechanical properties of the stent such as expansion pressure behavior, radial recoil and longitudinal recoil using FEM (Finite element analyses). However, published works on simulation of stent fatigue behavior using FEM are relatively rare. In this paper, a nonlinear finite-element methodwas employed to analyses the compression of a stent using external pressure and fatigue behavior. Finite element analyses for the stent system were performed using NASTRAN FX. In conclusion this paper shows how the stent is behaved in the body, and its fatigue behavior.
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문제 정의
12)그러나 기존의 연구는 주로 laser cutting 스텐트의 삽입 직후의 변형 정도(recoil) 및 팽창된 상태의 응력분포(stress distribution) 등 스텐트의 성능평가에 대한 연구가 주류를 이루었고,13) 와이어를 엮어 만든 세선형 스텐트의 연구 및 시술 이후의 안정성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 비혈관용 세선형 스텐트에 대한 전산모의실험을 통한 피로특성 분석을 이용하여 스텐트 시술의 많은 양을 차지하는 비혈관용 스텐트의 시술시의 장기적 안정성을 확보함으로써 산업체의 스텐트 개발 기간 및 예산 절감 등 경제적 개발에 도움을 주고자 하였다.
본 연구에서는 전산모의 실험을 이용한 세션형 스텐트의 내구성 평가 방법을 제시할 수 있었다. 인체 내에 삽입된 스텐트의 경우 주기적인 연동운동에 영향을 받아 피로에 대한 특성이 달라질 수 있으므로 좀 더 정밀한 설계와 실험이 요구되며, 이를 위한 방법으로 전산모의 실험이 매우 유용한 방법임을 확인할 수 있었다.
가설 설정
Two type of metal stent. (a) Laser cutting stent and (b) wire construction type stent.
제안 방법
2는 본 연구에서 수행된 전산모의해석 예제의 3차원세선형 스텐트(stent of braided wire stent) 모델을 나타낸 그림이다. 그림에서 보는 바와 같이 mandrel에 핀을 꽂고 하나의 긴 와이어를 서로 엮어서 만든 구조체로 스텐트 선택시 주 고려 대상인 radial force와 유연성을 높이기 위한 구조로 디자인을 하였다. 스텐트의 유한요소 해석을 위한 형상 모델링은 SolidWorks (Solidworks, Corp, USA)을 이용하였고, NASTRAN FX (MIDASIT, Inc.
또한 약 1,750 MPa의 비틀림과 인장(tension)응력이 동시에 작용하는 복합하중일 때 10 cycle에서 끊어졌고, 역시 응력이 낮아지면 cycle이 증가하였다. 따라서 본 연구에서는 인체의 연동운동을 고려하여 비틀림과 인장응력이 동시에 작용하는 복합하중을 적용하고, Fig. 7와 같이 원통 좌표계를 적용하여 힘의 방향을 스텐트의 수직 방향에서 가하고 스텐트의 회전 방향을 구속하지 않으므로, 수직 방향에서 압력 작용시 스텐트가 회전 할 수 있도록 경계조건(boundary Condition)을 부여하여 스텐트의 피로 수명을 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 주로 악성종양 환자의 평균 생존기간이 6개월 이하라는 점을 고려하여 비혈관용 스텐트는 6개월 이상의 수명이 보장되어야 하며, 이를 만족하기 위해서는 장기 가운데 가장 연동운동이 심하고, 압력이 높은 식도의 연동주기와 압력을 적용하여 분당 7∼8회 연동운동(평균 80 mmHg)을 고려할 때 목표 수명을 200만 주기(cycles)로 설정하였다.
그림에서 보는 바와 같이 mandrel에 핀을 꽂고 하나의 긴 와이어를 서로 엮어서 만든 구조체로 스텐트 선택시 주 고려 대상인 radial force와 유연성을 높이기 위한 구조로 디자인을 하였다. 스텐트의 유한요소 해석을 위한 형상 모델링은 SolidWorks (Solidworks, Corp, USA)을 이용하였고, NASTRAN FX (MIDASIT, Inc., KOREA)을 통해 3차원 유한 요소 모델 생성 및 피로해석을 수행하였다. 피로해석에 사용된 물성은 Table 1과 같다.
대상 데이터
본 연구에서는 현재 상용화되어 사용되고 있는 세선형 스텐트인 하나로 담도 스텐트(HANAROSTENT biliary stent, M.I.Tech, Korea)를 선정 하였다. 스텐트 재질은 Ti-Ni계 형상기억합금(Nitinol SE 508 wire, modulus of elasticity=60 Gpa, ultimate, tensile strength=1,300 Mpa, poisson ratio=0.
성능/효과
6은 “biaxial fatigue behavior of NiTi (Nickel-Titanium) shape memory alloy by air force institute of technology”에서 인용한 나이티놀 와이어의 S-N (stress-number of cycle) curve이다.14) S-N curve에서 보는 바와 같이 약 2,300 MPa의 비틀림(torsion)응력일 때 300 cycle에서 끊어졌고, 응력이 낮아지면 cycle이 증가 하였다. 또한 약 1,750 MPa의 비틀림과 인장(tension)응력이 동시에 작용하는 복합하중일 때 10 cycle에서 끊어졌고, 역시 응력이 낮아지면 cycle이 증가하였다.
0을 기준으로 이상의 값이 나오면 스텐트 모델이 목표 수명에 비해 더 좋은 특성을 지닌다고 판단한다. 따라서 담도 스텐트 모델은 약 360만 수명 cycle로 내구지수는 1.74로 나타났고, 이것은 인체내 연동운동에서 약 10개월 이상 수명이 보장된다고 해석 된다. 그 이유는 응력을 분산 시킬 수 있도록 설계 된 스텐트의 구조적인 특성과 응력을 낮출 수 있도록 적절한 굵기의 와이어가 선정되었기 때문이라고 사료되어진다.
스텐트의 장기적인 안정성 확보에 대한 평가로서 전산모의 실험을 통한 피로해석을 한 결과 목표 수명을 지나 피로 파괴가 발생한다고 예측할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 본 연구에 사용한 담도 stent는 장기간 인체내에 삽입되어 있어도 안정하다고 판단할 수 있다.
스텐트의 장기적인 안정성 확보에 대한 평가로서 전산모의 실험을 통한 피로해석을 한 결과 목표 수명을 지나 피로 파괴가 발생한다고 예측할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 본 연구에 사용한 담도 stent는 장기간 인체내에 삽입되어 있어도 안정하다고 판단할 수 있다. 또한, 연동 운동에 의한 피로 손상이 나타날 가능성이 있는 부위는 압축압력에 의한 응력정도가 가장 큰 부위와 일치하므로 압축 이후 연동운동에 대해 지속적인 구조적 안정성을 확보하기 위한 형상 개선을 함에 있어서 중요한 관심대상이라 할 수 있다.
본 연구에서는 전산모의 실험을 이용한 세션형 스텐트의 내구성 평가 방법을 제시할 수 있었다. 인체 내에 삽입된 스텐트의 경우 주기적인 연동운동에 영향을 받아 피로에 대한 특성이 달라질 수 있으므로 좀 더 정밀한 설계와 실험이 요구되며, 이를 위한 방법으로 전산모의 실험이 매우 유용한 방법임을 확인할 수 있었다. 특히, 의료 기술의 눈부신 발달로 암 등으로 인한 비혈관 내강 협착 환자의 수명이 연장되고 있어 그에 따른 스텐트의 신속한 진화가 요구되며, 따라서 전산 모의실험에 대한 더 많은 관심과 연구가 필요하다고 사료된다.
후속연구
인체 내에 삽입된 스텐트의 경우 주기적인 연동운동에 영향을 받아 피로에 대한 특성이 달라질 수 있으므로 좀 더 정밀한 설계와 실험이 요구되며, 이를 위한 방법으로 전산모의 실험이 매우 유용한 방법임을 확인할 수 있었다. 특히, 의료 기술의 눈부신 발달로 암 등으로 인한 비혈관 내강 협착 환자의 수명이 연장되고 있어 그에 따른 스텐트의 신속한 진화가 요구되며, 따라서 전산 모의실험에 대한 더 많은 관심과 연구가 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스텐트의 종류는 적용 부위와 재료에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?
스텐트(stent)란 인체내 비혈관 또는 혈관에 암이나 종양 등에 의하여 폐쇄되거나 협착이 발생할 경우, 외과적 수술을 통하지 않고 중재적 시술 기법에 따른 치료과정을 통해 좁아지거나 막힌 내강의 개통을 목적으로 설치되어지는 임플란트(implant)를 말한다.1-5) 스텐트의 종류를 나누는 방법에는 여러 가지가 있는데, 적용 부위에 따른 분류로 혈관용 스텐트와 비혈관용 스텐트로 나누며, 재료에 따른 분류로 금속스텐트와 플라스틱 스텐트(튜브스텐트)로 나눌 수 있다.6) 금속스텐트는 크게 laser로 가공한 laser Cutting stent와, 와이어를 엮어서 만든 세선형 스텐트로 분류할 수 있으며 laser cutting stent의 형상은 Fig.
스텐트란 무엇인가?
스텐트(stent)란 인체내 비혈관 또는 혈관에 암이나 종양 등에 의하여 폐쇄되거나 협착이 발생할 경우, 외과적 수술을 통하지 않고 중재적 시술 기법에 따른 치료과정을 통해 좁아지거나 막힌 내강의 개통을 목적으로 설치되어지는 임플란트(implant)를 말한다.1-5) 스텐트의 종류를 나누는 방법에는 여러 가지가 있는데, 적용 부위에 따른 분류로 혈관용 스텐트와 비혈관용 스텐트로 나누며, 재료에 따른 분류로 금속스텐트와 플라스틱 스텐트(튜브스텐트)로 나눌 수 있다.
스텐트의 삽입방법은?
스텐트 선택시 스텐트의 radial force와 유연성이 주 고려대상이며 한편으로 삽입기구의 유연성 등도 중요한 고려사항이다. 삽입방법은 가이드와이어를 따라 내시경 관찰하에 삽입하는 방법과 방사선 투시하에 삽입하는 방법이 있으며 대개는 두 방법을 동시에 사용하는 경우가 많다.9)
참고문헌 (17)
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이규백, 전훈재, 김윤배 등: Mechanical characterization of selfexpandable esophageal metal stents. 대한소화기내시경학회지 23:61-68 (2001)
문정섭: Upper GI stenting: detailed techniques I esophageal and pyloric stenting. 대한소화기내시경학회지 32:158-163 (2006)
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