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문제 정의
- ROM 의 측정은 최대로 움직일 수 있는 6 방향의 환자 다리 움직임의 각도를 예측한 것으로 인공 고관절 치환술 후 환자의 일상적인 생활 가능 정도를 가늠하기 위하여 실시하였다. Neck shaft angle 과 Head offset 은 Soildworks®를 이용하여 9 가지(110° , 115° , 120° , 125° , 130° , 135° , 140° , 145° , 150° )와 5 가지 (33.
- 하지만 시술된 인공관절의 수명이 10~15 년이라는 점에서 인공관절의 수명연장 문제를 직면하고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해서 환자 맞춤형 인공관절을 설계하고, 인공고관절의 기계적 안정성과 수술 후 환자의 관절 최대 가동 범위를 예상하여 일상생활 영위 정도를 알아보는 과정에 대한 프로토콜 정립에 대하여 연구하였다. 기계적 안정성 평가는 인공관절의 구성 요소인 Ball Head 강도 분석 과 Stem 의 Head Offset, Neck Shaft Angle 의 길 이 변화에 유한요소해석을 통해 알아보았다.
- 본 연구에서는 국내 유일의 인공관절 생산업체인 (쥐코렌텍 과의 공동 연구협력을 통하여, 환자맞춤형 인공관절 설계 중 기계학적 안정성 평가 방법에 대한 프로토콜 연구 및 평가를 실시하여 환자 맞춤형 인공고관절의 안정성 평가에 대한 가이드 라인을 제시하는데 있다.
- 본 연구에서는 맞줌형 인공관절 설계 과정 중에 기계적 안정성 평가에 대한 프로토콜을 정립하였다. 위와 같은 결과는 최종 맞춤형 인공관절의 분석에 있어 구체화된 데이터를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
제안 방법
- 분석을 하였다. C type 의 Origin 모델을 기준으로 인공관절에서 가장 중요한 형상 변수로 알려져있는 Head Offset 과 Neck Shaft Angle 의 두 가지 인자를 변화시키 면서 (Fig. 3) Best/Worst Case 의 Boundary 를 정하였다. Head Offset 의 길이는 33.
- 4(a, b)).14 C type 의 완성된 3차원 모델들은 상용 유한요소 모델링 패키지인 하이퍼메쉬를 이용하여 선형 4 절점 4 면체 요소망으로 유한요소 모델링을 한 후, 상용 유한요소 해석 프로그램인 아바쿠스를 이용하여 정적해석을 수행하였다. 일반적으로 유한요소 해석 시 4 면체요소망 보다는 6 면체요소망이 더욱 정확한 결과를 보이는 것으로 알려져 있으나, 본 논문에서 사용한 것과 같은 모델에서는 4 면체요소망이 보다 수치적인 값에 근접한 결과를 보이는 것으로 나타나, 이에 따라 4 면체요소망을 사용하여 유한요소 모델링을 하였다" 또한 힘과 구속조건은 정적 해석을 위하여 ISO 7206-4, 8/ASTM F1612 의 관련규격을 따라 실행하였다' Hip 에 가해지는 힘은 인공관절 헤드에 Anterior-Posterior(AP) 방향으로 55f; , Medial-Lateral(ML) 방향으로 81° 의 벡터 방향으로 7.
- ROM 의 측정은 최대로 움직일 수 있는 6 방향의 환자 다리 움직임의 각도를 예측한 것으로 인공 고관절 치환술 후 환자의 일상적인 생활 가능 정도를 가늠하기 위하여 실시하였다. Neck shaft angle 과 Head offset 은 Soildworks®를 이용하여 9 가지(110° , 115° , 120° , 125° , 130° , 135° , 140° , 145° , 150° )와 5 가지 (33.2mm, 35mm, 40mm, 45mm, 50mm) 로 세분화하여 설계하였다. ROM 측정은 Soildworks®의 Motion 기능을 이용하여 해부학 적자세에서의 대퇴골을 기준으로 인공관절의 움직임즉정 기본자세를 정하였고(Fig.
- 2mm, 35mm, 40mm, 45mm, 50mm) 로 세분화하여 설계하였다. ROM 측정은 Soildworks®의 Motion 기능을 이용하여 해부학 적자세에서의 대퇴골을 기준으로 인공관절의 움직임즉정 기본자세를 정하였고(Fig. 5) Flexion, Extension, Abduction, Add니ction, Internal-rotation, External-rotation 의 6 방향(Fig. 6)에 대한 측정을 실시하여 일반인의 평균 다리 움직임 각도와 비교를 하였다.°
- Stem 의 한계치 설정을 위하여 Worst/Best Case 의 Boundary 를 찾기 위해 Origin 모델을 기준으로 총 33.2mm~50mm 의 Head Offset 길이의 변화와 110° -150° 의 Neck Shaft Angle 에 대한 각도 변화를 주었다. Stem 부위에서 가장 약한 Neck 주위 응력을 분석한 결과 Table 2 와 같은 결과가 도출되 었다.
- 각 모델은 ISO 7206-10 의 Ball Head 강도 분석기준을 통하여 2D 정적 해석을 실시하였다. 완성된 2차원 모델들은 상용 유한요소 모델링 패키지인 하이 퍼메쉬(Hypermesh 6))의 CAX4(4-node bilinear axisymmertric quadrilateral element) 요소 망으로 유한요소 모델링을 구성한 후, 상용 유한요소해석 프로그램인 아바쿠스(ABAQUS 6.
- 3의 마찰계수를 가진다" 또한 힘과 구속조건은 Ball Head 안정성 평가 기준인 ISO 7206-10 규격에 의하여 Y 축 방향으로 46KN 으로 적용하였다. 구속조건은 Stem, Ball, Cone 의 좌즉 elements는 Y 죽으로만 움직일 수 있게 하고, Cone 의 하단 elements는 X, Y 죽 2 방향으로 다 구속하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위해서 환자 맞춤형 인공관절을 설계하고, 인공고관절의 기계적 안정성과 수술 후 환자의 관절 최대 가동 범위를 예상하여 일상생활 영위 정도를 알아보는 과정에 대한 프로토콜 정립에 대하여 연구하였다. 기계적 안정성 평가는 인공관절의 구성 요소인 Ball Head 강도 분석 과 Stem 의 Head Offset, Neck Shaft Angle 의 길 이 변화에 유한요소해석을 통해 알아보았다. 또한 최대 관절 가동 범위는 SoildWorks® Motion 을 이용하여 인공관절의 ROM 을 통하여 측정하였다.
- 기계적 안정성 평가는 인공관절의 구성 요소인 Ball Head 강도 분석 과 Stem 의 Head Offset, Neck Shaft Angle 의 길 이 변화에 유한요소해석을 통해 알아보았다. 또한 최대 관절 가동 범위는 SoildWorks® Motion 을 이용하여 인공관절의 ROM 을 통하여 측정하였다. 측정된 데이터를 종합하여 기계적 안정성 기준을 통과한 Ball 과 Stem 중 정상 ROM 범위에 포함되는 제품만이 환자에게 시술이 가능한 제품으로 평가 받을 수 있다.
- 하지만 28L 이 두께가 가장 얇으므로 worst case 라 생각했던 28S 보다 최 대인장응력 이 약 69% 큰 결과를 나타내었다. 맞춤형 인공관절 설계에 있어 중요하다고 알려져 있는 Head Offset 과 Neck Shaft Angle 를 실제 임상에서 사용되고 있는 Ctype 을 기준으로 일정하게 변화시켜 항복응력이 900MPa 이하일 때의 모델을 분석하였다. Head Offset 의 길이는 33.
- 맞춤형 인공관절 안정성 평가의 프로토콜을 정립하는 두 번째 과정으로 공동 연구를 하고 있는 )코렌텍 모델 중 현재 임상에서 쓰이고 있는 C type 을 이용하여 Stem 의 한계치 설정을 위한 강도 분석을 하였다. C type 의 Origin 모델을 기준으로 인공관절에서 가장 중요한 형상 변수로 알려져있는 Head Offset 과 Neck Shaft Angle 의 두 가지 인자를 변화시키 면서 (Fig.
- 맞춤형 인공관절 안정성 평가의 프로토콜을 정립하는 세 번째 과정으로 (쥐코렌텍에서 현재 시판되고 있는 C-type DDH1 모델을 가지고 환자 맞춤형 인공고관절의 중요 형상 변수인 Neck shaft angle 과 Head offset 길 이변화에 따른 ROM 을 측정 하였다. ROM 의 측정은 최대로 움직일 수 있는 6 방향의 환자 다리 움직임의 각도를 예측한 것으로 인공 고관절 치환술 후 환자의 일상적인 생활 가능 정도를 가늠하기 위하여 실시하였다.
- 맞춤형 인공관절 안정성 평가의 프로토콜을 정립하는 첫 번째 과정으로, 공동 연구를 하고 있는 (쥐코렌텍의 Ball Head 의 모델을 가지고 FEM(Finite Element Method)을 통하여 Stem Head 의 형상 선정을 위한 안정성 분석을 실시하였다. Ball Head는 대퇴골에 가장 밀착된 파트로서 다른 구성요소에 비해 강도가 세다고 알려져 있으며, 실제 임상에서는 파단이 거의 일어나지 않는다.
- 하지만 안정성 분석을 통한 맞춤형 인공관절을 완성하는 데에 있어 중요한 부분 중 하나이다. 먼저 Ball Head 를 CAD 프로그램인 Soildworks®를 이용하여 9 가지 사이즈 별로 2차원 설계를 실시하였다. 28(L/M/S), 32(L/M/S), 36(L/M/S)으로서 앞의 숫자는 볼 헤드의 직경이며, Large/Medium/Small 은 스템의 헤드 형상이 볼에 삽입된 깊이에 따른 분류이다(Fig 1).
- 5mm 의 삽입 깊이로 설계되었다. 사람마다 대퇴골의 골두 크기가 다르기 때문에 3가지 직경을 두어서 설계를 하였으며, 삽입 깊이에 차이를 고려하여 Head Offset 길이를 Ball Head 를 통하여 조절하기 위하여 총 9 가지 모델로 설계를 하였다.
- 시술 후 예상되는 환자의 다리 동작 범위를 알아보기 위해 실시한 ROM 의 경우 형 상설 계변수와 Ball Head 의 직 경변화에 따른 ROM 을 측정 하여 일반인의 hip joint ROM 과 비 교를 하였다. 사용된 Ball Head 의 직경이 클수록 ROM 이 커지는 것을 볼 수 있었고, Neck shaft angle 의 커짐 따라 Abduction, Internal-rotation, External-ratio 은 커지고 Flexion, Extension, Adduction 은 작아 지는 것을 알 수 있었다.
- 완성된 2차원 모델들은 상용 유한요소 모델링 패키지인 하이 퍼메쉬(Hypermesh 6))의 CAX4(4-node bilinear axisymmertric quadrilateral element) 요소 망으로 유한요소 모델링을 구성한 후, 상용 유한요소해석 프로그램인 아바쿠스(ABAQUS 6.6)를 이용하여 정적 해석을 수행하였다(Fig. 2). 인공관절 모델의 물성 치는 Bernhard Weisse 의 논문을 참고하였다 (Table 1).
- 환자 맞춤형 인공관절 설계의 일반적인 과정은 환자 대퇴골의 2차원 X-ray 영상처리를 통하여 인공관절 설계 형상변수를 추출한 후, 추출된 형상변수를 적용하여 인공관절을 설계하고, 설계된 인공관절에 대하여 생체 역학적 안전성을 검증하는 순서로 진행되었다. 환자 맞춤형 인공관절 설계법의 장점은 환자의 대퇴골과 유사한 최적의 인공관절의 제작이 가능하여 골용해(osteolysis), 인공관절의 해리(loosening)등의 문제점을 줄이고 인공관절의 수명을 연장시킬 수 있으며, 재치환 수술 시 환자에게 적합한 맞춤형 인공관절을 제공하여, 재치환 수술의 성공 및 수술 후 생길 수 있는 여러 임상적 문제점들을 최소화 시킬 수 있는 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 3) Best/Worst Case 의 Boundary 를 정하였다. Head Offset 의 길이는 33.2mm, 35mm, 40mm, 45mm, 5urn 와 Neck Shaft Angle 은 110° 115° , 120° , 125° , 130° , 135° , 140° , 145° , 150° 설정하였다(Fig. 4(a, b)).
이론/모형
- Ball Head 의 9 가지 모델들을 정적 해석을 통하여 분석을 하였다. 최대인장 응력은 166~344MPa 의 분포를 보여 주면서 Ball Head 의 재료인 A12O3 의 최대 인장응력인 350MPa 보다 낮게 분포하는 경 향을 볼 수 있다.
- 2). 인공관절 모델의 물성 치는 Bernhard Weisse 의 논문을 참고하였다 (Table 1). 각 모델의 경계조건은 Stem 과 Ball 은 0.
성능/효과
- 맞춤형 인공관절 설계에 있어 중요하다고 알려져 있는 Head Offset 과 Neck Shaft Angle 를 실제 임상에서 사용되고 있는 Ctype 을 기준으로 일정하게 변화시켜 항복응력이 900MPa 이하일 때의 모델을 분석하였다. Head Offset 의 길이는 33.2mm~50mm 로 Neck Shaft angle 은 110° -150° 설정하여 각각의 모델을 FEM 분석한 결과 Neck shaft angle 의 크기는 설정한 값의 중간치 130° , 135° 에서, Head offset 의 크기가 작을수록 작은 응력 값이 나오는 경향을 보였다. Table 2 의 Neck 주위의 응력값을 보면 붉은 색으로 표시한 부분이 TiA16v4 의 항복응력 900MPa 보다 작게 나온 것으로 붉은 색이 표시된 제품들만 환자 시술에 사용 가능하다고 할 수 있다.
- “Table 3 의 값은 THR 이 대부분 성인에서 발생하는 것을 감안하여 19 세 이상의 성인 남성을 대상으로 측정한 값을 비교 대상으로 정하였다 ” 측정 결과를 보면 Ball Head 의 직경이 커짐에 따라 전반적인 움직임의 범위가 커짐을 볼 수 있었다 이유는 직경이 커짐에 따라 회전반경이 커지기 때문인 것으로 사료된다. Neck shaft angle 이 커짐에 따라 Abduction, Internal-rotation, Externalrotation 의 값은 각각 79%, 88%, 42% 증가하였고, Flexion, Extension, Adduction 의 값은 70%, 68%, 59% 로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 일반인 평균 값과 비 교를 통하여 28M 와 32M 의 Ball Head 를 사용한 모델의 115° 와 150° 를 제외한 모델이 일반인 평균값보다 크게 측정되어 이것을 제외하고는 인공 고관절 시술 후 일상적인 생활을 하는데 있어서 불편을 느끼지 않을 것으로 생각된다.
- 사용된 Ball Head 의 직경이 클수록 ROM 이 커지는 것을 볼 수 있었고, Neck shaft angle 의 커짐 따라 Abduction, Internal-rotation, External-ratio 은 커지고 Flexion, Extension, Adduction 은 작아 지는 것을 알 수 있었다. 측정 데이터와 일반인의 Hip joint ROM 과의 비교를 통하여 Ball Head 직경이 28M, 32M 에서의 115° 150° 를 제외한 나머지 모델은 임상에서 사용할 수 있다.
- 또한 최대 관절 가동 범위는 SoildWorks® Motion 을 이용하여 인공관절의 ROM 을 통하여 측정하였다. 측정된 데이터를 종합하여 기계적 안정성 기준을 통과한 Ball 과 Stem 중 정상 ROM 범위에 포함되는 제품만이 환자에게 시술이 가능한 제품으로 평가 받을 수 있다.
후속연구
- 2 재수술시 환자에게는 정신적, 신체적, 경제적 손실을 유발하며, 수술의 성공률과 이식된 관절의 수명이 최초 시술 결과에 비해 50%가 넘지 않는 것으로 보고되어 인공 고관절의 수명 연장 및 THR 실패 원인을 제거하는 것은 성공적인 THR 에 있어서 반드시 필요하다.3 이러한 문제점들을 해결하고, 성공적인 고관절의재치환 수술을 위하여 환자의 임상적 상태에 적합한 환자 맞춤형 인공관절의 설계 및 제작이 필요하다.
- 위와 같은 결과는 최종 맞춤형 인공관절의 분석에 있어 구체화된 데이터를 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 추후에 다양한 모델에서 나오는 다수의 데이터를 이용한 추가 연구가 요망된다.
- 위와 같은 결과는 최종 맞춤형 인공관절의 분석에 있어 구체화된 데이터를 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 추후에 다양한 모델에서 나오는 다수의 데이터를 이용한 추가 연구가 요망된다.
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