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문제 정의
- 그러나 이러한 방법은 의사의 숙련도 및 경험에 따라 다른 판단을 내릴 수 있고 환자의 대퇴골과 일치하는 인공고관절을 선택하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 인공고관절을 선택하는데 있어서 객관적이고 정확성을 높일 수 있도록 x-ray 영상에서 볼 헤드의 설계변수를 직접 측정할 수 있는 수술계획 프로그램(pre-operation planning program)을 개발하였다. DICOM (디지털 의료 영상 전송 장치)파일은 병원에서 사용되는 의료영상 저장포맷의 표준으로 이를 따른 장비는 제조업체와 장비 종류를 막론하고 특별한 변환기 없이 서로 정보 교환을 할 수 있다.
가설 설정
- 하중은 FDA Gaudiance[10]에 따라 스템에 46kN을 적용하였다. 각 모델은 등방성(isotropic)과 동질성(homogeneous)하다고 가정하였고, 마찰계수를 고려한 면 접촉(contact surface)조건을 적용하였다. 스템과 볼 헤드가 접촉하고 있는 테이퍼의 마찰계수는 Weisse[5]에서 ISO 7206-5의 규격에 맞춰서 세라믹 볼 헤드의 정적해석과 실험 결과의 비교를 통하여 얻은 결과값인 0.
제안 방법
- 9, Dassault system)를 사용하였다. 6면체 요소망이 4면체 요소망보다 정확한 결과를 나타낸다고 알려져 있지만, 본 연구에서는 곡면을 고려하고 대퇴골 모델에서는 4면체 요소망이 수치적인 값에 근접한 결과를 보이는 것으로 나타나 4면체 요소망을 사용하여 유한요소 모델링을 실시하였고, 하이퍼메쉬 내에서 proximity와 curvature를 고려한 명령어를 설정하여 최대한의 수치값에 가까운 형태를 하도록 하였다[4]. 스템은 19546~29388개, 볼 헤드는 55,363~120,474개, 서포트(support)는 약 7000개의 3차원 요소망을 갖는다.
- 본 연구에서는 (주) 코렌텍에서 생산되는 스템에 맞추어 볼 헤드를 설계하였다. 볼 헤드의 성분은 임상에서 널리 사용되고 있는 세라믹(ceramic, Al2O3.
- 본 연구에서는 환자의 대퇴골두와 유사한 최적의 인공고관절을 제작할 수 있도록 환자의 대퇴골 x-ray를 이용하여 선정한 볼 헤드의 설계변수를 측정하고, 측정된 변수를 이용하여 9가지의 모델을 설계하였다. 세라믹 볼 헤드는 마모가 적지만 탄성계수가 높고 인성이 작아 균열이 생기고 깨지는 현상이 발생하기 쉽다.
- 볼 헤드의 설계는 상용 CAD 프로그램인 솔리드 웍스(SoildworksⓇ, Dassault System)를 이용하였다. 사람마다 대퇴골두의 크기가 다른 점을 감안하여 볼 헤드의 직경을 3가지로 구분하고, 스템의 헤드 오프셋의 길이 조절을 고려하여 삽입 깊이를 3가지로 구분하여 그림 3과 같이 9가지의 3차원 모델을 설계를 하였다. CB는 세라믹 볼 헤드를 뜻하며, 28, 32, 36은 볼 헤드의 직경을 나타낸다.
- 세라믹 볼 헤드는 마모가 적지만 탄성계수가 높고 인성이 작아 균열이 생기고 깨지는 현상이 발생하기 쉽다. 이러한 세라믹 볼 헤드의 다양한 설계변수에 따른 안정성을 평가하기 위해 유한요소분석 방법을 이용하여 정량화된 데이터를 제시 하였다. 해석조건 및 하중은 ISO 7206-5와 FDA Gaudiance를 따랐다.
- 이에 본 연구에서는 x-ray 영상에서 볼 헤드 설계를 위한 변수를 측정하여 환자의 대퇴골두와 스템의 헤드 형상을 고려한 세라믹 볼 헤드를 설계한다. 설계한 9가지의 볼 헤드 모델은 유한요소법(finite element method, FEM)을 이용하여 기계적 안정성을 평가한다.
- 정적 해석을 수행한 볼 헤드 9가지 모델에 대한 응력을 비교해 보았다. 일반적으로 특정부위의 하중에 의한 응력이 과도하게 발생할 경우 응력 집중이 걸려 인공관절 전치환술의 주요한 실패 원인이 되며, 따라서 최대응력의 최소화 및 그 분포 정도는 주요한 관심 대상이 될 수 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 (주) 코렌텍에서 생산되는 스템에 맞추어 볼 헤드를 설계하였다. 볼 헤드의 성분은 임상에서 널리 사용되고 있는 세라믹(ceramic, Al2O3. 99.8%)을 사용하였다. 볼 헤드의 설계는 상용 CAD 프로그램인 솔리드 웍스(SoildworksⓇ, Dassault System)를 이용하였다.
- 6면체 요소망이 4면체 요소망보다 정확한 결과를 나타낸다고 알려져 있지만, 본 연구에서는 곡면을 고려하고 대퇴골 모델에서는 4면체 요소망이 수치적인 값에 근접한 결과를 보이는 것으로 나타나 4면체 요소망을 사용하여 유한요소 모델링을 실시하였고, 하이퍼메쉬 내에서 proximity와 curvature를 고려한 명령어를 설정하여 최대한의 수치값에 가까운 형태를 하도록 하였다[4]. 스템은 19546~29388개, 볼 헤드는 55,363~120,474개, 서포트(support)는 약 7000개의 3차원 요소망을 갖는다. 그리고 각 유한요소 모델의 물성치는 표 1과 같으며 Weisse[5]의 논문을 참고하였다.
데이터처리
- 3으로 하였다. 완성된 유한요소 모델은 그림 5와 같이 ABAQUS 6.9를 사용하여 정적해석을 하였다.
이론/모형
- 스템은 19546~29388개, 볼 헤드는 55,363~120,474개, 서포트(support)는 약 7000개의 3차원 요소망을 갖는다. 그리고 각 유한요소 모델의 물성치는 표 1과 같으며 Weisse[5]의 논문을 참고하였다. 또한 그림 4의 ISO 7206-5는 인공고관절 볼 헤드의 정적해석을 하기 위한 조건으로 관련규격에 따라 힘은 스템에 수직한 방향으로 주었으며, 서포트는 완전구속을 하였다.
- 8%)을 사용하였다. 볼 헤드의 설계는 상용 CAD 프로그램인 솔리드 웍스(SoildworksⓇ, Dassault System)를 이용하였다. 사람마다 대퇴골두의 크기가 다른 점을 감안하여 볼 헤드의 직경을 3가지로 구분하고, 스템의 헤드 오프셋의 길이 조절을 고려하여 삽입 깊이를 3가지로 구분하여 그림 3과 같이 9가지의 3차원 모델을 설계를 하였다.
- 이에 본 연구에서는 x-ray 영상에서 볼 헤드 설계를 위한 변수를 측정하여 환자의 대퇴골두와 스템의 헤드 형상을 고려한 세라믹 볼 헤드를 설계한다. 설계한 9가지의 볼 헤드 모델은 유한요소법(finite element method, FEM)을 이용하여 기계적 안정성을 평가한다.
- 완성된 3차원 모델들은 상용 유한요소(finite element) 모델링 패키지인 하이퍼메쉬(Hypermesh 8.0, Altair Engineering)의 볼륨 테트라 메쉬(volume tetra mesh) 방법을 이용하여 선형 4절점 4면체 요소망으로 유한요소 모델링하고, 해석결과 처리는 상용 유한요소 해석 프로그램인 아바쿠스(ABAQUS 6.9, Dassault system)를 사용하였다. 6면체 요소망이 4면체 요소망보다 정확한 결과를 나타낸다고 알려져 있지만, 본 연구에서는 곡면을 고려하고 대퇴골 모델에서는 4면체 요소망이 수치적인 값에 근접한 결과를 보이는 것으로 나타나 4면체 요소망을 사용하여 유한요소 모델링을 실시하였고, 하이퍼메쉬 내에서 proximity와 curvature를 고려한 명령어를 설정하여 최대한의 수치값에 가까운 형태를 하도록 하였다[4].
- 또한 그림 4의 ISO 7206-5는 인공고관절 볼 헤드의 정적해석을 하기 위한 조건으로 관련규격에 따라 힘은 스템에 수직한 방향으로 주었으며, 서포트는 완전구속을 하였다. 하중은 FDA Gaudiance[10]에 따라 스템에 46kN을 적용하였다. 각 모델은 등방성(isotropic)과 동질성(homogeneous)하다고 가정하였고, 마찰계수를 고려한 면 접촉(contact surface)조건을 적용하였다.
- 이러한 세라믹 볼 헤드의 다양한 설계변수에 따른 안정성을 평가하기 위해 유한요소분석 방법을 이용하여 정량화된 데이터를 제시 하였다. 해석조건 및 하중은 ISO 7206-5와 FDA Gaudiance를 따랐다. 해석결과 설계된 9가지 모델들이 모두 한계응력보다 낮았고, 가장 큰 응력이 발생한 모델이 세라믹의 굽힘강도에 비하여 69%의 응력이 발생하여 전 모델이 안전하다고 할 수 있다.
성능/효과
- CB28L 모델을 기준으로 CB32L은 약 78%, CB36L은 약 67%의 응력이 발생하여 평균적으로 CB28에 비해 CB32가 약 77%, CB36은 약 67%의 응력크기를 보여 직경이 작을수록 응력이 크게 발생하였다(CB28 > CB32>CB36).
- CB36S모델을 기준으로 CB36M은 약 81%, CB36L은 약 70%의 응력이 발생하여 평균적으로 Short에 비해 Medium이 약 82%, Long은 약 70%의 응력을 보여 삽입 깊이가 낮을수록 응력이 크게 발생하였다(Short > Medium > Long).
- 볼 헤드의 직경이 커질수록 두께가 두꺼워지고 이는 강성의 증가를 가져오게 되어 직경이 작은 볼 헤드에 비하여 직경이 큰 볼 헤드의 안전성이 더 높게 된다. 본 연구의 해석결과에서도 볼 헤드의 직경이 커질수록 응력이 작아지는 경향이 나타났으며, Kim[9]의 논문에서 볼 헤드의 직경이 커질수록 관절의 운동 범위(range of motion)가 커지고 스템과의 충돌 위험도 감소되는 것을 말하고 있어서, 인공고관절 치환술시 대퇴골두와 일치하는 가능한 큰 직경의 볼 헤드를 사용하는 것이 파손의 위험을 줄이고 관절 운동범위를 넓힐 수 있음을 알 수 있었다.
- 삽입 깊이에 따른 최대응력을 비교해 보았을 경우 CB28S 모델을 기준으로 CB28M은 약 79%, CB28L은 약 69%의 응력이 발생하였다. CB32S 모델을 기준으로 CB32M은 약 85%, CB32L 은 약 72%의 응력이 발생하였다.
- 설계된 9가지 모델들이 모두 세라믹의 굽힘강도보다 낮은 응력 분포를 보였지만 테이퍼 부위에 응력이 집중되는 것을 관찰할 수 있었다. 하중의 경우 ISO 7026-5의 규격에 따라 한가지의 경우만 해석하였는데 실제 몸속에 삽입되었을 경우 다양한 하중이 가해질 것으로 예상된다.
- 볼 헤드는 주로 금속(metal)과 세라믹 (ceramic)으로 제작되며, 비구컵과의 겹합방식은 초기에는 금속폴리에틸렌 관절면(surface bearing)을 많이 사용하였으나 폴리 에틸렌 마모 입자들에 의한 골용해로 최근에는 세라믹-세라믹, 금속-금속 관절면이 사용되고 있다[12]. 세라믹은 매우 낮은 마찰계수를 가짐으로 마모율이 폴리에틸렌의 1/10로 마모입자의 생성이 거의 없고, 흡수성 및 생체 적합성 높은 것으로 알려졌다. 그러나 높은 강성(stiffness)과 매우 작은 연성(ductility)으로 인하여 비구 컵에 무균성 해리 등이 발생하고, 세라믹 볼 헤드의 균열이 쉽게 형성되어 파손을 일으키는 문제가 발생하고 있다[11].
- 스템 헤드가 볼 헤드에 삽입되는 깊이가 깊을수록 응력이 작아지는 경향도 나타났는데 접촉면적이 넓을수록 응력전달이 넓은 면적에서 이뤄지고 응력집중의 영향이 적어지게 되어 볼 헤드의 안정성이 높아지게 되는 것을 알 수 있었다.
- 해석조건 및 하중은 ISO 7206-5와 FDA Gaudiance를 따랐다. 해석결과 설계된 9가지 모델들이 모두 한계응력보다 낮았고, 가장 큰 응력이 발생한 모델이 세라믹의 굽힘강도에 비하여 69%의 응력이 발생하여 전 모델이 안전하다고 할 수 있다. 볼 헤드의 직경이 작을수록, 삽입깊이가 작을수록 응력이 크게 발생하는 경향을 보여 임상에서 사용되는 볼 헤드의 안전성에 대한 판단 기준이 될 것으로 생각된다.
후속연구
- 볼 헤드의 직경이 작을수록, 삽입깊이가 작을수록 응력이 크게 발생하는 경향을 보여 임상에서 사용되는 볼 헤드의 안전성에 대한 판단 기준이 될 것으로 생각된다. 이러한 결과들은 그 동안 규격화된 제품의 사용으로 인해 발생할 수 있는 여러 문제점들을 환자의 대퇴골두와 유사한 디자인의 볼 헤드의 설계를 통하여 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 하중의 경우 ISO 7026-5의 규격에 따라 한가지의 경우만 해석하였는데 실제 몸속에 삽입되었을 경우 다양한 하중이 가해질 것으로 예상된다. 향후 더 다양한 하중에서의 해석과 테이퍼 부위의 응력집중을 줄임으로써 볼 헤드의 파손위험을 감소시킬 수 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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