필렛효과에 따른 미세혈관 문합커플러(AnaFix®) 마이크로핀의 응력분포 Stress Distribution in Microvascular Anastomotic Coupler (AnaFix®) Micropins with Respect to the Fillet Radius원문보기
기존 봉합사를 이용한 미세혈관수술의 단점을 개선한 기계식 미세혈관 문합시스템은 크게 문합링-핀 시스템 및 디바이스로 구분된다. 유한요소해석을 이용한 본 연구에서 문합링파트는 생체적합성과 사출성형 가공성이 우수한 High Density Polyethylene(HDPE)가 적용되었고, 마이크로핀은 SUS316, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, unalloyed titanium 이상 4가지 재료가 적용되었다. 미세혈관 문합링 마이크로핀의 fillet radius, neck length가 von Mises stress 변화에 미치는 영향을 평가하기 위해 Short Neck(SN)과 Long Neck(LN)으로 구분하고, 필렛이 존재하지 않는 경우(SN-1, LN-1)와 존재하는 경우(SN-2, SN-3, LN-2, LN-3)로 구분하였다. 필렛 유무와 형상에 대한 von Mises stress의 변화비인 Fillet Radius Rate(FRR)와 동일 필렛형상 내에서 neck 길이변화에 따른 von Mises stress의 변화비인 Neck Length Rate(NLR)의 결과를 종합해본 결과 SN-3의 마이크로핀 neck 형상이 가장 안전한 설계 형상임을 파악할 수 있었다.
기존 봉합사를 이용한 미세혈관수술의 단점을 개선한 기계식 미세혈관 문합시스템은 크게 문합링-핀 시스템 및 디바이스로 구분된다. 유한요소해석을 이용한 본 연구에서 문합링파트는 생체적합성과 사출성형 가공성이 우수한 High Density Polyethylene(HDPE)가 적용되었고, 마이크로핀은 SUS316, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, unalloyed titanium 이상 4가지 재료가 적용되었다. 미세혈관 문합링 마이크로핀의 fillet radius, neck length가 von Mises stress 변화에 미치는 영향을 평가하기 위해 Short Neck(SN)과 Long Neck(LN)으로 구분하고, 필렛이 존재하지 않는 경우(SN-1, LN-1)와 존재하는 경우(SN-2, SN-3, LN-2, LN-3)로 구분하였다. 필렛 유무와 형상에 대한 von Mises stress의 변화비인 Fillet Radius Rate(FRR)와 동일 필렛형상 내에서 neck 길이변화에 따른 von Mises stress의 변화비인 Neck Length Rate(NLR)의 결과를 종합해본 결과 SN-3의 마이크로핀 neck 형상이 가장 안전한 설계 형상임을 파악할 수 있었다.
An automated anastomotic ring-pin system consisting of both the anastomotic ring-pin system and the coupler device has eliminated the drawbacks of the suture method. High density polyethylene (HDPE), a material with outstanding biocompatibility and injection molding capability, was used in the ring....
An automated anastomotic ring-pin system consisting of both the anastomotic ring-pin system and the coupler device has eliminated the drawbacks of the suture method. High density polyethylene (HDPE), a material with outstanding biocompatibility and injection molding capability, was used in the ring. SUS316 stainless steel, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, and unalloyed titanium were used in FEM simulations of the micropin. The authors categorized the microvascular anastomotic ring micropins into short neck (SN) and long neck (LN) groups in order to evaluate the effect of the micropin's fillet radius and neck length on the von Mises stress. The micropins were further divided into those with and without fillet. On the basis of the fillet radius rate (FRR), which represents the rate of change in the von Mises stress with respect to the availability and shape of the fillet, and the neck length rate (NLR), which represents the rate of change in the von Mises stress with respect to changes in the length of the neck within the fillet shape, it can be concluded that the SN-3 neck design is the most stable.
An automated anastomotic ring-pin system consisting of both the anastomotic ring-pin system and the coupler device has eliminated the drawbacks of the suture method. High density polyethylene (HDPE), a material with outstanding biocompatibility and injection molding capability, was used in the ring. SUS316 stainless steel, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, and unalloyed titanium were used in FEM simulations of the micropin. The authors categorized the microvascular anastomotic ring micropins into short neck (SN) and long neck (LN) groups in order to evaluate the effect of the micropin's fillet radius and neck length on the von Mises stress. The micropins were further divided into those with and without fillet. On the basis of the fillet radius rate (FRR), which represents the rate of change in the von Mises stress with respect to the availability and shape of the fillet, and the neck length rate (NLR), which represents the rate of change in the von Mises stress with respect to changes in the length of the neck within the fillet shape, it can be concluded that the SN-3 neck design is the most stable.
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가설 설정
Fig. 4에 제시한 바와 같이 마이크로핀의 경계조건은 실제결합조건을 적용하여 1) 문합링과 직접접촉, 2) x-,y-,z-축 고정, 3) 회전불가능으로 설정하였다. 문합링의 결합순간, 결합진행, 결합완료 3단계에서 평균적으로 마이크로핀에 작용하는 압축하중은 2.
0N임을 선행된 문합링 압축실험을 통하여 측정할 수 있었다. 따라서 문합링간 결합시 양측 문합링에 부하되는 평균압축하중은 Pm=2.5N이므로 양측 문합링 총12개의 개당 마이크로핀의 압축하중은 Pm,i=0.2N 내외로 가정하였다. 최대허용하중 Pa(max)은 Pa(max)≤1.
제안 방법
본 연구에서는 미세혈관 문합링 마이크로핀의 필렛반경(fillet radius), 목길이(neck length)가 von Mises stress 변화에 미치는 영향을 평가하기 위해 Short Neck(SN)과 Long Neck(LN)으로 구분하고, 필렛이 존재하지 않는 경우(SN-1, LN-1)와 존재하는 경우(SN-2, SN-3, LN-2, LN-3)로 구분하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다.
33N 이상의 조건을 만족해야한다. 본 연구에서는 상기조건을 바탕으로 유한요소해석(FEA)을 실시하였으며, 마이크로핀 목부위(neck part)의 필렛 형상과 길이비가 von Mises stress의 분포에 미치는 영향을 상기 4가지의 재질에 따라 평가하였다.
최대허용하중 Pa(max)은 Pa(max)≤1.75Pm,i이므로, Pa(max)=0.2~0.35N의 하중범위로 유한요소해석을 수행하였다.
대상 데이터
0mm 내외의 수술케이스가 가장 빈번하다. 따라서 Fig. 2(a)와 같이 외경(D1)=3.45mm, 내경(D2)=2.0mm의 직경 2mm 혈관문합용 링이 본 연구에 적용되었다. Fig.
따라서 링-핀의 재료선정에 있어서 생체적합성, 성형가공성 확보는 매우 중요하다. 링재질인 HDPE는 21CFR 177.1520, USP 32:2009/MSDS를 근거로 적용하였으며, 마이크로핀 재질인 SUS316 또는 Ti는 ASTM F136-02a, ASTM F1472-02, ASTM F1108-02, ISO 5832-3 등을 기초로 생체적합성에 대한 근거를 부여하였다 .
문합링은 술후 인체에 영구삽입되므로 생체적합성을 충분히 고려해야 한다. 링파트는 생체적합성과 사출성형성이 우수한 High Density Polyethylene(이하, HDPE)가 적용되었고, 마이크로핀은 SUS316, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, unalloyed titanium 이상 4가지 재료가 적용되었다. 4가지 마이크로핀 재료들의 기계적 특성은 Table 1과 같다.
데이터처리
문합링 결합 시 링-핀에 가해지는 응력의 변화를 관찰하기 위해 유한요소해석 상용 프로그램(ANSYS)을 이용하였다. 마이크로핀의 기계적 특성은 Table 1을 적용하였다.
6에 제시하였다. 본 연구에서 적용한 von Mises stress는 Fig. 4에 제시한 마이크로핀의 길이 방향으로 가해지는 주응력간의 차이에 대한 RMS(Root Mean Square) 값을 적용하였다. 또한 Max.
이론/모형
von Mises stress criterion은 Shear-energy theory와 Max. distortion energy theory를 기반으로 한 von-Mises-Hencky 이론을 적용하였다. 마이크로핀에 가해지는 주응력들을 S1, S2, S3이라 할 때 von Mises stress는 식 (1)과 같다.
성능/효과
(1) SN-1은 SN-2, SN-3보다 각각 1.07배, 1.95배 정도 von Mises stress가 증가하였다. 동일 필렛형상인 경우 SUS316은 Ti계열에 비해 약 1.
(2) LN-1과 LN-2간의 von Mises stress는 거의 차이가 없었다. 필렛형상 변화에 따른 SUS316과 Ti계열의 von Mises stress ratio를 비교해 보면, SN-2/SN-1의 관계와 LN-2/LN-1의 관계는 거의 유사함을 알 수 있었다.
(3) 필렛 유무와 형상에 대한 von Mises stress의 변화비를 나타낸 fillet radius rate와 동일 필렛형상 내에서 목부위(neck part) 길이변화에 따른 von Mises stress의 변화비를 나타낸 목길이(neck length)의 결과를 종합해본 결과 SN-3와 같은 형상의 마이크로핀이 가장 안전함을 알 수 있었다.
4N/mm2이므로 SN-2가 SN-1에 비해 약 7% 정도의 von Mises stress 감소가 발생되었음을 알 수 있다. SUS316과 Ti계열(Ti-6Al-7Nb, Ti-6Al-4V, unalloyed Ti)의 평균값을 비교해보면, SN-1의 경우 Ti계열이 SUS316에 비해 4.0%의 von Mises stress 감소가 나타났고, SN-2의 경우 3.3% 감소가 나타났다. 한편, SN-1과 SN-3의 von Mises stress를 비교해 보면 SN-3의 von Mises stress의 평균은 σave =17.
Table 2에 정리된 내용을 바탕으로 SN-1과 SN-2의 von Mises stress를 비교해 보면, SN-1의 4가지 재질에 따른 von Mises stress의 평균은 σave =34.7N/mm2이고, SN-2는 σave=32.4N/mm2이므로 SN-2가 SN-1에 비해 약 7% 정도의 von Mises stress 감소가 발생되었음을 알 수 있다.
4에 제시한 바와 같이 마이크로핀의 경계조건은 실제결합조건을 적용하여 1) 문합링과 직접접촉, 2) x-,y-,z-축 고정, 3) 회전불가능으로 설정하였다. 문합링의 결합순간, 결합진행, 결합완료 3단계에서 평균적으로 마이크로핀에 작용하는 압축하중은 2.0~3.0N임을 선행된 문합링 압축실험을 통하여 측정할 수 있었다. 따라서 문합링간 결합시 양측 문합링에 부하되는 평균압축하중은 Pm=2.
마이크로핀은 곡률형상이 복잡하여 곡률기반메쉬를 사용하였다. 삼각메쉬 최소길이는 0.001~0.021mm로 자동전이될 수 있도록 설정하여 해석결과의 정확성을 향상시켰다.
2% 감소하였다. 이상을 종합해보면 필렛효과는 Fig. 7에 제시한 바와 같이 SN-3/SN-1이 가장 낮은 점으로 보아 SN-3의 필렛형상이 가장 우수하다고 판단된다. 그러나 SN-3과 LN-3이 동일하게 R2=0.
(2) LN-1과 LN-2간의 von Mises stress는 거의 차이가 없었다. 필렛형상 변화에 따른 SUS316과 Ti계열의 von Mises stress ratio를 비교해 보면, SN-2/SN-1의 관계와 LN-2/LN-1의 관계는 거의 유사함을 알 수 있었다.
한편, SN-1과 SN-3의 von Mises stress를 비교해 보면 SN-3의 von Mises stress의 평균은 σave =17.6N/mm2이고, SN-3가 SN-1에 비해 약 49.3%의 von Mises stress 감소가 나타났음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
링-핀의 재료선정에 있어서 생체적합성, 성형가공성 확보는 매우 중요하다고 한 이유는?
AnaFixⓇ의 링-핀시스템은 인체 내 영구이식되기 때문에 식품의약품안전청(KFDA) 분류상 최상위인 4등급에 해당한다. 따라서 링-핀의 재료선정에 있어서 생체적합성, 성형가공성 확보는 매우 중요하다.
기존 봉합사를 이용한 미세혈관수술의 단점을 개선한 시스템은 무엇인가?
기존 봉합사를 이용한 미세혈관수술의 단점을 개선한 기계식 미세혈관 문합시스템은 크게 문합링-핀 시스템 및 디바이스로 구분된다. 유한요소해석을 이용한 본 연구에서 문합링파트는 생체적합성과 사출성형 가공성이 우수한 High Density Polyethylene(HDPE)가 적용되었고, 마이크로핀은 SUS316, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, unalloyed titanium 이상 4가지 재료가 적용되었다.
기계식 미세혈관 문합시스템은 무엇으로 구분되는가?
기존 봉합사를 이용한 미세혈관수술의 단점을 개선한 기계식 미세혈관 문합시스템은 크게 문합링-핀 시스템 및 디바이스로 구분된다. 유한요소해석을 이용한 본 연구에서 문합링파트는 생체적합성과 사출성형 가공성이 우수한 High Density Polyethylene(HDPE)가 적용되었고, 마이크로핀은 SUS316, Ti-6Al-4Nb, Ti-6Al-4V, unalloyed titanium 이상 4가지 재료가 적용되었다.
참고문헌 (11)
Chang, K.-P., Lin, S.-D. and Lai, C.-S., 2007, "Clinical Experience of a Microvascular Venous Coupler Device in Free Tissue Transfers," The Kaohsiung Journal of Medical Sciences, Vol.23, No.11, pp.566-572.
Hallock, G.G. and Rice, D.C., 2008, "Early Experience with the New 'Megacoupler' Ring-pins for Microvascular Anastomoses," Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery, Vol.61, Issue 8, pp.974-976.
Chung, N. Y., Lim, H. C., Lee, S. H., Park, J. H. and Park, J. W., 2008, "Easy and Fast Anastomosis using Microvascular Anastomotic Coupler System," Journal of Orthopedic Associate, Vol.43, No.1, pp.36-42.
Jung, Y.-J., Son, D.-G. and Kim, H.-J., 2006, "Microvascular Anastomotic Coupler (MAC) System for Microanastomosis of Free Flap," Journal of the Korean Society for Microsurgery, Vol.15, No.2, pp.51-57.
Kim, C.-W., Lee, H.-S., Park, J.-W. and Son, D., 2010, "Anastomosis Apparatus Comprising Driving Gears," Korean Patent, Triple-C Medical Corp., Regist. No.10-0995794, (16th November, 2010).
Kim, C.-W. and Jang, K.-S., 2010, "Dislocation Preventive Anastomosis Ring and Anastomosis Device, Anastomosis Method," Korean Patent, Triple-C Medical Corp., Regist. No.10-2010-0000170, (4th January, 2010).
Kim, C.-W. and Jo, K.-H., 2010, "Guide Groove Type Anastomosis Device," Korean Patent, Triple-C Medical Corp., Regist. No.10-2010-0000494, (5th January, 2010)
Kim, C.-W. and Jang, K.-S., 2010, "Forceps-form Anastomosis Apparatus," Korean Patent, Triple-C Medical Corp., Regist. No.10-2010-0033134, (12th April, 2010).
Kim, C.-W., Koong, Y., Jee, D.-W. and Jang, K.-S., 2010, "Slot Drive Type Anastomosis Device," Korean Patent, Triple-C Medical Corp., Regist. No.10-1002239, (13th December, 2010).
Triple-C Medical Corp. 2010, "Anastomosis Fixation Fantastic Device (AnaFix)," Korean Patent, Regist. No.40-0831763 (3rd July, 2010).
Triple-C Medical Corp. 2010, "Isomorphic Anastomotic Fixation (IsoFix)," Korean Patent, Regist. No.40-2010-0017151 (1st April, 2010).
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