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문제 정의
- 본 연구의 목적은 무나사 오메가형 스프링 연성 후방 극돌기간 고정재의 기계적 변형특성을 분석하는 것이다.
제안 방법
- )에서 규정한 F1717 지그(jig) 규격을 기반으로 제작하였다. ASTM F1717에 제시된 피로시험 지그는 현재 일상생활에서 인공 관절로 많이 쓰이고 있는 고분자 재료(10)로서 인체내 요추뼈(Lumbar Bone)의 역할을 대신할 수 있는 초고분자량 폴리에틸렌 UHMWPE 재질로 만들었다.
- )를 사용하였다. 고정고리간 거리가 가장 긴 고정재가 가장 약한 굽힘 강성을 가질 것이라는 것은 이론적으로 예상할 수 있었지만, 객관적인 측정 데이터의 확보를 위해 4개의 모델에 대한 압축시험이 시행되었다. 25 mm/min의 변위속도로 인장과 압축시험을 각 모델 당 6개의 시편을 시험하였다.
- 나사가 있는 나선형 스프링 고정재(Screw and spiral-wire spring system, Bio-Spine system, Seoul, korea)와 무나사 오메가형 스프링 고정재(Screwless omega-wire spring system) 에 대해 압축으로 유도되는 굽힘 해석을 실시하였다. 유한요소해석은 Ansys Workbench 12.
- 그리고 R-ratio(maximum load/minium load)을 10으로 적용하였다. 다시 말해, 각 15N/1.5N, 12N/1.2N, 10N/1N의 압축반복하중을 적용하여 실험을 수행하였다. 그 후 5백만회 이상의 반복하중에서도 파단이 일어나지 않은 하중조건을 찾아내어 피로 시험을 6개의 시편에 대해서 수행하였다.
- 3에서 나타내는 바와 같이 고정재와 지그의 이탈을 방지함과 동시에 제어를 위해서 X축과 Z 축 방향을 고정시키고 Y축은 자유변위조건을 주었다. 하중은 위와 아래의 UHMWPE 블록에 고정된 회전실린더의 중심축을 지나는 수직방향 즉, Y축 방향으로 0N에서 20N까지 5N 단위로 점진적으로 하중을 가할 때 고정재의 변형을 분석하였다.
대상 데이터
- 고정고리간 거리가 가장 긴 고정재가 가장 약한 굽힘 강성을 가질 것이라는 것은 이론적으로 예상할 수 있었지만, 객관적인 측정 데이터의 확보를 위해 4개의 모델에 대한 압축시험이 시행되었다. 25 mm/min의 변위속도로 인장과 압축시험을 각 모델 당 6개의 시편을 시험하였다.
- 2N, 10N/1N의 압축반복하중을 적용하여 실험을 수행하였다. 그 후 5백만회 이상의 반복하중에서도 파단이 일어나지 않은 하중조건을 찾아내어 피로 시험을 6개의 시편에 대해서 수행하였다.
- 본 연구에서는 오메가형 고정재의 양단의 고리 중심간 거리가 다른 4개의 모델에 대해서 기계적인 변형 값을 측정하기 위해 만능인장압축시험기 Instron 5582(Instron Co., U.S.A.)를 사용하였다. 고정고리간 거리가 가장 긴 고정재가 가장 약한 굽힘 강성을 가질 것이라는 것은 이론적으로 예상할 수 있었지만, 객관적인 측정 데이터의 확보를 위해 4개의 모델에 대한 압축시험이 시행되었다.
- 실험에 사용된 재료는 무나사 오메가형 스프링 시스템(Screwless Omega-wire System, Kang&Park Medical Co., Korea)으로 고정고리간 거리(Interring distance)가 45mm, 50mm, 55mm, 60mm의 4가지의 모델로 되어 있다(Fig. 2).
이론/모형
- 나사가 있는 나선형 스프링 고정재(Screw and spiral-wire spring system, Bio-Spine system, Seoul, korea)와 무나사 오메가형 스프링 고정재(Screwless omega-wire spring system) 에 대해 압축으로 유도되는 굽힘 해석을 실시하였다. 유한요소해석은 Ansys Workbench 12.1가 이용되었다. Fig.
- 지그는 정적 인장시험과, 정적 압축시험을 위해 Stainless Steel의 재질로 제작되었으며, 동적피로 시험(Dynamic Fatigue Test)은 ASTM(American Society for Testing and Materials, U.S.A.)에서 규정한 F1717 지그(jig) 규격을 기반으로 제작하였다. ASTM F1717에 제시된 피로시험 지그는 현재 일상생활에서 인공 관절로 많이 쓰이고 있는 고분자 재료(10)로서 인체내 요추뼈(Lumbar Bone)의 역할을 대신할 수 있는 초고분자량 폴리에틸렌 UHMWPE 재질로 만들었다.
성능/효과
- 45 mm, 50 mm, 55 mm, 60 mm의 고정고리간 거리를 가진 무나사 오메가형 고정재의 인장과압축 실험 결과에서 2.2에서 언급하였을 때의 예상과 같이 45 mm의 고정재가 가장 강한 극한하중을 보였으며, 60 mm의 고정재에서 가장 약한 극한하중 값을 구할 수 있었다. 물리적인 조건에서 45 mm, 50 mm, 55 mm 고정고리간 거리를 가진 고정재는 60 mm 고정재보다 파단 강도가 강할 것이라는 판단 하에 정적인장, 압축, 동적 피로 시험에서 제외되었다.
- 본 논문의 한계는, 척추뼈와 추간연골판, 후방 인대(Posterior ligament)가 손상된 경우에 적용하기 위해서는 추간체에 사용되는 공간채움쐐기(Spacer)를 적용하지 않은 점이다. ASTM F1717 시험법에 실제적인 후방추간체간 공간채움쐐기(Spacer)를 같이 사용할 경우 임상적으로 더 현실을 반영할 수 있는 결과를 얻을 수 있고, 시술 후의 실제 압축강도는 본 실험의 실험값보다 훨씬 높게 나올 것으로 예상된다. 또한, ASTM F1717에 제시된 UHMWPE 초고분자량 폴리에틸렌 시험지그에 의한 피로시험보다, 실제적인 적용성을 알아보기 위해서 동물이나 인체의 사체를 이용한 추가적 실험 또는 임상적 실험이 필요할 것으로 판단된다.
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4. 결론
결과적으로, 고정고리간 거리가 60 mm인 무나사 오메가형 스프링 고정재는 8~9 mm 척추체에 압축굽힘변위가 가해지는 조건에서 ASTM F1717에 의한 피로 시험결과 5백만회 이상에서 사용해도 안전한 것으로 판단이 된다.
- 27 MPa로 나타났다. 나선형 스프링 고정재는 최대응력이 75.49 MPa로서 오메가 형이 약 200 MPa 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 74 mm로 나타난 것을 확인할 수 있었다. 압축 실험에서는 6개의 시편의 평균 극한하중은 535.6 N으로 나왔으며, 그에 따른 극한변위(Ultimate displacement)는 평균 2.11 mm이었다.
- 각 항목에 대해 6개의 시편의 평균값과 표준편차가 제시되었다. 인장 실험에서 평균 극한 하중(Ultimate Force)은 3981.7 N으로 나타났으며, 3981.7N의 극한하중에서 극한변위(Ultimate strain)는 86.74 mm로 나타난 것을 확인할 수 있었다. 압축 실험에서는 6개의 시편의 평균 극한하중은 535.
- 4에 나타난 10N/1N의 하중에서 그래프와 같이 5,000,000회 반복피로하중이 가해지는 동안 변위가 3~12 mm 사이에 머물고 있음을 알 수 있다. 즉, 10N/1N의 하중을 인가하였을 때 5,000,000회 동안 8~9mm의 압축 변위가 발생 하였음에도 불구하고 파단이 일어나지 않는다는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- ASTM F1717 시험법에 실제적인 후방추간체간 공간채움쐐기(Spacer)를 같이 사용할 경우 임상적으로 더 현실을 반영할 수 있는 결과를 얻을 수 있고, 시술 후의 실제 압축강도는 본 실험의 실험값보다 훨씬 높게 나올 것으로 예상된다. 또한, ASTM F1717에 제시된 UHMWPE 초고분자량 폴리에틸렌 시험지그에 의한 피로시험보다, 실제적인 적용성을 알아보기 위해서 동물이나 인체의 사체를 이용한 추가적 실험 또는 임상적 실험이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 논문의 한계는, 척추뼈와 추간연골판, 후방 인대(Posterior ligament)가 손상된 경우에 적용하기 위해서는 추간체에 사용되는 공간채움쐐기(Spacer)를 적용하지 않은 점이다. ASTM F1717 시험법에 실제적인 후방추간체간 공간채움쐐기(Spacer)를 같이 사용할 경우 임상적으로 더 현실을 반영할 수 있는 결과를 얻을 수 있고, 시술 후의 실제 압축강도는 본 실험의 실험값보다 훨씬 높게 나올 것으로 예상된다.
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