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탄성계수에 따른 무릎 인공관절 이식 부품의 응력분포에 관한 시뮬레이션 연구
A Simulation Study on the Stress Distribution of the Transplanting Part of Artificial Knee Joint due to Elastic Modulus 원문보기

Composites research = 복합재료, v.28 no.3, 2015년, pp.89 - 93  

이정호 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Kongju University) ,  황규완 (Division of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju University) ,  조재웅 (Division of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju University) ,  전성식 (Division of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju University)

초록
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본 연구는 무릎 인공관절의 이식 조직으로서 사용되는 이식 부품을 분석한다. 저탄성 티타늄 합금은 응력 차폐 현상을 해소하기 위해 적용되어진다. 이식 부품들의 응력 분포를 연구하기 위하여 시뮬레이션 해석이 수행되어진다. 저탄성 티타늄 합금의 탄성계수에 따른 등가응력 분포를 통하여 골격과의 상관 관계가 도출되고 연구된다. 이식 부품의 응력은 탄성계수가 감소함에 따라 처음에는 감소하다가 약 46 GPa 부근에서 가장 크게 감소하고 다시 증가한다. 이식 부품에 걸리는 응력의 감소는 골격에 더 큰 응력이 가해지게 되므로 응력차폐현상으로 볼 수 있다. 본 연구 결과는 무릎 인공관절의 이식 부품과 같은 복합 재료의 안전한 설계를 개발하는데 필요한 자료로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study analyzes the transplanting parts used as the graft of artificial knee joint. The low elastic titanium alloy is applied to clear up the stress shield effect. The simulation analysis is carried about the stress distribution of the transplanting parts. The correlation with frame is inferred ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이처럼 응력 차폐 현상은 골격의 약화를 유발하기도 하지만 골조직의 밀도를 저하하여 이식부품과 골격간의 결합성을 약화시키며 더 나아가 응력의 대부분을 이식 부품이 지지하게 되어 수명을 악화시키는 결과를 가져온다. 본 연구에서는 종래의 티타늄합금 재질의 이식 부품에 대한 것으로 약 96 GPa로부터 26 GPa에 이르기까지 다양한 분포의 탄성계수를 재질에 적용하여 탄성계수의 변화에 따라 이식 부품에 작용하는 응력분포를 살펴보았다. 이를 통해 저탄성의 티타늄 합금재질이 사용되었을 때 같은 하중을 받는다는 조건하에서 탄성계수에 따른 차이점을 시뮬레이션 해석을 통해 확인하였으며 이를 통해 그 영향성을 파악하는 데에 이바지할 것으로 사료된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
무릎통증은 어떻게 나타나는가? 또한 노화의 진행으로 골격의 약해지면서 무릎통증 등을 해소하기 위한 방편으로 무릎 인공관절 시술이 나날이 늘어가고 있는 추세이다. 노화가 진행되면서 우리의 무릎 관절은 지속적인 마모로 인해 골격사이로 신경이 드러나게 되는데, 이때 드러난 신경이 압박을 받으면서 나타는 것이 바로 무릎통증이다. 이러한 무릎통증을 해소하기 위해서 시술되는 무릎 인공관절은, 티타늄 합금재질의 상부와 하부 이식 부품, 무릎 관절끼리 직접 닿는 것을 막기 위한 연골을 대신하기 위해 폴리에틸렌 재질의 완충재로 구성되어 있다.
무릎 인공관절은 어떻게 구성되어있는가? 노화가 진행되면서 우리의 무릎 관절은 지속적인 마모로 인해 골격사이로 신경이 드러나게 되는데, 이때 드러난 신경이 압박을 받으면서 나타는 것이 바로 무릎통증이다. 이러한 무릎통증을 해소하기 위해서 시술되는 무릎 인공관절은, 티타늄 합금재질의 상부와 하부 이식 부품, 무릎 관절끼리 직접 닿는 것을 막기 위한 연골을 대신하기 위해 폴리에틸렌 재질의 완충재로 구성되어 있다. 시술은 상부와 하부 무릎관절에 구멍을 뚫어 이식 부품을 본 시멘트를 이용해 고정한 뒤, 완충재를 이식 부품 사이에 위치시킨 후 봉합한다[1].
무릎 인공관절의 시술은 어떻게 이루어지는가? 이러한 무릎통증을 해소하기 위해서 시술되는 무릎 인공관절은, 티타늄 합금재질의 상부와 하부 이식 부품, 무릎 관절끼리 직접 닿는 것을 막기 위한 연골을 대신하기 위해 폴리에틸렌 재질의 완충재로 구성되어 있다. 시술은 상부와 하부 무릎관절에 구멍을 뚫어 이식 부품을 본 시멘트를 이용해 고정한 뒤, 완충재를 이식 부품 사이에 위치시킨 후 봉합한다[1]. 그러나 인공관절에 사용되는 티타늄 합금재질의 이식 부품은 탄성계수가 약 100 GPa로 골격의 탄성계수인 36GPa보다 높다.
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참고문헌 (6)

  1. Jeong, J.Y., Hwang, W.B., and Ha, S.K.,"Structural Analysis and Design of Artificial Hip Joint by Using Finite Element Method," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 12, No. 5, 1999, pp. 98-109. 

  2. Martelli, S., Taddei, F., Schileo, E., Cristofolini, L., Rushton, N., and Viceconti, M., "Biomechanical Robustness of a New Proximal Epiphyseal Hip Replacement to Patient Variability and Surgical Uncertainties: A FE Study, Medical Engineering & Physics, Vol. 34, pp. 161-171, 2012. 

  3. Megat Ali, M.S.A., Shariffudin, N., Jahidin, A.H., Mat Som, M.H., and Norali, A.N., "A Preliminary Study: Finite Element Analysis of an Artificial Knee Implant Design", 2010 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications, Penang, Malaysia, pp. 395-400, 2010. 

  4. Choi, H.K. and Cho, J.U., "Study on the Fatigue Analysis of DCB Model with Aluminum Foam", Journal of Korean Society of Mechanical Technology, Vol. 14, No. 6, pp. 39-43, 2012. 

  5. Zhang, L., Zhu, M., Shen, L., and Zheng, F., "Finite Element Analysis of the Contact Interface Between Trans-femoral Stump and Prosthetic Socket", 5th Annual International Conference of the IEEE EMBS Osaka, Japan, pp. 1270-1273, 2013. 

  6. Kim, H.M., Kim, D.H., Gu, J.U., Choi, N.S., and Kim, S.K., "Effects of Heat Treatment on Mechnical Propoerties of Cross- Linked Ultra-HighMolecular Weight Polyethylene Used for Artificial Joint Liner."Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 22, No. 2, 2009, pp. 1-6. 

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