[논문]스템 길이에 따른 환자맞춤 인공고관절의 역학적 안정성 비교

전용태

doi:10.7315/cde.2016.426

스템 길이에 따른 환자맞춤 인공고관절의 역학적 안정성 비교
Comparison of Biomechanical Stability of Custom-made Hip Implants using Finite Element Analysis 원문보기

한국CDE학회논문집 = Korean Journal of Computational Design and Engineering, v.21 no.4, 2016년, pp.426 - 432

전용태 (세종대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Designing a morphologically well-fitted hip implant to a patient anatomy is desirable to improve surgical outcomes since a commercial ready-made hip implant may not well conform to the patient joint. In this study, biomechanical stability of patient-specific hip implants with two different stem lengths was compared and discussed using a 3D finite element analysis (FEA). The FEA results in this study showed that an increase in stem length brings about more the peaked von-Mises stress (PVMS) in the prosthesis and less in the femur. However the decrease in von-Mises stress in the femur causes stress shielding phenomenon that usually leads to considerable bone resorption. Although, in biomechanical stability point of view, this work recommends the use of smaller stems, the length of stem must be determined by considering both the von-Mises stress and the stress-shielding phenomenon.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 CATIA^TM(Dassault Systemes, Massachusetts, USA) V5R20를 이용하여 인공고관절 스템 길이에 따른 인공관절 및 인체관절의 생체역학적 안정성을 분석하여, 바람직한 스템 길이를 결정할 수 있는 설계방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

환자 맞춤형 인공관절 설계에서 인공고관절 스템 길이의 장단(長短)에 따른 생체역학적 안정성을 비교 분석하였다.

대상 데이터

Type A: 스템 끝 단이 대퇴골 협부(isthmus) 부분까지 위치시킨 상대적으로 긴 인공관절.
Type B: 스템 끝 단을 소전자(less trochanter) 아래 15~30 mm 정도에 위치시킨 짧은 인공관절.

이론/모형

따라서 스템 길이는 맞춤형 인공고관절 형상을 결정하는데 핵심항목이므로 이에 대한 해석적 접근이 필요하다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 생체역학적 안정성 관점에서 스템 길이의 영향을 분석하기 위하여 Fig. 3과 같이 길이가 다른 두 종류(Type A & Type B)의 인공고관절을 비교하고자 한다.
대퇴골두 유한요소모델과 1 mm 간격을 갖는 일련의 절단면들을 적용하여 순차적으로 교점(intersection points)을 계산하였다. 얻어진 각 절단면 위의 교점들을 최소자승 직교 보간법(Least-Square Orthogonal Fitting)을 적용하여 Fig. 7과 같이 대퇴골두를 구(sphere)로 근사하였다. 대퇴골두의 지름은 38.

성능/효과

스템 길이가 대퇴골 협부에 이르는 긴 스템을 갖는 인공관절(Type A)이 상대적으로 짧은 스템 길이를 갖는 인공관절(Type B)보다 대퇴골에 작용하는 von-Mises 응력과 변형량이 상대적으로 작았지만 작은 작용응력으로 인하여 수술 후 골결손을 야기할 수 있는 응력차폐 발생 가능성은 상대적으로 높았다.

후속연구

즉 역학적 안정성 측면으로는 최대 von-Mises 응력을 최소화하는 것이 바람직하지만 von-Mises 응력이 너무 적게 걸리는 경우 인체골에 응력차폐가 유발되므로 실제 von-Mises 응력이 유효응력 범위의 하한값과 상한값 사이에 놓여지도록 인공관절 스템 길이를 결정해야 생체역학적으로 안전한 설계가 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인체 고관절이란?	인체 고관절(hip joint or coxofemoral joint)은 소켓모양의 오목한 골반골 비구(acetabulum)와 대퇴골(femur)의 볼록한 골두가 결합된 엉덩이 관절이다[1].일상생활 중에 고관절은 아래와 같은 복잡한 해부학적 관절운동을 한다(Fig.
	고령사회에서 관절 기능 상실하는 환자가 증가하는 이유는?	고령사회에 접어들면서 골관절염(osteoarthritis,OA) 등 심한 병리로 인하여 고유의 관절기능을 상실하는 환자가 점차 증가하고 있다. 병리가 매우 심각한경우, 비구부분을정제하고 대퇴골두(femoral head)를 제거 한 후 대퇴골 내강에 인공고관절을 이식시켜 본래의 고관절 기능을 복원시키는 인공 고관절 전치환술(Total Hip Arthroplasty, THA)이 널리 적용되고 있다.
	고관절은 일상 생활에서 어떤 운동을 하는가?	- 굴곡(flexion)/신전(extension) - 외전(abduction)/내전(adduction) - 내회전(medial rotation)/외회전(lateral rotation)

참고문헌 (6)

Levangie, P. and Norkin, C., 2011, Joint Structure & Function: A Comprehensive Analysis, The F.A. Davis Company, Philadelphia, Pennsylvania.
Seo, J.W. and Jun, Y., 2008, Extracting 3D Geometry Parameters of Hip Joint for Designing a Custom-Made Hip Implant, Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, 13(35), pp.200-208.
Herrera, A., Rebollo, S., Ibarz, E., Mateo, J., Gabarre, S. and Gracia, L., 2014, Mid-term Study of Bone Remodeling after Remoral Cemented Stem Implantation: Comparison between DXA and Finite Element Simulation, The Journal of Arthroplasty, 29, pp.90-100.

상세보기
Jun, Y. and Lim, E., 2016, Finite Element Analysis of custom-made implants in cementless Total Hip Arthroplasty, Proceedings of the Society of KSME in Production and Design Engineering Conference, Yeosu, Korea, pp.55-56.
Han, P., Jang, Y., Yoo, O., Kim, J., Kim, H. and Lim, D., 2013, Evaluation of Biomechanical Stability of Newly Developed Revision Total Knee Arthroplasty Through Strain and stress Distribution Analysis Within the Tibia: Finite Element Analysis, Journal of Biomedical Engineering Research, 34, pp.14-23.

원문보기 상세보기
Au, A.G., Raso, V.J. and Liggins, A.B., 2007, Contribution of Loading Conditions and Material Properties to Stress Shielding Near the Tibial Component of Total Knee Replacement, Journal of Biomechanics, Vol. 40, No. 6, pp.1410-1416.

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