[논문]악골 기형 치료를 위한 구내형 골신장기 개발에 관련된 융합 연구

이재기

doi:10.15207/jkcs.2016.7.6.075

악골 기형 치료를 위한 구내형 골신장기 개발에 관련된 융합 연구
Convergence study related in development of new intraoral jaw bone distractor in treating dentofacial deformities 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.7 no.6, 2016년, pp.75 - 80

초록
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악골기형에 따른 외과적 치료방법은 상악골 또는 하악골을 직접 늘리거나 줄이는 방식을 이용한다. 골신장술(distraction osteogenesis)은 열성장한 악골에 치밀뼈절단술(corticotomy)을 시행한 후, 골신장기(jaw bone distractor)를 사용하여 간헐적인 힘을 골에 부과하며 골의 길이를 늘여주는 대표적인 방법이다. 그러나 이러한 골신장기는 피부를 관통한 채 골에 고정되기 때문에, 비심미적이며 감염이나 흉터 등의 많은 문제점이 발생한다. 이 연구에서는 구내형 골신장기(intraoral jaw bone distractor) 개발을 위해 유한요소분석을 시행하여 핵심구동부의 안정성을 시뮬레이션한 후, 골신장기를 제작하였다. 융합연구를 통하여 향후 무선형 골신장기를 제작하기 위한 기반 자료를 구축하였으며, 관련 자료는 골신장술의 근본적인 문제점을 해결할 수 있는 가능성을 제시하며, 제반 기술은 다양한 의료기기 개발 기술에 활용될 수 있다

Abstract ▼ AI-Helper

Distraction osteogenesis is applied to correct mandible or maxilla deformities. Owing to the distractor being away from the skin, it is not aesthetic. Infection can arise due to manual part. And therefore, it is necessary to make the distractor using a new mechanism. 3D software was used for the intraoral distractor modeling. 3D meshes were used to analyze the stress distribution of the distractor was analyzed using Finite element analysis software. This research developed a intraoral distractor for continuous mandible distraction through convergence study. Base on the results, it provide helpful data for future version of the wireless intraoral distractor in other fields of bio and medical engineering.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

08mm 신장할 때, 요구되는 골신장기의 RPM 조건을 확인하기 위해 gear 1이 한 바퀴 회전할 때 housing이 이동하는 거리를 측정하였고, 이를 통해 RPM을 계산하였다. 골신장기의 과부하 상태를 고려한 안정성을 평가하기 위해서, 각 부품에 대한 응력집중을 확인하였다. 또한, 골 장착부위에 변위가 고정되어 있는 상태를 과부하 조건으로 가정하였다.
이 연구는 기존 골신장기의 동작 메커니즘을 바꿀 수 있는 새로운 방식의 구내형 골신장기를 개발하는 데 목적이 있다. 유한요소분석법을 통해 안정성을 시뮬레이션하고, 이를 기반으로 실제 구내형 골신장기를 제작하여, 최종적으로 개발할 무선형 구내골신장기에 대한 기반 자료를 구축하여 임상활용 가능성을 검토해보고자 한다.
이 연구는 기존 골신장기의 동작 메커니즘을 바꿀 수 있는 새로운 방식의 구내형 골신장기를 개발하는 데 목적이 있다. 유한요소분석법을 통해 안정성을 시뮬레이션하고, 이를 기반으로 실제 구내형 골신장기를 제작하여, 최종적으로 개발할 무선형 구내골신장기에 대한 기반 자료를 구축하여 임상활용 가능성을 검토해보고자 한다.

가설 설정

골신장기의 과부하 상태를 고려한 안정성을 평가하기 위해서, 각 부품에 대한 응력집중을 확인하였다. 또한, 골 장착부위에 변위가 고정되어 있는 상태를 과부하 조건으로 가정하였다. Gear 1에는 골이 0.

제안 방법

3D CAD 소프트웨어(SolidWorks 2006, SolidWorks Corp., MA, USA)를 이용하여 새로운 형태의 구내형 골신장기를 삼차원 모델링 하였다 [Fig. 2A]. 수치해석을 위한 mesh는 Hypermesh(Hyperworks 8.
골신장기를 제어하기 위해 Visual C/C++ (Microsoft, WA, USA), Windows API (NST, Tokyo, Japan)을 이용하여 그래픽 사용자 인터페이스를 구현하였다.
골이 0.08mm 신장할 때, 요구되는 골신장기의 RPM 조건을 확인하기 위해 gear 1이 한 바퀴 회전할 때 housing이 이동하는 거리를 측정하였고, 이를 통해 RPM을 계산하였다. 골신장기의 과부하 상태를 고려한 안정성을 평가하기 위해서, 각 부품에 대한 응력집중을 확인하였다.
이 연구에서 제작한 구내형 골신장기는 마이크로모터를 사용하였으며, 이를 통해 연속적인 힘과 간헐적인 힘을 조절할 수 있고, 피부를 관통하는 조작부를 제거할 수 있다. 최적의 재료를 선택하기 위해 SUS 402 J2,와 SUS 304 재료에 대해 과부하상태를 조건으로 유한요소분석을 시행하였다.
이 연구에서 제작한 구내형 골신장기는 마이크로모터를 사용하였으며, 이를 통해 연속적인 힘과 간헐적인 힘을 조절할 수 있고, 피부를 관통하는 조작부를 제거할 수 있다. 최적의 재료를 선택하기 위해 SUS 402 J2,와 SUS 304 재료에 대해 과부하상태를 조건으로 유한요소분석을 시행하였다. 유한요소분석은 고체재료에 대한 일반적인 응력을 분석하기에 적합한 방법이다[15, 16, 17, 18].
하루에 골을 0.08 mm 이동시키는 데 필요한 Gear 1의 rpm을 계산하기 위해서, Gear 1에 임의의 90rpm을 인가하여 180도 회전하였을 때의 이동거리를 측정하였다. 이때의 Housing part의 이동거리를 측정한 결과 0.
마이크로 모터의 RPM 데이터는 electric wire를 통해 전달된다. 하악체와 하악지의 크기를 고려하여 골신장기의 전체크기는 가로 30mm, 세로 10mm 이내로 하였고, 모터의 길이도 10mm를 초과하지 않게 제작하였다. Moving plate body 부분도 골절단술시의 간격 유지를 위해 최대 20mm 신장간격을 유지할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

Segment는 921,414개의 node와 2,712,271개의 element로 구성하였다. Housing 부분은 600,815개의 node와 535,775개의 element로 설계하였다 [Fig. 2B].
개인용 컴퓨터에서 버튼을 누른 정보는 케이블을 통해 골신장기로 데이터를 전송하도록 구성하였으며, 전송방식은 RS-232C 규격에 기반을 두었다. SUS 402 J2를 사용하여 골신장기를 제작하였다.
Mesh는 Gear 부분과 Housing 부분으로 나뉘며, 3개의 기어로 구성하였다. Segment는 921,414개의 node와 2,712,271개의 element로 구성하였다. Housing 부분은 600,815개의 node와 535,775개의 element로 설계하였다 [Fig.
5-1; SIMULIA, Providence, RI, USA)를 이용하여 응력분포와 기어 회전율 (revolution per minute, RPM)을 분석하고 계산하였다. 골신장기 재질은 SUS 402 J2와 SUS 304의 물성치를 사용하여 수치해석하였다.
4, 5]. 두 재질에 대해 해석을 한 결과, SUS 402 J2 재질이 내구성이 강하였기 때문에, 이 연구에서는 구내형 골신장기를 제작할 때, SUS 402 J2를 사용하였다 [Fig. 6].
핵심 구동부는 DC형 마이크로 모터(NST, Tokyo, Japan)를 사용하였다. 골신장기를 제어하기 위해 Visual C/C++ (Microsoft, WA, USA), Windows API (NST, Tokyo, Japan)을 이용하여 그래픽 사용자 인터페이스를 구현하였다.

데이터처리

수치해석을 위한 mesh는 Hypermesh(Hyperworks 8.0, Altair engineering GmbH, Böblingen, Germany)를 사용하였고, 유한요소분석은 골신장기의 핵심 구동부인 Gear부분과 응력전달이 미치는 구성부위를 대상으로 ABAQUS (ABAQUS V6.5-1; SIMULIA, Providence, RI, USA)를 이용하여 응력분포와 기어 회전율 (revolution per minute, RPM)을 분석하고 계산하였다.

이론/모형

골신장기를 제어하기 위해 Visual C/C++ (Microsoft, WA, USA), Windows API (NST, Tokyo, Japan)을 이용하여 그래픽 사용자 인터페이스를 구현하였다. 개인용 컴퓨터에서 버튼을 누른 정보는 케이블을 통해 골신장기로 데이터를 전송하도록 구성하였으며, 전송방식은 RS-232C 규격에 기반을 두었다. SUS 402 J2를 사용하여 골신장기를 제작하였다.

성능/효과

이러한 시뮬레이션을 통하여 실제로 임의의 장치를 제작하는데 필요한 시간과 비용을 줄여줄 수 있다는 장점이 있고, 보다 정확한 기계적 장치를 만들 수 있다. 유한요소분석에 기반을 둔 새로운 형태의 구내형 골신장기에 대한 응력분포는 gear가 맞물려 있는 부분에서 주로 발생하였으며, 두 재료의 강도는 SUS 304보다 SUS 402 J2가 컸고, gear1, 2, 3에 대한 차이는 각각 4.5Mpa, 32.4Mpa, 33Mpa으로 나타났다[Figs. 4, 5]. 두 재질에 대해 해석을 한 결과, SUS 402 J2 재질이 내구성이 강하였기 때문에, 이 연구에서는 구내형 골신장기를 제작할 때, SUS 402 J2를 사용하였다 [Fig.

후속연구

구내형 골신장기의 동물실험 및 인체적용을 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 특히, 이 연구의 자료를 기반으로 무선형 골신장기를 개발해야 하며 소형화 모듈, 방수, 뼈와 골신장기의 응력분포 관계 등에 대한 유한요소 분석 등이 요구된다.
특히, 이 연구의 자료를 기반으로 무선형 골신장기를 개발해야 하며 소형화 모듈, 방수, 뼈와 골신장기의 응력분포 관계 등에 대한 유한요소 분석 등이 요구된다. 이 연구와 관련된 제반기술과 향후 개발할 무선형 골신장기 기술은 다른 분야의 의료기기 개발에 응용 및 파급효과가 클 것으로 기대한다.
구내형 골신장기의 동물실험 및 인체적용을 위해서는 추가적인 연구가 필요하다. 특히, 이 연구의 자료를 기반으로 무선형 골신장기를 개발해야 하며 소형화 모듈, 방수, 뼈와 골신장기의 응력분포 관계 등에 대한 유한요소 분석 등이 요구된다. 이 연구와 관련된 제반기술과 향후 개발할 무선형 골신장기 기술은 다른 분야의 의료기기 개발에 응용 및 파급효과가 클 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	골신장술은 어떠한 치료법으로 이용되고 있는가?	골신장술은 골신장기(jaw bone distractor)를 이용하여 열성장한 골 부위에 골절단술(corticotomy)을 시행한 후, 골신장기를 통해 간헐적인 힘을 골에 부여하며 조직을 신장하는 방법이다 [1, 2]. 이러한 골신장술은 1992년 하악골을 신장하며 현재까지 구강악안면외과와 성형외과에서 효과적인 악골 기형 치료법으로 이용되고 있다 [3, 4]. 그러나 기존의 골신장기는 치밀골 표면에 고정원으로 나사를 식립하고, 임상의가 안면부위 피부를 관통한 조작부를 통해 골절단 간격을 늘리기 때문에 골에 인가되는 힘은 간헐적인 힘이 되며, 외부 창상에 의한 감염 빈도가 높고, 비심미적이며 피부에 흉터가 크게 남고, 조작부의 파절 등이 발생한다 [fig.
	악골의 열성장으로 인한 악골 기형 및 부조화의 대표적인 외과적 치료법은?	악골의 열성장으로 인한 악골 기형 및 부조화의 대표적인 외과적 치료법은 골신장술(Distraction osteogenesis)이다. 골신장술은 골신장기(jaw bone distractor)를 이용하여 열성장한 골 부위에 골절단술(corticotomy)을 시행한 후, 골신장기를 통해 간헐적인 힘을 골에 부여하며 조직을 신장하는 방법이다 [1, 2].
	골신장기의 조절부를 없애고, 골에 연속적인 힘을 부여할 수 있는 새로운 방식의 골신장기가 필요하다고 본 이유는?	이러한 골신장술은 1992년 하악골을 신장하며 현재까지 구강악안면외과와 성형외과에서 효과적인 악골 기형 치료법으로 이용되고 있다 [3, 4]. 그러나 기존의 골신장기는 치밀골 표면에 고정원으로 나사를 식립하고, 임상의가 안면부위 피부를 관통한 조작부를 통해 골절단 간격을 늘리기 때문에 골에 인가되는 힘은 간헐적인 힘이 되며, 외부 창상에 의한 감염 빈도가 높고, 비심미적이며 피부에 흉터가 크게 남고, 조작부의 파절 등이 발생한다 [fig. 1].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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