[논문]유한 요소 법을 이용한 노화에 따른 요추의 피질 골과 해면 골 간의 하중 분담 비율

임종완

doi:10.9718/jber.2016.37.2.90

유한 요소 법을 이용한 노화에 따른 요추의 피질 골과 해면 골 간의 하중 분담 비율
Load Sharing Ratios Between the Cortex and Centrum in a Lumbar Vertebral Body with aging using Finite Element Method 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.37 no.2, 2016년, pp.90 - 103

임종완

초록
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본 연구는 유한 요소 법을 이용한 노화되어 강성/강도가 저하되는 요추 체의 얇은 피질과 해면 골의 하중 분담 비율 분석과 사용된 탄성계수들의 평가가 목적이다. 해면 골의 나은 해석을 위하여, 20년마다 압축 시험에서 얻은 탄성계수를 체적 공극 비율로 나눈 유효 탄성계수를 사용하였다. 이와 상응하는 피질 쉘도 공극 비율을 포함한 빔 이론의 수식들로부터 유효 탄성계수를 구한 후에 적용하였다. 또한 p-요소를 사용하여 수치 오차를 최소화하였다. 보고된 논문들을 참고하여 후관절 부분이 제거된 매개 변수적인 퇴행된 L3 척추 형상을 만들어 유한 요소 모델링 하였다. 일정 변위의 압축 조건을 가한 후에 여덟 조각의 부피 별로 각 뼈에서 탄성 변형률 에너지와 수직 하중의 비율을 사용하여 하중 분담 비율을 계산하였다. 결과로는 1) 20대에서 80대까지 해면 골의 하중 비율은 55%에서 49%로 감소하였다; 2) 피질 쉘은 중간 면에서 최고 비율을, 해면 골은 종판에서 최고 비율을 나타냈다; 3) 다공성 얇은 피질과 해면 골을 위한 유효 탄성계수의 사용은 적절하였다; 4) 두 방법을 이용하여 얻은 하중 분담 비율의 차이는, 전체 비율은 1% 미만 내에서 같지만 각 위치에서의 비율 값들은 약간 달랐다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research was aimed to analyze load sharing ratios between cortical shell and trabecular bone of a degraded lumbar vertebra with aging, and also evaluate elastic moduli assigned into an FE model, using finite element method. For the better analysis of trabecular bone, effective elastic moduli, that is, nominal elastic moduli divided by the volumetric porosities was used. The elastic moduli of the cortical shell suitable for the trabecular bone were obtained from the equations on the basis of idealized stress-strain relations, including areal porosities. To minimize numerical errors, p-element was used. Using eight parameters that refer to some published papers, the geometry of L3 with a removed posterior part. After the constant compressive displacement was applied, the load sharing ratios were obtained by using both every elastic strain energy and every vertical force between two bones in each 8-volume. As results, 1) according to an increase in age from 20-year to 80-year, load sharing ratios of trabecular bone decreased from 55% to 49%; 2) the maximal ratios of each bone were occurred in the mid-plane of centrums and the endplate of cortical shells, respectively; 3) effective elastic moduli assigned into a porous centrum/cortex were found to be adequate; 4) for load sharing ratios, the difference of two methods showed that the total ratios were almost same within less than 1% but the partial ratios at every depth were more or less different each other.

주제어

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압축 하중을 견디는 추체는 무엇으로 구성되어 있나?	주로 압축 하중을 견디는 추체는 피질 골과 해면 골로 구성된다. 추체의 피질 골은 고밀도 뼈이며 얇은 외피라는 의미의 피질 쉘로도 불리는데, 내부의 다공성 스폰지 뼈를 구속한다.
	올바른 하중 분배 비율을 결정하기 위한 방법으로 기술된 사항은?	올바른 하중 분배 비율을 결정하기 위한 방법으로 다음 몇 가지를 기술한다. 1) 하중 조건은 일정한 변형율 즉 동일 높이의 표면에 일정한 변위를 가해야 한다. 즉 오목한 종판의 모양을 제거하여 하중 조건에 따른 잘못을 남기지 말아야 한다. 만일 종판에 하중을 가한다면, 면적 비에 의해서 해면 골과 피질 쉘에 가해지는 하중이 결정되므로 엄밀한 의미의 하중 분담비가 아니라고 본다. 2) 엄밀히 말하면, 2개의 분절을 갖는 시험, 또는 그러한 유한 요소 해석은 추체 내 2종 골의 하중비가 아닌 것이 된다. 추체 만의 매개변수가 아닌 디스크의 상태와 분절의 곡률 등에 영향을 받게 된다. 따라서 하나의 추체를 시료로 시험하거나 그것을 유한요소 모델로 만든 후에 가능하다. 3) 밀도를 측정해서 강도(strength)와 강성(elastic modulus)을 예측하는 것은 옳다고 본다. 그러나 생체 내(in vivo) 안전성 진단을 위해서는 밀도 측정만으로는 부족하다. 뼈의 실제 강도와 강성을 계산하기 위해서는 본 논문의 식 (2), (5) 그리고 (17)을 적용해야 한다. 즉 피질 쉘와 해면 골간의 하중 분담 비율의 중요성이다. 따라서 일정 체적 내 공극 비율(porosity)의 측정이 병행 되어야 할 것이다.
	노화 현상이 미치는 영향은?	나이가 들면서 추체의 해면 골의 섬유(기둥) 두께는 얇아지고 간격은 멀어지는데, 수평 방향이 수직보다 심한 것으로 알려져 있다[1,2]. 이러한 노화 현상은 골 질량의 변화에 따른 외형의 변화[3], 추체의 구조 및 강도 저하[4], 두 재료(외피와 심재)의 구조 변화에 의한 역학적인 물성까지 영향을 미친다[5-7]. 따라서 엄연히 다른 두 재료를 갖는 추체의 거동 해석에서 재료의 물성은 외형만큼 중요하다.

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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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