선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 흉요추 부위에서 후방 고정술의 고정 분절 변화가 척추 안정성에 미치는 영향을 유한요소해석을 이용하여 평가한다. 기존의 연구에서는 대부분 L1부터 L5까지 유한요소모델을 구현하였으나, 척추 질환 발생 가능성이 큰 L1을 기준으로 위, 아래 세 분절씩 추가하여 T10-L4까지 정상 모델(Intact model) 범위로 설정하였다.
- 기존의 연구에서는 대부분 L1부터 L5까지 유한요소모델을 구현하였으나, 척추 질환 발생 가능성이 큰 L1을 기준으로 위, 아래 세 분절씩 추가하여 T10-L4까지 정상 모델(Intact model) 범위로 설정하였다. 또 고정분절별로 척추 운동에 따라 척추골, 추간판 및 척추 고정체가 받는 응력과 변형량, 모멘트 및 운동 범위 계산을 수행하여 척추 안정성을 평가하고자 한다.
- 본 연구는 유한요소해석을 이용하여 후방유합술의 고정분 절에 따른 척추 안정성을 수치상으로 평가하는데 그 목적이 있다. 척추 질환 발생 가능성이 큰 L1을 기준으로 상, 하부 3분절을(T10-L4) 해석 범위로 설정하고 유한요소모델을 생성하여 유한요소해석을 수행하였다.
제안 방법
- 4(b) T12-L2(선택적 고정), Fig. 4(c) T12-L1-L2(완전 고정)의 세 가지 후방 고정술이 시술된 척추에 Table 2와 동일한 조건의 해석을 수행하여 변형량(Deformation), 등가 응력(Equivalent stress), 모멘트와 운동 범위를 계산하였다. 해석 인자(analysis parameter)는 Table 3에 정리하여 나타냈다.
- 정상적인 성인남성 척추 의료영상에서 본 연구에 필요한 흉요추 부위(T10-L4)를 선택한다. 3D 그래픽 프로세싱 프로그램인 Geomagic Design X(3D Systems, Rock Hill, SC, USA)를 사용하여 유한요소해석에 필요한 분절의 지오메트리(Geometry) 를 생성하였다.
- 검증 모델의 적용 범위는 척추 부분(L1–L5)이며 L1 상부에 각 모션별로 순수 모멘트(Pure moment)를 발생시켜 운동 범위와 모멘트 계산을 수행하였다.
- , 1992) 결과와 비교하였다. 본 연구의 시리즈 해석은 총 7분절(T10-L4)로 구성된 유한요소모델 중 L4의 척추체 아랫면과 척추뼈 고리 하부 추간관절(Facet joint)를 X, Y, Z축 방향으로 완전히 고정시키고 모션에 따라 T10 척추체 상부면에 모멘트를 가하여 수행하였다.
- 척추뼈 몸통과 기저 물질은 20-node solid element(SOLID186), 척추뼈 고리는 10-node solid element(SOLID187)가 적용되었다. 속질핵은 유체 거동을 모사하기 위해 8-node fluid element(FLUID30)가 적용되었으며 6종류의 인대는 모두 2-node link element(LINK180) 을 사용하여 각 분절을 연결하였다. 척추경 나사못과 척추 고정봉은 Titanium alloy이며 요소 타입은 10-node Solid element (SOLID187)이다.
- 검증 모델의 적용 범위는 척추 부분(L1–L5)이며 L1 상부에 각 모션별로 순수 모멘트(Pure moment)를 발생시켜 운동 범위와 모멘트 계산을 수행하였다. 순수 압축 하중은 L1 상부면에 1,000N 을 가하여 L4-L5 사이의 추간판 압력 결과를 검증모델(Crisco et al., 1992) 결과와 비교하였다. 본 연구의 시리즈 해석은 총 7분절(T10-L4)로 구성된 유한요소모델 중 L4의 척추체 아랫면과 척추뼈 고리 하부 추간관절(Facet joint)를 X, Y, Z축 방향으로 완전히 고정시키고 모션에 따라 T10 척추체 상부면에 모멘트를 가하여 수행하였다.
- 본 연구는 유한요소해석을 이용하여 후방유합술의 고정분 절에 따른 척추 안정성을 수치상으로 평가하는데 그 목적이 있다. 척추 질환 발생 가능성이 큰 L1을 기준으로 상, 하부 3분절을(T10-L4) 해석 범위로 설정하고 유한요소모델을 생성하여 유한요소해석을 수행하였다.
- 척추골은 상용 모델링 프로그램인 Inventor 2018(Autodesk, Mill Valley, CA, USA)을 사용하여 척추뼈 몸통(Vertebral body)과 척추뼈 고리(Vertebral arch)로 분할 후, 3차원 요소 생성이 가능하도록 모델을 단순화하였다. 추간판은 섬유륜(Anulus fibrosus) 의 기저 물질(Ground substance)과 속질핵(Nucleus pulposus) 으로 분할하였다.
- 흉요추부 유한요소모델에 각각의 재료 물성치와 요소 형태를 Table 1에 나타냈다. 척추뼈 몸통은 해면골(Cancellous bone), 척추뼈 고리는 피질골(Cortical bone)의 재료 물성치를 적용하 였으며(Shin et al., 2007; Kuo et al., 2010), 섬유륜의 기저 물질은 탄성고체, 속질핵은 비압축성 유체(Incompressible fluid)로 설정하였다(Kuo et al., 2010). 생체역학적으로 인대는 인장력에 대해서만 저항하므로(tension only), 단축 인장력(Uniaxial tension)과 단면적(Cross-section area)을 적용함으로써 인장력에만 선형 거동하도록 설정하였다(Zhong et al.
- 척추경 나사못과 척추 고정봉은 Titanium alloy이며 요소 타입은 10-node Solid element (SOLID187)이다. 최종적으로 유한요소해석 프로그램인 ANSYS 2019(ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA)을 사용하여 Fig. 2와같이 유한요소모델을 생성하고 해석을 수행하였다.
- 척추골은 상용 모델링 프로그램인 Inventor 2018(Autodesk, Mill Valley, CA, USA)을 사용하여 척추뼈 몸통(Vertebral body)과 척추뼈 고리(Vertebral arch)로 분할 후, 3차원 요소 생성이 가능하도록 모델을 단순화하였다. 추간판은 섬유륜(Anulus fibrosus) 의 기저 물질(Ground substance)과 속질핵(Nucleus pulposus) 으로 분할하였다. 척추의 주요 6개의 인대(Ligament)는 Fig.
- Shin 등(2007)은 L3-L4 척추 고정술에서 기존 고정형 임플란트와 동적 안정 장치(Dynamic stabilization device)의 척추 안정성을 비교하기 위해 L2-L5 유한요소모델을 구축한 후 시뮬레이션을 수행하였다. 특히, 이들 연구에서는 동적 안정 장치의 최적 탄성계수 탐색을 위해 추간판 내 압력(Intervertebral disc pressure, IDP)과 운동 범위를 주요 파라미터로 설정하였다. Yoon 등(2011)은 후방 고정술 후 추간판 내 압력을 감소시키기 위해 플렉시블로드(Flexible rod)를 제안하였으며, 제안 로드의 효용성 검증을 위해 L1-L5 유한요소모델을 구축한 후, 네 가지 척추운동(전방 굽힘(Flexion), 후방 굽힘(Extension), 측면 굽힘(Lateral bending), 축 회전(Axial rotation))을 구현한 시뮬레이션을 수행하였다.
대상 데이터
- 정상적인 성인남성 척추 의료영상에서 본 연구에 필요한 흉요추 부위(T10-L4)를 선택한다. 3D 그래픽 프로세싱 프로그램인 Geomagic Design X(3D Systems, Rock Hill, SC, USA)를 사용하여 유한요소해석에 필요한 분절의 지오메트리(Geometry) 를 생성하였다.
- 척추 고정체에 사용된 척추경 나사못은 직경 6.5mm 및 길이 50mm이며 척추 고정봉(Spinal rod)은 척추 고정체에 일반적으로 사용되는 Φ6 티타늄 봉을적용하였다(Jindal et al., 2012).
데이터처리
- 3은 Dreischarf 등(2014)의 연구에 적용된 각 모션별 유한요소해석 경계 조건을 나타낸 그림이며, Table 2의 각 모션별 순수 모멘트 하중 조건을 표로 정리하고 본 연구에 적용하였다. 시리즈 유한요소해석을 수행하기 전에, 후방 고정술이 시행되지 않은 정상 척추체에 Table 2의 조건에서 각 모션별로해석을 수행하고 그 결과를 검증된 모델과 비교하였다. 검증 모델의 적용 범위는 척추 부분(L1–L5)이며 L1 상부에 각 모션별로 순수 모멘트(Pure moment)를 발생시켜 운동 범위와 모멘트 계산을 수행하였다.
이론/모형
- , 2009). 척추뼈 몸통과 기저 물질은 20-node solid element(SOLID186), 척추뼈 고리는 10-node solid element(SOLID187)가 적용되었다. 속질핵은 유체 거동을 모사하기 위해 8-node fluid element(FLUID30)가 적용되었으며 6종류의 인대는 모두 2-node link element(LINK180) 을 사용하여 각 분절을 연결하였다.
성능/효과
- 3%로 증가폭도 거의 비슷하다. 결과적으로 모션을 취할 경우 척추체의 변형량은 L1-L2 고정과 비교하여 다른 고정 분절이 최대 1.51배에서 최소 1.43배 증가하는 것을 확인했다. 모션별로 보면 후방 굽힘에서 최대 변형량을 나타냈고, L1-L2 고정일 경우 측면 굽힘에서 최소 변형량을 나타냈으며, 다른 고정 방법에서는 축 회전의 경우 최소 변형량을 보인다.
- 척추의 운동 범위는 넓고 모멘트는 작을수록 환자에게 가장 이상적이다. 그러나 일반적으로 척추에 모멘트가 가해지면 운동 범위와 모멘트는 동시에 증가하며, 본 연구 결과에서도 대부분 비례하는 결과를 확인하였다. 그 중 미소한차이지만 상대적으로 운동 범위가 넓고 모멘트가 작은 경우는 L1-L2 고정의 측면 굽힘을 제외한 모든 모션이다.
- 2° 작은 운동 범위를 보이는데, 이러한 결과의 원인으로는 추간관절 접촉 조건이 선행 연구그룹과 같지 않기 때문으로 판단된다. 그러나 후방 굽힘에서는 선행 연구 결과에서 사체 실험결과보다 최대 2배 이상 큰 수치를 나타냈으나 본 모델의 조건에서는 사체 실험결과 오차 범위 안에 포함되며, 축 회전에서도 사체 실험결과와 거의 일치하는 결과를 보인다. 또 L4-L5 IDP 결과는 사체 실험 결과와 0.
- 또 L4-L5 IDP 결과는 사체 실험 결과와 0.05MPa 이하의 차이로 오차 범위 내에 포함되므로 본 연구에서 제안한 유한요소모델과 경계 · 하중조건이 합리적이라 판단된다.
- 43배 증가하는 것을 확인했다. 모션별로 보면 후방 굽힘에서 최대 변형량을 나타냈고, L1-L2 고정일 경우 측면 굽힘에서 최소 변형량을 나타냈으며, 다른 고정 방법에서는 축 회전의 경우 최소 변형량을 보인다. 이 결과로 변형량에 영향을 주는 요인은 고정분절임을 확인하였다.
- 고정분절 별로보면 L1-L2 고정이 모든 운동 조건에서 다른 분절 고정과 비교하여 변형량이 가장 작다. 변형량이 가장 작은 L1-L2 고정을 기준으로 다른 고정 방식과 비교하면, T12-L2 고정 척추경 나사못 변형량은 평균 151.8%이며 T12-L1-L2 고정은 148.8%로 T12-L2와 T12-L1-L2 고정 시에 L1-L2 고정과 비교하여 변형량이 약 1.5배 크다. 척추골의 경우에도 T12-L2는 145.
- 모션별로 보면 후방 굽힘에서 최대 변형량을 나타냈고, L1-L2 고정일 경우 측면 굽힘에서 최소 변형량을 나타냈으며, 다른 고정 방법에서는 축 회전의 경우 최소 변형량을 보인다. 이 결과로 변형량에 영향을 주는 요인은 고정분절임을 확인하였다. 특히 L1-L2의 경우 다른 고정분절과 비교하여 가장 작은 변형량을 나타내었다.
- L1-L2 고정의 경우 변형량은 다른 고정 방법의 절반 수준이지만, 척추경 나사못의 모션별 응력 차이가 크고 측면 굽힘 시에는 모멘트도 가장 높음을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 L1-L2 고정 시 환자가 일상생활에서 복합적인 척추운동을 수행할 경우, 특히 측면 굽힘에 의해 척추경 나사못 파손 및 나사못 이탈 가능성이 크므로 L1-L2 고정은 불안정하다고 판단된다.
- 또한, 전 · 후방 굽힘의 경우 적용한 모멘트의 크기는 같고 방향만 반대이므로 모멘트는 서로 동일하기 때문에 고정분절에 따라서 운동 범위만 약간의 차이를 보였다. 척추경 나사못과 척추골의 등가 응력은 측면 굽힘에서 가장 큰 수치를 나타낸 것을 볼 때 고정상태에서 운동 범위가 클수록 모멘트와 척추경 나사못과 척추골이 받는 응력이 증가함을 수치적 검증하였다.
- 먼저 모션별로 보면, 전 · 후방 굽힘에서는 세 가지 고정 방법 모두 등가 응력이 큰 차이를 보이지 않았다. 척추경 나사못의 등가 응력은 축 회전을 제외하고는 고정 분절에 따라서 큰 차이를 보이지 않았으나, 축 회전에서는 T12-L2가 L1-L2의 147.4%이며 T12-L1-L2는 137.2%로 응력차이가 크게 나타나며, 측면 굽힘에서는 이례적으로 다른 고정 방법과 비교하여 L1-L2의 등가 응력이 가장 높음을 볼 수있다. 척추골의 등가 응력에서도 측면 굽힘 운동 시에 척추경 나사못의 등가 응력과 유사한 경향을 보이며 이 경우에도 L1-L2의 등가 응력이 가장 크고 그 외의 경우에는 세 고정 방법 모두 유사한 수준이다.
- T12-L2 고정과 T12-L1-L2 고정은 각 모션별로 척추골과 척추경 나사못에 가해지는 등가 응력, 변형량, 운동 범위 및 모멘트의 차이가 크지 않으므로 두 고정 방법 모두 안정적임을 판단했다. 최종적으로 임상학적인 관점에서는 세 분절 모두를 완전 고정하는 T12-L1-L2 고정 방법이 가장 안정적이라는 결론을 얻었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.