초록 ▼

척추성형술에 대한 이론적 배경을 과학적으로 제시하고 그 개선안을 모색한다. 이를위해 의료영상으로부터 척추의 3차원 유한요소모델을 생성하는 기법을 개발하고, 골밀도의 분포를 토대로 뼈의 재료에 대한 물성치를 예측하여 해석에 사용하도록 한다. 또한 생체역학적인 분석을 토대로 가장 이상적인 척추성형술 기법을 개발함과 동시에 기존의 문제점들과 합병증을 예방할 수 있는 방법을 알아내고자 한다.
의료 영상정보로부터 척추의 3차원 유한요소모델을 자동적으로 생성하는 기법을 개발하였으며, 이는 척추체에 있는 피질골, 망상골 및 뼈 시멘트 등을

척추성형술에 대한 이론적 배경을 과학적으로 제시하고 그 개선안을 모색한다. 이를위해 의료영상으로부터 척추의 3차원 유한요소모델을 생성하는 기법을 개발하고, 골밀도의 분포를 토대로 뼈의 재료에 대한 물성치를 예측하여 해석에 사용하도록 한다. 또한 생체역학적인 분석을 토대로 가장 이상적인 척추성형술 기법을 개발함과 동시에 기존의 문제점들과 합병증을 예방할 수 있는 방법을 알아내고자 한다.
의료 영상정보로부터 척추의 3차원 유한요소모델을 자동적으로 생성하는 기법을 개발하였으며, 이는 척추체에 있는 피질골, 망상골 및 뼈 시멘트 등을 모두 나타낼 수 있는 정교한 모델이다. 이를 사용하면 척추의 골밀도에 따른 요소별 재료물성치를 적용할 수 있으므로, 골다공증 환자의 압박골절 상태 및 치료법을 과학적으로 시뮬레이션하는 시스템을 구축할 수 있게 된다. 한편, 망상골에 대해 겉보기 밀도를 측정하고 압축 시험을 이용하여 골밀도에 따른 PMMA 주입 전 후 망상골의 물성치를 측정하였다. 또한 유한요소법을 통해 압입시험기의 압입자 직경과 시험방법에 대한 유효성을 평가하였다. 이를 바탕으로 망상골과 같은 재료에 적용할 수 있는 압입이론식을 보정하였고 압입시험을 통해 골밀도에 따른 망상골의 물성치를 측정 후 압축시
험의 결과와 비교 분석하였다. 아울러 골다공증성 압박골절 환자들의 임상 특징과 치료 결과를 체계적으로 분석하여 척추성형술의 치료 효과와 문제점들을 확인하였
다. 또한 기존의 양측성 주입방법과 end-hole 주입기에 따른 문제점을 개선할 수 있는 새로운 주입기를 개발하였다. 다발성척추압박골절시 기존의 검사로 시술 부위 선정의 어려움을 적외선체열검사의 응용으로 이상적인 시술 부위를 선정하도록 하였으며, 열 발생이 없는 새로운 골강화제 대체 물질을 개발하였다.
CT로부터 얻어진 단면영상들을 이용하여 3차원 유한요소모델을 생성하는 기법과 해석기술을 개발함으로써 척추성형술에 대한 정량적 평가와 개선 방안의 제시가 가능하게 되었다. 또한 골밀도에 따른 PMMA 주입 전 후에 대한 망상골의 물성치를 측정함으로써 CT 영상을 통해 척추성형술시 망상골의 기계적 물성치를 예측할 수 있고 주입 후의 물성치에 대해서도 예측할 수 있다. 이를 이용하여 PMMA 주입 위치와 적정량을 결정할 수 있는 기초자료로 쓰일 수 있다. 망상골에 대한 압입시험기의 유효성 평가를 위한 유한요소모델의 요소망 자동 생성프로그램이 제작되었고 망상골 물성치 측정에 보다 효율적인 압입시험법이 제시되었다.
본 연구 결과로 기존의 척추성형술의 단점과 문제점들을 보완할 수 있으며 치료 효과적인 측면과 시술의 용이성과 편리함, 그리고 환자들에게 짧은 시술 시간과 최소한의 시술부위와 통증 유발을 기대할 수 있는 이상적인 시술 방법과 골강화제 주입기의 개발이 임상적인 측면에서의 성과라 할 수 있다.

Abstract ▼

The purpose of this research is to provide the theoretical background for
vertebroplasty for patients with osteoporosis by employing scientific methods
and thus to find out the improvements of the conventional surgical method. In
order to perform accurate analysis of vertebroplasty, the You

The purpose of this research is to provide the theoretical background for
vertebroplasty for patients with osteoporosis by employing scientific methods
and thus to find out the improvements of the conventional surgical method. In
order to perform accurate analysis of vertebroplasty, the Young's modulus for
trabecular bone should be available as a function of apparent density as well
as accurate 3D finite element modeling of vertebral body.
An automatic construction scheme of 3D finite element meshes from medical
image has been developed, which can produce accurate finite element models
with accurate geometry and with appropriate material properties of cortical
and trabecular bone and bone cement. Accurate material properties of bone has
been obtained by investigating the relation between the material properties
of bone and the bone density distribution. For this purpose a non-destructive
spherical indentation tester has been developed, and the Young's moduli for
different apparent densities of intact trabecular bone and PMMA injected one
have been measured from a swine and a cadaver. This trabecular bone
indentation test has been validated by comparing compression test and FEA for
the simulation of indentation test. The modified Pharr's equation has been
proposed to estimate the Young's modulus in the indentation test.
Clinical outcome and the complications of present method of vertebroplasty in
patients with osteoporotic vertebral compression fracture have also been
analyzed systematically. As a result, a new, ideal PMMA injection
method(injector) that reduces operation time, operation sites, and discomfort
from patients has been developed. In addition, infrared thermography has been
applied to detect the ideal targets for vertebroplasty especially when
multiple fractures(including old, non-significant ones) are present.
The 3D mesh generation scheme from medical images developed in this research
can be employed to evaluate current surgical method for vertebroplasty
quantitatively and thus to obtain an ideal surgical method. This modeling
scheme can also be applied to other human skeletal body and organs and thus
can contribute to the biomechanical study greatly. The material properties of
the vertebral body with and without the injected PMMA can be predicted from
CT images by using the material properties of trabecular bone and the
composite of trabecular/PMMA for different apparent densities. This can be
employed to obtain the appropriate location and amount of PMMA into vertebral
body. Also, a meshing preprocessor for generating trabecular bone model has
been developed to evaluate the validity of the indentation test by the FEM..
An efficient indentation test method to obtain the material properities of
trabecular bone has been developed and it can also be applied to test other
porous materials.
A new bone cement injector has been developed based on the confirmation of
ideal injection location and minimal volume requirement, that will result in
better clinical outcome with much less side effects or complications. With
continued research, new biocompatible materials for vertebroplasty that
enhance our current research results can be available.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...2
• 1. 국문요약문...2
• Ⅱ. 연구결과 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• 2. 영문요약문...4
• Ⅲ. 연구내용...10
• 제1연구...10
• 1. 서론...10
• 2. 연구방법 및 이론 ...13
• 3. 결과 및 고찰...56
• 4. 결론...64
• 5. 인용문헌...66
• 제2연구...68
• 1. 서론...71
• 2. 연구방법 및 이론...72
• 3. 결과 및 고찰...84
• 4. 결론...95
• 5. 인용문헌...96
• 제3연구...97
• 1. 서론...98
• 2. 연구방법 및 이론...98
• 3. 결과 및 고찰...103
• 4. 결론...108
• 5. 인용문헌...108