[보고서]골관절염 통증 방지를 위한 신개념 복합재료 슬관절 보조기

이순혁

보고서 정보

주관연구기관

고려대학교 산학협력단

연구책임자

이순혁

보고서유형

최종보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2010-05

과제시작연도

2009

주관부처

중소기업청

사업 관리 기관

한국산업기술평가관리원 (중기청)

등록번호

TRKO201100013658

과제고유번호

1425057913

사업명

산학연공동기술개발

DB 구축일자

2013-04-18

표 우리나라 노령화와 무릎관절 환자 증가 추세
표 세계 무릎보조기 시장 점유율 1위 Donjoy 社 제품
표 무릎보조기의 분류와 형태
표 예방용 무릎 보조기
표 기능성 무릎 보조기
표 슬개대퇴골용 무릎보조기
표 Pivot Hinge 방식
표 Gear Hinge 방식
표 Slider Hinge 방식
표 Cross Linked Hinge 방식
표 국내 특허 현황
표 무릎관절의 통증과 충격을 완화시키는 무릎관절 지지대 대표 도면
표 (주)다빈치메디텍에서 개발한 Knee brace
표 Dr. MED 社 Knee brace 제품
표 (주)서울의지사의 무릎 보조기 종류
표 국내독점 (주)서울의지사 제품의 문제점
표 해외 글로벌 업체의 무릎보조기
표 Knee brace hinge(US4489718) 대표 도면
표 Anatomical Design knee brace 대표도면
표 KNEE BRACE WITH CAMMED STOP LEVER 힌지 대표도면
표 Knee brace hinge
표 Multi Axis Hinge의 대표도면
표 OA(Osteoarthritis) Brace view
표 OA(Osteoarthritis) Brace
표 세계 무릎보조기 시장 점유율 1위 Donjoy 社제품
표 슬관절의 해부학적 구조
표 90˚ 굴절 시 coronal plane에서 distal femur의 모습
표 무릎관절의 운동과 관련된 기준 회전축
표 슬관절의 6 자유도 모델
표 Knee joint motions
표 Passive condition에서의 flexion / extension에 따른 무릎관절의 motion
표 슬관절의 굴곡과 나머지 움직임의 상관관계
표 Active condition에서의 슬관절의 움직임
표 Roll and glide movement of the femoral condyle
표 four-bar linkage system을 이용한 knee joint의 구현
표 CT image를 Reconstruction하여 Medial과 lateral Sagittal plane에서 절개하여 Contact point에 따른 femoral articular surfaces.
표 굴곡각에 따른 전후방 전이의 변화
표 슬관절의 굴곡시 대퇴골과 경골의 내외측 접촉점의 변화
표 Passive와 active 조건에서 transverse plane 위의 COR의 변화
표 슬개대퇴관절의 압축력은 사두근과 슬개골건 장력의 벡터합
표 전방십자인대 손상 메커니즘
표 가이드 슬롯을 사용한 힌지 모델과 궤적
표 Frame Rotation 외 Rotation Hinge를 구비한 hook hinge 모델과 궤적
표 KS B 1404 규정 표준 모듈
표 원주피치와 주변 요소
표 범선 및 수직벡터의 설정
표 Master 치형 설계
표 Elliptical Gear의 구름운동
표 Elliptical gear의 궤적
표 J-curve 구현 가능 2축 힌지
표 2축 연동형 Knee Brace와 힌지의 J-curve 궤적
표 더블에스 연동형 2축 구동 힌지
표 De Witt's proof of the trammel과 Reciprocator의 타원 궤도 설정을 위한 결정 요소
표 왕복식 힌지를 응용한 힌지 개념도 및 설계
표 -5˚~30˚의 Extention 구간과 30˚~ 120˚ 의 Flexion 구간에서의 Contact point를 포함하는 26˚ 기울어진 1:1.618(황금비율)의 타원 궤적과 일치함.
표 Reciprocator Hinge Assay model Design
표 Reciprocator의 원리를 이용한 무릎보조기용 힌지의 이동 경로와 무릎의 해부학적 움직임과 근사한 무릎보조기의 모션 (paternt by Triple-C Medical Inc.)
표 무릎관절의 전위와 회전 및 슬라이딩이 고려된 왕복식 힌지
표 견인용 Reciprocate hinge와 해부학적 ROM을 갖는 힌지
표 무릎관절 최적화 Reciprocate Hinge 가공 도면
표 유한요소해석에 사용된 물성 자료 및 해당 hinge 부품
표 Hinge의 상단부와 하단부가 고정된 상태에서 중심부에 힘이 가해졌을 시 조립된 Knee Brace Hinge Assembly의 유한요소해석
표 유한요소해석을 이용한 오른쪽 Hinge를 구성하는 부품별 응력분포. 응력의 세기를 나타내는 컬러 스펙트럼(각 모델의 좌측상단)의 범위는 각 부품의 최고, 최저 응력에 맞도록 조정되었다.
표 해석 대상으로 선정된 상부(위)와 하부(아래) 프레임의 Shell 모델
표 상부(위)와 하부(아래) 프레임 모델의 mesh 생성결과
표 우측 무릎 보조기 시작품의 유한요소 모델(Flexin angle 0°의 경우)
표 유한요소해석 경계조건(주황색: translation 0으로 고정)과 하중(붉은색) (F=외력)
표 외측회전(external rotation)시 von Mises 응력과 주응력 방향의 분포
표 내측회전(internal rotation)시 von Mises 응력과 주응력 방향의 분포
표 외반회전(valgus rotation)시 von Mises 응력과 주응력 방향의 분포
표 내반회전(varus rotation)시 von Mises 응력과 주응력 방향의 분포
표 외측충격(Lateral Impact)시 von Mises 응력과 주응력 방향의 분포
표 내측충격(Medial Impact)시 von Mises 응력과 주응력 방향의 분포
표 내외측의 Condylar Sepatation과 무릎보조기의 착용으로 인한 견인 효과
표 각각의 무릎보조기를 이용한 보행분석을 통해 측정한 Average, Range, and SD Values of Medial Condylar Separation (in Millimeters)
표 2차원 이미지 캡쳐 방식으로 측정한 대퇴경골의 모션 분석
표 견인 강화용 왕복식 힌지의 타원 궤적
표 견인 강화용 왕복식 힌지 부품
표 슬개대퇴관절의 압축력은 사두근과 슬개골건 장력의 벡터 합이다.
표 당사에서 출원한 특허기술의 개념도 (Knee medial-lateral compartment assisted elements for applicable 6 degrees of freedom)
표 당사에서 출원한 특허기술의 개념도 (Hinge part for the flexion-extension motion by comfortable supports)
표 충격완화장치가 부착된 보조기 특허 개략도
표 판형스프링을 이용한 슬관절 보조기 힌지모델
표 Schematic view of skeletal Mechanism of six degrees of freedom for femoral-tibio joint
표 Schematic view of mechanical femoral-tibio joint made by this research group
표 Mechanical femoral-tibio joint (patent pictures) made by this research group
표 Patent of oseteoarthritis orthosis for heat, cold, and pressurization therapy by our research group
표 성형 후 도레이 34-700 탄소섬유를 포함한 NCT-301의 표준 CFRP Uni-directional 복합재의 물성. (275°F / 60 min 25 psi)
표 성형 후 3k Plan Weave 복합재 물성 (TNB-301 with 3k plain weave)
표 당사 특허의 하부 지지대 모델링(Modeling of tibial compartment made by fiber reinforced composite materials)
표 슬관절의 신전 및 굴곡 각도 제한 장치 (Stopper of flexion-extension angles)
표 고탄성 섬유강화 복합재료로 제작될 무릎 보조기 개념도 (Medial compartment reinforced Knee orthosis using high flexible composite materials (carbon fiber reinforced polymer)
표 Kneebrace 착용시 Tibia Femur image
표 인체공학 프레임 2차 모델
표 CFRP 방향 특성을 고려한 인체공학 프레임 3차 모델
표 개선된 CFRP 프레임 4차 설계 모델
표 상-하부 Frame Frome 최종 모델
표 금형 Cavity
표 금형 Cavity 언더컷 체크
표 CFRP 가공을 위한 금형 Cavity 설계
표 하부 Frame의 금형 Cavity
표 금형 Cavity를 이용한 CFRP 가공 시뮬레이션
표 Mazak 5축 가공기를 이용한 지그 및 금형 가공
표 후가공전 금형 제품
표 사상 공정 및 연마 후 금형
표 히팅 프레스를 이용한 CFRP 시험편 제작 및 광학 현미경을 이용한 시편 분석
표 시험편 형상 및 공차 조건
표 시험편 치수 조건
표 Carbon Fiber Reinforced Plastic 성형 시편
표 인장시험에 사용한 만능재료시험기(DTU-900MH 300KN)
표 만능시험기를 이용한 인장 시험 시편과 게이지
표 인장 실험의 전형적인 파손
표 1st test specimen (0/90° direction)
표 2nd test specimen (0/90° direction)
표 3rd test specimen (0/90° direction)
표 4th test specimen (0/90° direction)
표 5th test specimen (0/90° direction)
표 1st test specimen (-45/+45° direction)
표 2nd test specimen (-45/+45° direction)
표 3rd test specimen (-45/+45° direction)
표 4th test specimen (-45/+45° direction)
표 5th test specimen (-45/+45° direction)
표 오토크레이브(Autoclave : Pressure chamber 15kg/cm2, Heater Max 300℃)
표 오토크레이브(AutoClave)를 이용한 3차원 진공몰딩 CFRP 제작 공정
표 CFRP 프레임 C-ring 부위의 강도 평가
표 C-ring subject to a Load( )
표 해부학적으로 일치하는 Knee brace Assembly
표 전방십자인대(ACL)가 손상된 무릎의 특징
표 전방십자인대 손상 무릎에 대한 전방십자인대 재활용 무릎보조기의 기능
표 피스톤식 무릎보조기의 동작
표 충격흡수용 stopper를 구비한 왕복식 힌지모델
표 충격흡수용 Stopper의 작동원리
표 Stopper 및 actuator를 구비한 진자식 hinge
표 전방전위 방지위한 frame 위치변경
표 Tibio-femoral movement with flexion angles in the active condition (walking)
표 보행시 무릎의 굴곡 및 신전에 따른 전후방 전위의 변화
표 CT 이미지 분석 및 COP 측정
표 보행분석을 통한 shank coronal angle 및 내전 모멘트 측정
표 보행분석시 frontal plane에 대한 데이터 측정 및 분석
표 3D real time motion analysis system for gait analysis
표 cameras and force plate platform setup
표 Procedure of Gait analysis using 3D realtime motion analysis system
표 Helen Hays marker set을 부착한 피험자(본 연구 참여연구원)
표 Static test
표 Dynamic test
표 Three type experimental conditions
표 Knee flexion and extension angle of ipsilateral knee and contralateral knee during gait
표 식품의약안전청으로부터 받은 의료기기 품목 분류
표 십자인대손상 재활용 무릎보조기 성능 향상을 위한 힌지 및 프레임의 역할
표 GMP 인증 및 제품제조허가를 위한 요건 및 절차
표 당사가 도입하고자 하는 design process model
표 당사가 개발한 ComFix KneeTM 제품의 우수성
표 HSCODE 9021(정형외과 골절치료용의 부목과 기타) 골절치의 수출입량
표 보조기 시장규모와 성장률
표 미국에서의 의료기기시장의 점유율
표 미국내 무릎보조기 및 부속장치의 시장규모
표 무릎보조기 시장 성장요인
표 국내 관절보조기 제조업체
표 국외 대표적 관절보조기 제조업체
표 국내 정형외과용 및 신체보정용기기 제조업 산업동향
표 국내 정형외과용 및 신체보정용기기 제조업의 성장
표 무릎보조기 시장 혁신 잠재성 분석
표 골관절염으로 고통받는 노인과 방사선학적 소견
표 퇴행성 골관절염(OA)의 치료방법 및 OA용 무릎보조기의 역할
표 기존 무릎보조기 제품들의 문제점들과 당사가 개발한 시제품의 성능지표 비교
표 국내 수요처 확보 내역
표 전국 영업 대리점 활용 방안
표 무릎보조기 판매 전략
표 Anatomically sagittal diagram of the medial and lateral femoral condyles. The axis of knee flexion and extension or "instant center" moves as the knee flexes, following a predictable pathway. Here the instant center pathway is shown for the tibiofemoral joint and the patellofemoral joint for the medial and lateral femoral condyles. The distance from the instant center to the joint surface is the radius of curvature, which appears to vary throughout knee flexion.5 NOTE. The radius of curvature m to m ranges from 17 to 38mm for the medial femoral condyle; the radius of curvature n to n ranges from 12 to 60mm for the lateral femoral condyle. Legend: m to m, instant center pathway for tibiofemoral joint; m to m, instant center pathway for patellofemoral joint; t, anterior limit of tibiofemoral contact; n to n, instant center pathway for tibiofemoral joint; n to n, instant center pathway for the patellofemoral joint. Reprinted with permission.
표 Diagram of the axial view of the right distal femur as seen from below by the surgeon during total knee arthroplasty with the knee flexed at 90°. The posterior condylar angle is the angle between the posterior condylar surfaces and the surgical epicondylar axis, defined by using the medial and lateral epicondyle. From: Berger RA, Rubash H, Seel M, Thompson W, Crossett L. Determining the rotational alignment of the femoral component in total knee arthroplasty using the epicondylar axis. Clin Orthop 1983;Jan(286): 40-7. Lippincott Williams & Wilkins. http://www.lww.com. Reprinted with permission.
표 The degree of external torsion of the distal femur is defined as the angle between posterior condylar axis (PCA) and transepicondylar axis (TEA).
표 Diagram representing the 2 flexion axes of the knee. Abbreviations: EF, extension facet, with the corresponding distal condylar facet; FF, flexion facet, with the corresponding posterior condylar axis; TAF tibial articular facet, where the lateral femoral condyle articulates with the tibia; M, medial; L, lateral. Reprinted with permission.
표 The anatomy of the flexed knee showing the asymmetry of the joint. Ant., anterior; lig., ligament; post., posterior. Reprinted with permission.
표 The location of the rotation axes of the knee. (A) Diagrammatic representation of axes in anteroposterior (AP) view with axis parallel to the plate. A is the angle the flexion-extension (FE) axis makes with the shaft of the femur (mean, 84°); B is the angle between the flexion-extension and left-right (LR) axes in the AP plane (mean, 88°). C is the angle between the longitudinal rotation (LR) axis and the tibial plateau (mean, 89°). (B) Diagrammatic representation of axes in sagittal view with x-ray beam parallel to the flexion-extension axis. E is the angle between the LR axis and the tibial plateau in the axial lateral plane (mean, 85°). From: Hollister A, Jatana S, Singh A, Sullivan W, Lupichuk A. The axes of rotation of the knee. Clin Orthop 1993;May(290):259-68. Lippincott Williams & Wilkins. http://www.lww.com. Reprinted with permission.
표 Roll and glide movements of the femoral condyle. (A) Pure rolling motion: the femur rolls off the tibial plateau before full flexion is complete. (B) Pure sliding motion: the femur impinges the posterior tibial plateau before full flexion is achieved. (C) Combined rolling and gliding of the femoral condyles allows full range of flexion. Reprinted with permission.
표 Schematic representation of the knee as a four-bar linkage system showing posterior displacement of the point of tibiofemoral contact with flexion. Reprinted with permission.
표 The position of femoral condyles on the tibial surface.22 Mean tibiofemoral contact positions of normal knees of (A) 4 female volunteers and (B) 10 male volunteers. Four positions are shown: early flexion (15° or 20°) with neutral rotation, 90° of flexion with neutral rotation (90° N), 90° of flexion with internal rotation (90° IR), 90° of flexion with external rotation (90° ER). From: Todo S, Kadoya Y, Moilanen T, et al. Anteroposterior and rotational movement of the femur during knee flexion. Clin Orthop 1999;May(362):162-70. Lippincott Williams & Wilkins. http://www.lww.com. Reprinted with permission.

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