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학위논문 상세정보

韓國形 人工股關節 임플란트 開發 및 FEM을 利用한 디자인의 妥當性 分析 원문보기
(The) Development and Finite Element Analysis of Newly Designed Total Hip Stem for Korean

  • 저자

    김정우

  • 학위수여기관

    仁濟大學校 大學院

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    의용공학과 의용공학 전공

  • 지도교수

  • 발행년도

    2003

  • 총페이지

    xiii, 70p.

  • 키워드

    무시멘트형 인공고관절 임플란트 FEM 응력차폐현상 맞춤 및 충만;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T8952891&outLink=K  

  • 초록

    인공고관절 치환술에 있어서 가장 크게 고려되어야 할 것은 시술 후 인공 삽입물 주위와 골 유합이 이뤄질 부분의 움직임을 최소화하고, 적절한 고정력을 획득하며 초기안정성을 확보하는 것이다. 최근까지 대퇴 근위부는 견고하게 끼워 맞추고(fit) 원위부는 대퇴 협부의 골수강을 충만(fill) 시키는 이른바 fit-fill 개념의 스템이 널리 사용되어져오고 있다. 그러나 응력이 대퇴골 근위부에 전달되지 않고 원위부로 우회하는 응력차폐 현상 등으로 인해 대퇴골 근위부 골흡수 현상과 원위부 대퇴부 동통이 보고 되고 있으며, 재수술시 응력차폐에 따른 심각한 대퇴골 소실이 문제점으로 지적되고 있다. 최근에는 이러한 문제점을 개선하고자 대퇴부 근위부만을 견고하게 끼워 맞추고 원위부는 골수강 보다 적은 크기의 테이퍼(taper)형 스템 제품이 임상적으로 사용되기 시작하고 있으나 초기 안정성의 확보가 문제시되고 있다. 따라서 본 연구는 맞춤(fit)과 충만(fill)형 스템과 taper형 스템의 장점을 적절히 결합하여 한국인 체형과 생활 패턴에 적합한 무시멘트형 인공고관절을 개발하였다. 개발된 스템의 안정성 평가와 디자인의 타당성을 분석하기 위해 3차원 유한요소법을 이용하여 대퇴스템 디자인의 안정성과 유용성을 평가하였다. 먼저, 대퇴골 유한요소 모델을 구현하여 기존의 실험 결과와 비교, 검증하여 모델에 대한 신뢰성을 부여하였다. 검증된 모델에서 대퇴골두 부분을 제거한 후 개발된 스템의 형상을 삽입하여 인공고관절 치환술의 모델을 구현하였다. 또한 세공피막(porous coating)면과 부드러운 임플란트(smooth surface)면을 각각 μ = 0.61, 0.42를 사용하였다. 수정된 모델은 마찰계수(μ)의 변화를 통한 근위부 세공피막(porous coating)피 확장 및 중앙부(∼l/2까지)의 뼈와 스템과의 충만(filling), 즉 대퇴협부에서의 스템과 피질골과의 결합유무에 따라 4가지 타입의 유한요소 모델로 구분하였다. (a) 근위부 세공피막이 1/3 지점까지 분포, 1지점에서 1/2지점까지의 피질골 결합을 구현한 모델(baseline concept design, Type Ⅰ), (b) 근위부 세공피막 1/2지점까지의 확장, 1/3지점에서 1/2지점까지의 피질골 결합을 구현한 모델(Type Ⅰ+porous coating, Type Ⅱ), (c) 근위부 세공피막에 1지점까지의 분포, 1/3지점에서 1/2지점까지의 피질골 결합을 제거한 모델(Type Ⅰ - filling, Type Ⅲ) 그리고 (d) 근위부 세공피막이 1/2지점까지의 확장, 1/3지점에서 1/2지점까지의 피질골 결합을 제거한 모델(Type Ⅰ+ porous coating - filling, Type Ⅳ)로 나뉘어 진다. 하중 조건은 한 쪽 다리로 서 있는 경우와 계단을 오르는 경우의 2가지 조건으로 나누어 해석하였다. 해석은 범용 유한요소 프로그램인 Ansys 6.0^(r) (Swanson Analysis System, Inc., Houston, PA, USA)을 이용하였다. 각각의 모델을 해석 후 착안 모델(concept model)과의 차이를 분석하기 위하여 다음과 같은 항목들을 분석하였다 : (ⅰ) 뼈와 스템 경계면에서의 경계면 응력(contact stress) (ⅱ) 대퇴골 피질에서의 von-Mises 응력 (ⅲ) 뼈와 스템 경계면에서의 미세운동(micromotion) 골과 대퇴삽입물의 경계면 응력은 근위부의 미세운동에 많은 영향을 줄 수 있다. 특히 과도한 경계면 응력은 인공 삽입물의 해리를 가져오고 이로 인한 미세운동의 증가가 보고되고 있다. 또한, 인공 삽입물로 인한 응력차폐현상은 정상 대퇴골에서 발생하는 응력 전달기전과는 다른 형태의 응력 분포를 발생시켜 근위부의 골흡수를 야기하며, 미세운동이 대퇴골과 스템의 경계면에 발생하게 되면 골내성장이 이루어지지 않게 되어 대퇴삽입물의 장기간 고정을 얻을 수 없게 된다. 따라서 인공고관절 치환술 후 골과 대퇴삽입물의 경계면 응력, 대퇴골 전장(full length)에 걸친 응력, 미세운동의 정확한 분석 평가는 임상적 현상에 대한 이해와 인공고관절의 초기 안정성을 평가하는데 있어 매우 중요하다. 본 연구의 결과 대퇴골과 인공 삽입물 사이에서의 경계면 응력은 4 Type 모두 근위부 부분에 응력이 분포하여 근위부 세공피막으로 인한 근위부 부근으로의 하중전달이 이루어지고 있음을 볼 수 있었다. 또한 착안 모델(Tyre Ⅰ)과 Type Ⅱ의 결과값의 차이는 거의 없었으며, Type Ⅰ과 세공피막만 존재하는 Type Ⅲ(∼1/3), Ⅳ(∼1/2) 비교에서는 Type Ⅲ, Ⅳ는 cortical locking이 없어 굽힘 하중으로 인한 인공 삽입물의 외측 (lateral) 1/2지점에서의 높은 경계면 응력 값을 보였다. 이 결과는 대퇴골 근위부에만 끼워 맞춤을 국한시켜 높은 경계면의 응력의 발생되고 이로 인한 상대 미세운동의 증가를 가져와 Type Ⅰ 보다 초기 안정성 확보에 어려움이 있을 것으로 예측되었다. 대퇴 피질골에서의 peak von-Mises 응력(peak von-Mises stress; 이하 PVMS라 함) 수치의 비교한 결과는 4 TyPe 모두 PVMS값의 차이는 거의 없었다. 이것은 세공피막의 확장이 응력차폐현상을 높이고 골 흡수를 야기한다는 기존 문헌의 보고에서와는 달리 단면이 사각형이고 전체가 taper처리된 인공 삽입물에 있어서는 세공피막의 1/3에서 1/2로의 확장은 크게 응력 분포에 있어 영향을 미치지 않는 것으로 사료되었다. 계단을 오를 경우에서는 Type Ⅰ이 나머지 3 Type 보다 근위부 내측 피질골에 큰 응력을 전달하였으나 그 차이가 매우 미미하였다. 두 가지 보행 조건 모두 앞쪽과 뒤쪽의 원위부에서 응력 집중을 보여 개발된 인공 삽입물의 형상이 굽힘강성에 대해서 앞쪽에서 뒤쪽 방향(anterior-posterior)이 내측에서 외측방향(medial-lateral) 보다 더 취약할 것으로 예측된다. 인공 삽입물과 대퇴골 경계면에서의 미세운동은 두 가지 보행 조건과 3가지 상대 미세운동 요소(axial, torsional and total relative motion)로 나누어 각각의 Type을 비교하였다. 상대 미세운동에 대한 분석 결과, 두 가지 보행 조건 모두 Type Ⅰ과 Type Ⅱ에서의 미세운동 값의 차이가 없어 본 연구진이 개발한 모델(Type Ⅰ)의 세공피막 영역에 관한 타당성을 제시하였다. Type Ⅲ가 Type Ⅰ 보다 큰 미세운동 값을 보여 cortical locking에 미세운동을 감소시키는 효과를 가지고 있음을 보였다. 계단을 오를 경우는 회전 요소가 추가되었음에도 불구하고, 축 방향 미세운동과의 비교할 때 회전 미세운동의 증가는 그 차이가 매우 미미하여 본 연구에 사용된 3차원 모델이 많은 회전이 걸리는 하중 조건에서는 탁월한 능력을 나타낼 것으로 예측된다. 한 쪽 다리로 서 있을 경우 Type Ⅳ가 Type Ⅰ보다 미세운동이 적었으나 그 차이는 미미했다. cortical locking에 없는 Type Ⅳ가 적은 미세운동을 보였다는 것은 축 하중에서는 세공피막의 확장이 초기 안정성을 확보하는데 크게 기여하고 있음을 증명하는 것이다. 계단을 오를 경우 Type Ⅱ와 Type Ⅳ의 비교를 통해 세공피막의 확장이 이루어 졌을 때는 cortical locking을 가지고 있는 Type Ⅱ가 회전운동에 보다 잘 견딜 것으로 예측되었다 이와 같은 결과로부터, 사각 단면의 인공 삽입물을 이용한 인공고관절 치환술에 있어서 1/3지점까지 세공피막의 영역에 관한 타당성을 확보하였고, 1/2지점까지의 세공피막 확장은 subsidence에 잘 견딤을 알 수 있었다. 또한 cortical locking은 회전 운동에 잘 견디는 경향을 보여 서양인과는 달리 높은 ROM (Range of Motion)을 요구하는 한국인의 생활 습관과 환경에서 보다 효과적이고 권장할만한 디자인인 것으로 사료된다.


    In cementless total hip arthroplasty (THA), an initial stability of the femoral component is important to long term fixation of femoral stem. The initial stability has close relationship with the relative motion of prosthesis and cancellous bone at the proximal of femur. After implantation of the prosthesis, the surrounding bone is partially shielded from load carrying and starts to resorb. Stress shielding is the cause of the loss of proximal bone. Assessing stress distribution of femur is important to predict stress shielding. To minimize the relative motion and prevent from stress shielding, a new femoral stem was developed to incorporate clinical advantages of 'fit & fill' and 'tapering' type stems. In this study, biomechanical stability of the new stem was assessed in terms of stresses, relative motion at the stem-bone interface and the load transfer the femur. For this purpose, finite element models were constructed based on the CT image data of Korean femur and initial stability was investigated using four types of three dimensional finite element models for two loading conditions approximating a single stance and a stair climbing. This three-dimension finite element model of femur was developed and validated. Validation results were agreed with literature of review, thereby giving assurance in the validity of the model. Then the intact model was modified to simulate the treatment of total hip arthroplasty with the new stem. They include proximal porous coating and isthmus locking (i.e., concept model, Type Ⅰ), extensive porous coating and isthmus locking (Type Ⅱ), proximal porous coating only (Type Ⅲ) and extensive porous coating only (Type Ⅳ) models. To simulate stem and bone interface, 3-D contact elements were used with appropriate friction coefficient. Ansys 6.0' (Swanson Analysis System, Inc., Houston, PA, USA) was used for analyses. For each model, the following items were analyzed : (a) the contact stress (b) the amount of stem-bone relative motion (c) the load transfer (peak von-Mises stress) among the 4 types. Excessive contact stresses of the TypeⅢ, Ⅳ has not a cortical locking were generated in post-lateral area from ∼1/3 to ∼1/2 area. The present results showed Type Ⅲ, Ⅳ may cause increase relative motions at the interface. In relative motion analysis, there is no significant difference between Type Ⅰ and Type Ⅱ. This results showed propriety of design hypothesis in porous coating. The cortical locking is important in rectangular stem that rely on the torsional stability because Type Ⅲ showed the highest relative motion at stem-bone interface. In peak von-Mises stress, there is no significant difference among all types at proximal medial level. A great amount of stress concentrate was noted at the anterior-posterior area. Therefore, our concept design is more weak likely in bending moment. Our results demonstrated propriety of my design hypothesis in porous coating. the new stem would be given much more satisfaction to young, active person because it endures torsional loading.


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