경골 내 변형률 및 응력 분포 특성 분석을 통한 새로이 개발된 재치환용 인공슬관절의 생체역학적 안정성 평가 : 유한요소해석

Abstract

인공슬관절 삽입술을 받은 환자의 경우 삽입물이 골 내부에 미치는 영향 등으로 통증 또는 골강도 약화 및 변형을 유발하게 된다. 그러나 현재 재치환용 인공슬관절 개발에 있어 삽입물의 구조적 형상에 대한 안정성을 주로 평가하여 개발되고 있어[2], 삽입물이 골내부에 미치는 영향에 대한 평가는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 재치환용 인공슬관절 삽입에 따른 인공슬관절과 경골 내부의 응력분포 특성 변화 평가를 통하여, 새로이 개발된 재치환용 인공슬관절의 생체역학적 안정성을 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 관절염 환자의 CT 단층 촬영 영상을 이용하여 3차원 복원 모델을 개발하였다. 경골에 삽입된 인공슬관절(Baseplate, Insert, Stem) 역시 3차원 모델링을 수행한 후, HyperWorks 10.0(Altair, USA)을 이용하여 유한요소 모델을 개발하였다. 모델에 적용된 물성치는 등방성의 선형 탄성체로 가정하였다. 하중 조건의 경우 경골 PE파트 관절면에 수직 방향으로 몸무게의 약 3배에 해당하는 2000N의 하중이 적용하였다. 이때 경계조건으로써 경골의 원위부(distal)를 완전히 구속하였으며, 각 삽입물과 경골의 피질골, 해면골에 접촉조건을 적용하였다. 해석은 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS 6.10(Dassault systems, USA)을 이용하였다. 결과에 대한 분석은 해면골 내, 외부의 구조적 안정성 평가를 위하여 인공슬관절과 경골 내부의 Von-Mises Stress를 분석하였으며, 경골과 인공슬관절 사이의 탄성계수 차이로 인해 발생하는 응력 차폐(Stress Shielding) 현상을 분석하기 위하여 응력 및 변형률 값을 분석하였다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 새롭게 개발된 재치환용 인공슬관절 경골부 자체의 구조적 안정성 및 삽입 후 경골 내부에 미치는 응력분포 특성을 동시에 평가하였다. 이를 통해 한국인의 관절 형상학을 고려하여 새롭게 개발한 재치환용 인공슬관절 경골부의 우수성을 제시하고자 하였다.