의의의학학학 박박박사사사학학학위위위 논논논문문문

경경경골골골 근근근위위위부부부 관관관절절절면면면에에에서서서의의의 거거거리리리에에에따따따른른른 기기기계계계적적적 강강강도도도

아아아 주주주 대대대 학학학 교교교 대대대 학학학 원원원

의의의 학학학 과과과

김김김 광광광 균균균

경경경골골골 근근근위위위부부부 관관관절절절면면면에에에서서서의의의 거거거리리리에에에따따따른른른 기기기계계계적적적 강강강도도도

지지지도도도교교교수수수 원원원 예예예 연연연

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222000000888년년년 222월월월

아아아 주주주 대대대 학학학 교교교 대대대 학학학 원원원

의의의 학학학 과과과

김김김 광광광 균균균

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심심심사사사위위위원원원장장장 조조조 재재재 호호호 인인인

심심심사사사위위위원원원 민민민 병병병 현현현 인인인

심심심사사사위위위원원원 고고고 해해해 석석석 인인인

심심심사사사위위위원원원 강강강 태태태 건건건 인인인

심심심사사사위위위원원원 원원원 예예예 연연연 인인인

아아아 주주주 대대대 학학학 교교교 대대대 학학학 원원원

222000000777년년년 111222월월월 222111일일일

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- 국문 요약 -

경경경골골골 근근근위위위부부부 관관관절절절면면면에에에서서서의의의 거거거리리리에에에 따따따른른른 절절절단단단면면면의의의 기기기계계계적적적강강강도도도

목 적:유한요소 해석을 이용하여 슬관절의 경골 관절면에서 거리에 따른 절단면의 기계적 강도 차이를 분석하고 이를 슬관절 인공관절 치환술 시에 고려하고자한다.

재료 및 방법:슬관절 인공관절 치환술을 위해 내원한 퇴행성 관절염 환자에서시행한 20례의 슬관절 전산화 단층 촬영 영상을 이용하였고 각 전산화 단층 영상을 자동 메쉬 형성(automatic mesh generation) 소프트웨어 BIONIXTM

(CANTIBio.Co,Suwon,Korea)프로그램을 이용하여 8절점 정육방형 요소(8-nodehexahedronelement)로 모델을 생성하였다.유한요소 모델은 근위 경골외과측 관절면에서 6mm,8mm,10mm,12mm,15mm,18mm씩 절단하여20개의 모델당 각 6개의 유한요소 모델을 만들었다.BIONIXTM 소프트웨어에서생성된 8절점 정육방형 요소는 HyperMeshTM(AltairEngineering.Inc,Seattle,U.S.A)소프트웨어를 사용하여 1%의 변형률(strainrate)을 가하여 경계 조건을적용했다.유한요소 해석은 상용 소프트 웨어인 ANSYS 9.0 (ANSYS.Inc,Orlando,U.S.A)을 이용하여 최대 응력(σu,Ultimatestress)을 구하였다.

결과:전체 최대 응력의 평균은 810.18Mpa이었고 각 절단면에서 최대 응력의평균은 6mm에서 906.84MPa,8mm에서 877.22MPa,10mm에서 895.93MPa,12mm에서 852.70MPa,15mm에서 742.90MPa,18mm에서 585.51MPa로 관절면으로부터 절제 거리가 증가할 수 록 절단면의 평균 최대응력은 감소하는 경향을 보였다.

전체 평균 최대 응력에 대해 6mm와 비교해서 8mm,10mm,12mm에

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서의 최대 응력의 변화는 3.58%,1.30%,5.66%로 의미 있는 감소는 없었으나 15mm일 때는 20.24% 그리고 18mm일 때는 39.62%가 감소하였다.6mm 절제 시평균 최대 응력에 대한 절제 거리에 대한 최대 응력의 변화는 8mm에서 3.20%10 mm에서 1.21% 12 mm에서 5.96% 15 mm에서는 18.09% 18 mm에서는35.40%였다.각 절제 거리에 따른 비교 및 연속된 절제 거리간의 최대 응력변화의 통계적 의미는 pairedt-test를 이용하였다.6mm 절단면의 최대 응력과 비교하여 절단면 8mm,10mm,12mm,15mm 그리고 18mm에서 최대 응력의 변화에 대한 p-value는 0.389,0.774,0.145,0.005그리고 0.000이었고,연속된 절단면간의 최대 응력 변화는 6mm와 8mm,8mm와 10mm,10mm와 12mm,12mm와 15mm 그리고 15mm와 18mm에서 p-value는 각각 0.389,0.502,0.205,0.005그리고 0.021이었다.

결론:슬관절의 경골 외과측 관절면에서 거리에 따른 절단면의 최대 응력의 변화는 전반적인 감소를 보이나 12mm이내에서는 최대 응력의 변화가 통계적 의미가 없었고 이를 슬관절 인공관절 치환술시 고려해야 할 것으로 사료된다.

핵심어:경골,유한요소 해석,최대 응력,슬관절 인공관절 치환술

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차 차 차 차 례례례례

국문 요약·····················································································································ⅰ차례·······························································································································ⅲ그림 차례·····················································································································ⅳ표 차례·························································································································ⅵⅠ.서론··························································································································1Ⅱ.재료 및 방법········································································································10

A.CT의 촬영 및 조건·····················································································13B.유한요소 모델의 생성 및 유한요소 해석···············································18C.통계 분석·········································································································25

Ⅲ.결과························································································································26Ⅳ.고찰························································································································33Ⅴ.결론························································································································41참고문헌·······················································································································42영문 요약·····················································································································48

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그림 그림 그림 그림 차례차례차례차례

Fig.1.Thecaseofmilddefectonmedialtibialcondyle·································3

Fig.2.Thecaseofseverebonedefectonmedialtibialcondyle···················4

Fig.3.Generaldataflow requiredtomesh3-dimensionalcomputedtomographydatasets·····························································································7

Fig.4.Wholelegstandinganteriortoposteriorimage··································12

Fig.5.Thepatientwasprotectedfrom radiationwithaleadgownandprotector··································································································13

Fig.6.Scoutimageofleftknee············································································14

Fig.7.Computedtomographicimagesofarightknee(200cuts)··············15

Fig.8.Computedtomographicimagesaroundthejointsurface··················16

Fig.9.Computedtomographicimagesateachresectionlevelonproximaltibia·················································································································17

Fig.10.SegmentationmethodbyBionixprogram onproximaltibia·········18

Fig.11.Gradientoftheimagefororiginalimage············································19

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Fig.12.Volumetricmeshmodelfrom computedtomographicdata·············20

Fig.13.Thevolumetricmeshmodelofafterexclusionoffibula················21

Fig.14.Thehexahedronmeshmodelsofproximaltibiaateachresection22

Fig.15.Boundarycondition·····················································································23

Fig.16.Meanvalueofultimatestressateachresectionlevel····················28

Fig.17.Standarddeviationofultimatestressateachresectionlevel·······28

Fig.18.Distributionofultimatestressusingfiniteelementanalysisoftheproximaltibia·······························································································31

Fig.19.Distributionofultimatestressusingfiniteelementanalysisoftheproximaltibia·······························································································32

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표 표 표 표 차례차례차례차례

Table1.Informationsaboutpatients·································································11

Table2.ultimatestress(MPa)obtainedfrom finiteelementanalysis·····27

Table3.p-valueinultimatestress(MPa)ateachresectionlevel···········29

Table4.p-valueinultimatestress(MPa)atconsecutiveresectionlevels29

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ⅠⅠⅠⅠ. . . . 서 서 서 서 론론론론

슬관절 인공관절 치환술에 있어 치환물의 수명(longevity)은 매우 중요하다.여러 가지 요소가 치환물의 수명에 복합적으로 영향을 준다.환자의 이환된질병,수술 전 및 후의 건강상태,일상생활 정도,치환된 부위의 골의 골밀도 등환자측면의 요소와 치환물의 고완(design)및 재질(materialproperty),폴리에틸렌(polyethylene)삽입물의 두께 등의 치환물의 요소 및 수술 과정에서 경골 및대퇴골의 골 절제에 있어 하지의 기계적 축의 회복,굴곡 및 신전 간격의 균형,치환물의 고정 방법 등 수술적 요소가 복합적으로 영향을 준다.

경골측 치환물의 수술 후 비감염성 해리(asepticloosening)는 근위 경골에가해지는 응력(stress)에 영향을 받으며 삽입된 관절면의 접촉 면적,하지의 기계적 축의 회복 정도 및 치환 시에 절제하고 남은 경골측 골의 기계적 성질(mechanicalproperty)이 영향을 미친다.하지의 기계적 축은 대퇴골두 중심에서족관절 중심을 연결하는 축으로 슬관절의 약간 내측을 지나게 된다.체중의 중심이 무릎의 중심에서 5mm 이상 내측으로 통과하게 되면 체중의 40-70% 이상이내측에 부하되고 치환물의 내측에 응력이 증가한다.

경골 고평부의 해부학적 형태상 경골측 치환을 위한 골절제 후 남은 골의기계적 성질은 관절면에서 절단 거리가 증가 할수록 단면적이 작아지고 치환물의 크기가 작아지게 된다.경골측 삽입물의 튼튼한 고정을 위해서는 경골 근위부를 경골의 축에 수직이나 3도 이내 내반으로 절제를 시행하면서 동시에 경골 내과측 및 외과측의 연골하 골의 노출이 필요하다.일반적으로 슬관절 인공관절 치환술 시 경골부 골 절제양은 질병에 이환이 적은 외과측이나 내과측 관절면에서8mm 원위부에서 절단 시 내과 관절면이 절제되는지를 측정하고 수술을 시행한다(Fig.1).진행된 원발성 퇴행성 관절염의 경우 슬관절의 내반 변형 및 경골 내과 골결손이 심하게 동반된 경우 내과측 연골하 골을 노출시키기 위해서는 외과측을 8mm이상 절제를 필요로하는 경우가 발생한다.이 경우 골절제양이 증가하여 남아있는 경골측 골이 약해지는 것을 우려하여 8mm 이하로 외과측 절제를

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제한하면 내과측은 부분적으로 절제되어 치환물의 피복(coverage)이 충분히 되지않고 연골하골이 노출되지 않는다.이 경우 골 결손부의 보강을 위해 시멘트(cement)보강,금속 보강물,주문 제작형 치환물(custom-madeprosthesis)등을사용하게 된다(Fig.2).부가적인 수술 방법은 수술 시간의 증가 이외에도 여러가지 문제점이 보고되고 있다.골 이식의 경우 환자가 골다공증이 심한 경우 이식할 골의 양이 적고 숙주의 골이 약하여 이식 후 지지력에 문제가 발생할 수있다.금속 보강물의 경우 경골측 금속판 하부에 금속 보완물을 나사로 고정하며나사의 고정면에서 부식이 발생하여 금속 부산물로 골 용해를 일으킬 수 있고나사 고정을 위한 구명에서 폴리에틸렌 삽입물의 균열로 폴리에틸렌의 조기 마모를 일으킬 수 있다.

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FFFiiiggg...111...TTThhheeecccaaassseeeooofffmmmiiillldddbbbooonnneeedddeeefffeeeccctttooonnnmmmeeedddiiiaaallltttiiibbbiiiaaalllcccooonnndddyyyllleee...

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FFFiiiggg...222...TTThhheeecccaaassseeeooofffssseeevvveeerrreeebbbooonnneeedddeeefffeeeccctttooonnnmmmeeedddiiiaaallltttiiibbbiiiaaalllcccooonnndddyyyllleee...Ametalblockandextensionstem wereusedtocompensatebonedefect.

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부가적인 수술과정 및 금속 보강물 및 골이식의 지지력의 문제로 경골측골 절제 양을 이환된 쪽의 관절면에서 8mm 로 제한하지 않고 더 원위부로 절제 할 것을 제안하는 저자도 있으나 경골측 골 절제양이 많은 경우 신전 및 굴곡 간격에 영향을 미치고 대퇴 및 경골 치환물간의 크기 불일치,측부 인대 부착부 손상,경골부 지지력의 감소 및 슬관절의 역학의 변화가 발생할 수 있다.

경골 관절면에서 원위부로 얼마 정도 거리에서 경골의 기계적 강도가 의미 있게 변하는지 또한 골 결손측 보강 없이 경골부 치환이 가능한지 보고가 다양 하다.예전의 문헌에서 근위 경골부의 기계적 성질에 대한 연구는 대부분 사체(cadeva)나 수술 중 환자를 대상으로 시행한 압입 시험(indentationtest)이나관입 시험(penetrationtest)을 시행하였다.연구 방법에 관한 보고로 Hvid등은근위 경골부의 기계적 강도 측정에 있어 관입 실험이 기존의 인스트론(instron)을이용한 압축 실험에 비교해서 유용한 실험 방법임을 제시 하였다(Hvid등,1986).사체나 수술중 실험 방법은 실험 대상 수에 제한이 있고 실험이 부정확하거나실패한 경우 및 실험자의 오류가 있는 경우 재시도 및 수정이 어렵고 실험이 파괴적이어서 결과의 재생산(reproducibility)이 어렵고 최근 실험 연구에서 중요시되는 윤리적 인권의 문제가 있다.

최근 영상 의학의 발달 및 컴퓨터(computer)소프트웨어(software)의 발전으로 물체를 손상주지 않고 물성의 연구가 가능하다.물체의 기계적 성질에 관한 새로운 여러 연구 방법이 보고되었고 이는 인체 연구에도 사용되고 있다.Bentzen등은 경골의 골소주의 연구에서 정량적 골 무기물 함량전산화 단층 촬영(quantitativecomputedtomography)을 이용한 검사가 사체를 이용한 압축 실험 및 수술 중 관입 시험법(penetration test)과 비교해서 최대 응력(ultimatestress),항복 응력(yieldstress),탄성 계수의 기계적 성질(mechanicalproperty)을 분석하는 유용한 도구임을 보고하였다(Bentzen등,1987).최근 물체의 기계적성질을 분석하는데 유한요소 해석(finiteelementanalysis)이 유용하게 이용되고있다.유한요소 해석은 1943년에 Richard가 Ritz방법을 이용하여 진동 시스템의 근사 해법 범함수의 변분원리(variationcalculus)를 이용해 수치를 해석하는

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방법을 제안하면서 시작되었다.유한 요소 해석은 분석할 개체를 컴퓨터를 이용해 모델링(modeling)하고 이에 필요한 물성과 하중(load)과 같은 외부적인 요인들을 설정하고 시각화된 결과를 얻는다.일반적으로 유한요소 해석의 순서와 구성은 전 과정(pre-processing),분석(analysis,solver)과정,후 분석(post-analysis)과정으로 구성된다.전 과정(pre-processing)은 분석될 구조물의 영상을 이용하여유한요소를 모델링하는 것이다.모델은 수많은 메쉬(mesh)로 구성된다.모델은정육면체나 정사면체의 격자로 이루어져 있고 하나의 격자를 메쉬(mesh)라고 하며 메쉬의 꼭지점을 이루는 점을 노드(node)라고 하고 노드로 연결된 메쉬의 영역을 요소(element)라고 한다.분석 과정은 컴퓨터 시스템이 수학 방정식을 이용하여 결과를 해석하는 과정이다.후 분석 과정은 결과를 시각화 하는 과정이다(Fig.3).

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FFFiiiggg...333...GGGeeennneeerrraaallldddaaatttaaaffflllooowww rrreeeqqquuuiiirrreeedddtttooommmeeessshhh333---dddiiimmmeeennnsssiiiooonnnaaalllcccooommmpppuuuttteeedddtttooommmooogggrrraaappphhhiiicccdddaaatttaaassseeetttsss...

유한요소 해석은 공업에서 생산할 물체의 기계적 특성을 미리 실험하거나인체에 위해할 수 있는 기계적 실험을 동적인 가상 실험(simulation)을 통해 물체의 기계적 특성을 알아보는데 주로 사용 되었다.예를 들어 큰 교각의 설계나 생산된 자동차의 벽면 충돌 시 차량의 붕괴 정도의 예측 등에 사용된다.의학적 응용으로는 인공 심장 판막의 설계,인공 추간판,심장 관상동맥 금속망(stent)의기계적 특성 연구,대동맥 동맥류(aneurysm)의 연구,척추 성형술 후 척추의 기

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계적 특성의 변화,인대 이식 수술 후 이식물의 강도 측정,보행 시 신체 부위별하중의 전달 분석,고관절이나 슬관절 인공관절 치환술 후 삽입물의 지지력 등에이용되고 있다.

골의 기계적 강도의 연구에 유한요소 해석을 이용한 방법의 정확성 및 우수성에 대한 여러 보고가 있다.vanRietbergen등은 전산화 단층 영상과 유한요소 해석을 이용한 골소주의 연구에서 골소주의 기계적 특성에 관한 연구에 유한요소 해석이 유용한 도구임을 보고 하였다(vanRietbergen등,1995).Donahue등은 슬관절 운동시에 경골-대퇴골간 접촉력에 대한 유한요소 해석을 통해 동적인 연구에도 유한요소 해석이 유용한 도구임을 보고 하였으며(Donahue등,2002)Bourne등은 골조직과 같은 비균질적(inhomogenous)인 물체의 기계적 특성 분석에 유한요소 해석이 기존의 실험 방법보다 정확함을 보고 하였다(Bourne등,2004).

경골의 관절면에서 거리에 따른 경골의 기계적 성질에 대한 연구 결과는저자마다 다양하였다.대부분이 실험 연구였고 Goldstein등은 인스트론(instron)을 이용한 압박 시험법(compressiontest)을 이용한 연구에서 관절면에서 원위부로 갈수록 경골의 최대 응력이 감소하나 20mm까지는 경미하다고 보고하였고,Volz등은 관절면에서 10mm와 20mm 절제시의 비교에서 기계적 성질에 큰차이가 없었고(20mm에서 압박력이 10mm의 105%)30mm이상 절제시에 골 강도의 급격한 감소를 보고 하였다(Volz등 1987).Harada등은 사체(cadeva)에서압입 시험법(indentationtest)을 이용한 연구에서 내과측 관절면으로부터 5mm이내에서 최대 응력의 급격한 감소를 보고 하였고 인공관절 치환술 시에 최소한으로 골 절제할 것을 제안하였다(Harada등 1988).Hvid는 관입 시험(penetrationtest)을 이용한 근위 경골의 골소주에 관한 연구에서 관절면으로부터 10mm이내에서 골강도가 의미있게 감소하였고 2mm씩 절제양이 증가할수록 경골부의 기계적 강도가 30%씩 감소한다고 보고 하였다(Hvid등,1988).

임상적 장기 추시 결과에 대한 보고로 Ritter등은 슬관절 인공관절 치환술 후 10년 이상 장기 추시 결과 보고에서 근위 경골부 절단 거리는 Knee

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society점수(kneesocietyscore),수술 후 운동 범위,치환물의 해리에 영향을미치지 않았다고 보고하였고,오히려 적은 골 절제는 관절면의 상승,폴리에틸렌치환물의 두께 감소로 인한 치환술의 조기 실패 가능성을 지적하였다(Ritter등,1999).

문헌 고찰에서 근위 경골의 관절면에서 원위부로 절제양에 따른 절단면의기계적 특성에 대한 연구중 경골의 기계적축에 직각으로 절제한 연구는 없었다.본 연구는 슬관절 인공관절 치환술에 결과를 응용하고자 관절면에 평행으로 절제한 과거의 연구방법과 달리 경골의 축에 직각으로 대상을 절제하였고 전산화단층촬영 영상과 유한요소 해석을 이용해 물성을 분석하였다.절제 폭은 현재 인공관절 치환술 시 사용되는 폴리에틸렌 삽입물의 두께를 고려하여 외과측 관절면에서 원위부로 6mm,8mm,10mm,12mm,15mm,18mm로 절제한 모델을 구성한 후 유한요소 해석으로 각 모델에 대해 기계적 성질을 측정 및 분석하여 외과측 관절면에서 원위부로 얼마 정도 거리에서 의미 있게 근위 경골의 기계적 강도가 변하는지 측정하고자 한다.

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ⅡⅡⅡⅡ. . . . 재료 재료 재료 재료 및 및 및 및 방법방법방법방법

AAA...연연연구구구 대대대상상상2004년 3월부터 2005년 3월 까지 아주 대학교 병원에 슬관절 인공관절 치

환술을 시행받기위해 내원한 환자를 대상으로 하였다.본 연구에 동의한 환자에서 양측 슬관절 전산화 단층 촬영을 시행하였고 총 30명,60예의 단층 촬영 영상을 얻었다.연구 대상은 외상 후 관절염 2예,류마티스 관절염 1예,수술전 동일슬관절에 외측 쇄기 절골술을 시행한 1예를 제외한 원발성 퇴행성 관절염을 포함시켰다.총 56예 중 전산화 단층 촬영 scout영상에서 절제 선이 경골에 수직에서 3도 이내이고 외과측 경골 관절면에서 원위부로 6mm 절단된 영상에서 내과측이 절단되는 영상만을 포함시켰다.총 20예의 영상이 기준에 포함되었다.20예의 평균 연령은 68.4세,남자가 2명 여자가 18명이었고,내과적 질환으로 고혈압이 9예,당뇨병이 2예 였다(Table1).근위 대퇴부에서 시행한 골밀도 검사에서평균 T-score는 -3.3이었고,단순 방사선 직립 장 하지 전후방 사진(simplewholelegstandinganteriortopoateriorX-rayimage)에서 경골과 대퇴골이 이루는 해부학적 각은 모든 예에서 외반은 없었고 평균 6.3도 내반이었다(Fig.4).

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TTTaaabbbllleee111...IIInnnfffooorrrmmmaaatttiiiooonnnsssaaabbbooouuutttpppaaatttiiieeennntttsss...

No:number,F:female,M:male,OA:osteoarthritis,R:right,L:left

Sample

numberGender Age Diagnosis Site

No. 01 F 67 OA R

No. 02 F 69 OA L

No. 03 F 71 OA L

No. 04 F 64 OA R

No. 05 F 74 OA L

No. 06 F 60 OA L

No. 07 F 72 OA L

No. 08 M 70 OA L

No. 09 F 77 OA L

No. 10 F 71 OA L

No. 11 F 69 OA L

No. 12 F 65 OA L

No. 13 F 69 OA L

No. 14 F 74 OA L

No. 15 F 65 OA L

No. 16 F 60 OA L

OA L70FNo. 17

OA L68FNo. 18

OA L69FNo. 19

OA L64MNo. 20

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FFFiiiggg...444...WWWhhhooollleeellleeegggssstttaaannndddiiinnngggaaannnttteeerrriiiooorrrtttooopppoooaaattteeerrriiiooorrriiimmmaaagggeee...

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AAA...전전전산산산화화화 단단단층층층 촬촬촬영영영의의의 촬촬촬영영영(((CCCTTT)))및및및 조조조건건건전산화 단층 촬영은 Siemens사의 Somaton Senation 16(Erlangen,

Germany)을 사용했으며,1mm 간격으로 촬영하였고 해상도(spatialresolution)는 0.678mm x0.678mm 였다.연구 대상은 방사선 노출을 최소화하기 위해 양측 슬관절에서 슬개골을 기준으로 슬개골 상부 정점에서 15cm 근위부로부터 경부까지 및 하부 정점에서 15cm 원위부 발끝까지 납옷을 덮은 후 촬영 하였다(Fig.5).

FFFiiiggg...555...PPPaaatttiiieeennntttwwwaaasss ppprrrooottteeecccttteeeddd fffrrrooommm rrraaadddiiiaaatttiiiooonnn wwwiiittthhh aaa llleeeaaaddd gggooowwwnnn aaannndddppprrrooottteeeccctttooorrr...

방사선 피폭 정도는 단순 방사선 흉부 후전 사진(simplechestposterioranteriorfilm)의 40배였다.촬영 범위는 전하지 전산화 단층 촬영으로 scout영상을 시행 시 방사선 노출이 너무 많기 때문에 시행하지 않았고 관절면을 기준으

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로 근위부로 10cm 이고 원위부로 10cm 으로 설정하였다.환자의 양측 하지를전산화 단층 촬영기의 촬영면에 최대한 수직으로 위치시킨 후에 scout영상을 촬영하였다.이 때 절단선의 경골의 기계적 축에 대한 각도 평가는 scout영상이 전하지를 측정하지 않았으므로 비골을 기준으로 하였다.scout영상에서 절제선이비골축에 대해 내반 각이 3도 이상인 경우는 환자의 하지를 다시 위치 시킨 후다시 scout영상을 촬영하였다.scout영상이 기준에 포함된 경우 1mm 간격으로 대상에 대한 실사 촬영을 시작하였다(Fig.6).

FFFiiiggg...666...SSScccooouuutttiiimmmaaagggeeeooofffllleeeffftttkkknnneeeeee...

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한쪽의 슬관절에서 200장의 절단면 영상이 포함되었다(Fig.7).

FFFiiiggg...777...CCCooommmpppuuuttteeedddtttooommmooogggrrraaappphhhiiiccciiimmmaaagggeeesssooofffaaarrriiiggghhhtttkkknnneeeeee(((222000000cccuuutttsss)))...

관절면은 원위 대퇴부가 마지막으로 촬영된 영상의 다음 영상으로 설정하였다(Fig.8).

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FFFiiiggg...888...CCCooommmpppuuuttteeedddtttooommmooogggrrraaappphhhiiiccciiimmmaaagggeeesssaaarrrooouuunnndddttthhheeejjjoooiiinnntttsssuuurrrfffaaaccceee...a:thelastcuttingimageofdistalfemur.b:cuttingimageofjointline.c:1mmcuttingimageoftibiafrom jointsurface.d:6mm cuttingimageoftibiafromjointsurface.

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관절면에서 6mm 절단 시 경골 내과측이 절제되는 영상만을 포함시켰고슬관절 인공 관절 치환술시 사용되는 폴리에틸렌 삽입물의 두께를 고려하여 관절면으로부터 6mm,8mm,10mm,12mm,15mm 그리고 18mm 절제 시 절단면을 대조군으로 설정하였다(Fig.9).

FFFiiiggg...999...CCCooommmpppuuuttteeeddd tttooommmooogggrrraaappphhhiiiccc iiimmmaaagggeeesss aaattteeeaaaccchhh rrreeessseeeccctttiiiooonnn llleeevvveeelllooonnnppprrroooxxxiiimmmaaallltttiiibbbiiiaaa...

- 18 -

BBB...유유유한한한요요요소소소 모모모델델델의의의 생생생성성성 및및및 유유유한한한요요요소소소 해해해석석석연부 조직을 제거하고 피질골과 해면골만을 포함시키기 위해 BIONIXTM

(CANTIBio.Co,Suwon,Korea)소프트 웨어 프로그램을 이용하여 단층 촬영 영상에서 영상분할(segmentation)을 시행하였고 이때 단층 촬영 영상과 동일한 값(130-255gray-scale)을 설정하였다(Fig.10,Fig.11).이 과정에서 골 조직을 제외한 골수(bonemarrow)도 제외되었다.

FFFiiiggg...111000...SSSeeegggmmmeeennntttaaatttiiiooonnnmmmeeettthhhooodddbbbyyyBBBiiiooonnniiixxxppprrrooogggrrraaammm ooonnnppprrroooxxxiiimmmaaallltttiiibbbiiiaaa...

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FFFiiiggg...111111...GGGrrraaadddiiieeennntttooofffttthhheeeiiimmmaaagggeeefffooorrrooorrriiigggiiinnnaaallliiimmmaaagggeee...

영상분할된 영상을 바탕으로 자동 메쉬 형성(automatic meshgeneration)소프트웨어 BIONIXTM (CANTIBio.Co,Suwon,Korea)프로그램을이용하여 8절점 정육방형 요소(8-nodehexahedronelement)로 모델을 생성하였다.복셀(voxel)의 크기는 0.163mm x0.163mm x1.000mm 로 전산화 단층촬영에서 얻은 영상의 크기와 동일하였다(Fig.12).

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FFFiiiggg...111222...TTThhheee vvvooollluuummmeeetttrrriiiccc mmmeeessshhh mmmooodddeeelllfffrrrooommm CCCTTT dddaaatttaaa...(a)Results ofregion-growingalgorithm (b)Voxelsize:X:0.163mm,Y:0.163mm Z:1.000mm.

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생성된 모델에 비골과 경골이 모두 포함되었고 경골만 포함하기위해 비골을 제거하였다(Fig.13)

(a) (b)FFFiiiggg...111333...TTThhheeevvvooollluuummmeeetttrrriiicccmmmeeessshhhmmmooodddeeelllaaafffttteeerrreeexxxcccllluuusssiiiooonnnoooffffffiiibbbuuulllaaa...(a)originalimage(b)afterexclusionoffibula.

경골만 포함된 모델을 인공관절 치환술시 사용되는 폴리에틸렌 삽입물의두께를 고려하여 원위 경골 외측 관절면으로부터 6mm,8mm,10mm,12mm,15mm,18mm 로 절제한후 각 대조군에서 6개의 유한요소 모델을 만들었다(Fig.14).

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FFFiiiggg...111444...TTThhheeehhheeexxxaaahhheeedddrrrooonnnmmmeeessshhhmmmooodddeeelllsssooofffppprrroooxxxiiimmmaaallltttiiibbbiiiaaaaaattteeeaaaccchhhrrreeessseeeccctttiiiooonnnllleeevvveeelllsss...

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요소(element)의 개수는 관절면에서 원위부로 6mm 절제한 모델에서 평균 62,470(±17,645)개,8mm에서 58,925(±15,558)개,10mm에서 55,892(±16,696)개,12mm에서 53,259(±13,875)개,15mm에서 49,841(±12,719)개 그리고 18mm에서 46,579(±11,681)개 였으며, 절점(node)의 개수는 6mm 에서 평균111,129(±24,148)개,8mm에서 86,013(±28,019)개,10mm에서 85,141(±20,549)개,12mm에서 80,379(±19,268)개,15mm에서 74,019(±17,343)개 그리고 18mm에서68,170(±15,668)개 였다.

모든 유한요소 모델의 물성(materialproperty)은 등방성(isotropic)이며 선형 탄성(linearelastic)으로 가정했고,탄성계수(Et,tissuemodulus)와 포아송 비(ν,Poisson'sratio)는 문헌을 참고하여 각각 10㎬과 0.3을 적용하였고 1%의 변형률(strainrate)을 가하였다(vanRietbergen등,1995:Steven등,1983).유한요소 모델은 BIONIXTM 소프트웨어를 이용하여 8절점 정육방형 요소로 만든 후HyperMeshTM(AltairEngineering.Inc.seattle,USA)소프트웨어를 이용하여 샘플은 Z 축(superior-inferior)의 하부를 고정하고,상부에서 1%의 변형률(strainrate)을 가하여 경계 조건(boundarycondition)을 설정하였다(Fig.15).

FFFiiiggg...111555...BBBooouuunnndddaaarrryyy cccooonnndddiiitttiiiooonnn...Forcompression testmodela strain wasappliedatthetopface( )whiledisplacementwasconstrainedatthebottom face( ).

- 24 -

유한요소 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS9.0(ANSYS.Inc.Orlando,USA)을 이용하여 최대 응력(σu,Ultimatestress)을 구하였고 시각화 하였다.

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CCC...통통통계계계 분분분석석석통계 분석은 SPSS11.0통계 프로그램을 사용하였으며 대조군내 최대 응

력의 변화를 비교하기 위해 pairedsamplet-test를 이용하였으며 신뢰도은 95%로 하였다.

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Ⅲ. . . . 결 결 결 결 과과과과

유한요소 해석을 통해 얻은 각 모델의 절단면에서 최대 응력은 표 2에정리하였다(Table2).전체 최대 응력의 평균은 810.18Mpa이었고 각 절단면에서 평균 최대 응력은 6mm에서 906.84MPa,8mm에서 877.22MPa,10mm에서 895.93MPa,12mm에서 852.70MPa,15mm에서 742.90MPa,18mm에서585.51MPa로 관절면에서 절제 거리가 증가할 수 록 절단면의 평균 최대 응력은감소하는 경향을 보였다(Fig.16,Fig.17).

전체 평균 최대 응력과 비교에서 8mm,10mm,12mm에서의 최대 응력의 변화는 3.58%,1.30%,5.66%로 의미 있는 감소는 없었으나 15mm일 때는20.24% 그리고 18mm일 때는 39.62%가 감소하였다.6mm 절제시 평균 최대응력에 대한 절제 거리에 대한 최대 응력의 변화는 8mm에서 3.20% 10mm에서 1.21% 12mm에서 5.96% 15mm에서는 18.09% 18mm에서는 35.40%였다.각 절제 거리에 따른 비교 및 연속된 절제 거리간의 최대 응력변화의 통계적 의미는 p-value(<0.005)를 구하였다.6mm 절단면의 최대 응력과 비교하여 절단면8mm,10mm,12mm,15mm 그리고 18mm에서 최대 응력의 변화에 대한p-value는 0.389,0.774,0.145,0.005그리고 0.000이었고,연속된 절단면간의 최대 응력 변화는 6mm와 8mm,8mm와 10mm,10mm와 12mm,12mm와15mm 그리고 15mm와 18mm에서 p-value는 각각 0.389,0.502,0.205,0.005그리고 0.021이었다(Table3,Table4).

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TTTaaabbbllleee222...uuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssss(((MMMPPPaaa)))ooobbbtttaaaiiinnneeedddfffrrrooommm fffiiinnniiittteeeeeellleeemmmeeennntttaaannnaaalllyyysssiiisss...

Patient Patient Patient Patient

numbernumbernumbernumber6 mm 8 mm 10 mm 12 mm 15 mm 18 mm

No. 01 627.75 628.42 806.40 460.42 450.50 429.38

No. 02 457.44 418.61 434.76 447.21 312.76 300.77

No. 03 946.90 923.56 900.16 559.14 540.47 892.90

No. 04 71134.0 1105.00 913.42 1095.00 804.25 723.97

No. 05 905.52 848.84 733.44 707.33 457.19 590.99

No. 06 815.61 816.31 924.11 902.39 971.95 633.10

No. 07 411.07 404.97 402.34 399.95 397.28 394.12

No. 08 355.14 354.58 354.65 354.85 350.16 343.90

No. 09 703.60 570.73 588.46 590.07 450.87 434.17

No. 10 966.25 693.51 833.46 832.84 677.06 396.69

No. 11 1099.00 1290.00 1386.00 1112.00 936.05 871.76

No. 12 547.17 854.66 678.45 779.77 527.78 358.17

No. 13 771.07 869.06 839.23 667.26 643.43 302.60

No. 14 1928.00 1997.00 2073.00 2097.00 1956.00 981.73

No. 15 1002.00 853.30 860.48 810.81 745.93 518.44

No. 16 899.31 1045.00 1082.00 1036.00 737.27 533.39

No. 17 1154.00 957.66 1305.00 1337.00 1619.00 1003.00

No. 18 1251.00 1211.00 1173.00 1071.00 639.75 556.65

No. 19 1002.00 853.30 860.48 810.81 745.93 518.44

No. 20 1160.00 848.91 769.68 983.17 894.35 926.04

Average 906.84 877.22 895.93 852.70 742.90 585.51

SD 357.30 364.73 387.75 397.40 409.04 234.90

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906.842877.221 895.925

852.701

742.900

585.509

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1,000

06mm 08mm 10mm 12mm 15mm 18mm

Resection levels

von

Mis

es S

tres

s(M

Pa)

FFFiiiggg...111666...MMMeeeaaannnvvvaaallluuueeeooofffuuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssssaaattteeeaaaccchhhrrreeessseeeccctttiiiooonnnllleeevvveeelll...

234.90

397.39387.74

364.72357.30

409.03

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

06mm 08mm 10mm 12mm 15mm 18mm

Resection levels

von

Mis

es S

tres

s(M

Pa)

FFFiiiggg...111777...SSStttaaannndddaaarrrddddddeeevvviiiaaatttiiiooonnnooofffuuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssssaaattteeeaaaccchhhrrreeessseeeccctttiiiooonnnllleeevvveeelll...

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TTTaaabbbllleee333...ppp---vvvaaallluuueeeiiinnnuuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssssaaattteeeaaaccchhhrrreeessseeeccctttiiiooonnnllleeevvveeelll...

resectionlevel p-value6mm vs8mm 0.3896mm vs10mm 0.7746mm vs12mm 0.1456mm vs15mm 0.0056mm vs18mm 0.0008mm vs10mm 0.5028mm vs12mm 0.4948mm vs15mm 0.0328mm vs18mm 0.00010mm vs12mm 0.20510mm vs15mm 0.00310mm vs18mm 0.00012mm vs15mm 0.00512mm vs18mm 0.00115mm vs18mm 0.021

TTTaaabbbllleee444...ppp---vvvaaallluuueeeiiinnnuuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssssaaatttcccooonnnssseeecccuuutttiiivvveeerrreeessseeeccctttiiiooonnnllleeevvveeelllsss...

resectionlevel p-value6mm vs8mm 0.3898mm vs10mm 0.50210mm vs12mm 0.20512mm vs15mm 0.00515mm vs18mm 0.021

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유한요소 해석의 분석 후 과정으로 최대 응력 분포를 ANSYS소프트웨어를 이용하여 시각화 하였다.적색에서부터 청색으로 시각화 하였으며 적색에 가까울 수 록 최대 응력이 크고 청색에 가까울 수 록 최대 응력이 작은 것을 의미한다.삼차원 경골 전후방 사면 영상에서 전체적으로 관절면에서 절단 거리가 증가 할수록 적색 분포는 감소하였고 청색 분포가 증가하였다.경골 근위부에서 간부로 이행되는 부위에서는 주로 청색으로 분포했으며 경골 간부에서는 주로 적색이 분포하였다.내과측에 주로 분포했던 적색 분포가 절단면이 증가할 수록 외과측으로 이동하는 양상을 보였다(Fig.18).관절면에 대한 분포 영상에서 적색이주로 내과쪽에 분포 했으며 피질골 내측을 따라 적색이 띠모양으로 분포하는 경향을 보였고 절단거리가 증가 할수록 외과측에도 적색 분포가 증가 하였다.내과측과 외과측에 있어서 주로 전방보다는 후방에 적색이 분포 하였다(Fig.19).

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FFFiiiggg...111888...DDDiiissstttrrriiibbbuuutttiiiooonnnooofffuuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssssuuusssiiinnngggFFFEEEAAA ooofffttthhheeeppprrroooxxxiiimmmaaallltttiiibbbiiiaaa...anteior-posteriorobliqueview.A:anterior,P:posterior,M:medial,L:lateral.

- 32 -

FFFiiiggg...111999...DDDiiissstttrrriiibbbuuutttiiiooonnnooofffuuullltttiiimmmaaattteeessstttrrreeessssssuuusssiiinnngggFFFEEEAAA ooofffttthhheeeppprrroooxxxiiimmmaaallltttiiibbbiiiaaa...resectionsurfaceview.A:anterior,P:posterior,M:medial,L:lateral.

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ⅣⅣⅣⅣ. . . . 고 고 고 고 찰찰찰찰

본 연구는 유한요소 해석을 이용하였다.유한요소 해석의 일반적 장점은물체의 성질을 분석하는데 있어 물체를 파괴하지 않고 분석이 가능하고 결과의재생이 가능하며 연구 결과 도출 과정에서 오류가 있을 경우 재실험이 용이한장점이 있다.또한 컴퓨터 도움 디자인(computeraiddesign,CAD)의 발달로 다양한 크기 밀 물성을 가진 구조물의 가상 시험(simulation)및 검증이 가능하다.방사선 영상의학 및 컴퓨터 소프트웨어의 발달로 단층 촬영을 이용한 골 조직에대한 기계적 특성 연구의 정확도가 보고되었고 자기공명영상을 이용해 인대나혈관 등의 연부 조직의 기계적 특성 연구가 보고 되었다.최근 마이크로 전산화단층 촬영(microcomputedtomography)의 개발로 미세한 구조의 분석이 가능하며 골 강도(bonestrength)의 평가에 있어 골질(bonequality)의 중요성 및 연구가 보고되었다.본 연구는 요소(element)를 육면체(hexahedron)로 구성 하였으나Ulrich등이 사면체 모델링을 개발하였고 유한 요소 모델링의 발달로 미세한 조직의 연구에서 사면체(tetrahedron)를 이용한 연구가 시행되고 있다(Ulrich 등,1998).사면체로 구성한 모델의 장점은 영싱분할(segmentation)과정에서 연부 조직을 더욱 섬세하게 제거 할 수 있다.

최근 여러 의학적 연구에 있어 윤리적인 측면이 강조되고 있다.본 연구는유한요소 해석을 이용하였으며 영상 및 수학적 해석을 통해 물질의 특성을 분석하므로 수술 중 대상에 대한 손상을 통한 연구에 비해 비 파괴적이었고 실험 과정 오류 시에 대상에 대한 복구가 가능하였으며 재 실험이 가능하였다.몬 연구에서 방사선 단층 촬영 시에 방사선 노출의 문제가 있으나 최근 촬영기기의 발달로 노출 양 및 시간이 감소되었고 본 연구에서 슬관절 부위이외의 영역은 납옷으로 방사선 노출을 차단하였고 사용된 방사선 단층 촬영의 방사선 노출 정도는 단순 방사선 흉부 후전방 촬영 영상의 약 40배로 윤리 위원회의 승인을 받았다.

최근 국내의 여건에서 사체(cadeva)나 부검(autopsy)시에 얻은 조직을 이

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용한 연구의 경우 대상을 구하기 어렵고 사체의 과거 병력이나 의학적 기초 자료가 부족한 단점이 있다.연구하고자하는 부위의 손상이 이미 있는 경우 및 사체를 보관하는 과정에서 보관 시간 및 화학 약품 등으로 인해서 결과에 영향을줄 수 있는 단점이 있다.부검시 얻은 조직을 이용한 골 강도 분석의 실험의 경우 연구하고자 하는 부위를 -20도로 냉동 시켜 보관한 후 실험직전에 실내온도에서 2-3시간에 걸쳐 해동 시킨 후 연부 조직을 제거 시킨다.Odgaard등은 냉동 및 해동 과정이 압박 실험 과정에서 약 20%정도 결과치가 감소한다고 보고하였다(Odgaard등,1991).

골 강도(bonestrength)는 골밀도(bonedensity)와 골질(bonequality)로 설명된다.골의 영의 계수(Young'smodulus)는 골밀도(bonedensity)와 해면 골 및피질 골내의 층판 및 골 소주의 배열에 영향을 받는다.주어지는 힘의 방향 및해부학적 부위에 따라 절대 값의 차이가 있으나,일반적으로 피질 골의 탄성 계수(modulusofelasticity)는 해면 골의 탄성 계수보다 크다.

피질 골은 근위 경골부의 강도에 영향을 미치고 근위부에 주어진 하중을원위부로 전달하는데 매우 중요한 부분을 담당한다.본 연구는 피질 골과 해면골을 모두 포함시켰으며,절단면에 따른 전체적인 강도를 분석 하였다.인공관절슬관절 치환술의 경우 경골부 절단면의 피질 골이 100% 치환물로 피복되지는않지만 하중은 피질 골 및 해면 골에 모두 영향을 받고 즉 치환부위에 주어진하중은 치환물 주위의 경계 물질의 강도(boundaryinfluenceofmatrix)에 영향을받는다.기존의 연구에서 골 소주를 채취한 후 시행한 압박 시험(compressiontest)의 경우 경계면 영향(naturalconstraint)이 없고 압입 시험의 경우에 한 절단면을 다양한 구획으로 나눈 후 실험을 진행 하므로 실험 과정에서 경계면의손상이 실험 과정이 진행될수록 점진적으로 발생하므로 결과에 영향을 미칠 수있는 단점이 있다.본 연구는 분절화(segmentation)과정을 통해 연부 조직을 골조직에서 제거 하여 피질 골은 포함하였으나 이 과정에서 피질골이 부분적으로손상될 수 있고 이 부분의 오차를 줄이기 위해 더욱 미세하게 연부조직을 제거할 수 있는 Ulrich등의 사면체 요소(tetrahedronelement)를 이용한 유한 요소

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모델링이 필요할 것으로 사료된다.본 연구에서 골 조직은 포함 되었으나 골조직내부의 골을 제외한 물 및 혈액 등의 기질은 포함되지 않은 한계가 있으며 향후CharlesH 등에 의해 고안된 나노압입 시험(nano-indentation)검사로 정확도를보완해야 할 것으로 생각된다.

슬관절에 주어지는 하중은 체중의 3.0배에서 4.0배로 알려져 있고 예전의대부분 생역학 실험에서 체중의 약 3.5배(2000Newton,N)에 해당하는 힘을 슬관절에 설정했다.최근 보행 분석의 발달로 슬관절에 주어지는 하중에 대한 보고가 다양하다.Kuster등의 보고에 따르면 슬관절에 가해지는 압박력은 평지 보행시 체중의 평균 2.0배에서 4.0배이고 내리막 보행시 4.0배에서 8.0배이며 슬관절을 41도 굴곡시 가장 큰 대퇴-경골 간 압박력이 주어지며 근력(muscleforce)이하중의 약 70%정도로 영향을 미치며 특히 보행 시 내전 운동(adductionmoment)이 가장 큰 영향을 준다고 보고하였다.Jefferson등은 최대 하중이 체중의 6.3배로 보고하였고,Wyss등은 2.5배에서 5배로 하중을 보고 하였다.슬관절에 주어진 하중의 범위가 상기와 같이 다양하고 본 연구에서는 수술을 시행받을환자를 대상으로 하였기에 나이 및 골 밀도,근력,슬관절내 반월상 연골 및 십자 인대 등의 연부 조직의 정도에 따라 슬관절에 주어지는 하중이 일반적인 정상 대상에 비해 달라질 수가 있다.본 연구는 각 연구 대상내에서 주어진 하중에대한 절단면 강도 변화를 파악하는 것이므로 일반적인 2000N의 하중을 일률적으로 모든 군에 설정하는 것보다 각 군마다 모델링된 골의 상태에 따라 10%의 변형율(strain)을 설정 하였다.10% 변형율은 경골에 대한 부검 및 사체를 통한 기존의 인스트론을 이용한 압박 실험의 응력-변형율 곡선의 항복 응력(yieldstress)과 최대 응력(ultimatestress)을 고려하여 설정하였다(vanRietbergen등,1995;Steven등,1983).

본 연구 대상은 인공관절 치환술을 시행받기 위해 내원한 환자 중 일차성 퇴행성 관절염 환자만을 대상으로 하였기 때문에 대상의 평균 연령이 68.4세였고 골밀도는 2예를 제외한 18예에서 고관절부위에 시행한 골밀도의 T-score가-3.0이하였고 20예의 평균 골밀도는 T score가 -3.3이었다.본 연구의 목적이 결

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과를 임상적으로 슬관절 치환술을 시행 받는 환자에 이용하고자하여 대상의 설정이 연구의 목적에 대상이 부합하지만 결과를 일차성 퇴행성 관절염 이외의 슬관절 치환술이나 정상 슬관절에 적용하는데는 한계가 있다.

본 연구는 비골을 경골로부터 제거하고 하중을 경골에만 가하였다.하지(leg)에 수직력(axialload)이 가해질 때 비골에 분포하는 힘의 정도에 대한 연구로 Lamert등은 전체 하중의 6분의 1이 비골로 전해진다고 보고 하였으나Takebe등은 Lambert등의 실험의 단점을 지적하고 직접적인 방법으로 연구한보고에서 발목 관절이 중립인 위치에서 비골로 전달되는 힘은 약 6.4%정도로 과거 보고보다 적고 족관절의 굴곡(flexion)및 신전(extension)및 근위 경비골 관절면이 이루는 각의 정도에 따라 하중의 분포가 달라진다고 보고하였다.Funk등은 족관절의 자세에 따른 비골로 전해지는 하중은 -8%에서 19%로 다양하며 외반(eversion)시 하중 분포가 가장 많고 내반(inversion)시 가장 작다고 보고 하였다.비골은 하지의 회전에 대한 안정성에 기여하는 것으로 알려져 있으며Thambyah등은 사체 실험을 통해 원위 경골을 고정 후 외회전 5도를 슬관절에가한 경우 비골이 부착된 경우에 비해서 제거된 경우 평균 회전력(torque,Nㆍm)이 11% 감소했고 통계적으로 의미가 있다고 보고 하였다.상기와 같이 하중에대한 비골의 분포는 발목 관절의 위치 및 경비골의 관절면 기울기,슬관절의 굴곡 상태,근위 경골 관절면에서 경골에 주어지는 힘의 중심 위치에 따라 다양하므로 본 연구는 비골을 제거하고 각 연구 대상에 10%의 변형율을 주었다.향후동적인 관절의 전체적인 연구를 위해서는 비골부위뿐 아니라 연부 조직을 모두포함한 연구가 필요하다고 생각된다.

현재의 슬관절 인공관절 치환술 시에 관상면(coronalplane)상에서 하지의 기계적 축을 회복하고 경골측에 있어 경골에 작각에서 3도 이하 내반으로 절제한다.예전의 문헌 보고는 관절면에 평행으로 절제를 시행하고 결과를 분석 하였다(Stevn등 ,1983;Hvid등,1986;Harada등,1988).현재의 인공 관절 치환술을 고려할 때 관절면에 평행으로 절제한 결과는 임상에서 적용하는데 한계가 있다.본 연구에는 결과를 슬관절 인공관절 치환술에 응용하고자 했기 때문에 절단

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면을 경골의 기계적 축에 가능한 직각으로 전산화 단층 촬영을 시행하였고 연구대상에도 절단 각이 3도이내 내반인 대상만을 포함 시켰다.경골부 절제 각도가삽입물 및 치환물의 수명에 미치는 영향에 대한 많은 문헌 보고가 있다.D‘Lima등은 kneewearsimulator를 이용한 연구에서 3도 내반으로 경골이 절제된 경우폴리에틸렌 삽입물의 마모(wear)가 3배 이상 증가한다다고 보고하였고,Matsuda등은 5도 이상 내반이나 외반으로 절제된 경우 폴리에틸렌 삽입물에 대한 접촉력(contactstress)이 약 50% 증가한다고 보고하였다.

본 연구는 관상면상에서 기계적 축의 정렬을 회복한 절단은 시행하였으나시상면(sagittalplane)상에서 절단면의 후방경사(posteriorslop)가 고려되지 않은한계가 있다.단층 촬영으로 촬영시 절단면 선정에 있어 관상면과 시상면을 동시에 설정하지 못하는 단점으로 향후 시상면 절단이 가능한 자기 공명 영상을 이용한 모링링으로 연구를 진행할 계획이다.후방 경사 정도는 골 강도 및 굴곡 신전 간격 균형에 영향을 주기 때문에 슬관절 인공관절 치환술시 고려해야 한다.후방 경사의 정도는 치환물의 형태(design)에 따라 권고되는 각도가 있고 일반적으로 후방십자인대 보완형(posteriorcruciateligamentsubstitutingtype)치환물에서는 후방십자인대 제거로 인한 굴곡 간격의 증가 및 7도 이상 후방 경사의경우 폴리에틸렝 삽입물의 주대(post)에 과도한 하중이 전달되므로 후방십자인대보존형(posteriorcruciateligamentretainingtype)보다 후방각을 작게준다.

관상면 및 시상면상 정렬뿐 아니라 회전 정렬(rotationalalignment)또한폴리에틸렌 삽입물에 대한 접촉력(contact stress) 및 마모에 영향을 준다.Rottang등은 정상 정렬된 폴리에틸렌 삽입물에 대해 1.5kN의 수직력을 가하면서 10도 경골을 외회전 시켰을때 고정형보다 이동형에서 압박 변형력(compressivestrain)이 33% 감소하였고 10도 경골을 내회전 시 22% 감소했다고보고하였다.cheng등은 내회전 및 외회전 부정 정렬된 삽입물에 있어 고정형(fixed type)과 이동형(mobile type)의 비교에서 고정형이 접촉력(contactpressure)이 더 의미있게 크다고 보고하였다.

분석 후 시각화한 결과에서 최대 응력의 분포는 절단면에서 내과측이 외과

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측보다 적색에 가까운 색으로 응력이 큰 결과를 보여 예전에 Hvid등의 결과와일치하였다.본 연구의 전체적인 분포 양상은 피질 골쪽으로 띠모양의 분포를 보였다.이 결과는 골간단부에서 피질골쪽 주변으로 최대 응력 분포가 된다는Goldstein등의 결과와 유사하였다.Harada등은 압입 검사에서 내과측은 중앙부위가 가장 강하고 외과측은 후방부위가 강하다고 보고하였고,HivdI등은 과간부(intercondyalar)가 가장 약하고 내과쪽에서는 전방에 외과쪽은 후방의 골 강도가 가장 크다고 보고 하였으나 본 연구에서는 내과측 및 외과측 모두 중앙부위가 가장 약한 결과를 보였고 내과측과 외과측 모두에서 전방 부위보다 후방 부위가 강한 결과를 보였다.본 연구에 사용된 전산화 단층 촬영 영상에서도 후방부위로 골소주가 더욱 밀집된 결과를 보였다.본 연구와 비교해서 Harada등의연구 대상의 연령은 73.6세로 본연구와 큰 차이는 없었으나 정상적으로 보이는대상을 선정 하였고 남자가 7명 여자가 5명으로 본 연구보다 남자의 비율이 높았고 관절면에 평행으로 절제한 관절면의 분석인 점에서 차이가 있을 수 있다고사료된다.

Fig.18.에서 적색이 골간단부에서 양이 증가하는 양상을 보여 근위 경골에 주어진 하중이 원위부로 피질 골을 따라 효과적으로 골간단부로 전달되는 결과를 보였다.

절단면의 강도는 인공관절 치환술에서 절제 정도를 결정하는 중요한 요소이다.본 저자들의 연구에서는 관절면에서 거리가 증가할수록 최대 응력은 감소하고 6mm를 기준으로 할 때 8mm,10mm,12mm,15mm 18mm에서 pvalue가 0.389,0.774,0.145,0.005,0.000로 점차 감소하고 연속된 단계 간 차이에대한 비교에서 특히 12mm와 15mm 사이,15mm와 18mm사이에서 p-value가 0.005,0.021로 감소하였고 통계학적으로 의미가 있었다(p<0.05).본 연구는 경골 축에 수직으로 절제시 절단면에 따른 연구이나 예전의 경골의 기계적 특성에대한 연구는 대부분 관절면에 평행으로 절제한 연구로 절대 비교는 어렵다고 사료된다.

관절면에 평행으로 절제한 연구 결과도 보고자에 따라 결과가 다양했다.

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Zysset 등은 내과측 골관절염이 있는 6명의 환자를 대상으로 연골하(subchondral)부,골단(epiphyseal)부,골간단(metaphyseal)부로 나누어 근위 경골의 골 강도를 분석하였는데 연골하골에서 퇴행성 변화에 따른 조직의 무기질화(minralization)감소로 경골의 종축방향에 대한 하중에 기계적 성질의 감소(p<0.005)를 보고하였으나 골단부 및 골간단부에서는 골소주의 두께 및 수가 증가하여 이들 부위에서 평균 탄성 성질(elasticproperty)은 퇴행성 변화에 의해 감소하지 않았으며(p<0.05),결론으로 관절면에 평행인 면이 경골 종축에 수작인면보다 더욱 균일(homogenous)하며 경골부 골절제를 최소화 하는것이 최선의 방법이 아니라고 보고하였다.Hvid는 관입 시험(penetrationtest)을 이용한 근위 경골의 골소주에 관한 연구에서 관절면으로부터 10mm이내에서 골강도가 의미있게 감소하였고 2mm씩 절제양이 증가할수록 경골부의 기계적 강도가 30%씩감소한다고 보고 하였다(Hvid등,1988).ChaputCD 등은 6개의 부검 조직을이용한 실험에서 경골 내과측을 기준으로 10mm 이내에서 압박력에 가장 강했다고 보고 하였다.Goldstein 등은 인스트론(instron)을 이용한 압박시험법(compressiontest)을 통해 관절면에서 원위부로 갈수록 최대 응력이 감소하나20mm까지는 경미하다고 보고하였고,Volz등은 관절면으로부터 10mm와 20mm의 비교에서 기계적 성질에 큰 차이가 없었고(20mm에서 압박력이 10mm의105%)30mm이상에서 골 강도의 급격한 감소를 보고 하였다(Volz등,1987).Goldstein등의 연구는 피질골 및 주변 골소주의 경계 영향(boundaryinfluence)이 없고 관절면에 평행인 절제가 본 연구 결과와의 차이에 영향을 미쳤다고 생각된다.연구 대상 및 실험 방법에 있어 상기의 연구들은 경골축에 수직으로 절제한 본 연구와 결과를 단순 비교하기 어렵고 현제의 인공관절 치환술에 응용하기에 한계가 있다고 생각된다.Harada 등은 사체(cadeva)에서 압입시험법(indentationtest)을 이용한 연구에서 내과측 관절면으로부터 5mm이내에서 최대 응력의 급격한 감소를 보고 하였고 최소한으로 골절제를 할 것을 제안하였다(Harada등,1988).내과측 골절제를 연골하 골에서 2mm로 절제하는 현재의 인공관절 수기에 부합되는 결과로 사료된다.

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인공 관절 치환물의 수명은 폴리에틸렌 삽입물의 물성,소독 방법,연부조직 균형,환자의 일상생활,관절면의 접촉력 등의 다양한 요소가 복합적으로작용하므로 경골의 기계적 강도뿐아니라 상기의 여러 요소를 수술시에 복합적으로 고려하여야 할 것으로 사료된다.

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V. V. V. V. 결 결 결 결 론론론론

본 연구를 통해 유한요소 해석을 이용한 연구 방법이 신체 조직의 물성을파악하는데 유용한 방법임을 활인할 수 있었다.본 연구의 결과를 고려할 때 경골에 3도 내반 이내로 절제한 절단면은 외과측 관절면에서 거리에 따른 근위 경골부의 최대 응력은 원위부록 갈수록 감소하나 12mm 이내에서는 통계적 의미가 없었으므로 외과측 관절면으로부터 12mm 이내로 골절제시 내측 관절면이절제 된다면 단순한 치환술의 사용을 고려할 수 있다고 사료된다.

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참 참 참 참 고 고 고 고 문 문 문 문 헌헌헌헌

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-ABSTRACT-

DDDiiiffffffeeerrreeennnccceeeooofffttthhheeeMMMeeeccchhhaaannniiicccaaalllSSStttrrreeennngggttthhhooofffPPPrrroooxxxiiimmmaaalllTTTiiibbbiiiaaaaaaccccccooorrrdddiiinnngggtttoooRRReeessseeeccctttiiiooonnnDDDiiissstttaaannnccceeefffrrrooommm JJJoooiiinnnttt

SSSuuurrrfffaaaccceee

Kwang-KyounKim

DepartmentofMedicalSciencesTheGraduateSchool,AjouUniversity

PPPuuurrrpppooossseee:::Thisstudy carriedouttoevaluatethemechanicalstrength ofproximaltibiaaccordingtoresectiondistancefrom jointsurfaceandtousethisdatafortotalkneearthroplasty.

MMMaaattteeerrriiiaaalllsssaaannndddMMMeeettthhhooodddsss:::20 casesofkneecomputed tomography imageswere obtained from knee osteoarthritis patients undergoing totalkneearthroplasty.Based on computed tomography images,the finite elementmodels were created.The 8-node hexahedron elementwas made fromBIONIXTM (CANTIBio.Co,Suwon,Korea) which is automatic meshgeneration softwareprogram.Thefiniteelementmodelofproximaltibiawasresectedto6mm,8mm,10mm,12mm,15mm,18mm from thelateral joint surface. 10% strain rate was applied to model usingHyperMeshTM(Altair Engineering. Inc, seattle, USA)software. Ultimatedstress was calculated from finite element anaysis using ANSYS 9.0(ANSYS.Inc,orlando,USA).Pairedsamplet-testwasusedforstatics.

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RRReeesssuuullltttsss:::Ascompareto6mm resectionlevel,pvaluewith8mm,10mm,12mm,15mm,18mm was0.389,0.774,0.145,0.005,0.000.Ascomparetoconsecutive resection level,p-value was 0.389,0.502,0.205,0.005,0.021between6mm and8mm,8mm and10mm,10mm and12mm,12mmand15mm,15mm and18mm.

CCCooonnncccllluuusssiiiooonnn::: Ultimate strength was decreased according to increasingresectiondistancefrom jointsurfacebutWithin12mm resectiondistancefrom lateralcondylearticularsurfaceoftibia,ultimatestrength wasnotdecreased statically significant(p>0.05)and consideritdoing totalkneearthroplasty.

Key Words:Tibia,Finite elementanalysis,Ultimate stress,Totalkneearthroplasty