경골 근위부 관절면에서의 거리에 따른 기계적 강도

Abstract

목 적: 유한요소 해석을 이용하여 슬관절의 경골 관절면에서 거리에 따른 절단면의 기계적 강도 차이를 분석하고 이를 슬관절 인공관절 치환술 시에 고려하고자 한다. 재료 및 방법: 슬관절 인공관절 치환술을 위해 내원한 퇴행성 관절염 환자에서 시행한 20 례의 슬관절 전산화 단층 촬영 영상을 이용하였고 각 전산화 단층 영상을 자동 메쉬 형성(automatic mesh generation) 소프트웨어 BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea) 프로그램을 이용하여 8절점 정육방형 요소(8-node hexahedron element)로 모델을 생성하였다. 유한요소 모델은 근위 경골 외과측 관절면에서 6mm, 8mm, 10mm, 12mm, 15mm, 18mm씩 절단하여 20개의 모델당 각 6개의 유한요소 모델을 만들었다. BIONIX™ 소프트웨어에서 생성된 8절점 정육방형 요소는 HyperMeshTM(Altair Engineering. Inc, Seattle, U.S.A) 소프트웨어를 사용하여 1%의 변형률(strain rate)을 가하여 경계 조건을 적용했다. 유한요소 해석은 상용 소프트 웨어인 ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, Orlando, U.S.A)을 이용하여 최대 응력(σu, Ultimate stress)을 구하였다. 결과: 전체 최대 응력의 평균은 810.18 Mpa 이었고 각 절단면에서 최대 응력의 평균은 6 mm에서 906.84 MPa, 8 mm에서 877.22 MPa, 10 mm에서 895.93 MPa, 12 mm에서 852.70 MPa, 15 mm에서 742.90 MPa, 18 mm에서 585.51 MPa로 관절면으로부터 절제 거리가 증가할 수 록 절단면의 평균 최대응력은 감소하는 경향을 보였다. 전체 평균 최대 응력에 대해 6 mm와 비교해서 8 mm, 10 mm, 12 mm에서의 최대 응력의 변화는 3.58%, 1.30%, 5.66%로 의미 있는 감소는 없었으나 15 mm일 때는 20.24% 그리고 18 mm일 때는 39.62%가 감소하였다. 6 mm 절제 시 평균 최대 응력에 대한 절제 거리에 대한 최대 응력의 변화는 8 mm에서 3.20% 10 mm에서 1.21% 12 mm에서 5.96% 15 mm에서는 18.09% 18 mm에서는 35.40%였다. 각 절제 거리에 따른 비교 및 연속된 절제 거리간의 최대 응력변화의 통계적 의미는 paired t-test를 이용하였다. 6 mm 절단면의 최대 응력과 비교하여 절단면 8 mm, 10 mm, 12 mm, 15 mm 그리고 18 mm에서 최대 응력의 변화에 대한 p-value는 0.389, 0.774, 0.145, 0.005 그리고 0.000 이었고, 연속된 절단면간의 최대 응력 변화는 6 mm와 8 mm, 8 mm와 10 mm, 10 mm와 12 mm, 12 mm와 15 mm 그리고 15 mm와 18 mm에서 p-value는 각각 0.389, 0.502, 0.205, 0.005 그리고 0.021이었다. 결론: 슬관절의 경골 외과측 관절면에서 거리에 따른 절단면의 최대 응력의 변화는 전반적인 감소를 보이나 12 mm이내에서는 최대 응력의 변화가 통계적 의미가 없었고 이를 슬관절 인공관절 치환술시 고려해야 할 것으로 사료된다.