Biomechanical Analysis of Different Thoracolumbar Orthosis Designs using Finite Element Method

유한요소 해석을 이용한 정형용 흉·요추 보조기의 형태에 따른 생체역학적 분석

Thoracolumbar orthosis has been used for the rehabilitation of the patients with senile kyphosis. Recently, a number of different thoracolumbar orthosis designs have been introduced but its biomechanical effectiveness still remain unknown. In this study, we compared the pressure distribution on the surface of the trunk and stresses on the orthosis in relation to changes in connecting frame designs (Type 1, one-connecting frame type; Type 2, two-connecting frame type; Type 3, all-in-one type) using finite element (FE) models under different motions of the trunk. The results showed that Type 3 distributed the pressure on the trunk most evenly followed by Type 2 and Type 1 and the difference between Type 1 and Type 2 was negligible. ROM was limited most effectively by Type 3 ($8.5{\sim}9.4^{\circ}$), followed by Type 2 ($11.3{\sim}13.9^{\circ}$) and Type 1 ($12.1{\sim}15.4^{\circ}$). The ratio between the peak von Mises stress and yield strength of each material remained less than 20% regardless of orthosis type indicating low likelihood of component failure. In conclusion, our study found that all-in-one type of orthosis was the most effective design for the conservative treatment of spinal deformity in terms of function and comfort.

흉 요추 보조기는 후만증 관련 증상의 진행을 예방하고 통증을 완화시키기 위한 목적으로 노인성 후만증 환자의 재활을 위하여 이용되고 있다. 최근 다양한 형태의 흉 요추 보조기가 개발되고 있으나 생체역학적 효과에 관한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 세 가지 형태 (Type 1, one-connecting frame type; Type 2, two-connecting frame type; Type 3, all-in-one type)의 흉 요추 보조기와 몸통 (trunk)의 유한요소 모델을 구현하여 보조기 착용 후 운동성 변화에 따른 몸통에서의 압력 분포 및 보조기의 응력을 비교 분석하였다. 신전 운동 시 몸통에서 확인되는 압력의 분산은 일체형의 형태를 가지는 Type 3에 의해서 가장 고르게 이루어졌으며 connecting frame 형태의 Type 1과 Type 2의 압력 분포 패턴은 크게 차이가 나지 않았다. 보조기 착용에 따른 몸통의 운동성은 Type 2 ($11.3{\sim}13.9^{\circ}$), Type 1 ($12.1{\sim}15.4^{\circ}$)와 비교하여 Type 3 ($8.5{\sim}9.4^{\circ}$)에 의하여 가장 크게 제한되었다. 모든 Type의 보조기는 20% 미만의 파단 가능성을 보였다. 따라서, 보조기 착용에 따른 등압 분포 및 운동성의 결과로 미루어 볼 때, 일체형의 흉 요추 보조기가 후만증 환자 재활에 있어 높은 효과를 제공할 것으로 사료된다.