• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제36권6호
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• pp.276-282
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• 2015

Recently, during the multi-level fusion with pedicle screws, interspinous spacer are sometimes substituted for the most superior level of the fusion in an attempt to reduce the number of fusion level and likelihood of degeneration process at the adjacent level. In this study, a finite element (FE) study was performed to assess biomechanical efficacies of the interspinous spacer combined with posterior lumbar fusion with a previously-validated 3-dimensional FE model of the intact lumbar spine (L1-S1). The post-operative models were made by modifying the intact model to simulate the implantation of interspinous spacer and pedicle screws at the L3-4 and L4-5. Four different configurations of the post-op model were considered: (1) a normal spinal model; (2) Type 1, one-level fusion using posterior pedicle screws at the L4-5; (3) Type 2, two-level (L3-5) fusion; (4) Type 3, Type 1 plus Coflex$^{TM}$ at the L3-4. hybrid protocol (intact: 10 Nm) with a compressive follower load of 400N were used to flex, extend, axially rotate and laterally bend the FE model. As compared to the intact model, Type 2 showed the greatest increase in Range of motion (ROM) at the adjacent level (L2-3), followed Type 3, and Type 1 depending on the loading type. At L3-4, ROM of Type 2 was reduced by 34~56% regardless of loading mode, as compared to decrease of 55% in Type 3 only in extension. In case of normal bone strength model (Type 3_Normal), PVMS at the process and the pedicle remained less than 20% of their yield strengths regardless of loading, except in extension (about 35%). However, for the osteoporotic model (Type 3_Osteoporotic), it reached up to 56% in extension indicating increased susceptibility to fracture. This study suggested that substitution of the superior level fusion with the interspinous spacer in multi-level fusion may be able to offer similar biomechanical outcome and stability while reducing likelihood of adjacent level degeneration.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제20권1호
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• pp.45-51
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• 1999

본 연구는 동물실험과 유한요소법을 병행하여 난시교정을 위한 각막 절개 수술시 관련되는 다양한 인자의 변화가 수술 결과에 미치는 영향을 분석하고자함에 그 목적이 있다. 난시 교정술 중 각막절개에 의한 방법으로는 각막의 정점으로부터 일정거리에서 호선(arcuate)으로 절개하는 것이 일반적이나 본 연구에서는 직선(straight), 그리고 역호선(inverse arcuate) 절개방법도 시도하여 그 결과를 역학적으로 분석하였다. 연구결과 각막절개를 이용한 난시교정은 arcuate 방법이 가장 예측 가능하였으며, 수술의 효과는 각막의 정점과 가장자리 중간위치에서의 절개가 가장 효과적인 것이 실험과 유한요소에서 공히 검증되었다. 이를 바탕으로 유한요소 방법으로 arcuate 절개술에서 절개길이를 변화시킨 결과 90도 만큼의 절개가 120도 혹은 150도까지 절개한 것보다 더 큰 굴절률 변화를 보여주어 최대 굴절률 변화를 위한 절개 각도는 90도라는 결론을 얻었다. 하지만 시술결과 각막의 점탄성 성질과 자가치유 효과에 의한 수술효과는 시간이 지날수록 감소되는 경향을 보여 앞으로의 연구는 점탄성의 성질이 고려되어야 할 것으로 사료된다.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제24권5호
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• pp.401-410
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• 2003

본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 대퇴골 전자간 골절 치료에 대한 다양한 수술기법을 골밀도 변화에 따라 생체역학적으로 분석하여 이를 평가하고자 한다. 이에 구현된 모델들은 압박 고관절 나사만을 이용하여 시술한 모델 (Type I), 삽입된 압박 고관절 나사 주위에 시멘트 영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하는 시술을 구현한 모델 (Type II),대학교추가의 골소실이 없이 시멘트를 가압하여 주입하는 시술을 구현한 모델 (TypeIII)의 3가지 형태로 구현하였다. 시술 상황에 따라 골절부위와 삽입물의 경계면 주위에 접촉요소를 사용하기 위해 적절한 마찰계수를 설정하였으며, 골다공증 정도 (Singh Indices, II∼V)에 따라 대퇴골의 물성치를 적절하게 적용시켰다. 각 모델에 있어 골밀도 변화에 따른 수술기법의 차이를 분석하기 위하여 다음과 같은 인자를 분석하였다 : (a) 대퇴골두 내에서의 von Mises 응력 부피비, (b) 대퇴골두 망상골과 인공 삽입물내에서의 최대 von Mises 응력 (PVMS), (c) 대퇴골두 내에서의 최대 von Mises 변형률 (MVMS), (d) 골절 부위와 인공 삽입물 주위에서의 미세운동량. 수술기법 중 Type III가 대퇴골두 내에서 골밀도 변화에 상관없이 가장 낮은 PVMS, MVMS 수치를 보여 가장 효율적인 결과를 나타내었다. 이는 기존 시술법 (Type I,II)에 비해 내고정 실패 가능성이 가장 적을 것으로 예측되었다. 특히, 골밀도가 낮을 때에는 Type III의 수술 효과가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 또한, 삽입물 주위에서 미세운동량을 분석한 결과, Type III의 수치가 다른 시술법들의 15∼20%로 나타나 시멘트를 가 압하여 보강하는 시술법이 삽입물 주위의 미세운동을 억제하는데 있어 가장 효과적이다는 것을 증명하는 것이다. 이러한 결과로부터, 압박 고관절 나사를 이용한 대퇴골두 전자간 골절 치료에 있어 골 시멘트를 가압하여 보강하는 방법이 골밀도가 낮은 환자에 있어 인공삽입물의 내고정 및 골유합에 가장 큰 효과를 보일 것으로 사료된다.

• 대한의용생체공학회:의공학회지
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• 제25권3호
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• pp.171-182
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• 2004

본 연구에서는 의료 영상과 유한요소 해석을 이용하여 골절된 척추체의 치료를 위해 골 시멘트를 주입하는 추체 성형술(vertebroplasty)에 영향을 미치는 여러 인자들에 대해 생체 역학적으로 분석하여 평가하고자 하였다. 의료 영상을 통해 구현된 모델들은 분석하고자 하는 인자에 대하여 크게 단분절과 다분절 유한요소 모델의 2 가지 형태로 구분하였다. 단분절 유한요소 모델을 통해 골다공증의 정도, 주입된 골 시멘트의 양, 골 시멘트의 주입량 및 환자에게 주입된 골 시멘트 양의 적절성을 평가하였으며, 골 시멘트의 주입이 척추체의 구조적 안정성에 미치는 효과를 분석하기 위하여 척추체 상종판에 수직 압축하중을 가하여 이때의 최대 수진 변위량을 분석하였다. 또한 단분절 척추체의 강성도(stiffness) 값을 산출한 뒤, 정상 상태의 척추체의 강성도 값으로 정규화 하였다. 다분절 유한요소 모델의 경우, 압박 골절 상태를 적용하여 척추 만곡의 변화가 인체에 미치는 영향을 분석하기 위하여 골절의 정도를 3 가지로 구현하였으며, 모델의 최상부에 압축 하중을 가한 후의 척추 만곡의 변화 정도를 분석하였다. 추체 성형술에 대한 다양한 인자들에 대한 분석 결과, 추체 성형술을 통해 환자의 골밀도가 상대적으로 높은 경우(BMD 50mg/$m\ell$이상)와 환자의 척추체 망상골 부피의 약 15%에 해당하는 골 시멘트 주입 시 가장 큰 척추체의 구조적 안정성의 증가 효과를 가져올 것으로 예측되었다. 또한 척추 골절이 미치는 영향에 대한 분석 결과, -2.8$^{\circ}$의 정상적인 후만곡을 가지는 T12∼L2 운동 분절이 골절의 모델링 후 약 9∼17$^{\circ}$의 큰 전만곡을 가지게 되었으며 이러한 척추 만곡의 변화는 동일한 하중 하에서 급격한 척추 만곡의 변화를 야기하는 것으로 나타났다. 또한 골절의 정도가 심할수록 척추 변형은 더욱 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과들로부터, 전반적으로 추체 성형술은 골 시멘트의 주입량 또는 골밀도에 상관없이 약화된 척추체의 자체의 구조적 안정성의 증가 효과를 가져왔으며 골절로 인해 추체의 높이가 손상되었을 경우 이를 회복하는 것이 중요한 인자의 하나임을 나타내는 결과로 사료되어진다.