족관절 고정술은 족관절에 발생한 심한 관절염(end-stage arthritis)에서 전통적으로 시행하던 술식으로 현재 사용되고 있는 인공 족관절 치환술이 발달되기 전까지는 gold standard 로 알려져 있었으며 현재에도 심한 족관절의 변형이나 파괴, 족관절 인공 관절의 실패시에 시행되고 있다. 1897년 Albert가 처음으로 족관절 고정술을 소개한 이후로 30여가지가 넘는 방법이 행해지고 있으나 개방적 관절 고정술의 단점인 수술 후 염증, 유합 지연, 연부조직의 손상에 의한 피부 괴사 등을 극복하고 유합물을 높이기 위해 다양한 내고정 및 외고정 장치를 사용하고 있다. 관절경 술식이 발달하면서 Schnider가 1983년 최초로 관절경을 이용한 족관절 고정술을 발표한 이후로 관절경하의 족관절 고정술은 개방적 족관절 고정술 보다 높은 유합율과 적은 수술 합병증으로 인해 관심의 대상이 되었지만 족관절의 변형이 심한 경우에는 시행하기 어려운 단점이 있는 것으로 알려져 왔다.
본 논문에서는 현재 진행 중인 인공 슬관절 연구에서 역학적 분석분야의 동향과 접촉 응력해석에 대하여 언급한다. 인공 관절 특히 슬관절은 인체에서 가장 크고 움직임이 복잡하여 인공 관절 설계가 어려우며 또한 이에 대한 생체역학적 실험이 쉽지 않다. 무엇보다도 외국에서 연구가 활발하고 제품 생산도 선진국에서 주도하고 있으며 그 기술 격차는 매우 큰 현실이다. 최근까지 발표된 논문과 특히 실험과 수치해석이 병행되어 우수한 결과가 발표된 논문 내용을 중심으로 역학 분야를 소개하고자 한다. 접촉 유한요소해석이 수행된 내용도 일부도 포함된다.
일반적으로 진행된 골관절염 등 골연골 병변에 대해서는 골연골을 치유시키는 술식에서부터 인공 관절 치환술까지 치료방법이 다양하게 보고되고 있다. 특히 견관절 인공 관절 치환술을 비롯한 여러 수술 방법에 대한 적응증 및 금기증을 잘 숙지하고, 각각의 고유 질병에 따른 병리 소견과 견관절의 정상적 해부학 및 생역학을 이해하며, 적절한 기구 선택과 정확한 술기로 수술을 시행할 때 제한된 치료 목표이지만 보다 긍정적인 치료 결과를 예측할 수 있다.
고관절 시행에서 식립각도는 추후 환자의 운동범위나 힘의 분배조건에 따라 폴리에틸렌 라이너의 마모에도 영향을 미친다. 인공관절요소로부터 마모입자는 골괴사나 다른 생화학적으로 많은 합병증을 일으킨다. 이런 점에서 인공고관절에서 마모와 정렬각도를 수술 후 추시를 통해 측정하는 것은 중요하다. 특히 관절면의 마모를 측정하는 것은 그 량이 크지 않아 상당한 정밀도를 요구한다. 현재 널리 쓰이는 상용 소프트웨어는 재현성과 측정방법의 표준화가 되어 있지 않아 사용에 많은 어려움이 있다. 본 논문에서는 일반 병원의 방사선촬영 환경에서 CAD만 추가로 구비하면 행할 수 있는 인공관절면 마모와 식립각 측정법을 제시한다. 인공관절만의 X-ray영상을 이용한 본 방법의 정확도와 정밀도 평가를 수행하였다. 또한 실제 인공고관절환자의 X-ray영상을 가지고 2년추시에 따른 마모와 식립각을 측정하였다. 본 연구에서 제시한 CAD를 이용한 방법은 마모측정에서 정확도 0.06 mm, 정밀도 0.05 mm, 식립각은 $0.27^{\circ}$의 정밀도를 갖는다.
인공관절은 노인성 질환이나 자가 면역질환, 신체적인 외상 등에 의한 관절의 손상 부위를 대체하기 위해 고안된 관절의 인공대용물로써 최근 인구의 고령화와 질병, 사고의 증가에 따라 그 수요가 급격히 증가하는 추세를 보이고 있다. 인공관절의 소재로는 현재 metal-on-polymer(MOP) 소재가 가장 많이 사용되고 있는데, metal 소재로서는 Co-Cr계 합금이, polymer 소재로서는 초고분자량 폴리에틸렌 (ultra high molecular weight polyethylene) 이 주로 사용되고 있다. MOP 소재의 경우 충격흡수의 장점이 있는 반면 wear debris에 의한 골용해로 인해 관절이 느슨해지는 문제점이 발생하여 재시술의 주요 원인이 되고 있다. 또한 metal 소재로 주로 사용되고 있는 Co-Cr계 합금의 경우 인공관절의 마모, 부식 현상에 의해 Co, Cr등이 체내에 용출되어 세포독성의 문제를 일으킬 수 있다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 고체원소 이온주입 기술을 이용하여 316L stainless steel 기판에 niobium을 이온 주입 한 후 niobium nitride (NbN) 박막을 증착하여 counterpart 소재인 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 의 마모를 줄이는 실험을 진행하였다. Pin-on-disk tribometer를 통해 마모 테스트를 진행하여 NbN 박막의 내마모특성을 평가하였으며, 박막의 결정구조 및 화학적 특성을 평가하기 위해 XRD, AES 분석을 수행하였다. 또한 박막의 경도와 표면조도를 측정하기 위해 micro hardness tester, AFM을 이용하였다.
바이오트라이보로지(biotribology)란 생물학(biology)와 마찰학(tribology)의 합성어로서 그리이스어의 $\tau\rhoc\betao\sigma$(마찰하다)가 어원이며, 마찰 마모 윤활의 학술 용어 "tribology"가 영어로 된것은 1966년이다. 이때 마찰학이란 이학 또는 공학현상으로서 문제를 해석하는데 한정하였고 생물에 대한 문제까지 광범위하게 고려하지 못하였다. 1972년 영국 석유학회, 기계학회 그리고 Rheology 학회의 공동개최로 "윤활제의 레올로지" 회의가 열렸다. 거기서 Dowson 교수(기계공학)와 Right 교수(루마치스 의학)의 공동논문 "Bio-Tribology"를 발표해서 처음으로 그 용어를 제안하였다. Dowson 교수가 열거했던 바이오트라이보로지의 대상은 다음과 같다. (1) 기계에 사용되는 윤활제에 대한 미생물의 영향 (2) 인간의치의 마모 (3) 면도칼에 대한 저마찰 보호막의 작용 (4) 인체내의 유체수송(뇨관내의 유동기구, 타액의 운동, 혈액흐름) (5) 모세혈관내에서 적혈구의 운동과 혈장에서 그의 윤활작용 (6) 화상치료시 "정압기체 축수"적 부양 (7) 음식물을 씹을 때 타액의 윤활작용 (8) 관절기능의 윤활학적 연구 (9) 인공골두와 인공관절의 윤활학적 연구8) 관절기능의 윤활학적 연구 (9) 인공골두와 인공관절의 윤활학적 연구
목적: 이 연구는 인공슬관절 전치환술을 받은 환자들에서 인공관절의 감염을 진단하는데 $^{99m}Tc$-HMPAO 표지 백혈구 스캔의 진단적 유용성을 평가하고자하였다. 대상 및 방법: 인공슬관절 전치환술 후 감염이 의심되어 $^{99m}Tc$-HMPAO 표지 백혈구 스캔 검사를 받은 20예 중 최종진단이 확실한 17명의 25예의 인골슬관절을 대상으로 하였다. 대상 환자는 남자가 1명, 여자가 16명으로, 평균연령은 65세였다. 모든 환자에서 $^{99m}Tc$-HMPAO 표지 백혈구를 이용한 전신 평면영상과 슬관절 SPECT를 얻었다. 대상군은 임상적으로 감염이 의심되는 정도에 따라 3군으로 나누었다. 감염이 강하게 의심되었던 인공슬관절군 (A군: 11예), 감염 여부를 감별하기 어려웠던 인공슬관절군 (B군: 6예), 무증상의 반대측 인공슬관절군 (C군: 8예)으로 분류하였다. 최종진단은 수술, 조직소견, 균 배양 및 임상적 추적검사로 결정하였다. 결과: A군 인골관절 11예 모두와 B군의 6예중 2예, 총 13예가 감염으로 확진되었다. $^{99m}Tc$-HMPAO 표지 백혈구 스캔은 A군 11예 모두에서 진양성을 보였고, B군에서는 진양성 2예, 위양성.: 1예, 진음성 3예를 보였으며, C군에서는 위양성 2예와 진음성 6예를 보였다. 전체적으로 인공슬관절의 감염을 진단하는 데 있어서 그 예민도, 특이도, 및 정확도는 각각 100%, 75%, 88%이었다. 결론: 인공슬관절 감염의 진단에 있어 $^{99m}Tc$-HMPAO표지 백혈구 스캔은 매우 예민한 방법이었다. 그러나, 상대적으로 낮은 진단적 특이도를 높이기 위하여 추가적인 골수 스캔이 인공슬관절 감염이 의심되는 환자의 진단에 필요하리라 생각된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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