KR102581370B1 - Fracture fixation force finite element analysis method according to insertion angle of fibular allografts and system for thereof - Google Patents

Fracture fixation force finite element analysis method according to insertion angle of fibular allografts and system for thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 골절된 뼈의 고정력을 향상시킴과 더불어 시술 후 부작용을 줄일 수 있는 방안으로 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트와 함께 사용되는 비골 이식편의 삽입 변화를 유한요소 해석법을 통해 최적의 비골 이식편 삽입 각도 조건을 산출할 수 있는 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법에 관한 것이다.The present invention is a method of improving the fixation of the fractured bone and reducing side effects after the procedure. The present invention is a method of improving the insertion angle of the fibular graft used with a bone plate for joining the fracture site through finite element analysis to determine the optimal fibular graft insertion angle. This relates to a finite element analysis method for fracture fixation force according to the fibular graft insertion angle that can calculate conditions.

Description

비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법 및 그를 위한 시스템 {Fracture fixation force finite element analysis method according to insertion angle of fibular allografts and system for thereof}Fracture fixation force finite element analysis method according to insertion angle of fibular allografts and system for the same {Fracture fixation force finite element analysis method according to insertion angle of fibular allografts and system for the same}

본 발명은 골절 고정력 향상을 위해 비골 이식편 삽입 각도를 결정하는 것에 관한 것으로, 자세하게는 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트와 함께 사용되는 비골 동종 이식에서 다양한 이식편의 삽입 각도의 시뮬레이션을 통해 응력을 가했을 때 비골과 플레이트의 응력을 측정하는 유한요소 해석법을 적용하여 최적의 이식편 삽입 각도 조건을 도출하여 고정력을 향상시키고 시술 후 부작용을 줄일 수 있는 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법 및 그를 위한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to determining the insertion angle of a fibular graft to improve fracture fixation, and more specifically, to determine the insertion angle of a fibular allograft used in conjunction with a bone plate for fracture site cementation through simulation of the insertion angle of various grafts to determine the fibula's stability when stressed. A finite element analysis method for fracture fixation according to the fibular graft insertion angle that can improve fixation and reduce post-procedure side effects by deriving the optimal graft insertion angle condition by applying finite element analysis to measure the stress of the plate and a system for the same. It's about.

골절(fracture)은 외력의 작용이 강하여 뼈가 부분적 또는 완전히 이단된 상태로 증세나 부위에 따라 심하게 골절되거나 신속한 치유가 필요할 경우 인공적인 금속으로 이루어진 긴 판 형상의 플레이트를 골절 부위에 밀착한 후 나사에 의하여 뼈에 체결하여 치료하는 내고정(internal fixation) 치료법이 사용된다.A fracture is a condition in which the bone is partially or completely broken due to the action of a strong external force. Depending on the symptoms or area, if the fracture is severe or requires rapid healing, a long plate-shaped plate made of artificial metal is attached to the fracture site and then screwed. Internal fixation treatment is used by fastening to the bone.

노인에게 많이 발생하며 50세 이상의 사람들에게서 발생하는 골절의 15%를 차지하는 상완골 근위부 골절은 통상적인 골절치료 관리로 치료할 수 있으나 심각한 변형이 있는 경우 외과적 수술이 요구된다.Fractures of the proximal humerus, which occur frequently in the elderly and account for 15% of fractures in people over 50 years of age, can be treated with conventional fracture management, but if there is severe deformity, surgery is required.

부러진 뼈를 고정하기 위해서는 고정 플레이트를 사용하거나 고정 플레이트에 나사(calcar screw)를 사용하여 종골 내측을 지지하여 상완골 근위 골절을 치료하기도 하며, 3 ~ 4부분으로 골절이 진행된 경우 골수 내 (IM)네일 링을 사용하거나, 골수 내에서 비골 동종 이식(FA)을 고정 플레이트와 함께 사용한다.To fix the broken bone, a fixation plate is used or a screw on the fixation plate (calcar screw) is used to support the inside of the calcaneus to treat proximal humerus fractures. If the fracture has progressed into 3 or 4 parts, an intramedullary (IM) nail is used. A ring is used, or an intramedullary fibular allograft (FA) is used with a fixation plate.

또한, 상완골 근위 골절에서 내측 부분을 지지하는 부분에 문제가 발생할 경우 내반 변형 및 그에 따른 침강이 발생할 가능성이 있다.Additionally, if a problem occurs in the part supporting the medial part of the proximal humerus fracture, there is a possibility that varus deformity and subsequent subsidence may occur.

내반 붕괴와 같은 수술 후 합병증을 극복하기 위해 많은 수술이 도입되고 있으며, 이러한 수술에서 비골 동종 이식과 함께 고정 플레이트를 사용하여 내측 지지를 강화하여 내반 정렬 불량을 방지하게 된다. 이때 비골의 직경과 근위 상완골의 직경의 유사성으로 인해 안정성이 향상되어 근관의 내부 부분을 완전히 채울 수 있다.Many surgeries are being introduced to overcome postoperative complications such as varus collapse, and in these surgeries, fixation plates along with fibular allograft are used to strengthen medial support and prevent varus misalignment. At this time, the similarity between the diameters of the fibula and the proximal humerus improves stability, allowing complete filling of the inner part of the root canal.

따라서 환자가 내반 변형이 있을 때 고정 플레이트만 사용하는 것보다 판에 종골 나사, IM 네일 링 또는 비골 동종 이식을 사용하는 것이 적합하며, 내반 붕괴를 극복하기 위해 FA의 수직 삽입이 제안되고 있다.Therefore, when a patient has varus deformity, it is more appropriate to use calcaneal screws, IM nailing, or fibular allograft on the plate rather than using a fixation plate alone, and vertical insertion of FA has been proposed to overcome varus collapse.

수직 삽입 비골 동종 이식은 생체 역학 연구에서 구조물의 파괴 하중 (임계점)이 1.72배 증가하고 초기 강성이 3.84배 증가하며, 합성 뼈 모델을 사용한 연구에서도 주기 간 운동이 5배 감소하고 조각 이동이 2배 감소하며 남은 소성 변형이 2배 감소하는 등 효과가 검증되고 있다.Vertically inserted fibular allografts showed a 1.72-fold increase in the failure load (critical point) of the construct and a 3.84-fold increase in initial stiffness in biomechanical studies, while studies using synthetic bone models also demonstrated a 5-fold decrease in intercycle motion and a 2-fold decrease in fragment movement. The effect is being verified, with the remaining plastic deformation decreasing by 2 times.

이처럼 비골 동종 이식에 대한 대부분의 연구는 골수공간에서 이식편을 수직으로 고정하는 데 중점을 두고 있으나 수직 삽입의 장기적 효과를 뒷받침하는 명확한 임상 시험은 거의 없으며, 수직으로 적용된 비골 동종 이식이 3분 근위 골절에 통계적으로 유의한 영향을 미치지 않고, 비스듬한 비골 동종 이식이 수직 삽입 그룹과 비교했을 때 합병증 발생률에 큰 영향을 미치지 않는다는 연구결과도 있다.As such, most studies of fibular allografts have focused on vertical fixation of the graft in the intramedullary space, but there are few clear clinical trials supporting the long-term effectiveness of vertical insertion, and it has been reported that vertically applied fibular allografts can be used for 3-minute proximal fractures. There are also studies showing that oblique fibular allograft does not have a statistically significant effect on the complication rate when compared to the vertical insertion group.

따라서 각도에서의 비골 이식편 삽입을 시뮬레이션하여 2차 내반 붕괴와 같은 합병증을 줄이기 위해 비골 이식편 삽입시 최적의 삽입 각도의 산출이 요구된다.Therefore, it is necessary to calculate the optimal insertion angle when inserting a fibular graft to reduce complications such as secondary varus collapse by simulating fibular graft insertion at an angle.

대한민국 공개특허 제10-2017-0093133호(2017.08.14)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0093133 (2017.08.14)

본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 골절된 뼈의 고정력을 향상시킴과 더불어 시술 후 부작용을 줄일 수 있는 방안으로 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트와 함께 사용되는 비골 이식편의 삽입 변화를 유한요소 해석법을 통해 최적의 비골 이식편 삽입 각도 조건을 산출할 수 있는 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법 및 그를 위한 시스템을 제공하는 것이다.The present invention was created in response to the above-mentioned needs, and the purpose of the present invention is to improve the fixation of the fractured bone and reduce side effects after the procedure. A fibular graft used with a bone plate for joining the fracture site is provided. The purpose of this study is to provide a finite element analysis method for fracture fixation force according to the fibular graft insertion angle and a system for calculating the optimal fibular graft insertion angle condition through finite element analysis of insertion changes.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법은 뼈의 이름과 형태 및 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 비골 이식편의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제3특성정보와, 뼈 및 플레이트와 비골 이식편의 2차원 및 3차원 이미지와 골절표현을 위한 이미지 소스를 포함하는 그래픽정보를 준비하는 데이터베이스 구축 단계; 뼈의 촬영 이미지 및 대응하는 그래픽정보를 통해 3차원 뼈 모델을 생성하는 모델링 단계; 상기 3차원 뼈 모델에 골절위치와, 비골 이식편의 삽입 위치 및 각도와, 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하는 기초설정단계; 플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지하면서 상기 골절위치에 비골 이식편을 삽입함에 있어 상기 비골 이식편의 삽입각도를 설정하는 각도설정 단계; 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 회전력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 제1특성정보와 제2특성정보 및 제3특성정보와 설정된 비골 이식편의 삽입 각도에 따라 상기 비골 이식편 및 나사에 인가되는 응력을 계산하는 유한요소해석 단계; 인가된 외력에 따른 비골 이식편 삽입 각도별 비골 이식편 및 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 비골 이식편의 삽입각도를 도출하여 제공하는 각도 도출단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.For the above purpose, the finite element analysis method for fracture fixation force according to the insertion angle of the fibular graft of the present invention includes first characteristic information including the name, shape, and structural strength of the bone, and second characteristic information including the shape and structural strength of the plate and screw. A database construction step of preparing information, third characteristic information including the shape and structural strength of the fibular graft, and graphic information including two-dimensional and three-dimensional images of the bone, plate, and fibular graft, and an image source for fracture representation; A modeling step of generating a three-dimensional bone model through a photographed image of the bone and corresponding graphic information; A basic setting step of setting the fracture location, the insertion location and angle of the fibula graft, the fixation location of the plate, and the arrangement of the screws in the three-dimensional bone model; An angle setting step of setting an insertion angle of the fibular graft when inserting a screw into a plate and inserting the fibular graft into the fracture site while supporting the three-dimensional bone model; External forces including load and rotational force according to the axis set to the three-dimensional bone model fixed with a plate are applied, respectively, according to the first characteristic information, second characteristic information, and third characteristic information and the set insertion angle of the fibula graft. A finite element analysis step to calculate the stress applied to the fibular graft and screw; An angle derivation step of deriving a stress graph of the fibular graft and screw for each fibular graft insertion angle according to the applied external force, and deriving and providing an insertion angle of the fibular graft in descending order of stress; It is characterized by consisting of.

이때 상기 유한요소해석 단계는, 상기 플레이트와 뼈 사이 및 비골 이식편과 뼈 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하여 진행되는 것이 바람직하다.At this time, the finite element analysis step is preferably performed by setting the coefficient of friction between the plate and the bone and between the fibular graft and the bone and defining the plate and screw as being perfectly combined.

또한, 상기 각도설정 단계에서 상기 비골 이식편은, 삽입 각도가 수직으로부터 수평까지 단계적으로 설정되는 것이 바람직하다.In addition, in the angle setting step, it is preferable that the insertion angle of the fibula graft is set step by step from vertical to horizontal.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석시스템은 뼈의 이름과 형태 및 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 비골 이식편의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제3특성정보와, 뼈 및 플레이트와 비골 이식편의 2차원 및 3차원 이미지와 골절표현을 위한 이미지 소스를 포함하는 그래픽정보가 저장되어 구축되는 데이터베이스; 뼈의 촬영 이미지 및 대응하는 그래픽정보를 통해 3차원 뼈 모델을 생성하는 모델링부; 상기 3차원 뼈 모델에 골절위치와, 비골 이식편의 삽입 위치 및 각도와, 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하는 기초설정부; 플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지하면서 상기 골절위치에 비골 이식편을 삽입함에 있어 상기 비골 이식편의 삽입각도를 설정하는 각도설정부; 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 회전력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 제1특성정보와 제2특성정보 및 제3특성정보와 설정된 비골 이식편의 삽입 각도에 따라 상기 비골 이식편 및 나사에 인가되는 응력을 계산하는 유한요소해석부; 인가된 외력에 따른 비골 이식편 삽입 각도별 비골 이식편 및 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 비골 이식편의 삽입각도를 도출하여 제공하는 각도 도출부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.For the above purpose, the present invention's fracture fixation force finite element analysis system according to the fibular graft insertion angle includes first characteristic information including the name, shape, and structural strength of the bone, and second characteristic information including the shape and structural strength of the plate and screw. A database in which information, third characteristic information including the shape and structural strength of the fibular graft, and graphic information including two-dimensional and three-dimensional images of the bone, plate, and fibular graft, and an image source for fracture expression are stored and constructed; a modeling unit that generates a three-dimensional bone model through a photographed image of the bone and corresponding graphic information; a basic setting unit that sets the fracture location, the insertion location and angle of the fibula graft, the fixation location of the plate, and the arrangement of the screws in the three-dimensional bone model; An angle setting unit that inserts a screw into a plate and sets an insertion angle of the fibular graft when inserting the fibular graft into the fracture site while supporting the three-dimensional bone model; External forces including load and rotational force according to the axis set to the three-dimensional bone model fixed with a plate are applied, respectively, according to the first characteristic information, second characteristic information, and third characteristic information and the set insertion angle of the fibula graft. A finite element analysis unit that calculates the stress applied to the fibular graft and screw; An angle derivation unit that derives a stress graph of the fibular graft and screw for each fibular graft insertion angle according to the applied external force and derives and provides an insertion angle of the fibular graft in descending order of stress; It is characterized by consisting of.

이때 상기 유한요소해석부는, 상기 플레이트와 뼈 사이 및 비골 이식편과 뼈 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하는 것이 바람직하다.At this time, the finite element analysis unit preferably sets friction coefficients between the plate and the bone and between the fibula graft and the bone, and defines the plate and screw as being perfectly combined.

또한, 상기 각도설정부에서 상기 비골 이식편은, 삽입 각도가 수직으로부터 수평까지 단계적으로 설정되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the insertion angle of the fibular graft is set step by step from vertical to horizontal in the angle setting unit.

본 발명을 통해 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트와 함께 사용되는 비골 동종 이식에서 최적의 이식편 삽입 각도 조건을 도출하여 뼈 고정력을 향상시키고 시술 후 부작용을 줄일 수 있다.Through the present invention, it is possible to derive the optimal graft insertion angle condition in fibula allograft used with a bone plate for joining fracture areas, thereby improving bone fixation and reducing side effects after the procedure.

도 1은 본 발명에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법을 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 3차원 뼈 모델링 모습을 나타낸 개념도,
도 4는 표준 수술 지침에 따라 근위 상완골 골절 모델의 고정 구성을 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명에 따른 근위 상완골 골절의 유한 요소 분석을 위한 비골 삽입 각도를 나타낸 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 상완골의 응력적용 모습을 나타낸 개념도,
도 7은 본 발명의 실험에 따른 플레이트와 비골의 응력을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실험에 따른 플레이트의 최대 응력해석을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 실험에 따른 축 및 전단 하중하에서 강성 값을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 실험에 따른 축 방향 하중하에서 내측 골절 간격의 거리 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a block diagram showing the configuration of the fracture fixation force finite element analysis method according to the present invention;
Figure 2 is a flowchart showing the fracture fixation force finite element analysis method according to the present invention;
Figure 3 is a conceptual diagram showing three-dimensional bone modeling according to the present invention;
Figure 4 is a conceptual diagram showing the fixation configuration of the proximal humerus fracture model according to standard surgical guidelines;
Figure 5 is a conceptual diagram showing the fibula insertion angle for finite element analysis of proximal humerus fractures according to the present invention;
Figure 6 is a conceptual diagram showing stress application to the humerus according to the present invention;
Figure 7 is a graph showing the stresses of the plate and fibula according to the experiment of the present invention;
Figure 8 is a diagram showing the maximum stress analysis of the plate according to the experiment of the present invention;
Figure 9 is a graph showing stiffness values under axial and shear loads according to experiments of the present invention;
Figure 10 is a graph showing the change in distance of the inner fracture gap under axial load according to the experiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the finite element analysis method for fracture fixation force according to the insertion angle of the fibular graft of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법의 구성을 나타낸 블록도, 도 2는 본 발명에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법을 나타낸 순서도로서, 본 발명에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법은 유한요소해석이 가능한 프로그램 기반의 골절 고정력 유한요소 분석 시스템을 통해 이루어짐을 전제로 한다.Figure 1 is a block diagram showing the configuration of the fracture fixation force finite element analysis method according to the present invention, and Figure 2 is a flow chart showing the fracture fixation force finite element analysis method according to the present invention. The fracture fixation force finite element analysis method according to the present invention is finite. It is assumed that element analysis is performed through a program-based fracture fixation force finite element analysis system.

첫 번째 단계(S 110)는 데이터베이스(110)를 구축하는 단계(S 110)로서, 뼈의 이름과 형태 및 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 비골 이식편의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제3특성정보와, 뼈 및 플레이트와 비골 이식편의 2차원 및 3차원 이미지와 골절표현을 위한 이미지 소스를 포함하는 그래픽정보가 저장되어 구축되는 데이터베이스(110)를 구축하게 된다.The first step (S 110) is to build the database 110, which includes first characteristic information including the name, shape, and structural strength of the bone, and second characteristic information including the shape and structural strength of the plate and screw. A database constructed by storing characteristic information, third characteristic information including the shape and structural strength of the fibular graft, and graphic information including two-dimensional and three-dimensional images of bones, plates, and fibular grafts, and image sources for fracture expression. (110) is constructed.

상기 데이터베이스(110)는 골절 뼈를 비롯하여 이를 플레이트와 비골 이식편을 사용하여 접합함에 있어 유한요소해석을 위한 다양한 정보가 저장되어 구축되며 지속적인 정보의 갱신을 통해 더욱 정확한 유한요소해석 데이터를 제공한다,The database 110 is constructed by storing various information for finite element analysis when joining fractured bones using plates and fibula grafts, and provides more accurate finite element analysis data through continuous information update.

본 발명에서 상기 데이터베이스(110)에는 기본적으로 골절 대상인 뼈에 대한 제1특성정보 및 플레이트 및 나사에 대한 제2특성정보와, 비골 이식편에 대한 제3특성정보 및 이미지소스를 분류하여 저장하게 되며, 골절이 발생하더라도 비골 이식편을 사용한 골절치료가 적용되지 않는 뼈와 관련된 정보는 배제할 수 있다.In the present invention, the database 110 basically categorizes and stores first characteristic information about the bone subject to fracture, second characteristic information about plates and screws, and third characteristic information and image sources about the fibula graft, Even if a fracture occurs, information related to bones not amenable to fracture treatment using a fibula graft can be excluded.

구체적으로 상기 제1특성정보는 뼈에 대한 기본 정보로서, 인체의 뼈 중 본 발명을 통해 플레이트 및 비골 이식편을 사용한 골절 접합시 유한요소해석의 대상이 되는 모든 뼈의 이름을 비롯하여 뼈의 기본형태와 배치관계, 즉 인체 상에서의 해당 뼈의 위치와 인접한 다른 뼈에 대한 배열구조와, 뼈의 기본적인 구조적 강도 특성을 포함하는 정보이다.Specifically, the first characteristic information is basic information about bones, including the names of all bones in the human body that are subject to finite element analysis when joining fractures using plates and fibula grafts through the present invention, as well as the basic shape and form of the bones. This is information that includes the arrangement relationship, that is, the location of the bone in the human body, the arrangement structure of other adjacent bones, and the basic structural strength characteristics of the bone.

기본적으로 골절시 플레이트, 비골 이식편 시술이 가능한 뼈와 관련된 일반적인 정보를 기본값으로 설정하여 저장하되, 골다공증을 비롯한 뼈의 강도를 저해하는 요인을 비롯하여 다양한 재질의 인공 뼈에 대한 정보를 부가하여 정보의 갱신이 이루어질 수 있다.Basically, in the event of a fracture, the general information related to the bone that can be treated with a plate or fibula graft is set as default and stored, but the information is updated by adding information about artificial bones made of various materials, including factors that impede bone strength, including osteoporosis. This can be done.

상기 제2특성정보는 나사 삽입각도의 설계대상이 되는 플레이트 및 이에 삽입되는 나사에 대한 정보로서, 골절부위 및 위치에 따라 적용되는 다양한 형태의 플레이트 및 나사와, 플레이트 및 나사의 재질에 따른 구조적 강도 특성에 대한 정보이다.The second characteristic information is information about the plate for which the screw insertion angle is designed and the screw inserted into it, including various types of plates and screws applied depending on the fracture site and location, and structural strength depending on the material of the plate and screw. This is information about characteristics.

상기 제3특성정보는 비골 이식편에 대한 기본 정보로서, 시술에 사용되는 비골 이식편에 대한 배치구조와, 기본적인 구조적 강도 특성을 포함하는 정보이다.The third characteristic information is basic information about the fibular graft and includes the arrangement structure and basic structural strength characteristics of the fibular graft used in the procedure.

상기 이미지 소스는 골절이 발생한 뼈 및 플레이트의 2차원 및 3차원 이미지 소스와 더불어 특히 2차원 이미지는 X-선 영상을 통해 3차원 뼈 모델링을 위한 이미지 정보를 포함하며, 뼈의 형태 및 기본 구조적인 강도에 대한 정보를 포함한다.The image source includes two-dimensional and three-dimensional image sources of the bone and plate where the fracture occurred, and in particular, the two-dimensional image includes image information for three-dimensional bone modeling through X-ray images, and the shape and basic structure of the bone. Contains information about intensity.

상기 데이터베이스(110)에 저장되는 각종 정보는 기존에 확보하고 있는 정보를 비롯하여 실험적으로 얻어진 정보를 기본 값으로 하되, 실험이나 임상현장에서 수집된 정보의 추가 및 분석에 의한 갱신이 이루어짐에 따라 보다 현실성 있는 분석이 이루어질 수 있도록 지원하게 된다.The various information stored in the database 110 is based on information obtained experimentally, including information already secured, but becomes more realistic as information collected in experiments or clinical sites is added and updated through analysis. We will provide support so that the analysis can be carried out.

다음 단계는 모델링 단계(S 120)로서, 뼈의 촬영 이미지 및 대응하는 그래픽정보를 통해 3차원 뼈 모델을 생성하며, 이는 상기 데이터베이스(110)에 저장된 이미지 소스를 활용하여 환자의 골절부를 촬영함으로 얻어진 영상을 통해 3차원 뼈 모델을 생성하는 알고리즘이 적용된 모델링부(120)를 통해 진행된다.The next step is the modeling step (S 120), where a 3D bone model is created using a photographed image of the bone and corresponding graphic information, which is obtained by photographing the patient's fracture using the image source stored in the database 110. This process is carried out through the modeling unit 120, which applies an algorithm that generates a 3D bone model through images.

세 번째는 기초설정단계(S 130)로서, 상기 3차원 뼈 모델에 골절위치와, 비골 이식편의 삽입 위치 및 각도와, 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하게 되며, 이를 그래픽 인터페이스를 통해 확인하며 작업할 수 있도록 구성된 기초설정부(130)를 통해 수행된다.The third is the basic setting step (S 130), which sets the fracture location, insertion location and angle of the fibula graft, fixation location of the plate, and placement of screws in the 3D bone model, and confirms this through a graphic interface. This is performed through the basic setting unit 130 configured to work.

즉 상기 데이터베이스(110)에 저장된 제2특성정보를 기반으로 뼈의 종류 및 골절위치에 적합한 뼈 플레이트를 선택하여 배치하는 것이다.That is, a bone plate suitable for the bone type and fracture location is selected and placed based on the second characteristic information stored in the database 110.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 뼈 모델링 모습을 나타낸 개념도로서, 3(a)는 컴퓨터 단층 촬영 이미지, 3(b)는 절골술 전의 손상되지 않은 모델 및 3(c)는 직사각형 절골술로 불안정한 내측 기둥의 뼈 모델을 각각 나타내고 있다.Figure 3 is a conceptual diagram showing the three-dimensional bone modeling according to the present invention, where 3(a) is a computed tomography image, 3(b) is an intact model before osteotomy, and 3(c) is an unstable medial column due to a rectangular osteotomy. Each bone model is shown.

본 발명의 실시예에서 3차원 유한 요소 모델은 상완골 골절이 있는 73세 남성의 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔(Aquilion prime, Canon Medical Systems, Japan)을 통해 이루어졌다. CT 프로토콜은 견갑골을 완전히 포함하여 craniotomy-caudal helical scan이 수행되었으며, 스캐닝 중에 사용된 스캐닝 매개 변수는 120kvp의 튜브 전압, 250mAs의 튜브 전류, 0.6 초의 회전 시간, 0.5×40mm의 슬라이스 콜리메이터, 3mm의 슬라이스 두께 및 0.825의 피치 계수가 사용되었다.In an embodiment of the present invention, a three-dimensional finite element model was created from a computed tomography (CT) scan (Aquilion prime, Canon Medical Systems, Japan) of a 73-year-old man with a humerus fracture. The CT protocol included a craniotomy-caudal helical scan completely including the scapula, and the scanning parameters used during scanning were tube voltage of 120 kvp, tube current of 250 mAs, rotation time of 0.6 s, slice collimator of 0.5 × 40 mm, slice of 3 mm. A thickness and pitch coefficient of 0.825 were used.

이 뼈 이미지는 Materialise Interactive Medical Image Control System (MIMICS) S/W (Ver.21, Materialise, Belgium)를 사용하여 3차원 모델로 변환되었으며, 이 모델은 수술 목에서 높이가 6mm인 직사각형 절골술로 불안정한 내측 기둥이 있는 근위 상완골 골절을 시뮬레이션하는 데 사용되었다.This bone image was converted into a three-dimensional model using the Materialize Interactive Medical Image Control System (MIMICS) S/W (Ver.21, Materialize, Belgium), which is a rectangular osteotomy with a height of 6 mm at the surgical neck, resulting in an unstable medial side. It was used to simulate a proximal humerus fracture with a column.

도 4는 표준 수술 지침에 따라 근위 상완골 골절 모델의 고정 구성을 나타낸 개념도로서, 4(a)는 표준 수술 지침에 따른 근위 상완골 골절 모델의 고정 구성 및 4(b)는 시뮬레이션에 사용 된 잠금 플레이트 모델을 나타내고 있다.Figure 4 is a conceptual diagram showing the fixation configuration of the proximal humerus fracture model according to standard surgical guidelines, where 4(a) is the fixation configuration of the proximal humerus fracture model according to standard surgical guidelines, and 4(b) is the locking plate model used in simulation. It represents.

골다공증이 없는 정상 골재의 상태를 고려하여 골 스톡을 시뮬레이션하였다. 고정 플레이트는 표준 수술 지침에 따라 근위 상완골 골절 모델에 배치되었으며, 비골 모델은 두께가 약 3.5mm인 시뮬레이션 뼈 모델을 사용했다. 비골 모형의 길이는 각각 60, 35, 25mm로 안쪽 부분을 지지하는 각도에 따라 해면골 안쪽을 채웠다.Bone stock was simulated considering the state of normal bone without osteoporosis. The fixation plate was placed on the proximal humerus fracture model according to standard surgical guidelines, and the fibula model used a simulated bone model with a thickness of approximately 3.5 mm. The lengths of the fibula models were 60, 35, and 25 mm, respectively, and the inside of the cancellous bone was filled according to the angle supporting the inner part.

사용된 잠금 플레이트 모델은 표준 제품인 LCP Proximal Humerus Plates (PHILOS®)에 기반한 Solidworks 2015를 사용하여 설계되었다. 길이는 90mm이고 3 개의 샤프트 구멍의 지름은 3.5mm로, 잠금 나사의 나사산은 모델을 단순화하기 위해 생략하였다.The locking plate model used was designed using Solidworks 2015 based on the standard product LCP Proximal Humerus Plates (PHILOS®). The length is 90 mm, the diameter of the three shaft holes is 3.5 mm, and the threads of the locking screws are omitted to simplify the model.

[표 1]은 본 발명에서 유한 요소 분석에 사용되는 뼈 모델의 물성을 나타낸다.[Table 1] shows the physical properties of the bone model used in finite element analysis in the present invention.

LocationLocation Bone typeBone type Poisson’s ratioPoisson’s ratio Elastic modulus (MPa)Elastic modulus (MPa) Density
(g/cm3)
Density
(g/cm3)
HumerusHumerus Cortical boneCortical bone

0.3


0.3
13,80013,800 0.830.83
Cancellous boneCancellous bone 1,3801,380 0.640.64 Fracture siteFracture site Cortical boneCortical bone 15,20015,200 0.850.85 Cancellous boneCancellous bones 1,5201,520 0.310.31 FibulaFibula Cortical boneCortical bone 17,00017,000 2.132.13

본 발명의 실시예에서 유한 요소 분석은 ANSYS Workbench 19.2 (FEA, ANSYS Inc., U.S.)를 사용하여 수행되었다. 선형 탄성 및 등방성 재료 속성은 모든 모델과 임플란트 재료에 할당되었다.유한 요소 모델의 총 요소 수는 90,000에서 180,000 사이로, 총 노드 수는 70,000개에서 160,000개였다.Finite element analysis in this embodiment was performed using ANSYS Workbench 19.2 (FEA, ANSYS Inc., U.S.). Linear elastic and isotropic material properties were assigned to all models and implant materials. The total number of elements in the finite element models ranged from 90,000 to 180,000, and the total number of nodes ranged from 70,000 to 160,000.

피질골과 해면골의 탄성 계수는 각각 13,800MPa와 1,380MPa로 가정하였으며, 이 뼈의 미네랄 밀도는 각각 0.83g/cm3 및 0.64g/cm3로 가정되었다. 골절 부위의 피질골과 해면골은 각각 0.85g/cm3 및 0.31g/cm3의 골밀도를 갖고 15,200MPa 및 1,520MPa의 탄성 계수를 갖는 것으로 가정되었다.The elastic moduli of cortical bone and cancellous bone were assumed to be 13,800 MPa and 1,380 MPa, respectively, and the mineral densities of these bones were assumed to be 0.83 g/cm 3 and 0.64 g/cm 3 , respectively. The cortical and cancellous bone at the fracture site were assumed to have bone densities of 0.85 g/cm 3 and 0.31 g/cm 3 and elastic moduli of 15,200 MPa and 1,520 MPa, respectively.

비골에는 피질골만 있는 것으로 가정되었으며, 탄성 계수와 골밀도는 각각 17,000 MPa와 2.13g/cm3로 설정했다. 통합된 Poisson의 비율은 0.3이다.The fibula was assumed to have only cortical bone, and the modulus of elasticity and bone density were set to 17,000 MPa and 2.13 g/cm 3 , respectively. The integrated Poisson's ratio is 0.3.

다음은 각도설정 단계(S 140)로서 플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지하면서 상기 골절위치에 비골 이식편을 삽입함에 있어 상기 비골 이식편의 삽입각도를 설정하며, 마찬가지로 이를 그래픽 인터페이스를 통해 확인하며 설정할 수 있도록 구성된 각도설정부(140)를 통해 수행된다.Next is the angle setting step (S 140), where a screw is inserted into the plate and the insertion angle of the fibular graft is set when inserting the fibular graft into the fracture position while supporting the three-dimensional bone model. Likewise, this is done through a graphic interface. This is performed through the angle setting unit 140, which is configured to check and set.

도 5는 본 발명에 따른 근위 상완골 골절의 유한 요소 분석을 위한 비골 삽입 각도를 나타낸 개념도이다.Figure 5 is a conceptual diagram showing the fibula insertion angle for finite element analysis of a proximal humerus fracture according to the present invention.

플레이트 및 잠금 나사, 잠금 나사 및 뼈 인터페이스의 접촉 동작은 완전히 고정된 것으로 정의되었으며, 부족한 나사는 판, 상완골 및 비골에 삽입되었다.The contact motion of the plate and locking screw, locking screw, and bone interface was defined as fully fixed, with insufficient screws inserted into the plate, humerus, and fibula.

플레이트 및 뼈와, 비골 및 뼈의 마찰 계수는 각각 0.08과 0.2로 하였으며, 비골 삽입 각도는 축(axis), 30°, 50° 및 축에 수직으로 하였다. 비골은 각도에 따라 1 ~4 개의 나사를 사용하여 고정되었다.The friction coefficients between the plate and bone, and the fibula and bone were set to 0.08 and 0.2, respectively, and the fibula insertion angles were set at 30°, 50°, and perpendicular to the axis. The fibula was fixed using 1 to 4 screws depending on the angle.

다음 유한요소해석 단계(S 150)는 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 회전력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 유한요소해석부(150)를 통해 데이터베이스(110)에 저장된 상기 제1특성정보와 제2특성정보 및 제3특성정보와 설정된 비골 이식편의 삽입 각도에 따라 상기 비골 이식편 및 나사에 인가되는 응력을 계산하게 된다.The next finite element analysis step (S 150) applies external forces including load and rotational force along the axes set to the three-dimensional bone model fixed with a plate, and the data is transmitted to the database 110 through the finite element analysis unit 150. The stress applied to the fibular graft and screw is calculated according to the stored first characteristic information, second characteristic information, and third characteristic information and the set insertion angle of the fibular graft.

상기 플레이트와 뼈 사이 및 비골 이식편과 뼈 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하여 진행되는 것이 바람직하다.It is desirable to set the coefficient of friction between the plate and the bone and between the fibula graft and the bone, and define the plate and screw as fully combined before proceeding.

도 6은 본 발명에 따른 상완골의 응력적용 모습을 나타낸 개념도로서, 상완골의 원위 부분을 고정하고 축 및 비틀림 힘이 모델에 적용된 모습을 나타내고 있다. 골절 부위의 안정성은 내측 골절 간격의 거리 변화로 평가되었다.Figure 6 is a conceptual diagram showing stress application to the humerus according to the present invention, showing the distal portion of the humerus being fixed and axial and torsional forces applied to the model. The stability of the fracture site was assessed by the change in distance of the medial fracture gap.

축 방향 힘으로 관상면과 시상면에서 수직으로 배향된 500N 하중이 근위 상완골 해드에 분산되도록 하였다.An axial force of 500 N, oriented vertically in the coronal and sagittal planes, was distributed to the proximal humeral head.

회전을 시뮬레이션하기 위해 상완골 축 주위의 근위 상완골 해드에 10Nm 토크를 적용했다. 하중 값과 하중 방향을 고정한 후 하중 범위를 변경하여 전체 실험을 5회 반복하였다.To simulate rotation, a torque of 10 Nm was applied to the proximal humeral head around the humeral axis. After fixing the load value and load direction, the entire experiment was repeated five times by changing the load range.

본 발명의 실시예에서는 수술 직후 4개의 비골 삽입 각을 사용할 때 골절 부위의 통합 안정성, 응력 성능 및 안정성을 비교하는 것을 목적으로 하였으며, 힘 조건을 평가하기 위해 von Mises 응력 분포와 임플란트 및 비골에 대한 최대 응력이 결정되었다.In an embodiment of the present invention, the purpose was to compare the integrated stability, stress performance, and stability of the fracture site when using four fibula insertion angles immediately after surgery. To evaluate the force conditions, the von Mises stress distribution for the implant and fibula were compared. The maximum stress was determined.

다양한 뼈-임플란트 구조의 통합 안정성을 비교하기 위해 구조 강성이 결정되었으며, 내측 골절 간격의 변화로 축 방향 하중하에서 골절 부위의 안정성을 평가하였다.To compare the integrated stability of various bone-implant structures, the structural stiffness was determined, and the stability of the fracture site was evaluated under axial loading by changing the medial fracture gap.

평가 결과에 대하여 SPSS(버전 25.0; SPSS Inc, Chicago, IL) 소프트웨어를 사용하여 통계 분석을 수행하였다.Statistical analysis was performed on the evaluation results using SPSS (version 25.0; SPSS Inc, Chicago, IL) software.

Kolmogorov-Smirnov 검정은 정규 분포를 분석하는 데 사용되었으며 Bartlett 검정은 통계적 동질성을 분석하는 데 사용되었다. 골절 부위의 안정성은 독립적인 두 개의 샘플 t-test 검정을 사용하여 결정되었으며, 통계적 유의 수준은 p <.05로 정의되었다.The Kolmogorov-Smirnov test was used to analyze normal distribution and the Bartlett test was used to analyze statistical homogeneity. The stability of the fracture site was determined using an independent two-sample t-test, and the level of statistical significance was defined as p <.05.

다음 각도 도출단계(S 160)는 상기 유한요소해석 단계(S 150)를 통해 인가된 외력에 따른 비골 이식편 삽입 각도별 비골 이식편 및 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 비골 이식편의 삽입각도를 도출하여 제공하는 단계로서, 그래프와 함께 도출된 나사 삽입각도가 적용된 플레이트의 설계안을 출력할 수 있는 각도도출부(160)를 통해 수행된다.The next angle derivation step (S 160) derives a stress graph of the fibular graft and screw for each angle of fibular graft insertion according to the external force applied through the finite element analysis step (S 150), and inserts the fibular graft in order of stress. This step of deriving and providing an angle is performed through the angle deriving unit 160, which can output a design plan of a plate to which the derived screw insertion angle is applied along with a graph.

통계분석 결과로서, 폰 미제스 스트레스(von Mises stresses)를 살펴보면 도 7은 본 발명의 실험에 따른 플레이트와 비골의 응력을 나타낸 그래프를 나타내고 있다.As a result of statistical analysis, looking at von Mises stresses, FIG. 7 shows a graph showing the stresses of the plate and fibula according to the experiment of the present invention.

상완골 골절 모델에 축 방향 하중을 가했을 때, 축 수직 상태(이식편의 수평 적용)에서 플레이트에 가해지는 응력이 최소화되었다.When axial loading was applied to the humerus fracture model, the stress on the plate was minimal when the axis was perpendicular (horizontal application of the graft).

반면, 이식편이 골절에 닿지 않았을 때 하중에 관계없이 최대 응력이 관찰되었다(p <.001). 또한, 전단 하중 동안 30도에서 이식편을 플레이트에 삽입했을 때 최대 응력이 발생하는 것을 관찰되었다. 그러나 이식편이 골절에 닿았을 때 이식편의 적용 각도는 스트레스에 큰 영향을 미치지 않았다. 반면에 축 방향 하중 중 응력은 축 수직 상태에서 최소로 나타났다.On the other hand, when the graft did not contact the fracture, the maximum stress was observed regardless of load (p <.001). Additionally, it was observed that the maximum stress occurred when the graft was inserted into the plate at 30 degrees during shear loading. However, the angle of application of the graft did not have a significant effect on the stress when the graft touched the fracture. On the other hand, the stress during axial loading was found to be minimum in the vertical state of the axis.

비골의 von Mises 응력에서 그래프트가 축을 따라 30°, 50°, 축 및 전단 하중 하에서 축 수직 조건에서 삽입될 때 유의한 차이가 발견되었다 (p <.05). 전단 하중이 가해 졌을 때 수평으로 삽입되었을 때(축 수직 조건) 이식편에 최대 응력이 가해졌다.Significant differences in the von Mises stress of the fibula were found when the graft was inserted at 30°, 50° along the axis, and in axial orthogonal conditions under axial and shear loading (p <.05). When shear loading was applied, the maximum stress was applied to the graft when inserted horizontally (axial perpendicular condition).

도 8은 본 발명의 실험에 따른 플레이트의 최대 응력해석을 나타낸 도면이다.Figure 8 is a diagram showing the maximum stress analysis of the plate according to the experiment of the present invention.

골절 모델에 축 방향 하중을 가했을 때(응력이 균일하게 적용되는 축 수직 상태 제외) 응력 결과는 골절 부위, 특히 플레이트-나사 중 하나인 비골-나사 조인트에 집중되었다.When an axial load was applied to the fracture model (except in the axial normal state, where the stress was uniformly applied), the stress results were concentrated at the fracture site, particularly the fibula-screw joint, one of the plate-screw joints.

그러나 전단 하중하에서 응력이 일반적으로 플레이트의 샤프트 부분에 집중되는 것이 발견되었으며, 비골에 가해지는 스트레스는 FA와 골절 사이의 연결 부위와 간접적으로 관련이 있는 것으로 확인되었다.However, under shear loading, stresses were generally found to be concentrated in the shaft portion of the plate, and the stress on the fibula was found to be indirectly related to the junction between the FA and the fracture.

이 영역이 증가함에 따라 스트레스가 감소했으며, FA에 대한 스트레스가 이식편 삽입 각도가 아니라 골절과 이식편 사이의 접촉면 영역에 의존한다는 것을 확인되었다.As this area increased, the stress decreased, confirming that the stress on the FA depended on the contact surface area between the fracture and the graft and not on the graft insertion angle.

안정성을 살펴보면, 도 9는 본 발명의 실험에 따른 축 및 전단 하중하에서 강성 값을 나타낸 그래프로서, 11(a)는 축 하중, 11(b)는 전단 하중하에서의 강성 값을 각각 나타내고 있다.Looking at stability, Figure 9 is a graph showing stiffness values under axial and shear loads according to experiments of the present invention, where 11(a) shows the axial load and 11(b) shows the stiffness values under shear load, respectively.

모델의 강성은 FA가 없을 때 가장 큰 감소를 보였다(p <.001). 특히 이식편을 수평으로 적용했을 때(축 수직 조건) 강성은 최대치에 도달했다(p <.05).The stiffness of the model showed the greatest decrease in the absence of FA (p <.001). In particular, when the graft was applied horizontally (vertical axis condition), the stiffness reached its maximum (p <.05).

통계적으로, 축 방향 하중은 이식편을 수평으로 적용했을 때 가장 높은 강성을 나타냈다. 다른 적용 방법으로 인한 강성도의 차이는 정적으로 유의했습니다(p <.001).Statistically, axial loading resulted in the highest stiffness when the graft was applied horizontally. The difference in stiffness due to different application methods was statically significant (p <.001).

그러나 전단 하중 하에서는 축 수직 조건을 제외하고는 이식편의 적용 방법에 따라 유의한 차이가 없었다. 축 수직 상태에서의 강성은 다른 세 가지 조건에서보다 유의하게 높았다(p <.001).However, under shear loading, there was no significant difference depending on the application method of the graft, except for the axial perpendicular condition. The stiffness in the vertical axis state was significantly higher than in the other three conditions (p <.001).

다음 골절 부위의 안정성을 살펴보면, 도 10은 본 발명의 실험에 따른 축 방향 하중하에서 내측 골절 간격의 거리 변화를 나타낸 그래프를 나타낸다.Next, looking at the stability of the fracture site, Figure 10 shows a graph showing the change in distance of the inner fracture gap under axial load according to the experiment of the present invention.

축 직각 상태에서 골절 부위의 미세 운동은 다른 조건에 비해 현저히 낮았다 (p <.05). 내측 골절 간격(거리의 진폭)의 거리 변화를 수치로 비교했을 때, 축 수직 상태가 가장 낮은 수치를 나타냈다. 이는 다른 이식편 적용 방법에서 관찰된 것보다 3.14 배에서 4.17 배 더 낮았다(p <.05).In the axis perpendicular condition, micromotion at the fracture site was significantly lower than in other conditions (p <.05). When the distance change of the medial fracture gap (amplitude of distance) was compared numerically, the axis perpendicular state showed the lowest value. This was 3.14 to 4.17 times lower than that observed with other graft application methods (p <.05).

축 수직 조건은 모든 이식편 적용 방법 중 골절 부위에 가장 높은 안정성을 제공했다(p <.001).Axial perpendicular conditions provided the highest stability to the fracture site among all graft application methods (p <.001).

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various changes and modifications within the scope of the claims. This is self-evident.

101: 뼈 102: 플레이트
103: 나사 104: 비골이식편
110: 데이터베이스 120: 모델링부
130: 기초설정부 140: 각도설정부
150: 유한요소해석부 160: 각도도출부
101: bone 102: plate
103: screw 104: fibula graft
110: database 120: modeling department
130: Basic setting unit 140: Angle setting unit
150: Finite element analysis unit 160: Angle derivation unit

Claims (6)

골절 고정력 유한요소 분석시스템에 있어서,
뼈의 이름과 형태 및 피질골과 해면골의 탄성 계수와 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 피질골만 있는 것으로 가정한 비골 이식편의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제3특성정보와, 뼈 및 플레이트와 비골 이식편의 2차원 및 3차원 이미지와 골절표현을 위한 이미지 소스를 포함하는 그래픽정보가 저장되어 구축되는 데이터베이스(110);
뼈의 촬영 이미지 및 대응하는 그래픽정보를 통해 3차원 뼈 모델을 생성하는 모델링부(120);
상기 3차원 뼈 모델에 골절위치와, 안쪽 부분을 지지하는 각도에 따라 해면골 안쪽을 채우도록 하는 비골 이식편의 삽입 위치 및 각도와, 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하는 기초설정부(130);
플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지하면서 상기 골절위치에 비골 이식편을 삽입함에 있어 상기 비골 이식편의 삽입각도를 수직으로부터 수평까지 단계적으로 설정하는 각도설정부(140);
상기 플레이트와 뼈 사이 및 비골 이식편과 뼈 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하고, 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 회전력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 제1특성정보와 제2특성정보 및 제3특성정보와 설정된 비골 이식편의 삽입 각도에 따라 상기 비골 이식편 및 나사에 인가되는 응력을 계산하는 유한요소해석부(150);
인가된 외력에 따른 비골 이식편 삽입 각도별 비골 이식편 및 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 비골 이식편의 삽입각도를 도출하여 제공하는 각도 도출부(160); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석시스템.
In the fracture fixation force finite element analysis system,
First characteristic information including the name and shape of the bone and the elastic modulus and structural strength of cortical and cancellous bone; second characteristic information including the shape and structural strength of the plate and screw; the shape of the fibula graft assuming only cortical bone; and A database 110 in which third characteristic information including structural strength, graphic information including two-dimensional and three-dimensional images of bones, plates, and fibula grafts, and image sources for fracture expression are stored and constructed;
A modeling unit 120 that generates a three-dimensional bone model through a photographed image of the bone and corresponding graphic information;
A basic setting unit 130 that sets the insertion position and angle of the fibula graft to fill the inside of the cancellous bone according to the fracture position and the angle supporting the inner part in the three-dimensional bone model, and the fixation position of the plate and arrangement of screws. ;
An angle setting unit 140 that inserts a screw into a plate and supports the three-dimensional bone model while gradually setting the insertion angle of the fibula graft at the fracture site from vertical to horizontal;
The friction coefficient between the plate and the bone and between the fibula graft and the bone is set, the plate and the screw are defined as fully coupled, and external forces including load and rotational force along the axis set on the three-dimensional bone model fixed with the plate are applied, respectively. However, a finite element analysis unit 150 that calculates the stress applied to the fibular graft and screw according to the first characteristic information, second characteristic information, and third characteristic information and the set insertion angle of the fibular graft;
An angle derivation unit 160 that derives a stress graph of the fibular graft and screw for each fibular graft insertion angle according to the applied external force and derives and provides an insertion angle of the fibular graft in descending order of stress. A finite element analysis system for fracture fixation force according to the fibular graft insertion angle, characterized in that it consists of.
삭제delete 삭제delete 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석시스템을 통해 수행되는 골절 고정력 유한요소 분석방법에 있어서,
뼈의 이름과 형태 및 피질골과 해면골의 탄성 계수와 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 피질골만 있는 것으로 가정한 비골 이식편의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제3특성정보와, 뼈 및 플레이트와 비골 이식편의 2차원 및 3차원 이미지와 골절표현을 위한 이미지 소스를 포함하는 그래픽정보를 준비하는 데이터베이스 구축 단계(S 110);
뼈의 촬영 이미지 및 대응하는 그래픽정보를 통해 3차원 뼈 모델을 생성하는 모델링 단계(S 120);
상기 3차원 뼈 모델에 골절위치와, 안쪽 부분을 지지하는 각도에 따라 해면골 안쪽을 채우도록 하는 비골 이식편의 삽입 위치 및 각도와, 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하는 기초설정단계(S 130);
플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지하면서 상기 골절위치에 비골 이식편을 삽입함에 있어 상기 비골 이식편의 삽입각도를 수직으로부터 수평까지 단계적으로 설정하는 각도설정 단계(S 140);
상기 플레이트와 뼈 사이 및 비골 이식편과 뼈 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하고, 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 회전력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 제1특성정보와 제2특성정보 및 제3특성정보와 설정된 비골 이식편의 삽입 각도에 따라 상기 비골 이식편 및 나사에 인가되는 응력을 계산하는 유한요소해석 단계(S 150);
인가된 외력에 따른 비골 이식편 삽입 각도별 비골 이식편 및 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 비골 이식편의 삽입각도를 도출하여 제공하는 각도 도출단계(S 160); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비골 이식편 삽입 각도에 따른 골절 고정력 유한요소 분석방법.
In the fracture fixation force finite element analysis method performed through a fracture fixation force finite element analysis system according to the fibular graft insertion angle,
First characteristic information including the name and shape of the bone and the elastic modulus and structural strength of cortical and cancellous bone; second characteristic information including the shape and structural strength of the plate and screw; the shape of the fibula graft assuming only cortical bone; and A database construction step (S 110) of preparing third characteristic information including structural strength, graphic information including two-dimensional and three-dimensional images of bones, plates, and fibula grafts, and image sources for fracture expression;
A modeling step (S 120) of generating a three-dimensional bone model through a photographed image of the bone and corresponding graphic information;
A basic setting step (S 130) of setting the insertion position and angle of the fibular graft to fill the inside of the cancellous bone according to the fracture position and the angle supporting the inner part in the three-dimensional bone model, and the fixation position of the plate and arrangement of screws );
An angle setting step (S 140) of gradually setting the insertion angle of the fibular graft from vertical to horizontal when inserting the fibular graft into the fracture site while inserting a screw into the plate and supporting the three-dimensional bone model;
The friction coefficient between the plate and the bone and between the fibula graft and the bone is set, the plate and the screw are defined as fully coupled, and external forces including load and rotational force along the axis set on the three-dimensional bone model fixed with the plate are applied, respectively. However, a finite element analysis step (S 150) of calculating the stress applied to the fibular graft and screw according to the first characteristic information, second characteristic information, and third characteristic information and the set insertion angle of the fibular graft;
An angle derivation step (S 160) of deriving a stress graph of the fibular graft and screw for each fibular graft insertion angle according to the applied external force and deriving and providing an insertion angle of the fibular graft in descending order of stress; A finite element analysis method for fracture fixation force according to the fibular graft insertion angle, characterized in that it consists of.
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