KR100768294B1 - 인공고관절용 스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인공고관절용 스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스템의 중앙에 위치한 중앙부와, 상기 중앙부로부터 대략 수직 하강하여 형성되며, 대퇴골에 삽입되는 대퇴골삽입부와, 상기 중앙부와 대퇴골삽입부를 연결하는 중심선과 대략 132°기울어져, 상기 중앙부로부터 연장된 경부와, 상기 경부로부터 연장되어 헤드가 삽입되도록 형성된 헤드삽입부를 갖되, 상기 중앙부에서 대퇴골삽입부를 향하여 이중으로 테이퍼져 있으며, 상기 중앙부 및/또는 대퇴골삽입부의 등부에서 배부를 향하여 테이퍼져 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명은, 대퇴골에서 함몰율이 낮으며, 비틀림응력에 강하고, 시술완료시 관절의 활동반경이 넓은 효과가 있다

스템, 비구컵, 라이너, 인공고관절

Description

인공고관절용 스템{STEM}

도1a는 본 발명에 따른 시멘트형 칼라리스 스템의 정면도.

도1b는 본 발명에 따른 시멘트형 칼라리스 스템의 우측면도.

도1c는 본 발명에 따른 시멘트형 칼라리스 스템의 중앙부의 단면도.

도1d는 본 발명에 따른 시멘트형 칼라리스 스템의 경부의 단면도.

도2는 본 발명에 따른 시멘트형 칼라 스템의 정면도.

도3a는 본 발명에 따른 무시멘트형 스템의 정면도.

도3b는 본 발명에 따른 무시멘트형 스템의 우측면도.

도3c는 본 발명에 따른 무시멘트형 스템의 코팅 예시도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ***

10. 중앙부 12. 대퇴골삽입부 13. 대퇴골삽입부 말단

14. 경부 16. 헤드 삽입부 18. 등부

20. 배부 22. 측부 24. 장착용홈

26. 칼라 28. 가압부

본 발명은 인공고관절용 스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스템의 중앙에 위치한 중앙부와, 상기 중앙부로부터 대략 수직 하강하여 형성되며, 대퇴골에 삽입되는 대퇴골삽입부와, 상기 중앙부와 대퇴골삽입부를 연결하는 중심선과 대략 132°기울어져, 상기 중앙부로부터 연장된 경부와, 상기 경부로부터 연장되어 헤드가 삽입되도록 형성된 헤드삽입부를 갖되, 상기 중앙부에서 대퇴골삽입부를 향하여 이중으로 테이퍼져 있으며, 상기 중앙부 및/또는 대퇴골삽입부의 등부에서 배부를 향하여 테이퍼져 있도록 구성하므로써, 대퇴골에서 함몰율이 낮으며, 비틀림응력에 강하고, 시술완료시 관절의 활동반경이 넓은 효과가 있는 인공고관절용 스템에 관한 것이다

고관절은 인체의 대퇴골과 골반의 비구 사이를 연결하는 관절로서, 사람이 앉거나 서는데 있어서 가장 중요한 작용을 하는 관절이다. 고관절은 결핵과 같은 병적 원인 및, 질병등에 의해서 손상될 수 있는데, 이를 치유하기 위해서 외과 수술을 통해서 인공고관절용 기기가 적용될 수 있다. 통상적으로 인공고관절용 기기는 스템과 컵으로 이루어진다. 스템과 컵은 예를 들면 인체에 무해한 티타늄등 합금등으로 제작된다. 스템은 대퇴골내에 삽입되어 고정되고, 컵은 골반의 비구에 고정된다. 스템의 단부에는 세라믹 재료 또는 금속 재료로 형성된 헤드가 고정되며, 컵안에는 상기 헤드가 수용되어 회전할 수 있는 라이너가 끼워져 있으며 상기 라이너는 세라믹 재료 또는 고분자 폴리에틸렌으로 제작된다.

인체의 대퇴골(femur)은 외피의 구조를 형성하는 피질골(cortical bone)과 상기 피질골의 내부에 존재하는 망상골(cancellous bone)로 이루어진다. 피질골은 매우 단단한 조직인데 반해, 망상골은 상대적으로 부드러운 해면체 조직이다. 무시멘트용 스템은 상기 피질골의 내측에 삽입되어 상기 망상골을 파고 들어가게 된다. 무시멘트용 스템은 피질골에 대한 쐐기 작용에 의해서 고정될 수 있는 단면 형상을 가지는 경우가 많다. 즉, 전체적으로 원통형에 가까운 피질골의 내부에서 스템이 쐐기 작용에 의해서 고정되도록, 스템의 단면은 전체적으로 사각형이다. 또한, 스템의 쐐기 작용을 보조하고 스템이 피질골 내에서 회전하는 것을 방지하기 위해서, 스템의 측면에 블레이드나 홈이 형성될 수도 있다.

그러나, 환자가 고령이거나 다른 질병으로 인해 상기 망상골이 잘 회복되지 않는 경우에는 시멘트용 스템을 사용한다. 시멘트용 스템을 사용할 때는 대퇴골의 망상골을 일정량 제거하고, 그 안에 시멘트를 넣고 시멘트용 스템을 삽입하는 것으로, 시멘트는 대퇴골과 스템 사이의 접합력을 증진시킨다.

대한민국 공개특허 제2003-21957호(출원번호 10-2001-55553호)에는 시멘트형 스템이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허 제2003-21958호(출원번호 10-2001-55554호)에는 무시멘트형 스템이 개시되어 있다.

그러나, 상기한 종래의 시멘트형 스템은 시술하였을 때 시멘트의 분포가 균일하지 않아 밀도의 차이가 있으며, 스템에 가해지는 힘의 전달이 균일하지 않았다. 무시멘트형 스템은 대퇴골삽입부 말단이 뭉툭하여 대퇴골에 삽입시 많은 힘이 가해져야 했으며, 과도한 블레이드로 제거시술이 용이하지 않았다. 또한, 시멘트형 스템과 무시멘트 스템 공히 경부의 단면이 타원형으로 인공고관절의 굴곡 운동시에 비구컵의 가장자리에 대한 간섭이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중앙부 및 대퇴골삽입부를 3중으로 테이퍼처리하고, 경부의 단면을 트랙형으로 하므로써 대퇴골에서 함몰율이 낮으며, 비틀림응력에 강하고, 시술완료시 관절의 활동반경이 넓은 스템을 제공하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 의한 인공고관절용 스템은,

스템의 중앙에 위치한 중앙부와, 상기 중앙부로부터 대략 수직 하강하여 형성되며, 대퇴골에 삽입되는 대퇴골삽입부와, 상기 중앙부와 대퇴골삽입부를 연결하는 중심선과 둔각을 이루며, 상기 중앙부로부터 연장된 경부와, 상기 경부로부터 연장되어 헤드가 삽입되도록 형성된 헤드삽입부를 갖되, 상기 중앙부에서 대퇴골삽입부를 향하여 이중으로 테이퍼져 있으며, 상기 중앙부 및/또는 대퇴골삽입부의 등부에서 배부를 향하여 테이퍼져 있는 것을 특징으로 한다.

상기 둔각은 대략 132°인 것이 바람직하다.

상기 경부의 단면은 대략 트랙형인 것이 바람직하다.

상기 중앙부의 측면에는 계단형의 가압부가 형성되어 있을 수도 있다.

상기 중앙부와 경부 사이에는 칼라가 추가로 형성되어 있을 수도 있다.

상기 칼라의 기저부는, 상기 중앙부와 대퇴골삽입부를 연결하는 중심선과 대략 60°의 각도를 이루는 것이 바람직하다.

상기 대퇴골삽입부의 말단부는 대략 40°정도의 급격한 각도로 테이퍼져 있을 수도 있다.

이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 이들 도면은 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도1a 내지 도1d는 본 발명에 따른 시멘트용 칼라리스 스템이다.

도1a는 시멘트용 칼라리스 스템의 정면도이며, 도1b는 우측면도이고, 도1c는 중앙부(10)의 단면도이며, 도1d는 경부(14)의 단면도이다.

도1a를 살펴보면, 시멘트용 칼라리스 스템은 중앙부(10), 대퇴골삽입부(12), 경부(14), 헤드삽입부(16)로 구성되며, 설명의 편의를 위하여 등부(18), 배부(20), 측부(22)에는 번호를 명시하였으며, 중앙부(10)의 위쪽에는 스템 장착용홈(24)이 형성되어 있다.

본 발명에 의한 시멘트용 칼라리스 스템은 3중으로 테이퍼져 있다. 도1a에서 볼 수 있듯이, 중앙부(10)에서 대퇴골삽입부(12)로 진행하면서 등부(18)와 배부(20)의 사이의 폭이 점점 줄어들며 테이퍼져 있다. 또 하나는 도1b에서 볼 수 있듯이, 중앙부(10)에서 대퇴골삽입부(12)로 진행하면서 두 측부(22)의 간격이 점 점 좁아지며 테이퍼져 있다. 또한, 도1c에서 볼 수 있듯이 중앙부(10)는 등부(18)에서 배부(20)로 진행될수록 측부(22)간 간격이 점점 좁아지며 테이퍼져 있다.

시멘트용 칼라리스 스템은 상기와 같이 3중으로 테이퍼져 있으므로 대퇴골과 스템사이에 채워지는 시멘트를 균일하게 압박하며, 시멘트가 굳은 다음에도 스템으로 전달되는 힘이 골고루 분산된다. 또한 3중으로 테이핑된 본 발명의 스템은 비틀림응력 및 미세운동을 최소화시켜 스템을 안정화시키면서 흔들리는 것을 방지할 수 있다.

경부(14)는 비구컵의 가장자리에 닿는 부분으로 경부(14)가 얼마나 잘 설계되었느냐에 따라 비구컵의 가장자리와 부딪힘의 정도가 달라진다. 본 발명에서는 경부(14)의 단면이 도1d에 보이는 바와같이 트랙형으로 형성되어 있어 종래의 스템의 운동반경보다 더 넓은 운동반경을 확보하게 되었다.

중앙부(10)와 헤드삽입부(16)를 연결하는 중심선은 중앙부(10)와 대퇴골삽입부(12)를 연결하는 중심선과 132°의 각을 이룬다. 상기 각은 127°내지 138°사이에서 결정될 수 있으나, 한국인의 체형에는 132°가 가장 적합하다.

도1a에는 도2에 보이는 바와같은 가압부(28)가 형성될 수도 있다.

도2는 본 발명에 따른 시멘트용 칼라 스템의 정면도이다.

도2를 살펴보면, 본 발명에 의한 시멘트용 칼라 스템은 도1a와 동일하게 중앙부(10), 대퇴골삽입부(12), 경부(14), 헤드삽입부(16), 등부(18), 배부(20), 스템 장착용홈(24)이 형성되어 있으며, 칼라(26)와 가압부(28)가 추가로 형성되어 있 는 점이 도1a와 차이점이다.

칼라(26)는 대퇴골의 말단에 걸쳐져 스템이 대퇴골의 내부로 함몰되지 않도록 한다. 칼라(26)의 기저부는 중앙부(10)와 대퇴골삽입부(12)를 연결하는 중심선과 대략 60°의 각을 이룬다. 상기 각은 55°내지 65°사이에서 결정될 수 있으나, 한국인의 체형에는 60°가 가장 적합하다.

가압부(28)는 계단형으로 형성되어 있다. 계단형 가압부(28)는 스템의 양 측부(22)에 형성되어 있으며, 등부(18)쪽이 높고 배부(20)쪽이 낮다.

가압부(28)는 대퇴골에 채워진 시멘트를 가압한다. 가압된 시멘트는 밀도가 낮은 쪽으로 이동하고, 전체적으로 균일한 밀도로 굳는다. 균일한 밀도로 굳은 시멘트는 스템으로부터 전달되는 힘을 보다 효율적으로 대퇴골로 전달한다.

도3a 내지 도3b는 본 발명에 따른 무시멘트용 스템이다.

도3a는 무시멘트용 스템의 정면도이며, 도3b는 우측면도이다.

무시멘트용 스템은 대퇴골의 피질골에 시멘트없이 삽입되어 쐐기결합되고, 피질골이 스템의 모양에 맞게 자라 스템을 고정시키는 형태를 취한다.

도3a를 살펴보면, 무시멘트용 스템은 중앙부(10), 대퇴골삽입부(12), 경부(14), 헤드삽입부(16), 등부(18), 배부(20), 측부(22), 스템 장착용홈(24)이 형성되어 있다.

본 발명에 의한 무시멘트용 스템은 도1a 내지 도1c와 마찬가지로 3중으로 테이퍼져 있다. 도3a와 같이 중앙부(10)에서 대퇴골삽입부(12)로 진행하면서 등부(18)와 배부(20)의 사이의 폭이 점점 줄어들며 테이퍼져 있으며, 도3b와 같이 중앙부(10)에서 대퇴골삽입부(12)로 진행하면서 두 측부(22)의 간격이 점점 좁아지며 테이퍼져 있다. 또한, 도면에는 표시되지 않았으나, 중앙부(10) 및 대퇴골삽입부(12)는 등부(18)쪽이 두껍고 배부(20)쪽이 얇도록 테이퍼져 있다.

상기와 같이 3중으로 테이퍼져 있는 무시멘트용 스템은 대퇴골의 피질골에 삽입될 때 보다 쉽게 삽입되며, 피질골이 자라 스템이 고정된 다음에는 스템에 가해지는 힘을 균일하게 대퇴골로 전달한다.

대퇴골삽입부(12)의 말단(13)은 급격한 각도(약 40°)로 가공되어 스템이 피질골에 손쉽게 삽입될 수 있도록 한다.

도1a 내지 도2의 시멘트용 스템과 달리 무시멘트용 스템의 등부(18)와 측부(22) 사이는 모따기되어 있으며, 라운딩 가공되어 있지 않다. 각 면들이 라운딩처리되어 있지 않으므로 스템이 대퇴골에 안착되면 회전응력에 의해 회전하는 것을 방지할 수 있다. 각 면들을 라운딩처리할 수도 있으나, 그 양을 극소화하는 것이 바람직하다.

경부(14)는 비구컵의 가장자리에 닿는 부분으로 경부(14)가 얼마나 잘 설계되었느냐에 따라 비구컵의 가장자리와 부딪힘의 정도가 달라진다. 도3a 내지 도3b에서의 경부(14)의 단면은 도1d에 보이는 바와같은 트랙형으로 형성되어 있어 종래의 스템의 운동반경보다 더 넓은 운동반경을 확보하게 되었다.

중앙부(10)와 헤드삽입부(16)를 연결하는 중심선은 중앙부(10)와 대퇴골삽입부(12)를 연결하는 중심선과 132°의 각을 이룬다. 상기 각은 127°내지 138°사 이에서 결정될 수 있으나, 한국인의 체형에는 132°가 가장 적합하다.

도3c는 본 발명에 의한 무시멘트형 스템의 코팅 예시도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 스템의 중하단부는 샌드블래스팅하고, 스템의 중앙부는 비드코팅 또는 플라즈마 스프레이처리를 한다. 환자의 뼈는 샌드블래스팅부에서 온그로스하고, 비드코팅 또는 플라즈마 스프레이처리부에서는 인그로스한다. 뼈는 스템에 인그로스되는 것이 바람직하나, 스템을 뼈로부터 제거를 할 필요가 있을 경우에는 온그로스된 것이 스템을 제거하기에 유리하므로, 얇은 도구를 사용할 수 있는 상부는 인그로스되도록 비드코팅 또는 플라즈마 스프레이처리하고, 하부는 얇은 도구를 사용하여 뼈와 스템을 분리하기 어려우므로 온그로스되도록 샌드블래스팅한다.

상기 도1a 내지 도2의 시멘트용 스템은 표면을 광택이 나도록 매우 미세하게 연마되는 것이 바람직하다.

상기 도1a 내지 도3c의 각 구성요소는 필요에 따라 적절히 조합하여 새로운 스템을 만들수도 있다.

[경계면 미세운동 분석을 위한 실험]

본 발명에 의한 스템의 효과를 알아보기 위하여, 시멘트형 Polished tapered stem의 형상에 따른 경계면 미세운동 분석을 하였다.

대퇴골 형상은 2㎜간격으로 CT촬영 후 CT scan data는 Mimics프로그램을 이용하여 3차원 IGES파일 형식으로 변환, I-DEAS프로그램을 이용하여 3차원 솔리드 모델로 변환시켰으며, triple taperd polished 스템으로는 C-스템(Depuy Co)과 가상의 triple구조의 OTIS triple (OTISbiotech Co)스템을, double taperd polished 스템으로는 Exeter (Howmedica Co)와 OTIS triple과 동일한 형상으로 double taper 변수가 적용된 가상의 OTIS double (OTISbiotech Co), 대조군으로는 collared, rough 스템인 Elite (Depuy Co)등 5종의 stem형상을 정밀측정 하여 3차원 모델링 하였다(도4). 스템을 둘러쌓는 시멘트 두께는 2㎜로, subsidence 측정을 위하여 distal tip의 end cap은 없는 상태로 가정하였다. polished 스템과 cement와의 접촉면은 debonded 상태로 하여 마찰계수 μ=0.22을 적용하여 contact analysis을 수행하였으며 collared, rough surfaced인 Elite스템은 bonded 상태로 가정하였다.

하중은 Davy의 실험방식인 single leg stance조건을 적용하여, femoral head load 1400N (X=283N, Y=-283N, Z=-1403N)과 greater trochanter 부위에 880N (X=-220N, Y=59N, Z=850N)을 부여하고, 대퇴골 피질부 하단부분 모든 절점의 운동을 구속하였다.

조합된 FEM 모델은 hexahedron element(6 node)를 사용하여, 각각의 형상에 따라 차이가 있으나 대략 45,000의 element와 11,000의 node로 표현되었고, 대퇴골 및 골시멘트의 물성치는 선형탄성 및 등방성으로 가정하였으며, 사용된 Stem은 CoCrMo 합금으로써, 각 물성치는 <표 1>과 같다.

<표 1> 실험에 사용된 물질의 물성치

해석(Solver)과 후처리(Post processor)기로써 Ansys가 사용되었으며, Stem의 Proximal 부위의 단면(360°)과 cement와 stem의 medial 경계면에서의 미세운동을 분석하였고, subsidence는 stem 원위부(distal)에서 측정하였다.

상기와 같은 실험결과, 중앙선으로부터 전체 변위는 스템의 말단부가 가장 컸으며, 동일한 말단부 중에는 triple otis의 변위가 가장 적어 안정성이 컸다(도5a).

대퇴골 근위부 내측에서 외측으로 360˚방향으로 분석한 총 미세운동은 double Exeter(0.61-0.71㎜)가 가장 컸고 triple C-스템(0.57-0.64㎜), double otis(0.45-0.57㎜), triple otis(0.42-0.47㎜)의 순으로 적었으며 모든 스템이 공통적으로 180˚~ 225˚위치에서 가장 큰 운동범위를 보였다.

동일한 polished taper 형상이더라도 triple tape형상의 경우 형상에 따라 0.16㎜의 미세운동 차이가 발생하였고 double taper경우도 형상에 따라 0.16㎜ 미세운동 차이가 발생하였다.

수직방향의 함몰은 <표 2>와 같이 칼라가 있는 Elite는 거의 발생되지 않았으나, 나머지는 약간씩의 함몰이 있었고, 그중에 double otis, triple otis가 -0.0216㎜, -0.0220㎜로 적게 나타났다.

<표 2> 스템별 말단부 함몰 깊이.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 대퇴골에서 함몰율이 낮으며, 비틀림응력에 강하고, 시술완료시 관절의 활동반경이 넓은 효과가 있다

Claims (9)

1. 인공고관절용 스템에 있어서,

   스템의 중앙에 위치한 중앙부와,

   상기 중앙부로부터 대략 수직 하강하여 형성되며, 대퇴골에 삽입되는 대퇴골삽입부와,

   상기 중앙부와 대퇴골삽입부를 연결하는 중심선과 둔각을 이루며, 상기 중앙부로부터 연장된 경부와,

   상기 경부로부터 연장되어 헤드가 삽입되도록 형성된 헤드삽입부를 갖되,

   상기 중앙부에서 대퇴골삽입부를 향하여 이중으로 테이퍼져 있으며,

   상기 중앙부, 대퇴골삽입부 중 어느 하나 또는 둘 모두의 등부에서 배부를 향하여 테이퍼져 있는 것을 특징으로 하는 인공고관절용 스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 둔각은 127°내지 138°인 것을 특징으로 하는 인공고관절용 스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images