KR101696842B1 - 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관 - Google Patents

고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관 Download PDF

Info

Publication number
KR101696842B1
KR101696842B1 KR1020150135356A KR20150135356A KR101696842B1 KR 101696842 B1 KR101696842 B1 KR 101696842B1 KR 1020150135356 A KR1020150135356 A KR 1020150135356A KR 20150135356 A KR20150135356 A KR 20150135356A KR 101696842 B1 KR101696842 B1 KR 101696842B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
neck
diameter
femoral head
motion
range
Prior art date
Application number
KR1020150135356A
Other languages
English (en)
Inventor
신충수
노재헌
Original Assignee
서강대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서강대학교산학협력단 filed Critical 서강대학교산학협력단
Priority to KR1020150135356A priority Critical patent/KR101696842B1/ko
Priority to PCT/KR2016/002471 priority patent/WO2017052011A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101696842B1 publication Critical patent/KR101696842B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/32—Joints for the hip
    • A61F2/36—Femoral heads ; Femoral endoprostheses
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof

Abstract

인공기관에서 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 결정하는 설계방법은, 운동범위 파라미터를 선정하고, 인공기관의 설계 변수를 선정하는 단계; 인공기관을 모델링하는 단계; 및 모델링된 인공기관에서 운동범위 및 응력을 계산하는 단계; 설계 변수 중에서 운동범위 및 응력에 영향을 주는 유한요소로서 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 선정하는 단계; 운동범위 및 응력을 이용하여 대퇴 골두에 대한 넥 직경의 목적함수를 결정하는 단계; 및 목적함수로부터 운동범위를 최대로 하고, 응력을 최소로 하는 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관{DESING METHOD FOR NECK OF PROSTHESIS ON TOTAL HIP REPLACEMENT AND THE PROSTHESIS}
본 발명은 고관절 전치환술(total hip replacement)에서 골반(pelvis)의 비구(acetabulum)에 회전 가능하게 배치되는 인공기관에 대한 것으로서, 보다 자세하게는 인공기관의 운동범위를 증가시킬 수 있는 인공기관의 넥 설계방법 및 그 인공기관에 관한 것이다.
고관절(coxa)은 대퇴골(femur)과 비구로 이루어져 있으며, 구체적으로 구형의 대퇴 골두(femoral head)와 컵 모양의 비구가 밀접하게 맞물려 있는 매우 큰 관절이다. 또한, 다양한 근육들로 둘러 쌓여있어 인체 관절 중 견관절에 이어 두 번째로 운동범위가 큰 관절로, 체중의 5배에 이르는 하중에도 관절 운동이 가능하다.
한편, 고관절의 대퇴 근위부와 비구가 관절의 과도한 움직임에 의해 충돌하는 것을 대퇴비구충돌증후군(femoroacetabular impingement)이라고 하며, 대퇴비구충돌증후군은 골 변형 위치에 따라 캠 타입(cam type)과 프린서 타입(pincer type)으로 구분할 수 있다. 각 타입이 도시되는 도 1을 참조하면, 캠 타입은 대퇴 골두와 경부에 변형이 생겨 충돌을 일으키는데 주로 운동량이 많은 젊은 층에서 잘 나타나고, 프린서 타입은 비구에 변형이 생겨 충돌을 일으키며 주로 중년 층에게 발견된다. 어느 경우던 상태가 심각한 경우, 대퇴부의 근위부를 일부 잘라내고 인공기관을 이식하는 고관절 전치환술을 받아야 한다.
도 1에서 확인할 수 있듯이, 대퇴 골두는 비구에 회전 가능하게 결속되는 부분이고, 대퇴 골두 아래로는 넥이 연결된다.
전치환술에 사용되는 인공기관의 대퇴 골두는 전치환술을 받는 환자의 비구 모양에 따라서 결정될 수 있고, 대퇴 골두 아래로 배치되는 넥의 경우에는 그 직경이 클수록 운동범위(ROM: range of motion)가 줄어들게 된다. 그래서, 넥의 직경을 작게 하면 할수록 운동범위가 커지고, 비구와 넥이 충돌하는 대퇴비구충돌증후군을 극복할 수가 있다.
다만, 문제는 넥의 직경을 한없이 줄일 수 없다는데 있다. 왜냐하면 넥의 직경을 줄이면 비구에서 회동하는 인공기관의 운동범위가 증가하지만, 넥에 가해지는 응력에 의해서 넥이 파단되는 문제가 발생한다.
따라서, 전치환술을 받는 환자의 비구에 회동하게 결속되는 대퇴 골두에 연결되는 넥의 직경 사이즈는 운동범위와 넥의 파단을 막는 범위 내에서 적절하게 이루어져야 한다.
PCT(WO 03/086244)에는 대퇴부를 대신할 수 있는 인공기관 중 스템(stem)의 표면 거칠기를 조절하는 특징이 개시되며, 고관절에 대한 설명이나 대퇴골에 이식되어 비구에 결속되는 인공기관에 대한 명칭이나 설명을 참조할 수 있다.
본 발명은 비구에서 회동하는 인공기관의 넥의 적절한 직경을 산출할 수 있는 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관을 제공한다.
본 발명은 인공기관의 운동범위를 최대로 함과 동시에 넥에 가해지는 응력을 최소화할 수 있는 설계방법 및 인공기관을 제공한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 비구(acetabulum)에서 회전하는 대퇴 골두(femoral head), 대퇴골(femur)에 이식되는 스템(stem), 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관에서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 설계방법은, 상기 비구에서 회전하는 상기 인공기관의 운동범위 파라미터(ROM parameter)를 선정하고, 상기 인공기관의 설계 변수(design variable)를 선정하는 단계; 선정된 상기 인공기관의 설계 변수를 기반으로 상기 인공기관을 모델링하는 단계; 및 모델링된 상기 인공기관에서 상기 운동범위 파라미터에 대한 상기 인공기관의 운동범위(ROM; range of motion)를 계산하고, 상기 인공기관의 운동범위 내에서 상기 인공기관에 가해지는 응력을 계산하는 단계; 상기 인공기관의 설계 변수 중에서 상기 운동범위 및 상기 응력에 영향을 주는 유한요소로서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 선정하는 단계; 계산된 상기 인공기관의 운동범위 및 상기 응력을 이용하여 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수를 결정하는 단계; 및 상기 목적함수로부터 상기 운동범위 및 상기 응력 중 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하는 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 목적함수는,
Figure 112015093238522-pat00001
이며,
여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 응력(stress), X'=X/μX, μ=평균값, n=운동범위 파라미터이다.
또한, 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서, 최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은, 최적의 넥 직경(optimum neck diameter)=3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비(head-to-neck diameter ratio)+6.437이다.
또한, 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서, 최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은, 최적의 넥 직경(optimum neck diameter)= 0.149*대퇴 골두의 직경+9.944이다.
또한, 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서, 최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 상기 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 2.2 내지 3.0이다.
또한, 상기 운동범위 파라미터는 비구에서 회전하는 인공기관의 회전 특징에 의해서 결정되며, 상기 운동범위 파라미터는 굴곡(flexion), 신전(extension), 내회전(internal rotation), 외회전(external rotation), 내전(adduction), 및 외전(abduction) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 회전들은 모두 골반뼈(pelvis)에 대한 대퇴골(femur)의 움직임으로 정의되며, 해부학적 자세(도 2 참조)에서 0도로 정의된다. 굴곡과 신전은 좌우축(medio-lateral axis 또는 transverse axis 또는 left-light axis으로 지칭됨)의 회전으로 정의되며, 다리를 들어올리는 것이 굴곡, 다리를 후방으로 젖히는 동작이 신전에 해당된다. 내회전과 외회전은 장축(longitudinal axis 또는 craniocandal axis)의 회전으로 정의되며, 중심방향의 회전이 내회전, 바깥쪽 방향의 회전이 외회전을 의미한다. 내전과 외전은 전후방축(antero-posterior axis)의 회전으로 정의되며, 몸의 중심축으로 가까워지는 회전이 내전, 멀어지는 회전이 외전이다.
또한, 상기 인공기관의 설계 변수는, 대퇴 골두의 직경(head diameter), 넥(neck)의 직경, 스템-오프셋(steam-offset), 넥-스템 각도(neck-stem angle) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 비구에서 회전하는 대퇴 골두, 대퇴골에 이식되는 스템, 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관이 개시된다. 상기 인공기관은, 상기 인공기관의 운동범위 및 상기 인공기관에 가해지는 응력을 이용하여 결정된 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수로부터 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하도록 결정된 상기 넥의 직경을 갖되,
상기 목적함수는,
Figure 112015093238522-pat00002
이며,
여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 응력, X'=X/μX, μ=평균값, n=운동범위 파라미터이다.
본 발명에 따른 인공기관의 넥 설계방법 및 인공기관에 따르면, 비구에서 회전하는 인공기관의 운동범위를 최대로 하면서도 인공기관의 스템에 작용하는 수직응력(principal stress)의 크기를 최소로 할 수 있는 넥을 설계할 수 있다. 따라서, 인공기관을 이식한 전치환술 환자에게 발생하는 넥 파단 현상을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 대퇴비구충돌증후군을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 운동범위 파라미터를 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 최적의 넥을 설계하기 위한 흐름도이다.
도 4에는 인공기관의 설계 변수가 표시된다.
도 5에는 넥과 대퇴 골두에 대한 목적함수 값이 도시된다.
도 6(a)에는 대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비에 따른 최적의 넥 직경 값이 도시되고, 도 6(b)에는 대퇴 골두 직경에 따른 최적의 넥 직경 값이 도시된다.
도 7에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도(NSA)에서, 넥 직경에 대한 최대 주 응력 값이 표시된다.
도 8에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도(NSA)에서, 넥의 직경을 다양하게 변경하면서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시된다.
도 9에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도(NSA)에서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시된다.
도 10에서는 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
고관절 전치환술로 인공기관(보철물)의 운동범위(ROM)가 감소하면, 대퇴 비구 충돌을 발생시키고, 이는 탈구 문제로 연결될 수 있다.
이때, 대퇴 골두와 넥 직경은 인공기관의 운동범위에 큰 영향을 주지만, 큰 운동범위를 위해서 넥의 직경을 줄이는 것은 인공기관 넥에 주요 스트레스를 증가시키는 문제가 야기되고, 실지로 작은 직경의 넥으로 인한 경부 골절이 보고되고 있다.
본 발명에서는 넥에 가해지는 응력을 최소화하면서 운동범위를 극대화할 수 있는 넥 직경 설계의 최적화 프레임을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 인공기관의 최적의 넥을 설계하기 위한 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 먼저, 운동범위 파라미터를 선정하고, 인공기관의 설계 변수를 선정한다.
운동범위 파라미터는 비구에서 회전하는 인공기관의 회전 특징에 의해서 결정되는데, 구체적으로 굴곡(flexion), 신전(extension), 내회전(internal rotation), 외회전(external rotation), 내전(adduction), 및 외전(abduction) 등이 있다.
상기 운동범위 파라미터들은 모두 골반뼈(pelvis)에 대한 대퇴골(femur)의 움직임으로 정의되며, 해부학적 자세(도 2 참조)에서 0도로 정의된다. 굴곡과 신전은 좌우축(medio-lateral axis 또는 transverse axis 또는 left-light axis으로 지칭됨)의 회전으로 정의되며, 다리를 들어올리는 것이 굴곡, 다리를 후방으로 젖히는 동작이 신전에 해당된다. 내회전과 외회전은 장축(longitudinal axis 또는 craniocandal axis)의 회전으로 정의되며, 중심방향의 회전이 내회전, 바깥쪽 방향의 회전이 외회전을 의미한다. 내전과 외전은 전후방축(antero-posterior axis)의 회전으로 정의되며, 몸의 중심축으로 가까워지는 회전이 내전, 멀어지는 회전이 외전이다. 여기서, 상기 운동범위 파라미터들은 해부학적으로 널리 사용되는 것으로 본 명세서에서만 통용되는 것은 아니다.
또한, 인공기관의 설계 변수들은 대퇴 골두의 직경(head diameter)(H), 넥(neck)의 직경(N), 스템-오프셋(steam-offset)(SO), 넥-스템 각도(neck-stem angle)(NSA)들을 포함할 수 있고, 이는 도 4를 참고할 수 있다.
그리고, 3D 캐드(3D CAD)를 이용하여 인공기관을 모델링하고, CT 이미지 재건(CT image reconstruction)을 통해서 인공기관이 이식되는 뼈(대퇴부를 지칭)를 모델링 할 수 있다.
그리고 나서, 시뮬레이션 및 계산(simulation and calculation)을 수행할 수 있는데, 구체적으로 운동범위 파라미터에 대한 인공기관의 운동범위를 계산하고, 인공기관의 운동범위 내에서 인공기관에 가해지는 최대 주 응력(maximum principal stress)을 계산한다.
참고로, 인공기관의 회전 각도 즉, 운동범위에 대한 계산은 운동범위 파라미터의 종류에 대해서 각각 계산될 수 있으며, 인공기관의 수치가 구체적으로 설계된 상황으로 운동 범위에 대한 계산이 가능하며, 이론적인 운동범위에 대한 계산은 이미 2002년 Yoshimine 연구(Yoshimine, F., 2006. The safe-zones for combined cup and neck anteversions that fulfill the essential range of motion and their optimum combination in total hip replacements. Journal of Biomechanics 39, 1315-1323.)에서 사용된 식을 이용할 수 있다.
또한, 인공기관에 가해지는 최대 주 응력은 스템에 가해지는 수직응력에 해당할 수 있고, 이는 시뮬레이션이 이루어지는 대상의 몸무게, 키 등이 설정되면, 계산 가능하며, 이미 널리 사용되는 상용 툴(ANSYS V14.5; ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA)을 사용하여 어렵지 않게 계산할 수 있다.
그리고, 인공기관의 설계 변수 중에서 운동범위 및 응력에 영향을 주는 유한요소를 선정할 수 있는데, 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 유한요소로 선정할 수 있다. 넥의 최적화의 목적은 응력은 최소화하면서 운동범위는 최대로 하는데 있고, 대퇴 골두, 넥의 직경은 응력과 운동범위에 영향을 미치는 설계 변수로 정의된다.
그리고, 계산된 인공기관의 운동범위 및 응력을 이용하여 대퇴 골두에 대한 넥 직경의 목적함수를 결정할 수 있다.
상기 목적함수는,
Figure 112015093238522-pat00003
이며,
여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 응력(stress), X'=X/μX, μ=평균값, n=운동범위 파라미터의 종류, 즉 본 실험에서 고려되는 총 5가지의 파라미터에 해당되고, 그 값은 1에서 5가 된다. 응력 항은 플러스로, 운동범위 항은 마이너스 값으로 설정하며, 응력 항과 운동범위 항은 각기 각 세트의 평균으로 나누어 평준화한다. σ(시그마)는 표준편차를 의미한다. 본 실시예에서 운동범위 파라미터는 총 5가지이며, 이에 n은 1에서 5이다.
상기 목적함수를 얻기 위해서, 실험적으로는 총 6개의 세트, 구체적으로 대퇴 스템-오프셋(femoral stem-offset)을 42mm 및 45mm으로 설정하고, 넥-샤프트(스템 축을 지칭) 각도가 125, 130, 135°인 경우를 포함한다. 자세한 세트 구성은 아래의 [표 1]을 참고할 수 있다.
Figure 112015093238522-pat00004
상기 세트에서 대퇴 골두의 직경을 33에서 51mm로, 넥의 직경을 12에서 20mm로 하여, 다양한 경우로 설계된 인공기관을 가지고, 다양한 운동범위 파라미터에 대한 운동범위를 계산한다. 이때, 넥에 가해지는 주 응력은 150MPa보다 낮은 것으로 제한한다. 한편, 넥 직경의 최적화는 제안된 제약 조건 내에서 최적 점을 찾을 6 개의 데이터 세트에서 수행한다. 최적화를 위한 계산 툴은 Matlab R2014a(Mathworks, Natick, MA, USA)을 이용한다.
넥과 대퇴 골두에 대한 목적함수 값은 도 5에 도시된다. 도 5를 살펴보면, 가장 큰 대퇴 골두 직경인 51mm에서 가장 작은 함수 값을 보여준다. 도 5에서 NSA가 125°, 스템-오프셋은 42mm이다.
모든 고정된 대퇴 골두의 직경마다 목적함수 값이 가장 작은 넥 직경이 존재한다. 일반적으로, 각 모델에서 대퇴 골두의 직경 증가에 따라서 목적함수 값은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 반대로 생각하면, 넥의 직경이 작을수록 목적함수 값, 즉 넥에 가해지는 응력의 크기가 작은 것으로 이해할 수 있다.
도 6(a)에는 대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비에 따른 최적의 넥 직경 평균 값이 도시된다. 도 6(b)에는 대퇴 골두 직경에 따른 최적의 넥 직경 평균 값이 도시된다. 붉은 색의 일차식에 의한 선에 최적 점(optimum point)의 평균 값이 위치하며, 최적의 넥 직경은 14.4mm에서 17.8mm으로, 대퇴 골두 및 넥의 직경 비에 대한 최적의 넥 직경의 관계 식(1)은, 선형 방정식(linear function)으로 아래와 같다.
최적의 넥 직경(optimum neck diameter)=3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비(head-to-neck diameter ratio)+6.437 - 관계 식(1)
또한, 대퇴 골두의 직경과 최적의 넥 직경에 대한 관계 식(2)은, 아래와 같다.
최적의 넥 직경= 0.149*대퇴 골두의 직경+9.994 - 관계 식(2)
상기 관계 식으로부터, 운동범위는 최대이고, 넥에 가해지는 수직 응력을 최소로 하는 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 결정할 수 있고, 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 최소한 2를 넘어야 하며, 바람직하게는 2.2 내지 3.0인 것으로 확인된다.
도 7에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도(NSA)에서 넥 직경에 대한 최대 주 응력 값이 표시되며, 넥 직경이 커질수록 넥에 가해지는 최대 응력 값이 작아짐을 확인할 수 있고, 이러한 경향은 넥과 스템의 각도가 작을수록 더 큰 것을 확인할 수 있다. 넥 직경의 최대 주 응력에 대한 평균 값은 실선으로 편차는 점선으로 표시된다.
도 8에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도(NSA)에서, 넥의 직경을 다양하게 변경하면서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시된다.
도 9에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도(NSA)에서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시되며, 대퇴 골두의 직경을 넥의 직경으로 나눈 값이 커질수록 최대 수직 응력 값이 작아짐을 알 수 있다. 이는 다르게 해석하면, 대퇴 골두의 사이즈가 결정된 상황에서 넥의 직경이 작아질수록 최대 응력 값이 작아짐을 의미한다.
또한, 도 10에서는 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시되며, 대퇴 골두와 넥의 비가 커질수록 목적함수에서 운동범위 값은 증가함을 확인할 수 있다.
도 10에서는 대퇴 골두와 넥의 비가 같은 경우에도 넥과 스템의 각(NSA)이 작은 경우에 운동범위가 큰 것을 확인할 수 있고, 도 9에서 확인 가능하듯, NSA가 작은 경우에서 넥의 직경이 작아질수록 최대 응력의 크기가 급격하게 줄어든다. 따라서, 전치환 수술을 받는 환자의 경우, 비구에서 회전하는 대퇴 골두의 직경은 결정된 수치에 해당하며, 이에 넥의 직경을 작게 하여 최대 응력을 작게 하되, 운동범위를 고려하여 넥-스템의 각도를 선정할 수 있다.
요약하면, 다양한 운동범위 파라미터를 고려하고, 최대의 운동범위를 갖기 위한 넥 설계는 대퇴 골두에 대한 넥의 직경 사이즈로 결정될 수 있고, 이때, 인공기관의 기계적인 안정성을 최대화할 수 있는 대퇴 골두에 대한 넥의 최적화된 직경 값을 구함으로써, 넥의 파단을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
H：대퇴 골두의 직경 N：넥의 직경
SO：스템 오프셋 NSA：넥-스템 각도

Claims (11)

  1. 비구(acetabulum)에서 회전하는 대퇴 골두(femoral head), 대퇴골(femur)에 이식되는 스템(stem), 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관에서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 설계방법에 있어서,
    상기 비구에서 회전하는 상기 인공기관의 운동범위 파라미터(ROM parameter)를 선정하고, 상기 인공기관의 설계 변수(design variable)를 선정하는 단계;
    선정된 상기 인공기관의 설계 변수를 기반으로 상기 인공기관을 모델링하는 단계; 및
    모델링된 상기 인공기관에서 상기 운동범위 파라미터에 대한 상기 인공기관의 운동범위(ROM; range of motion)를 계산하고, 상기 인공기관의 운동범위 내에서 상기 인공기관에 가해지는 응력을 계산하는 단계;
    상기 인공기관의 설계 변수 중에서 상기 운동범위 및 상기 응력에 영향을 주는 유한요소로서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 선정하는 단계;
    계산된 상기 인공기관의 운동범위 및 상기 응력을 이용하여 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수를 결정하는 단계; 및
    상기 목적함수로부터 상기 운동범위 및 상기 응력 중 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하는 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 목적함수는,
    Figure 112015093238522-pat00005
    이며,
    여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 응력(stress), X'=X/μX, μ=평균값, n=운동범위 파라미터인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서,
    최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은,
    최적의 넥 직경(optimum neck diameter)=3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비(head-to-neck diameter ratio)+6.437,
    인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서,
    최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은,
    최적의 넥 직경= 0.149*대퇴 골두의 직경+9.944,
    인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서,
    최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 상기 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 2.2 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 운동범위 파라미터는 비구에서 회전하는 인공기관의 회전 특징에 의해서 결정되며,
    상기 운동범위 파라미터는 굴곡(flexion), 신전(extension), 내회전(internal rotation), 외회전(external rotation), 내전(adduction), 및 외전(abduction) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인공기관의 설계 변수는,
    대퇴 골두의 직경(head diameter), 넥(neck)의 직경, 스템-오프셋(steam-offset), 넥-스템 각도(neck-stem angle) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
  8. 비구에서 회전하는 대퇴 골두, 대퇴골에 이식되는 스템, 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관에 있어서,
    상기 인공기관의 운동범위 및 상기 인공기관에 가해지는 응력을 이용하여 결정된 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수로부터 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하도록 결정된 상기 넥의 직경을 갖되,
    상기 목적함수는,
    Figure 112015093238522-pat00006
    이며,
    여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 응력, X'=X/μX, μ=평균값, n=운동범위 파라미터인 것을 특징으로 하는 인공기관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하는 최적의 상기 넥의 직경은, 3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비+6.437인 것을 특징으로 하는 인공기관.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하는 최적의 상기 넥의 직경은, 0.149*대퇴 골두의 직경+9.944인 것을 특징으로 하는 인공기관.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하는 상기 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 2.2 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 인공기관.
KR1020150135356A 2015-09-24 2015-09-24 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관 KR101696842B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150135356A KR101696842B1 (ko) 2015-09-24 2015-09-24 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관
PCT/KR2016/002471 WO2017052011A1 (ko) 2015-09-24 2016-03-11 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150135356A KR101696842B1 (ko) 2015-09-24 2015-09-24 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101696842B1 true KR101696842B1 (ko) 2017-01-17

Family

ID=57990598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150135356A KR101696842B1 (ko) 2015-09-24 2015-09-24 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101696842B1 (ko)
WO (1) WO2017052011A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022124851A1 (ko) * 2020-12-11 2022-06-16 가톨릭관동대학교산학협력단 고관절 인공관절 전치환술 시뮬레이션 방법 및 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2834454B2 (ja) * 1987-11-03 1998-12-09 オルソペーディック・テクノロジー・ベスロテン・ベンノットシャップ 骨補綴具の製造方法
US6567681B1 (en) * 1998-04-01 2003-05-20 Medical Robotics I Stockholm Ab Method and arrangement for determining where to position fixation means
US20070043446A1 (en) * 1998-04-14 2007-02-22 Encore Medical Asset Corporation Differential porosity prosthetic hip system
KR100909580B1 (ko) * 2009-01-21 2009-07-29 주식회사 코렌텍 주문형 인공 고관절용 대퇴스템 및 시술기구 제작방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6200350B1 (en) * 1999-10-01 2001-03-13 Medidea, Llc Anti-impingement femoral prostheses

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2834454B2 (ja) * 1987-11-03 1998-12-09 オルソペーディック・テクノロジー・ベスロテン・ベンノットシャップ 骨補綴具の製造方法
US6567681B1 (en) * 1998-04-01 2003-05-20 Medical Robotics I Stockholm Ab Method and arrangement for determining where to position fixation means
US20070043446A1 (en) * 1998-04-14 2007-02-22 Encore Medical Asset Corporation Differential porosity prosthetic hip system
KR100909580B1 (ko) * 2009-01-21 2009-07-29 주식회사 코렌텍 주문형 인공 고관절용 대퇴스템 및 시술기구 제작방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022124851A1 (ko) * 2020-12-11 2022-06-16 가톨릭관동대학교산학협력단 고관절 인공관절 전치환술 시뮬레이션 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017052011A1 (ko) 2017-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10213313B2 (en) Femoral heads, mobile inserts, acetabular components, and modular junctions for orthopedic implants and methods of using femoral heads, mobile insets, acetabular components, and modular junctions for orthopedic implants
JP6356144B2 (ja) 罹患関節における疼痛を軽減するための医療用インプラント
EP3049003B1 (en) Prosthetic augments to improve muscle mechanics
US20220175539A1 (en) Additive manufactured femoral components
EP2712582B1 (en) Orthopaedic hip prosthesis
US20230038220A1 (en) Humeral trays with tuberosity augments sufficiently designed to improve joint mechanics
Rawal et al. Design and manufacturing of femoral stems for the Indian population
Ando et al. Nonlinear three‐dimensional finite element analysis of newly designed cementless total hip stems
US20170086981A1 (en) Femoral hip stem
KR101696842B1 (ko) 고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관
Kokubo et al. Modified metaphyseal‐loading anterolaterally flared anatomic femoral stem: five‐to nine‐year prospective follow‐up evaluation and results of three‐dimensional finite element analysis
Galmiche et al. Hip anatomy and biomechanics relevant to hip replacement
Vaverka et al. Stress and strain analysis of the hip joint using FEM
Stempin et al. Effect of elliptical deformation of the acetabulum on the stress distribution in the components of hip resurfacing surgery
Mohammed et al. Design and Simulation of Hip Prosthesis using Finite Elements Methods to fulfill Essential Range of Motion
WO2011134440A2 (en) Joint implant, especially the knee joint
US20220354652A1 (en) Hip arthroplasty dynamic optimization system
Ebadi et al. Biomechanical Analysis of A Mini Force-Closed Cemented Hip Stem for Juvenile Arthritis Patients
West Functional Design and Analysis of a Linked Shoulder Prosthesis
Pang et al. Finite element analysis of total knee replacement with various misalignment angles in the sagittal plane
Skalski et al. Computer-aided reconstruction of hip joint in revision arthroplasty
Jun Comparison of Biomechanical Stability of Custom-made Hip Implants using Finite Element Analysis
Soltani et al. The Effect of Stem on The Knee Joint Prosthesis Flexion Considering Natural Gait Forces
Sticlaru et al. Aspects of contact region between bone and implant for different endoprosthesis types
Chandan Noel Assessment of proximal femur anthropometry in south indian population through cadaveric bones and radiologically. Correlating difference if any between other ethnic groups, assessment of best fit implant for indian population

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200304

Year of fee payment: 4