KR20080035928A

KR20080035928A - 이식골 고정형 척추디스크용 베어링 스크류

Info

Publication number: KR20080035928A
Application number: KR1020060102606A
Authority: KR
Inventors: 김용
Original assignee: 김용
Priority date: 2006-10-21
Filing date: 2006-10-21
Publication date: 2008-04-24

Abstract

케이지(cage, 즉 implant)와 척추뼈(cancellous bone of vertebral bodies)와의 상대적인 운동과 케이지에 의해 주변의 뼈에 발생되는 과도한 응력은 척추뼈와 케이지 와의 융합을 저해한다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 획기적으로 개선되도록 베어링과 하우징 개념을 도입하여 상대운동을 개선하였고 뼈의 응력 집중을 해소하기 위하여 응력이 분산되는 둥근 원형을 유지하였으며, 이러한 둥근 원형에 나사산을 도입하여 삽입을 쉽게 하고 뼈에 삽입된 후에는 빠져나오지 않도록 하였다. 이러한 신개념의 임플랜트, 척추디스크용 베어링 스크류 는 기존의 원통형 케이지처럼 척추에 구멍을 뚫고 나사못처럼 돌려서 삽입하는 구조로 시술이 매우 간단하며 시술 후 반 영구적으로 사용이 가능하다.

척추임플랜트(spinal implant), 케이지(cage), 뼈응력(bone stress), 요통(back pain), 뼈와 케이지의 상대운동(relative motion)

Description

척추디스크용 베어링 스크류 {Intervertebral Bearing Screw}

제1도는 본 발명, 척추디스크용 베어링 스크류가 시술된 척추뼈의 사시도.

제2도는 본 발명의 조립도.

제3도는 본 발명의 분해도.

제4도는 본 발명의 상세도.

제5도는 본 발명의 또 다른 예.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101: 상측(upper endplate) 102: 하측(lower endplate)

103: 베어링(bearing) 104: 하우징(housing)

105: 나사산(screws) 106: 뼈융합 면 (interbody fusion surface)

107: 홀더고정용 나사구멍 108: 홀더고정가이드

201: 상측 척추뼈(upper vertebral body) 202: 하측 척추뼈(lower vertebral body)

203: 손상된 디스크(degenerated disc)

301: 상측 하우징(upper endplate housing) 302: 하측 하우징(lower endplate housing)

303: 베어링(bearing)

[1] Choi JY and Sung KH. Subsidence after anterior lumbar interbody fusion using paired stand-alone rectangular cages. Eur Spine J, 2006;15:16-22.

[2] Fuji T, Oda T, Kato Y, et al. Posterior lumbar interbody fusion using tita-nium cylindrical threaded cages: is optimal interbody fusion possible with-out other instrumentation. J Orthop Sci, 2003;8:142-147

[3] Kim Y and Vanderby R, Finite Element Analysis of Interbody Cages, Computer Methods in the Biomechanical and Biomedical Engineering, 2000;3:257-272.

[4] Kim Y. Prediction of Mechanical Behaviors at Interfaces between Bone and Two Interbody Cages of Lumbar Spine Segments. Spine, 2001;26(13):1437-1442.

[5] Ray CD. Threaded titanium cages for lumbar interbody fusions. Spine, 1997;22:667-679.

[6] Kim Y and Kim TW, Finite Element Analysis of Lumbar Interbody Fusion; Threaded Cylindrical Cage vs. Threaded Rectangular Cage. Journal of Bone and Joint Surgery, in submission.

지금까지 수 십년 동안 허리 디스크 환자들에게 척추(vertebral body)를 서로 연결하여 뼈를 융합하는 시술이 적용되고 있다. 이러한 시술 방법은 여러 가지의 동물실험, 임상실험을 거쳐서 다양하게 실시하여 왔다. 1990년대에는 케이지 형태의 임플래트(implant)가 주로 사용되었으나 구조적인 안정성(segmental stability)이 미흡하여 지난 수년 동안에는 안정성을 더욱 높이기 위하여 추가적인 시술(posterior pedicles screws or translaminar screw supplementation)이 요구되고 있다. 이러한 추가적인 시술로 척추뼈의 디스크 본래의 유연함이 거의 없어지고 매우 뻣뻣하게(stiff)되었다. 따라서 시술된 척추와 인접한 척추의 디스크에서는 과도한 변형이 요구되고 궁극적으로는 인접한 디스크의 손상을 야기하곤 한다. 이러한 추가적인 시술이 없이 케이지만을 사용하는 경우, 케이지와 뼈와의 상대적인 운동과 케이지에 의해 주변의 뼈에 발생되는 과도한 응력은 뼈와 케이지와의 융합을 저해한다. 케이지의 형상에 있어서, 원통형은 과도한 응력의 발생은 직사각형 케이지에 비하여 비교적 작은 편이지만 구조적으로 발생되는 과도한 상대운동(뼈와 케이지사이)으로 뼈의 성장을 어렵게 하고, 직사각형 형상은 상대운동은 매우 작지만 케이지와 뼈 사이에서 과도한 응력 집중으로 뼈의 손상이 발생하는 것 으로 조사되었다.[3,4,6]

요통으로 수 개월 동안 거동하기가 어려울 정도인 경우에는 선택의 여지가 없이 의학적인 수술을 택하게 된다. 의학적인 수술을 하게 되면 케이지타입의 임플랜트를 척추 뼈 사이에 의료용 드릴을 사용하여 구멍을 뚫고 삽입한다. 이때 케이지내부에는 사람의 뼈조각(bone graft)를 꽉 채워서 삽입 후에 상측 척추뼈(201)와 하측 척추뼈(202)에 융합이 이루어지도록 한다 (그림1). 임플랜트의 삽입으로 척추 뼈와 척추 뼈 사이의 디스크 눌림이 없이 원래의 디스크높이를 유지하게 된다. 그러나 여러 가지 원인으로 임플랜트 주변의 뼈가 손상되어 뼈의 구조가 붕괴하는 현상이 발생하곤 한다. 즉 임플랜트 삽입 후 초기의 디스크 높이가 감소하여 다시금 신경이 눌리는 증상이 재발 되곤 한다. 케이지는 원통형과 직사각형 이 주로 사용되고 있으나 최근에는 다양한 형태의 케이지가 고안되고 있다. 초기에 (1990년대) 하나의 원통형 타입 (one cylindrical cage)으로 동물실험 및 임상실험을 실시하였으나 결과가 바람직하지 않아서 2개의 원통형 케이지나 2개의 직사각형(rectangular) 케이지가 사용되고 있다. 하지만 임상적으로 종종 케이지 주변의 뼈의 사라짐으로 인하여 척추가 약간씩 내려앉은 현상(disc subsidence)이 보고되고 있다. 최근에 Euro Spine 저널에서 최재영 및 성경훈(2006)은 90명의 환자 중에서 69명(76.7%)에서 2.0mm 이상의 디스크 높이 감소(disc subsidence)이 발생되는 것으로 조사되었다[1]. Ray (1997)에 의하면 236명의 환자 모두에서 약 1.0mm정도의 디스크 높이 감소(disc subsidence)가 발생하는 것으로 조사되었다[5]. 또한 Fuji et al (2003)은 28%의 뼈의 융합만을 보고하였다[2].

이러한 뼈의 손상에 의한 디스크 높이 감소로 인하여 궁극적으로는 뼈의 융합이 지연되거나 불가능하게 되어 추가적인 수술을 하는 경우가 발생하게 된다. 이러한 현상은 의학적으로 여러 가지 요인이 있어서 여러 가지 접근 방법이 있지만 가장 중요한 것은 의공학적인 접근방법이다. 최근까지의 의공학적인 연구에 의하면, 뼈의 손상 및 뼈의 손실은 뼈 주변의 응력이 과도하거나 거의 응력이 없는 경우에 발생하며, 설령 뼈의 주변의 응력이 적절하더라도 뼈와 임플랜트 사이에서 상대적인 미끄럼(slip)이나 갭(gap)이 자주 발생하면 뼈의 성장이 지연되거나 뼈가 손실되는 것으로 알려져 왔다. 임플랜트 와 척추뼈 사이에 발생하는 이러한 인자들에 대한 조사가 최근에 3차원적인 해석방법으로 이루어졌다. 기계공학적인 해석 방법인 유한요소법 (finite element method)을 이용하여 임플랜트 주변의 척추뼈에 발생되는 응력과 상대운동을 조사한 결과 현재 주로 사용되고 있는 케이지에서 상당한 개선점을 발견하였다 [3,4,6].

본 발명의 목적은 손상된 디스크를 대신하여,

임플랜트에 의한 척추뼈(cancellous bone of vertebral bodies)에 걸리는 응력의 집중을 해소하고 뼈의 성장을 방해하는 임플랜트와의 상대적인 운동을 최소화 하여 척추뼈와 임플랜트와의 완벽한 융합을 달성함으로서, 손상되지 않은 정상적인 척추와 유사한 거동을 할 수 있도록 하고자 하는 것이다.

본 발명, 척추디스크용 베어링 스크류는 상측(101)과 하측(102), 2개의 부품으로 구성된다. 그림1은 본 발명의 시술 후 척추에 삽입된 형상을 보여주고 있다. 본 발명의 임플랜트는 척추의 전방향(anterior)이나 후방향(posterior)에서 삽입되며, 삽입하는 방법은 기존에 원통형케이지를 삽입하는 방법과 동일하다. 그림1은 전방향에서 삽입한 것이다. 상측 척추뼈(201)과 하측 척추뼈(202) 사이의 이미 손상된 디스크(203)에 의료용 드릴(drill)과 리머(reamer)를 사용하여 구멍을 2개를 만들고 본 발명의 임플랜트 (101, 102)를 스크류 조이듯이 삽입한다. 수술시 1개만 삽입하는 경우에는 척추구조가 불안정해질 수 있기 때문에 보통 그림1에서 보여 주듯이 나란하게 2개를 삽입한다[3].

그림 2와 3은 본 발명의 조립도 및 분해도를 각각 나타낸 것으로 상측(101)의 윗면(106)은 상측 척추뼈(201)에 안착이 되고 하측(102)의 아랫면(106)은 하측뼈(202)에 안착이 된다. 일상생활에서 발생되는 상하 척추뼈(201, 202)의 상대운동은 임플랜트에 있는 매끄러운 베어링(103)과 하우징(104)에 의한 상대운동으로 대응이 되므로 뼈(201)와 상측(101)의 접촉면(106)에서 발생되는 상대운동은 극히 미미하다. 마찬가지로 뼈(202)와 하측(102)의 접촉면(106)에서의 상대운동 또한 거의 없다. 따라서 뼈와 임플랜트간의 상대운동이 거의 발생되지 않는다. 결국 뼈의 임플랜트의 다공질 표면(106) 속으로 성장을 기대 할 수 있으며 궁극적으로는 성장된 뼈와 임플랜트와의 융합을 예상할 수 있다.

또한 임플랜트자체가 원기둥 형태이므로 원주면에서 급격한 구조적인 변화가 없기 때문에 뼈에 상대적으로 발생되는 응력집중은 직사각형 형태보다는 상당하 게 낮다. 따라서 임플랜트주변에서 발생되는 응력 집중을 상당히 완화할 수가 있다. 나사산(105) 끝에서 뼈와의 응력 집중이 있으나 그 수준은 원통형 양단에서 생기는 응력 집중보다 상당히 낮은 것으로 예측되었다 [4].

임플랜트표면에는 나사산(105)이 있어서 시술 후에 임플랜트가 임의로 빠져 나오지 않도록 하였으며, 또한 삽입시에 나사를 조이듯이 쉽게 뼈에 파고들어가서 삽입되도록 하는 역할을 하다. 따라서 시술이 기존의 원통형 케이지의 삽입처럼 매우 간편하다.

임플랜트홀더에 고정이 되도록 고정홀더용 나사구멍(107)이 있으며 홀더 고정가이드(108)에 홀더가 지지되도록 하였다. 홀더에 고정된 임플랜트를 인체의 손상된 척추에삽입하는 것이다.

그림4는 본 발명의 상세도를 보여주는 것으로 상측(101)의 베어링부가(103) 하측(102)의 하우징 부(104)에 안착이 되도록 한다. 베어링(103)의 표면과 하우징(104)의 접촉면은 매끄럽게 하여 마찰에 의한 마모를 최소화한다. 상측(101) 및 하측(102)의 뼈(201, 202)와의 접촉면(106)은 다공질형태의 표면으로 만들어서 뼈가 성장하여 다공질 속으로 들어가서 임플랜트와 융합이 되도록 한다.

그림5는 본 발명의 또 다른 예로서, 상측(301)및 하측(302)에 베어링 하우징(104) 을 그리고 중간부에 베어링(303)을 두는 구조가 되도록 한 것이다. 즉 3개의 부품으로 구성된다.

임플랜트 주변의 척추뼈에 발생되는 응력과 상대운동을 거의 완벽하게 감소시킨 새로운 개념의 척추용 임플랜트, 즉 척추디스크용 베어링 스크류를 발명하였다. 따라서 본 발명은 만성적이거나 긴급한 요통 환자들에게 매우 획기적인 희소식이 될 것으로 기대된다.

서열목록제출서에 첨부하여 제출

Claims

척추 디스크 환자에 시술되는 임플랜트에 있어서,

상측(101) 및 하측(102)으로 구성되며,

상기 상측(101) 및 하측(102) 은 각각 반원기둥(half cylinder) 형태로서,

상기 상측(101) 및 하측(102)의 척추뼈(201, 202)와의 접촉되는 원주면(106)은 자체적으로 자라는 뼈의 성장을 통한 융합이 이루어지도록 다공성이 있는 거친 면을 유지하고,

상기 상측(101)의 베어링(103)은 상기 하측(102)의 하우징(104)에 조립되어 매끄러운 상대운동이 발생하도록 하고,

상기 상측(101)및 하측(102)의 각각 반원기둥의 원주면에는 나사산(105)이 있어서 시술할 때에 쉽게 나사처럼 돌려서 삽입되는 것을 특징으로 하는 척추디스크용 베어링 스크류.