KR20230007844A - 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법 - Google Patents

나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트에 삽입되는 나사 각도 변화에 따른 유한요소 해석법을 통한 최적의 나사 각도 조건을 도출하여 고정력을 향상시킴과 더불어 플레이트 고정을 위한 절개 부위를 최적화하고 시술 후 뼈와 나사 결합부 파손과 같은 부작용을 줄일 수 있는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법 {Medical bone plate with improved fracture joint strength by adjusting screw insertion angle and manufacturing method thereof}
본 발명은 골절 부위 고정을 위한 의료용 뼈 플레이트에 관한 것으로, 자세하게는 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트에 삽입되는 나사 각도 변화에 따른 유한요소 해석법을 통한 최적의 나사 각도 조건을 도출하여 고정력을 향상시킴과 더불어 플레이트 고정을 위한 절개 부위를 최적화하고 시술 후 뼈와 나사 결합부 파손과 같은 부작용을 줄일 수 있는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
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.
이러한 골절 치료를 위해 많이 사용되는 의료용 뼈 플레이트(plate)는 일반적으로 티타늄 또는 스테인리스 강 계열 등 강성이 있으면서 인체에 무해한 소재로 만들어지며, 이를 골절부위 뼈의 표면에 고정하게 된다.
전통적인 압박금속 플레이트의 단점을 보완하기 위해 근래 개발된 잠김압박금속 플레이트는 골절 치료에 있어 획기적인 발전을 가져왔으며 표준적 치료방법으로 자리매김하고 있다.
즉 압박금속 플레이트는 역학적 관점에서 안정적인 내고정을 얻을 수 있으나 수술 중 해부학적 정복이 필요하며 이 과정에서 골막 및 연부조직 손상이 불가피하게 발생할 수 있고 이로 인한 혈액공급에 장애가 발생하면 골절 치유에 지연이 발생할 수 있다. 또한, 해부학적 정복 및 고정을 위하여 금속판의 형태를 골의 모양에 맞추어 변형시켜야 하는 불편함이 있다.
반면, 잠김 압박금속 플레이트는 골막 혈류의 유지에 장점이 있어 생물학적으로 골절 치유에 도움이 되며 골 모양에 따라 그 모양을 변형시키지 않고도 내고정 부목(internal splint)의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 제조사마다 디자인이 조금씩 다르지만 원칙적으로 잠김금속판은 골절 간격의 압박 기능 및 잠김 기능이 모두 가능하도록 설계되어 있어 절대 고정력을 얻기 위한 골절 내고정술에서 전통적 압박금속 플레이트를 대체하고 있다.
이때 플레이트에 대하여 삽입되는 나사 각도가 직각으로 고정이 되어 사용되는 것이 일반적으로 나사를 삽입하기 위한 절개 부위의 크기가 플레이트 규격만큼 필요하므로, 골절부위 대비 과다한 절개로 이어질 수밖에 없다.
또한, 현재 사용되고 있는 장관골용 잠김 금속 플레이트의 디자인에서 잠김 나사는 잠김 홀에 모두 동일한 각도로 평행하게 삽입되도록 디자인되어 있는데 이는 나사의 pull out에 대한 잠재적 위험성이 있으며, 회전력에 대한 안정성을 확보하는 데는 제한이 있다.
특히 골다공증이 있는 노인의 장관골 및 골간단부에서 이러한 현상이 발생할 가능성이 높다. 최근에는 variable angle의 잠김 금속판도 이용되나 원위 요골 등 일부 관절부위의 홀에만 제한적으로 적용되고 있다.
현재 많은 연구에서 잠김압박금속 플레이트가 전통적 압박금속 플레이트와 비교하여 골절 고정력 및 골유합에 있어 우수한 결과를 보고하고 있으나, 플레이트에 고정되는 나사의 삽입 각에 따라 달라질 수 있는 골절부위의 안정성에 대한 연구는 이루어지지 않은 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0102887호(2013.09.23)
본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 골절된 뼈의 고정력을 향상시킴과 더불어 플레이트 시술을 위한 절개 부위를 최적화하면서 시술 후 뼈와 나사 결합부 파손과 같은 부작용을 줄일 수 있는 방안으로 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트에 삽입되는 나사 각도 변화에 따른 유한요소 해석법을 통한 최적의 나사 각도 조건이 적용된 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트의 제조방법은, 뼈의 이름과 형태 및 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 뼈 및 플레이트의 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 골절위치 및 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하는 기초설정단계; 상기 플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지함에 있어 나사삽입 각도를 설정하는 나사설정 단계; 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 인장, 회전력, 굽힘력, 압력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 제1특성정보 및 제2특성정보와 설정된 나사 삽입 각도에 따라 상기 플레이트에 인가되는 응력을 계산하는 유한요소해석 단계; 인가된 외력에 따른 나사 각도별 플레이트 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 나사 삽입각도를 도출하여 설계안을 제공하는 제품 도출단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 유한요소해석 단계는, 상기 플레이트와 뼈 사이 및 뼈와 나사 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하여 진행될 수 있다.
또한. 상기 제2특성정보에서 플레이트는, 나사 각도가 수직으로 삽입되는 A 타입, 양끝 나사가 플레이트 길이 방향 끝쪽으로 기울여 삽입되는 B 타입, 플레이트 중심을 대칭으로 모든 나사가 플레이트 길이 방향 외측으로 기울여 삽입되는 C 타입, 양끝 나사가 플레이트 길이 방향 측면으로 기울여 삽입되는 D 타입, 플레이트 중심을 대칭으로 모든 나사가 플레이트 길이 방향 측면으로 기울여 삽입되는 E 타입을 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터베이스 구축 단계는 뼈에 대응하여 근육 및 피부층 정보를 포함하고, 상기 제품 도출단계에서 도출된 나사 삽입각도 및 근육 및 피부층 정보에 따른 수술시 필요 절개 범위를 시뮬레이션하여 제공하는 시뮬레이션 단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 위한 본 발명 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트는 상술한 방법을 적용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통해 골절 부위 접합을 위한 뼈 플레이트를 사용하는 시술에서 삽입되는 나사 각도를 최적화하며 뼈 고정력을 향상시킴과 더불어 플레이트 고정을 위한 절개 부위를 최적화할 수 있으며, 시술 후 뼈와 나사 결합부 파손과 같은 부작용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뼈 플레이트의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뼈 플레이트의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 뼈 플레이트의 제조방법을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 뼈 플레이트의 제조 시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 3차원 뼈 모델링 모습을 나타낸 개념도,
도 6은 본 발명의 유한요소해설을 위한 나사삽입 각도를 나타낸 개념도,
도 7은 본 발명에 따른 상완골에 힘을 인가하는 모습을 나타낸 개념도,
도 8은 하중에 따른 나사 각도별 플레이트의 응력을 나타낸 그래프,
도 9는 삽입 나사 각도에 따른 절개범위의 변화를 비교하여 나타낸 개념도 이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뼈 플레이트의 사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 뼈 플레이트의 단면도이다.
본 발명에서 언급한 뼈 플레이트(101)는 골절이 이루어진 뼈를 고정하기 위한 것으로, 소정의 길이를 갖도록 구성되며 골절 발생부를 중심으로 배치 후 이를 나사를 이용하여 뼈에 고정하기 위해 다수의 삽입공(102)이 형성된다.
상기 나사(103)는 상기 삽입공(102)을 관통하여 뼈에 박아 뼈 플레이트(101)를 지지하는 피스의 역할로 외 측면에는 수나사부가 형성되고 상단에는 상기 삽입공(102)보다 큰 나사머리가 형성된다.
상기 삽입공(102)에는 상기 수나사부에 대응하는 암나사부가 형성되어 나사의 견고한 고정이 이루어지게 되며, 본 발명의 실시예에서 상기 뼈 플레이트는 일자형 구조의 제품을 통해 설명하고 있으나, 골절부의 위치 및 형태에 따라 그 길이 및 폭과 더불어 구비되는 삽입공의 위치 및 수가 달라질 수 있다.
본 발명에서는 상기 삽입공(102)이 뼈 플레이트(101)의 중심으로부터 대칭을 이루며 경사가 형성되는 것이 특징으로 골절이 발생한 뼈의 3D 모델링 및 유한요소해석을 통해 최적의 나사(103) 삽입각도를 도출 후 적용하여 제작된다.
도 3은 본 발명에 따른 뼈 플레이트의 제조방법을 나타낸 순서도, 도 4는 본 발명에 따른 뼈 플레이트의 제조 시스템의 구성을 나타낸 블록도로서, 본 발명에서 다루는 본 발명에 따른 뼈 플레이트의 제조방법은 유한요소해석이 가능한 프로그램 기반의 뼈 플레이트의 제조 시스템을 통해 이루어짐을 전제로 한다.
첫 번째 단계는 데이터베이스를 구축하는 단계(S 110)로서, 뼈의 이름과 형태 및 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 뼈 및 플레이트의 2차원 및 3차원 이미지와 골절표현을 위한 이미지 소스를 포함하는 그래픽정보를 미리 준비하여 데이터베이스(110)를 구축하게 된다.
상기 데이터베이스(110)는 골절 뼈를 비롯하여 이를 플레이트를 사용하여 접합함에 있어 유한요소해석을 위한 다양한 정보가 저장되어 구축되며 지속적인 정보의 갱신을 통해 더욱 정확한 유한요소해석 데이터를 제공한다,
본 발명에서 상기 데이터베이스(110)에는 기본적으로 골절 대상인 뼈에 대한 제1특성정보 및 플레이트 및 나사에 대한 제2특성정보와, 이미지소스를 분류하여 저장하게 되며, 골절이 발생하더라도 뼈 플레이트 고정이 불가능한 뼈와 관련된 정보는 배제할 수 있다.
구체적으로 상기 제1특성정보는 뼈에 대한 기본 정보로서, 인체의 뼈 중 본 발명을 통해 플레이트를 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.
기본적으로 골절시 플레이트 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.
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.
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.
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.
다음 단계는 모델링 단계(S 120)로서, 뼈의 촬영 이미지 및 대응하는 그래픽정보를 통해 3차원 뼈 모델을 생성한다. 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.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 뼈 모델링 모습을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 실시예는 유한요소분석(Finite Element Analysis, FEA)을 위해 63세 남성의 상완골 Computed Toography(Aquilion prime, Canon Medical Systems, Japan) 촬영 이미지를 통해 3D 뼈 모델을 구성하였다. 또한, 상기 모델링부(120)는 스캔한 이미지 정보를 MIMICS(Materialise Interactive Medical Image Control System) S/W를 통해 3차원 모델로 변환 후 시뮬레이션에 사용하여 간부를 3D 모형을 구성하도록 하였다. 또한, 치밀골의 경우 골다공증 현상이 없는 정상골을 기준으로 구성하였다.
세 번째는 기초설정단계(S 130)로서 상기 모델링 단계(S 120)에서 얻어진 3차원 뼈 모델에 골절위치 및 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하게 되며, 이를 그래픽 인터페이스를 통해 확인하며 작업할 수 있도록 구성된 기초설정부(130)를 통해 수행된다.
즉 상기 데이터베이스(110)에 저장된 제2특성정보를 기반으로 뼈의 종류 및 골절위치에 적합한 뼈 플레이트를 선택하여 배치하는 것으로, 본 발명의 실시예에서 플레이트의 고정 위치는 표준 수술 지침서에 따라 상완골 간부 모델에 배치하였으며, 이러한 방식으로 적합한 위치를 우선 추천하여 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 상완골의 중앙부 4mm의 직사각형 형태의 절골을 진행하여 내측이 불안정한 상완골 간부 골절 모델을 적용하였다.
다음은 나사설정 단계(S 140)로서 상기 기초설정단계(S 130)에서 골절부에 배치된 플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지함에 있어 나사삽입 각도를 설정하는 구성으로, 마찬가지로 이를 그래픽 인터페이스를 통해 확인하며 설정할 수 있도록 구성된 나사설정부(140)를 통해 수행된다.
도 6은 본 발명의 유한요소해설을 위한 나사삽입 각도를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 실시예에서는 상기 제2특성정보에서 플레이트를 다음과 같은 5가지 종류를 포함하도록 하여 테스트를 진행하였으며, 첨부된 도 5에서 상측은 평면 하측은 측면에서 본 플레이트 및 나사의 모습을 각각 도시하고 있다.
도 6(a)는 나사 각도가 수직으로 삽입되는 A 타입, (b)는 양끝 나사가 플레이트 길이 방향 끝쪽으로 기울여 삽입되는 B 타입, (c)는 플레이트 중심을 대칭으로 모든 나사가 플레이트 길이 방향 외측으로 기울여 삽입되는 C 타입, (d)는 양끝 나사가 플레이트 길이 방향 측면으로 기울여 삽입되는 D 타입, (e)는 플레이트 중심을 대칭으로 모든 나사가 플레이트 길이 방향 측면으로 기울여 삽입되는 E 타입을 나타내고 있다.
이와 같이 5형태로 분류된 각 모델의 삽입되는 나사 각도는 나사 구멍을 제외한 플레이트의 모양이 변형되지 않는 선에서 5°, 7.5°, 10°3가지로 적용하였으며 총 13개의 조건으로 구성된 일자형 플레이트를 를 적용하되 첨부된 도면에서 나사의 나사산은 모델을 단순화하기 위해 생략되었음을 밝힌다. 즉, A 타입 1개, B ~ E 타입은 각각 5°, 7.5°, 10°3가지가 적용되어 총 13개의 모델을 통해 실험을 진행하였다.
다음 유한요소해석 단계(S 150)는 플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 인장, 회전력, 굽힘력, 압력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 유한요소해석부(150)를 통해 데이터베이스(110)에 저장된 상기 제1특성정보 및 제2특성정보와 설정된 나사 삽입 각도에 따라 상기 플레이트에 인가되는 응력을 계산하는 단계이다.
이때 상기 플레이트와 뼈 사이 및 뼈와 나사 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하여 진행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는 ANSYS Workbench 19.2(FEA, ANSYS Inc., U.S.)가 적용된 유한요소해석부(150)를 통해 진행되었으며, 골절된 상완골 모델과 13개의 Plate 모델을 가지고 나사 각도를 제외한 모든 상황이 동일한 조건으로 준비하였다. 모델의 탄성 계수 및 등방성 조건은 모든 모델과 플레이트에 할당되었다.
유한요소해석에 사용된 뼈 모델 및 플레이트 모델의 물성은 다음 [표 1]과 같다.
Location Bone type Poisson's ratio Elastic modulus(MPa) Density (g/cm3)
Humerus Cortical bone 0.3 13,800 0.83
Locking Plate X 0.36 96,000 4.62
하중, 인장(Force), 회전력(Rotation), 굽힘힘(Bending)을 축에 따른 압력을 줌으로써 고정력에 대한 실험을 진행하였으며, 마찰 계수의 경우 플레이트와 뼈 사이는 0.08, 뼈와 나사는 0.02로 설정하고, 플레이트와 나사는 완전 결합으로 정의하였다.
도 7은 본 발명에 따른 상완골에 힘을 인가하는 모습을 나타낸 개념도로서, 실험을 위한 압력 조건의 경우 100N의 힘을 기준으로 진행하였으며, 4mm 절골시킨 상완골 간부 아래쪽은 고정, 위에는 압축, 인장, 굽힘 3가지 압력을 발생시켰다. 굽힘의 경우 플레이트를 기준으로 0°, 30°, 60°, 90° 4가지 조건으로 실험을 진행하였으며, 모든 실험은 동일 조건으로 5번씩 반복 실험을 진행하였다.
실험결과는 다음과 같다.
[표 2]는 그룹 A의 나사 및 플레이트에 대한 최대 강도(모든 평행 나사)를 나타낸다.
Maximal strength
Screw plate
Compression 339.39 726.13
Bending 0 988.48 2974.8
30 981.33 2935.5
60 760.77 2097.9
90 494.57 874.13
Rotation 346.63 62.587
distraction 371.83 725.18
[표 3]은 그룹 B의 나사 및 플레이트에 대한 최대 강도(각 선단의 관상 분기 나사)를 나타낸다.
Maximal strength
Divergent angle 5 7.5 10
Screw plate Screw plate Screw plate
Compression 327.27 966.41 335.81
968.2
374.6
724.9
Bending 0 858.77
3904.6
1005.3
3938.9
907.33
3073.7
30 856.15
3736.7
979.01
3751.5
905.45
3009.9
60 677.54 2700.4
854.41
2714.9
665.88
2152.1
90 466.61
1393
535.42
1396.8
521.07
902.83
Rotation 324.17
121.73
333.37
123.75
394.32
92.594
distraction 320.76
960.16
335.04
964.1
351.12
736.77
[표 4]는 그룹 C의 나사 및 플레이트에 대한 최대 강도(원위 끝쪽으로 모든 관상 분기 나사)를 나타낸다.
Maximal strength
Divergent angle 5 7.5 10
Screw plate Screw plate Screw plate
Compression 438.17 721.97
335.49
689.42
353.06
810.48
Bending 0 1071
3071
1064.8
2883
952.22
3408.5
30 948.05
2986.3
1101.3
2802.1
995.86
3272.2
60 666.89 2134.2
797.64
2007.2
748.9
2310.5
90 490.74
789.7
532.83
778.23
544.78
819.26
Rotation 416.94
92.256
334.08
101.39
348.65
91.216
distraction 441.39
752.68
333.04
723.02
344.78
856.87
[표 5]는 그룹 D의 나사 및 플레이트의 최대 강도(각 말단에 축 방향 분기 나사 2개)를 나타낸다.
Maximal strength
Divergent angle 5 7.5 10
Screw plate Screw plate Screw plate
Compression 452.35
617.17
398.58 635.31 393.39 684.04
Bending 0 1122.2 2590.5 928.79 2884.9 907.7 2803.5
30 1026.7 2501.6 901.49 2797.8 924.34 2656.3
60 705.59 1883.8 687.6 2030 660.27 1929
90 495.83 836.19 514.61 796.12 495.48 801.04
Rotation 424.64 48.856 393 86.906 392.26 104.08
distraction 400.54 624.97 390.13 656.26 391.87 677.9
[표 6]은 그룹 E의 나사 및 플레이트에 대한 최대 강도(모든 대체 분기 나사)를 나타낸다.
Maximal strength
Divergent angle 5 7.5 10
Screw plate Screw plate Screw plate
Compression 423.16 748.73 444.7 733.59 378.14 764.97
Bending 0 1065.9 3063.8 943.52 3112.6 1033.8 3097.8
30 1206.8 2429.7 1315 2626.9 931 2604.9
60 1037.4 1712 1193.4 1831.9 784.47 1787.3
90 621.27 824.52 793.58 842.06 501.24 960.17
Rotation 420.84 97.909 678.59 209.5 371.5 131.76
distraction 418.95 739.97 444.45 731.3 365.02 751.85
압박력에 있어서는 B 타입, 7.5도 군에서 금속판의 최대 응력이 가장 높게 측정된 반면 D 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다. 나사의 최대 응력은 D 타입 5도 군에서 가장 높았고 B 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다.
굽힘에 있어서도 굽힘 각도 0도, 30도, 90도 설정에서 B 타입, 7.5도 군의 금속판의 최대 응력이 가장 높게 측정되었다. 60도 굽힘 설정에서는 E 타입 7.5도 군에서 가장 높게 측정되었다. 반면 굽힘 각도변화에 따라 각각 다른 군에서 최대 응력이 낮게 측정되었다. 나사의 최대 응력은 E 타입 7.5도 군에서 가장 높았고 B 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다.
비틈에 있어서는 E 타입, 7.5도 군에서 금속판의 최대 응력이 가장 높게 측정된 반면 D 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다. 나사의 최대 응력도 E 타입 7.5도 군에서 가장 높았으나 B 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다.
신연력에 있어서는 B 타입, 7.5도 군에서 금속판의 최대 응력이 가장 높게 측정된 반면 D 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다. 나사의 최대 응력은 E 타입 7.5도 군에서 가장 높았고 B 타입 5도 군에서 가장 낮게 측정되었다.
나사의 삽입 각도 및 압력의 방향에 따라서 다양한 최대 응력이 측정되었다.
양끝 나사를 7.5도 외측 방향으로 삽입한 경우 (B 타입) 모든 압력 방향에서 금속판에 최대의 스트레스가 측정되었으며 그 뒤로는 5도 외측 방향 삽입군이 뒤를 이었다. 나사에 작용하는 최대 응력을 측정한 결과 양끝 한 개씩만 좌, 우로(축방향) 비틀어 삽입한 군(D 타입)에서 가장 많은 최대 응력을 나타내었다.
동일한 힘을 적용한 모델들에서 금속판에 가장 큰 응력이 작용한다는 것은 바꿔 말하자면 나사에 작용하는 응력은 상대적으로 적다는 의미이며, 이는 나사의 pull out과 같은 고정 실패를 피할 수 있고 나사의 안정성에 더 유리한 내고정 법이라고 볼 수 있다. 반대로 나사에 과도한 응력이 집중된다면 이는 고정부위에 응력이 작용하는 것으로, 잠재적으로 내고정의 실패를 가져올 가능성이 큰 것을 의미한다. 이러한 결과는 위와 같은 조합을 통해 가장 안정적인 골절 고정을 얻을 수 있다는 사실을 보여준다.
다음 제품 도출단계(S 160)는 상기 유한요소해석 단계(S 150)를 통해 인가된 외력에 따른 나사 각도별 플레이트 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 나사 삽입각도를 도출하여 설계안을 제공하는 단계로서, 그래프와 함께 도출된 나사 삽입각도가 적용된 플레이트의 설계안을 출력할 수 있는 제품도출부(160)를 통해 수행된다.
도 8은 하중에 따른 나사 각도별 플레이트의 응력을 나타낸 그래프로서, 본 발명의 실시예에서 플레이트의 응력을 통해 이루어진 고정력에 대한 평가에서 결과적으로 플레이트의 가해지는 응력은 플레이트 나사의 양끝 각도가 5°~ 7.5° 벌려졌을 경우(B 타입) 기존 플레이트보다 높은 결과를 나타낸바 있다.
이때 상기 데이터베이스(110)는 뼈에 대응하여 근육 및 피부층 정보를 포함하고, 상기 제품 도출단계에서 도출된 나사 삽입각도 및 근육 및 피부층 정보에 따른 수술시 필요 절개 범위를 시뮬레이션하여 제공하는 시뮬레이션 단계(S 170)를 더 포함할 수 있다. 이는 데이터베이스의 근육 및 피부층 정보를 기반으로 적용되는 플레이트 및 나사각도에 따라 필요한 절개범위를 계산하도록 만들어진 알고리즘이 적용된 시뮬레이션부(170)를 통해 수행된다.
도 9는 삽입 나사 각도에 따른 절개범위의 변화를 비교하여 나타낸 개념도로서, 플레이트에 대하여 나사가 수직으로 삽입시 필요한 절개범위(A) 대비 나사의 양끝 각도를 외측으로 벌리는 형태의 플레이트가 적용됨으로 절개 부위(B)를 최소화할 수 있음을 나타내고 있으며 앞서 살펴본 바와 같이 고정력 또한 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
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.
101: 플레이트 102: 삽입공
103: 나사 110: 데이터베이스
120: 모델링부 130: 기초설정부
140: 나사설정부 150: 유한요소해석부
160: 제품도출부 170: 시뮬레이션부

Claims (5)

  1. 의료용 뼈 플레이트의 제조방법에 있어서,
    뼈의 이름과 형태 및 구조적 강도를 포함한 제1특성정보와, 플레이트 및 나사의 형태 및 구조적 강도를 포함한 제2특성정보와, 뼈 및 플레이트의 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 골절위치 및 플레이트의 고정위치 및 나사의 배치를 설정하는 기초설정단계(S 130);
    상기 플레이트에 나사를 삽입하며 상기 3차원 뼈 모델을 지지함에 있어 나사삽입 각도를 설정하는 나사설정 단계(S 140);
    플레이트로 고정된 3차원 뼈 모델에 설정된 축에 따른 하중, 인장, 회전력, 굽힘력, 압력을 포함하는 외력을 각각 인가하되, 상기 제1특성정보 및 제2특성정보와 설정된 나사 삽입 각도에 따라 상기 플레이트에 인가되는 응력을 계산하는 유한요소해석 단계(S 150);
    인가된 외력에 따른 나사 각도별 플레이트 및 나사의 응력 그래프를 도출하고 응력이 높은 순으로 나사 삽입각도를 도출하여 설계안을 제공하는 제품 도출단계(S 160); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유한요소해석 단계(S 150)는,
    상기 플레이트와 뼈 사이 및 뼈와 나사 사이의 마찰계수를 설정받고 플레이트와 나사는 완전결합으로 정의하여 진행되는 것을 특징으로 하는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2특성정보에서 플레이트는,
    나사 각도가 수직으로 삽입되는 A 타입, 양끝 나사가 플레이트 길이 방향 끝쪽으로 기울여 삽입되는 B 타입, 플레이트 중심을 대칭으로 모든 나사가 플레이트 길이 방향 외측으로 기울여 삽입되는 C 타입, 양끝 나사가 플레이트 길이 방향 측면으로 기울여 삽입되는 D 타입, 플레이트 중심을 대칭으로 모든 나사가 플레이트 길이 방향 측면으로 기울여 삽입되는 E 타입을 포함하는 것을 특징으로 하는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터베이스 구축 단계(S 110)는 뼈에 대응하여 근육 및 피부층 정보를 포함하고,
    상기 제품 도출단계에서 도출된 나사 삽입각도 및 근육 및 피부층 정보에 따른 수술시 필요 절개 범위를 시뮬레이션하여 제공하는 시뮬레이션 단계(S 170); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트의 제조방법.
  5. 제1항, 제2항, 제3항 중 선택되는 한 항에 따른 제조방법을 적용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트.
KR1020210088653A 2021-07-06 2021-07-06 나사 삽입각도 조절을 통해 골절 접합강도가 개선된 의료용 뼈 플레이트 및 이의 제조방법 KR102541922B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105816262A (zh) * 2015-01-07 2016-08-03 江苏安惠医疗器械有限公司 一种颈椎牵引器及其方法
JP2019000362A (ja) * 2017-06-15 2019-01-10 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 医用画像処理装置、医用画像診断装置及び医用画像処理プログラム

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