WO2016032273A1

WO2016032273A1 - 골절용 본 플레이트

Info

Publication number: WO2016032273A1
Application number: PCT/KR2015/009043
Authority: WO
Inventors: 김두만; 이창우; 김광원
Original assignee: 주식회사 케이씨스
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2016-03-03

Abstract

본 발명은 뼈골절용 본 플레이트에 관한 것으로, 그 구성은 뼈 절골의 위한 뼈골절용 본 플레이트에 있어서, 상기 본 플레이트는 일정한 각도를 가지는 제1경사공 내지 제3경사공으로 이루어진 다수개의 통공을 포함하며, 상기 제1경사공은 삽입되는 나사를 고정하고, 제2경사공은 삽입되는 나사를 결속하는 나사선이 형성되며, 제3경사공은 삽입되는 나사의 진입 각도를 확대할 수 있게 형성된다.

Description

골절용 본 플레이트

본 발명은 골절 치료를 위해 이용되는 골절용 본 플레이트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성력을 부여할 수 있는 구멍에 다수개의 지점을 형성시켜 기하학적 변수들에 대한 기계적 특성을 향상시킬 수 있고, 하나의 나사구멍에 고정나사 또는 컨벤셜나사를 선택적으로 사용할 수 있는 골절 치료용 본 플레이트에 관한 것이다.

일반적으로 뼈 접골이란 말은 부러진 뼈를 맞춰서 접해준다는 뜻이다. 각국에서 자연적으로 발생하여 경험적으로 전승된 것으로, 한의학에서 접골술의 역사는 수천 년을 거슬러 올라간다. 접골의 명칭은 안마로 사용되다가 금원시대에 의학적인 체계가 확립되면서 정골이라고 했고, 접골은 일제강점기에 우리나라에 전해진 명칭이다.

접골은 탈구(dislocate), 좌상(contusion), 골절(fracture)을 조절함으로써 전신의 기혈순환과 국부(局部)의 혈액순환을 촉진시키고 경락의 유통을 원활하게 하여 어혈을 제거하는 것이다. 각 부위의 탈구·골절·좌상뿐 아니라 관절염·신경통·요통·견비통 등에 광범위하게 응용되고 주의사항은 지압요법에 준한다. 이것을 행하는 사람을 접골사 또는 정골사라고 한다. 근래에는 한방물리요법의 한 영역으로 외과치료에 기여하고 있으며, 정형외과에서도 일부 응용하고 있다.

접골을 위한 유형으로는,

첫 번째 유형 " 단단하게 고정된 뼈 접골(接骨)" 이라고 불린다. 뼈를 단단하게 고정하는 접골술은 관절부 골절이나, 못을 박아 고정하여서는 실용적이지 않는 뼈 샤프트(shaft) 부분의 단순한 골절을 고정하거나, 또는 골절술의 경우에 적용된다. 해부학적으로 탈구된 뼈를 고칠 수 있는 것 외에도, 환자가 손상된 손발을 보다 빨리 사용할 수 있고 그 위에 하중이 실려도 통증을 덜 느낄 수 있는 뼈 접골(接骨)의 안정성을 뼈 그 자체가 뒷받침하고 있다. 골절이 안정되게 고정되었을 때의 장점은 외상으로 인하여 뼈 속안에서의 혈액 순환이 심각하게 감소하는 경우에 명확하게 나타난다. 유착불능한 골절을 고정하거나 감염의 경우에, 골절된 뼈가 원상으로 회복되기 위하여, 또는 골절된 틈 사이에서 불안정성으로 인하여 발생할지 모를 소정의 추가적인 염증을 피하기 위하여 안정화되어야 한다.

두 번째 유형 " 신축성 있는 뼈 접골(接骨)" 이라고 불린다. (생물학적으로) 신축성 있는 뼈 접골(接骨)의 가장 큰 장점은 긴 뼈의 샤프트(shaft) 부분에서 발생하는 복합 골절과 관련하여 고찰되어야 한다. 이러한 복합 골절에 있어서는, 뼈의 길이를 유지하고 뼈 관절부의 끝부분을 또 다른 뼈에 대하여 올바른 위치에 고정시키는데 그 목적이 있다. 골절 대역 그 자체가 똑바로 고정되거나 조작되지 않는 결과로서 뼈 속을 관통하여 흐르는 혈액의 추가적인 감소는 이러한 골절 대역에서 발생하지 않는다. 뼈플레이트의 기능은 추상적인 영역에서만 고정될 수 있는 골수 내부의 못과 비교될 수 있다.

이와 같이 플레이트를 사용한 뼈 접골(接骨)의 (극단적인) 두 가지 사례를 고려해 본다면, 이러한 두 가지 사례들이 서로 어떻게 차이가 있는지에 대하여 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다. 그러한 뼈 고정에 관한 한, 골절들은 위에서 언급한 뼈 접골(接骨)의 두 가지 사례 중 어느 하나로 명확히 나뉠 수 없는 일이 종종 있기 때문에, 외과의사는 위의 두 가지 방법을 효과적으로 결합하도록 허용된 임플란트(implant)가 존재하지 않는 동안에는 일반적으로 절충하여야 한다.

예컨대 전체적인 관절 조각이 각지고 견고한 스크류의 도움을 받아 체내의 고정물을 수단으로 전체적인 관절 조각이 골간에 고정되어 있는 한, 뼈플레이트를 관통하여 연장된 장력스크류의 도움으로 압착될 수 있는 곳에서는 그러한 결합이 유용할 것이다. 또 다른 응용은 뼈 포로틱(osteoporotic)과 같은 경우인 바. 그 곳에서는 뼈플레이트가 극히 추상적인 파편 안에서 각지고 견고한 스크류에 의하여 고정될 수 있으며 이로 인하여 보철 조립품은 골절 영역에서 플레이트를 관통하여 지나가는 장력 스크류에 의하여 지지되는 것과 같은 안정적인 방법으로 골간 영역을 보철화할 수 있다. 이러한 과정을 통하여 골절된 뼈를 근본적으로 복원할 수 있다.

이러한 상황의 결과로서, 뼈 접골(接骨)의 두 가지 유형을 위한 뼈 임플란트(implants)가 개발되었고 시장에 출시되었다.

그러나 종래의 뼈플레이트의 경우 뼈플레이트를 고정하는 고정나사나 뼈를 접골시키기 위한 컨벤셜 나사에 대해 각도 조절이 용이하지 않을 뿐만 아니라 나사의 위치를 조절할 수 없는 문제점이 있었어 다양한 뼈 크기에 대해 용이하게 대응하는 것이 어려운 문제점이 있었다.

또한 종래에는 고정나사와 컨벤셜 나사가 각각 다른 나사구멍에 체결되는 방식이어서 뼈플레이트에 고정나사용 나사구멍과 컨벤셜 나사용 나사구멍을 구분하여 형성하여야 함에 따라 뼈플레이트 제작에 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 특성을 개선하기 위하여 제안된 것으로서, 탄성력을 부여할 수 있는 구멍에 다수개의 지점을 형성시켜 기하학적 변수들에 대한 기계적 특성을 향상시킬 수 있고, 하나의 나사구멍에 고정나사 또는 컨벤셜나사를 선택적으로 사용할 수 있는 골절 치료용 본 플레이트를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 뼈플레이트에 형성되는 다수개의 나사구멍을 고정나사와 컨벤셜 나사 모두를 공유하여 사용할 수 있게 함으로써 뼈플레이트 제작에 소용되는 시간과 비용을 대폭 절감할 수 있게 하는 골절 치료용 본 플레이트를 제공함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 뼈 접골을 위한 뼈골절용 본 플레이트에 있어서, 상기 뼈골절용 본 플레이트는, 일정한 길이를 갖는 플레이트 몸체; 상기 플레이트 몸체 길이 방향으로 따라 수직하게 개구되어 나사가 체결되는 다수개의 체결부; 및 상기 플레이트 몸체 상에서 상기 체결부의 사이에 위치되어 외부에서 작용하는 일정한 힘에 의해 변형하는 탄성변형부;를 포함한다.

그리고 상기 체결부는 복수의 타원이 중첩되어 형성된다.

또한 상기 복수의 타원 중 어느 하나에는 나사산이 형성된다.

그리고 상기 나사산은 가상의 수직축 방향으로 경사진다.

또한 상기 나사산은 복수의 타원 중 플레이트 몸체의 외측에 위치된 타원에 형성된다.

그리고 상기 체결부는 고정나사가 체결되는 제1나사공과, 컨벤셜나사가 체결되는 제2나사공이 서로 중첩되어 형성된다.

또한 상기 플레이트몸체는 하부면이 곡선 형태이다.

그리고 상기 탄성변형부는 플레이트몸체 상부면의 폭 방향으로 형성되는 제1홈과, 상기 제1홈과 대향되는 위치에 형성되는 제2홈과, 상기 제1홈과 제2홈 사이에 형성되는 통공으로 이루어진다.

또한 상기 통공은 수평 방향으로 개구된 수평공과, 상기 수평공의 양단에 형성되는 수직공으로 이루어진다.

그리고 상기 수직공은 양단이 곡선 형태이다.

또한 상기 플레이트 몸체 하부면에는 뼈와 접점시 응력을 분산시킬 수 있게 하는 응력분산부;가 더 형성된다.

본 발명에 따르면, 탄성력을 부여할 수 있는 구멍에 다수개의 지점을 형성시켜 기하학적 변수들에 대한 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 뼈플레이트에 형성되는 다수개의 나사구멍을 고정나사와 컨벤셜 나사 모두를 공유하여 사용할 수 있게 함으로써 뼈플레이트 제작에 소용되는 시간과 비용을 대폭 절감할 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 뼈 접골용 본 플레이트는 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 뼈 절골용 본 플레이트의 단면을 나타내는 도면.

도 4는 일반적인 본 플레이트와 본 발명의 본 플레이트에 형성된 나사공의 설치 상태를 비교한 도면.

도 5는 본 발명의 본 플레이트를 뼈에 설치한 상태를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 유연구조를 비교하기 위한 개략적인 구조물 도면.

도 7은 본 발명에 따른 굽힘 응력 실험을 위한 모델링 도면.

도 8은 본 발명에 따른 본 플레이트의 인정 실험을 위한 모델링 도면.

도 9는 본 발명에 따른 KCP-2의 굽힘 실험 하중 변형 곡선을 나타내는 그래프.

도 10은 본 발명에 따른 KCP-3의 굽힘 실험 하중 변형 곡선을 나타내는 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 KCP-2의 인장실험 하중 변형 곡선을 나타내는 그래프.

도 12는 본 발명에 따른 KCP-3의 인장실험 하중 변형 곡선을 나타내는 그래프.

도 13은 본 발명에 따른 KCP-2의 굽힘 실험과 해석에 대한 하중 변형 그래프.

도 14는 본 발명에 따른 KCP-2의 인장실험과 해석에 대한 하중 변형 그래프.

도 15는 본 발명에 따른 KCP-3의 굽힘 실험과 해석에 대한 하중 변형 그래프.

도 16은 본 발명에 따른 KCP-3의 인장실험과 해석에 대한 하중 변형 그래프.

도 17은 본 발명에 따른 응력 차폐 현상 해석을 위한 개념도.

도 18은 본 발명에 따른 KCP-2와 KCP-3에 관한 뼈의 단면 응력 분포를 나타내는 개념도.

도 19는 본 발명에 따른 무차원화된 거리에 대한 뼈의 단면 응력 분포를 나트내는 그래프.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 플레이트는 골절된 뼈를 기형적으로 회복하는 것으로 나사구멍의 면적을 최소화하여 한개의 홀에 두 가지 나사를 사용할 수 있게 하고 일반 나사 사용시 전후방 삽입각을 최대로 확보할 수 있게 함과 동시에 잠금나사를 동시에 사용할 수 있게 하는 것이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 뼈골절용 본 플레이트(100)는, 일정한 길이를 갖는 플레이트 몸체(110); 상기 플레이트 몸체(110) 길이 방향으로 따라 수직하게 개구되어 나사가 체결되는 다수개의 체결부(120); 상기 플레이트 몸체(110) 상에서 체결부(120)의 사이에 위치되어 외부에서 작용하는 일정한 힘에 의해 변형하는 탄성변형부(130);를 포함한다.

상기 플레이트 몸체(110)는 SUS-316L 소재를 일정한 온도에서 열처리하여 형성된 것으로 SUS계열의 다른 소재들에 비해 열처리를 통해 탄성계수와 항복응력에 대해 낮게 함으로써 연성이 부여한 구성이다.

즉, 뼈 접골시 본 플레이트에 의해 뼈에 필요이상의 하중이 작용하는 것을 방지하기 위하여 연성을 부여하는 것으로 표 1에서와 같은 물성값을 통해 기존의 SUS 보다 유연성을 갖게 됨을 알 수 있다.

또한 상기 플레이트 몸체(110) 바닥면(111)은 곡선 형태를 하는 것이 바람직하다. 이는 뼈의 외측이 곡선 형태를 하고 있기 때문에 이에 상응하는 형태를 가짐으로써 뼈와의 밀착성을 좋게 하기 위함이다.

	일반적인 SUS-316L	열처리 전	열처리 후
탄성계수, E	193 GPa	135 GPa	103 GPa
항복응력	215 MPa	172 MPa	163 MPa

상기 체결부(120)는 복수의 타원이 중첩되어 형성된 것으로 상기 복수의 타원 중 어느 하나에는 나사산이 형성되고, 상기 나사산은 가상의 수직축(A) 방향으로 경사진 형태를 하고 있다.

또한 상기 나사산은 복수의 타원 중 플레이트 몸체(110)의 외측에 위치된 타원에 형성하는 것이 바람직하다. 이는 외측에 나사산을 형성함으로써 고정나사의 체결력을 더욱 견고히 할 수 있기 때문이다.

한편 상기 체결부(120)는 고정나사가 체결되는 제1나사공(121)과, 컨벤셜나사가 체결되는 제2나사공(122)이 서로 중첩되게 형성된다.

도 4에 도시된 바와 같이 case1(종래의 일반적인 체결부)과 case2(본 발명의 체결부)를 비교하여 보면 case1의 컨벤셜나사는 외부에 위치하고 있는 case2의 컨벤셜나사는 내부에 위치된 상태에서 두 나사의 미끄러짐이 같다고 하였을 때 A 위치에서의 변위는 case2가 case1에 비해 큼을 알 수 있듯이 체결부에서 컨벤셜나사가 내부에 위치되는 것이 높은 압축력을 유지할 수 있어 효율적인 접골이 가능해진다.

상기 탄성변형부(130)는 플레이트 몸체(110) 상부면의 폭 방향으로 형성되는 제1홈(131)과, 상기 제1홈(131)과 대향되는 위치에 형성되는 제2홈(132)과, 상기 제1홈(131)과 제2홈(132) 사이에 형성되는 통공(133)으로 구성되어 있다.

상기 통공(133)은 수평 방향으로 개구된 수평공(133a)과, 상기 수평공(133a)의 양단에 형성되는 수직공(133b)으로 이루어지고, 상기 수직공(133b)은 양단이 곡선 형태로 이루어져 외부의 응력을 균일하게 분산시킬 수 있게 하고 있다.

또한 상기 통공(133)의 수평공(133a)의 두께(T1)와 수평공 상부의 플레이트 몸체 두께(T2,T3) 비율을 대체로 1:1이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 굽힘 강성, 탄성 계수, 굽힘 구조 강성, 굽힘 강도를 목표 성능에 만족시키기 위함이다.

한편 상기 플레이트 몸체(110) 바닥면에는 뼈와 접점시 응력을 분산시킬 수 있게 하는 응력분산부(140);가 더 형성되어 있다.

도 5는 본 발명의 뼈 골절용 본 플레이트가 설치된 상태를 나타낸 도면으로 도시된 바와 같이 뼈(B)에 플레이트 몸체(110)를 밀착시킨 상태에서 하측으로부터 순차적으로 고정나사(Locking Screw-LS)를 제1나사공(121)에 삽입하여 뼈에 고정되게 하고, 이웃한 다른 체결부(120)의 제2나사공(122) 측에 컨벤셜나사(Conventional Screw-CS)를 삽입하여 뼈에 고정시킨다. 같은 방식으로 고정나사와 컨벤셜나사를 교차 고정함으로써 플레이트 몸체를 뼈에 단단히 고정할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 뼈 절골용 본 플레이트를 이용할 경우 하나의 체결부를 통해 서로 다른 종류의 나사를 선택적으로 설치할 있게 되므로 본 플레이트 제작시 불필요한 나사공 형성을 억제할 수 있으며, 탄성변형부와 응력분산부를 통해 플레이트 몸체와 뼈가 서로 다른 하중에 따른 뼈의 골밀도 저해요소 및 접골지연 등을 억제할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 뼈 골절용 본 플레이트를 실험을 통해 종래에 비해 우수한다는 점을 설명하겠다.

<실험예>

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 탄성변형부의 통공 형태를 각각 다른 크기로 형성되게 한 KCP-2와 KCP-3를 제작하여 굽힘 실험과 인장실험을 실시하여 비교하였다.

*굽힘 실험

도 7에 도시된 바와 같이 하부를 지지하는 지그와 상부를 지지하는 지그를 각각 배치한 상태에서 상부 배치된 지그에 하중을 부여하여 실험하였다.

실험은 상부지그의 거리를 25mm로 하고, 지지점이 되는 하부 지그와 상부 지그의 거리를 21.5mm로 하며, 상부 지그와 하부지그의 반지름은 6mm인 상태에서 하중을 가하였을 때의 상태를 확인하였다.

도 9는 KCP-2의 4포인트 굽힘 실험 하중 변형 곡선을 나타낸 것으로 650N의 하중까지 견디는 것을 알 수 있고, 수직변위 0.12mm까지를 탄성영역으로 본다면 아래 식(1)과 식(2)을 사용하여 굽힘 강성과 굽힘 구조 강성을 각각 1291.0 N/mm와 5.87 N/㎡의 결과를 얻을 수 있으며, 굽힘 강도는 아래 식(3)을 사용하여 실험의 최대 하중 값이 각각 698N, 652N이고 경계조건 h(거리)는 21.5mm 이므로 굽힘 강성은 7.50N-mm, 7.01N-mm의 값을 얻었다.

식(1)

식(2)

식(3)

도 10은 KCP-3의 4포인트 굽힘 실험 하중 변형 곡선을 나타낸 것으로 2000N의 하중까지 견디고, 수직 변위 0.12mm까지를 탄성영역으로 본다면, 위 식(1), (2)를 사용하여 굽힘 강성과 굽힘 구조 강성을 계산하여 각각 2278.6 N/mm와 10.35 N/㎡의 결과를 얻을 수 있으며, 굽힘 강도는 위 식(3)을 사용하여 계산한 결과 각각 22.8 N-mm, 21.9 N-mm의 값을 얻었다.

*인장실험

인장실험은 도 8에 도시된 바와 같이 탄성변형부의 형상을 제작한 후에 하중 10000N의 힘으로 인장하였을 때 탄성변형부의 변위를 측정하였다.

도 11은 KCP-2의 인장실험 하중 변위 곡선을 나타낸 것으로 케이스 모두 약 1mm에서 파단되었고, 도 12는 KCP-3의 인장실험 하중 변위 곡선을 나타낸 것으로 케이스 모두 약 9.9mm에서 파단되었다.

* KCP-2의 실험과 해석 결과 비교

도 13은 KCP-2의 굽힘 실험과 해석에 대한 하중-변형 그래프를 나타낸 것으로 해석과 실험을 비교하여 보면, 낮은 응력 사이에서 비교적 잘 맞지만 하중이 증가할수록 차이가 커지는데 이는 해석에 사용되는 3D모델과 실제 제작된 시편의 가공 오차와 일반적으로 해석이 실험보다 강성이 좀 더 높게 계산되는 경향이 있음을 고려할 때 이 격차는 적합한 것임을 알 수 있다.

KCP-2의 인장 실험과 해석을 도 14의 하중-변형 그래프에서 비교하여 보면, 데이터는 굽힘과 마찬가지로 탄성 영역 구간으로 각 데이터의 기울기를 계산하기 위해 추세선을 사용하였고, 실험과 해석결과 모두 비슷한 기울기를 가지고 있어 탄성 계수의 결과 값이 적합하게 구해지고 있음을 알 수 있다.

그러나 해석의 경우 응력이 0 일 때 변형률도 0 이지만 실험은 내부 오차로 인해 응력이 0 일 때 변형률도 0이 아니기 때문에 기울기는 같지만 실험 데이터가 해석 데이터보다 전반적으로 높게 측정됨을 알 수 있다.

*KCP-3의 실험과 해석 결과 비교

도 15는 KCP-3의 굽힘 실험과 해석에 대한 하중-변형 그래프를 나타낸 것으로 KCP-2와 동일하게 탄성 영역 구간의 데이터를 사용하였으며 기울기를 계산하기 위해 추세선을 사용하였다.

KCP-3의 해석과 실험결과를 KCP-2와 비교해 보면 KCP-2보다 실험과 해석결과의 오차가 줄어들었음을 알 수 있다.

마찬가지로, 도 16의 KCP-3의 인장 실험과 해석에 대한 하중-변형 그래프를 보면, KCP-2보다 실험 오차가 감소하였음을 알 수 있다.

*결론

KCP-2는 표 2에 도시된 바와 같이 목표 성능과 실험 및 해석 결과를 비교하면, 굽힘 강성과 탄성 계수, 굽힘 구조 강성은 목표 성능에 부합하지만, 굽힘 강도의 경우 실험 결과 목표 성능에 미달하였음을 알 수 있고, KCP-3는 표 3에 도시된 바와 같이 굽힘 강성과 탄성 계수, 굽힘 구조 강성, 굽힘 강도 모두 목표 성능에 만족함을 알 수 있다.

	FEM	Test-1	Test-2	목표 성능
Bending Stiffness (N/mm)	2088.1	1384.2	1291.9	44.4 이상
Structural Stiffness (N·)	9.491372	6.291823	5.872278	4.8 이상
Bending Strength(N-mm)		7.5035	7.009	7.3 이상
Elastic Modulus(GPa)	35.26	34.25	35.43	40 이하

	FEM	Test-1	Test-2	목표 성능
Bending Stiffness (N/mm)	2900.51	2278.62	2137.80	44.4 이상
Structural Stiffness (N·)	13.18	10.35	9.71	4.8 이상
Bending Strength(N-mm)		22.80	21.90	7.3 이상
Elastic Modulus(GPa)	39.57	38.65	37.49	40 이하

따라서 KCP-3와 같이 통공의 개구 두께를 플레이트 몸체 상하의 두께와 대체로 1:1의 비율로 형성할 경우 전체적으로 목표 성능을 만족할 수 있게 된다.

한편 본 발명은 응력 차폐 성능을 향상시키기 위하여 구성된 것이다.

응력 차폐현상이란 강성이 다른 탄성체가 병렬로 연결된 구조에서 하중이 작용하였을 때 상대적으로 더 높은 강성을 가지는 탄성체에 응력이 집중되는 현상을 말한다.

이처럼 회복 중인 뼈에 하중이 작용하면 뼈보다 강성이 높을 경우 정상적인 상태의 뼈일 때보다 본 플레이트가 작용되었을 때 본 플레이트에 더 많은 하중이 집중되어 골밀도가 낮아지거나 골절 부위의 재 골절 위험성이 높아지게 되므로 본 발명에서와 같이 강성을 낮추고 유연성을 높여 이를 방지하는 것이다.

*응력 차폐 현상 FEM 해석

1) 해설 조건

응력 차폐 현상은 회복중인 뼈의 상태를 가정하기 때문에 골절로 분리되지 않은 뼈를 가정하여 해석하였다. 응력 차폐 현상에 관한 해석은 도 17에서와 같이 뼈에 본 발명의 본 플레이트를 삽입한 상태로 양쪽에서 700N의 하중을 가하고, 이때 볼트와 볼트 사이의 단면에서 발생하는 응력 분포를 판단하였다. 좌측에서 볼 수 있는 바와 같이 뼈는 크게 중심에 있는 뼈기둥(Trabecular bone)과 외곽의 골피질(Cortical bone)로 나눌 수 있다. 뼈기둥은 강도가 약하여 하중에 저항하는 힘이 없으며 대부분의 하중은 골피질이 담당하게 된다.

FE 모델에 사용된 각 부분의 물성치는 표 4에서와 같다.

	Elastic Modulus	Poission Ratio
Plate	103 GPa	0.29
Bolt	205 Gpa	0.35
Cortical bone	18.4 GPa	0.12
Trabecularbone	1.061 GPa	0.225

2) 해석 결과

해석 결과로, 도 17의 1-0의 단면에 작용하는 응력 분포를 도 18에 도시된 KCP-2와 KCP-3로 나누어 도시하였다.

도 18에 도시된 바에 의하면, 전반적으로 응력 분포가 KCP-2가 KCP-3보다 고르게 분포되어 있음을 볼 수 있는데, 이는 앞선 실험에서 알 수 있듯이 KCP-2의 강성이 KCP-3 보다 낮아 응력 차폐 현상이 좀 더 완화되고 있는 것을 알 수 있다.

노멀라이즈(Normalize)된 거리에 대한 도 18에서 1-0 단면의 응력을 도 19에 그래프로 표시하였다.

일반적으로 사용되는 스틸 또는 티탄늄 소재의 본 플레이트이 비해 본 발명의 본 플레이트(KCP)의 응력 분포가 더 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다.

응력분포 완화효과는 뼈에 부가되는 응력이 그만큼 높다는 높다는 것을 의미하며, 이는 뼈의 응력차폐현상을 완화시키고 있음을 의미한다.

표 5는 응력 분포 완화 효과에 대한 비교표이다.

	Stress	응력 분포 완화 효과
LCP (Steel)	0.69124	-8.93%
LCP (Ti)	0.75909	0.00%
KCP-2	1.23849	63.15%
KCP-3	1.08517	42.96%

따라서 표 5에서 알 수 있듯이 KCP는 기존 본 플레이트에 비해 월등한 응력 차폐 현상 완화에 효과가 있음을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

Claims

뼈 접골을 위한 뼈골절용 본 플레이트에 있어서,

상기 뼈골절용 본 플레이트는,

일정한 길이를 갖는 플레이트 몸체;

상기 플레이트 몸체 길이 방향으로 따라 수직하게 개구되어 나사가 체결되는 다수개의 체결부;

상기 플레이트 몸체 상에서 상기 체결부의 사이에 위치되어 외부에서 작용하는 일정한 힘에 의해 변형하는 탄성변형부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뼈골절용 본 플레이트.
제1항에 있어서,

상기 체결부는 복수의 타원이 중첩되어 형성된 것을 특징으로 하는 뼈골절용 본 플레이트.
제2항에 있어서,

상기 복수의 타원 중 어느 하나에는 나사산이 형성된 것을 특징으로 하는 뼈골절용 본 플레이트.
제3항에 있어서,

상기 나사산은 가상의 수직축 방향으로 경사진 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제4항에 있어서,

상기 나사산은 복수의 타원 중 플레이트 몸체의 외측에 위치된 타원에 형성된 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제1항에 있어서

상기 체결부는 고정나사가 체결되는 제1나사공과, 컨벤셜나사가 체결되는 제2나사공이 서로 중첩되어 형성된 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제1항에 있어서,

상기 플레이트몸체는 하부면이 곡선 형태인 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제1항에 있어서,

상기 탄성변형부는 플레이트몸체 상부면의 폭 방향으로 형성되는 제1홈과, 상기 제1홈과 대향되는 위치에 형성되는 제2홈과, 상기 제1홈과 제2홈 사이에 형성되는 통공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제8항에 있어서,

상기 통공은 수평 방향으로 개구된 수평공과, 상기 수평공의 양단에 형성되는 수직공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제9항에 있어서,

상기 수직공은 양단이 곡선 형태인 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.
제1항에 있어서,

상기 플레이트 몸체 하부면에는 뼈와 접점시 응력을 분산시킬 수 있게 하는 응력분산부;가 더 형성된 것을 특징으로 하는 뼈 골절용 본 플레이트.