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의학 석사학위 논문
미세단층촬영기를 이용한 인체 대퇴
골두 미세 구조의 분석
아 주 대 학 교
대 학 원
의학과/
의학전공
지 형 민
미세단층촬영기를 이용한 인체 대퇴
골두 미세 구조의 분석
지도교수
원 예 연
이 논문을 의학 석사학위 논문으로 제출함.
2013년
2월
아 주 대 학 교
대 학 원
의학과/
의학전공
지 형 민
지형민의 의학 석사학위 논문을 인준함.
심사위원장
원예연
인
심 사 위 원
전창훈
인
심 사 위 원
한경진
인
아 주 대 학 교
대 학 원
2012년 12월 14일
- 국문요약 -
미세단층촬영기를 이용한 인체 대퇴 골두 미세 구조의 분석
연구 목적: 인체 사체(cadaver) 연구를 통해 인체 대퇴 골두를 미세단층촬영기를 이용하여 스캔하고 미세 구조를 종합적으로 분석하고자 하였다. 재료 및 방법: 의학 해부용 사체 8 구에서 10 개의 근위 대퇴부를 채취하여 획득한 대퇴 골두 전체를 미세단층촬영기로 촬영하였다. 촬영한 영상을 대퇴골두의 일차 압박 골소주가 주로 향하는 방향(main trabecular direction, MTD)에
따라 정렬하고 대퇴 골두의 근위부 절반에 대해 대퇴 경부 축이 위치한 방향을 12 시로 정하여 후방으로 30° 간격으로 12 개의 관심 영역(volume of interest)을 설정하였고 각각의 관심영역을 근위부와 원위부로 나누었다. 3 차원 모델을 재건하고 미세구조 특성을 반영하는 형태학적 분석을 시행하였다. 결과: 근위부에서는 구조모델지수(SMI), 골소주 개수(Tb. N), 골소주 간격(Tb. Sp), 이방성 정도(DA) 등의 값이 관심 영역들 사이에 통계적으로 의미 있는 차이를
보였고 원위부에서는 골체적비(BV/TV), SMI, Tb. N, Tb. Sp, DA, 연결성 밀도(Conn.
D) 등의 값이 영역들 사이에 의미 있는 차이가 있었다. 대퇴 골두의 후방에
해당하는 90-120°의 영역에서 BV/TV 가 높았고 SMI 는 낮았다. 150-210°그리고
330-60°의 영역에서는 DA 의 값이 높았고 근위부로 갈수록 증가하는 양상을
ii 개수가 증가하는 양상이었고 연결성 밀도의 경우 0-60°에서 근위부로 갈수록 의미 있게 증가하는 양상을 보였다. 결론: 인간 대퇴 골두 내부의 미세 구조를 MTD 를 중심축으로 삼아 영역을 나누어 분석하였을 때 형태학적 지표에 있어 영역 별로 상이한 특성을 보였고 원위부와 근위부의 형태 또한 영역 별로 차이를 보였다. 이와 같은 차이는 대퇴 골두 내부의 일차 압박 골소주의 형태 및 분포를 반영하는 결과로 사료된다. 핵심어 : 대퇴골, 미세구조, 미세단층촬영기
차
례
국문요약 ··· ⅰ 차례 ··· ⅲ 그림차례 ··· iv 표차례 ··· vi Ⅰ. 서론 ··· 1 Ⅱ. 재료 및 방법(혹은 연구대상 및 방법) ··· 2 A. 대퇴 골두 시편의 선택 및 준비 ··· 2 B. 미세단층촬영 및 구조 분석 ··· 3 C. 통계분석 ··· 5 Ⅲ. 결과 ··· 8 Ⅳ. 고찰 ··· 23 Ⅴ. 결론 ··· 27 참고문헌 ··· 28 ABSTRACT ··· 31iv
그림 차례
Fig. 1. Two-dimensional micro-images of the bone sample (Lt. X-ray transmission image)
was converted to two-dimensional cross-sectional image (Rt.). ··· 5
Fig. 2. Main trabecular direction(MTD) was decided in coronal plane(Lt.) and sagittal plane(Rt). ··· 6
Fig. 3. Each slice of reconstructed segmented image was divided into twelve equal sized 30-degree arcs about a same center point. ··· 7
Fig. 4. Bone volume of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. ··· 14
Fig. 5. Bone volume fraction of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment ··· 15
Fig. 6. Specific bone surface of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. ··· 16
Fig. 7. Structure model index of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. ···· 17
Fig. 8. Trabecular thickness of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. ··· 18
Fig. 10. Trabecular seperation of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. ·· 20
Fig. 11. Degree of anisotropy of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. ··· 21
vi
표 차례
Table 1. Morphologic parameters in proximal ROIs ··· 8
Table 2. Morphologic parameters in distal ROIs ··· 9
Table 3. Comparison of morphologic parameters within each ROI between proximal and
I. 서 론
1892 년 볼프는 뼈에 부하가 가해짐으로 인해 골이 성장한다고 주장하였고
이후 많은 저자들이 인체 골격을 연구함으로써 이를 증명하였다. 대퇴
골두(femoral head)는 골반의 비구와 함께 고관절(hip joint)을 형성하고 있으며
관절의 자유도가 매우 높다. 인체의 고관절은 일상 생활에서 지속적인
부하(loading)를 받게 되며 그 결과 대퇴 골두 내부에는 매우 복잡한 미세 구조가
형성된다. 그러나 인간 대퇴 골두 내부의 미세 구조는 그 중요성에도 불구하고
지금까지 체계적인 연구가 이루어지지 못했다. 대퇴 골두 무혈성 괴사(avascular
necrosis of femoral head), 대퇴 골두의 스트레스성 골절(subchondral stress fracture of
femoral head)과 같은 질환의 병리기전을 이해하기 위해 대퇴 골두 내부의 미세
구조의 이해가 필수적이다. 고관절 표면 치환술 (hip resurfacing arthroplasty), 대퇴
골두 지연 나사 (hip lag screw), 고관절 보존 수술(hip joint preservation surgery) 등
수많은 정형외과 수술이 대퇴 골두에 시행되며 수술에 사용되는 임프란트(implant)의 장기 생존에 있어서 임플란트 주변 뼈의 미세 구조에 대한 정확한 지식은 큰 도움이 될 수 있다(Rothstock et al., 2011). 따라서 대퇴골두 미세 구조의 연구는 대퇴 골두에 발생하는 각종 근골격계 질환의 발생을 이해하고 이를 치료할 수 있는 실마리를 제공할 수 있으며 대퇴 골두에 시술 되는 정형외과 임플란트의 생존율을 증가시키고 디자인을 개선하는데 중요한 자료를 제공할 수 있다. 초기의 대퇴골두 골성 구조 연구는 침습적인 방법을 통하여 그 강도를
2
-tomography)의 발전에 힘입어 비침습적인 방법으로 대퇴 골두 미세 구조를
연구할 수 있게 되었다. 그러나 종래의 대퇴 골두 미세 구조 연구는 전체 골두를
분석하지 못하였고 일부 관심 영역을 설정하여 이를 분석하였다(Li and Aspden,
1997; Issever et al., 2003; Tassani et al., 2010). 이는 기존의 미세단층촬영기가
기술적인 문제로 제한된 크기의 시편만을 스캔(scan)할 수 있었기 때문이다. 최근 대퇴 골두 전체에서 골밀도의 분포를 분석한 연구가 발표되었으나 미세 구조를 반영하지 못했다는 점에서 한계가 있다(Wright et al., 2012). 따라서 본 연구에서는 사체(cadaver) 연구를 통해 인체 대퇴 골두를 미세단층촬영기를 이용하여 스캔하고 미세 구조를 대퇴 골두 전체에 대해 종합적으로 분석하고자 하였다. 대퇴 골두 내부의 각 영역별로 부하의 정도가 다르기 때문에 미세 골 형성의 양상이 다를 수밖에 없으며 본 연구에서는 대퇴 골두 내부의 각 영역별로 미세 구조에 차이가 있을 것이라는 가설을 세우고 이를 검증하고자 하였다.
II. 연구 방법 및 대상
A. 대퇴 골두 시편의 선택 및 준비 의학 해부용 사체 8 구에서 10 개의 근위 대퇴골을 적출하였다. 이들은 사망 당시 병력에 의하면 대퇴골에 골 대사성 질환이나 종양이 없었으며 단순 방사선 영상을 확인하여 골의 이상 유무를 확인하였다. 이들 중 남성은 4 명, 여성은 4 명이었으며 평균 연령은 75 세 (range 45-90 세) 이었다. 대퇴 골두에서 원형인대(round ligament)를 절제하고 미세단층촬영기의 촬영 한계가 직경 15cm 임을
감안하여 전체 길이가 15cm 미만이 되도록 소전자(lesser trochanter)에서 최대한
원위부에서 골을 절제하였다. 연부 조직을 제거하고 감염성 질환의 가능성
때문에 모든 샘플들을 70% 알코올에 4 주 보관하였다. 이와 같은 방법으로
시편을 처리하여도 시편의 강도와 미세 구조에 영향을 주지 않음이 이전
연구에서 증명되어 있다(Linde and Sorensen, 1993) .
B. 미세단층촬영 및 구조 분석
10 개의 근위 대퇴골은 미세단층촬영기(SkyScan 1173, SkyScan, Kontich,
Belgium)를 이용하여 60.0 μm 의 해상도(spatial resolution)로 촬영하였으며, 장비의
전압과 전류는 각각 130 kV, 42 μA 였다. NReconTM (SkyScan, Belgium)소프트웨어를
이용하여 전사 이미지(projection image)를 2 차원의 단면 영상으로 재구성
하였다(Fig. 1). DataViewerTM (SkyScan, Belgium) 소프트웨어를 이용하여 모든
시편을 동일한 방법으로 정렬하였다. 최근 대퇴골두 미세 구조의 연구에서
대퇴골두의 일차 압박 골소주가 주로 향하는 방향(main trabecular direction,
MTD)과 시편의 종축이 일치해야만 시편의 미세 구조가 골강도를 보다 정확하게
예측할 수 있음이 밝혀졌기 때문이다(Ohman et al., 2007; Perilli et al., 2007; Tassani et
al., 2010). MTD 의 방향은 관상면상에서 일차 압박 소주 (primary compressive
trabeculae)의 가장 내측과 외측의 골소주가 이루는 각의 이등분선으로 잡아
관상면(coronal plane)이 이 선에 평행이 되도록 정렬하였다. 시상면(sagittal
plane)에서도 마찬가지 과정을 통해 MTD 에 평행하게 정렬시키면 자동적으로
4
-위치하도록 대퇴골의 경부 축(neck axis)에 평행하게 이미지를 정렬하고 이를
저장하였다(Fig. 2). CTAnTM (SkyScan, Belgium)소프트웨어를 이용하여 관심 영역
(region of interest, ROI)를 설정하였다. 대퇴 골두의 정점에 위치한 치밀한 연골하
골이 시작하는 위치에서 1mm 원위부 절편부터 분석을 시작하여 대퇴 골두의 아래쪽 가장자리까지의 높이의 절반에 해당하는 근위부를 관심 영역으로 설정하여 다시 이를 둘로 나누어 근위부와 원위부를 따로 분석하였다. 근위부는 반구의 형태로 정점에서 내려다 보았을 때 최상부를 12 시 방향으로 정하고 30° 간격으로 공통의 중심을 갖는 같은 크기의 ROI 로 나누어 총 12 개의 ROI 를 설정하였고 원위부는 아래가 넓고 위가 좁은 판상의 원반 모양으로 같은
방법으로 ROI 를 설정하여 총 24 개의 ROI 를 분석하였다(Fig. 3). 우측 대퇴골의
경우 시계 방향으로 좌측 대퇴골의 경우 반시계 방향으로 ROI 를 설정하였다. 즉
0-30°는 경부에 대해 항상 후방이 되며 330-360°는 경부에 대해 전방이 된다.
각각의 ROI 에 대해서 CTAnTM 소프트웨어로 삼차원 영상에서 형태학적
지수를 계산하였다. 골체적(BV: bone volume), 골 체적비(BV/TV: bone volume
fraction), 골표면적비(BS/BV: specific bone surface), 구조 모델 지수(SMI: structure
model index), 골소주 두께(Tb.Th:trabecular thickness), 골소주개수(Tb.N:trabecular
number), 골소주 간격(Tb.Sp:trabecular seperation), 이방성 정도(DA: degree of
anisotrophy), 연결성밀도 (Conn.D:connectivity density)를 계산하였다(Hildebrand et al.,
C. 통계 분석
계측된 변수는 평균 ± 표준 편차로 기술하였다. 연속적인 변수는
콜모고로프-스미르노프 방법(Kolmogorov-Smirnov test)으로 정규성 검정을 하였고
정규 분포를 하는 것을 확인하였다. 일원배치 분산분석(one way ANOVA test)으로
관심 영역의 평균값을 비교하였다. Bonferroni 방법으로 사후 검정(post-hoc test)을
하였다. 동일한 영역에서의 근위부와 원위부의 형태학적 지수를 비교하기 위해
paired t-test 를 시행하였다. 통계결과의 유의수준은 5% 이하에서 신뢰구간으로
정의하였으며, 모든 통계분석 에는 SPSS Ver. 14.0 (SPSS Inc., Chicago, USA)이
사용되었다.
Fig. 1. Two-dimensional micro-images of the bone sample (Lt. X-ray transmission image)
was converted to two-dimensional cross-sectional image (Rt.).
6
-Fig 2. Main trabecular direction(MTD) was decided in coronal plane(Lt.) and sagittal
plane(Rt). The intersection between most lateral and medial trabeculae was assumed to be
MTD. Narrow white lines are the most laterally and medially located primary compressive
trabeculae while bold white lines are MTD.
Fig. 3. Each slice of reconstructed segmented image was divided into twelve equal sized
30-degree arcs about a same center point.
8
-III. 결과
근위부의 결과를 표 1 에 근위부의 결과를 표 2 에 원위부의 형태학적
지수의 평균 값을 정리하였다.
표 1. 근위부에서의 형태학적 지수
Table 1. Morphologic parameters in proximal ROIs. Standard Deviations in parentheses
O- 30° 30-60° 60-90° 90-120° 120-150° 150-180° 180-210° 210-240° 240-270° 270-300° 300-330° 330-360° BV* (mm3) 173.4 (143.3) 198.0 (145.6) 193.0 (132.7) 216.7 (144.6) 208.6 (154.2) 151.6 (140.0) 140.4 (134.1) 168.4 (136.6) 179.4 (153.3) 179.4 (140.3) 192.3 (162.7) 167.1 (130.4) BV/TV† (%) 31.8 (12.0) 36.0 (13.7) 39.3 (15.5) 45.1 (14.7) 41.8 (15.7) 33.6 (14.9) 29.3 (11.0) 32.3 (11.2) 32.8 (11.2) 33.0 (11.5) 33.3 (11.2) 32.3 (11.0) BS/BV‡ (1/mm) 0.64 (0.12) 0.61 (0.13) 0.59 (0.14) 0.55 (0.13) 0.59 (0.15) 0.66 (0.17) 0.69 (0.12) 0.65 (0.12) 0.63 (0.13) 0.61 (0.13) 0.62 (0.12) 0.63 (0.12) SMI§ 1.08 (0.77) 0.74 (0.94) 0.45 (1.17) -0.01 (1.28) 0.29 (1.22) 0.89 (0.91) 1.23 (0.62) 1.06 (0.64) 1.00 (0.60) 1.03 (0.61) 1.03 (0.61) 1.11 (0.65) Tb.Th∥ (mm) 0.36 (0.04) 0.36 (0.04) 0.37 (0.05) 0.38 (0.05) 0.37 (0.06) 0.36 (0.05) 0.34 (0.03) 0.35 (0.03) 0.36 (0.04) 0.37 (0.04) 0.36 (0.04) 0.36 (0.04) Tb.N¶ (1/mm) 0.88 (0.23) 0.97 (0.26) 1.04 (0.28) 1.17 (0.25) 1.10 (0.27) 0.91 (0.29) 0.84 (0.24) 0.90 (0.26) 0.89 (0.23) 0.88 (0.23) 0.89 (0.21) 0.72 (0.12) Tb.Sp** (mm) 0.73 (0.12) 0.68 (0.14) 0.65 (0.15) 0.58 (0.12) 0.61 (0.13) 0.74 (0.18) 0.77 (0.14) 0.74 (0.14) 0.74 (0.13) 0.75 (0.14) 0.73 (0.13) 0.72 (0.12) DA†† 2.87 (0.28) 2.01 (0.20) 1.90 (0.20) 1.78 (0.09) 1.96 (0.31) 2.76 (0.67) 2.72 (0.46) 1.86 (0.26) 1.84 (0.20) 1.83 (0.19) 1.91 (0.24) 2.89 (0.51) Conn.D‡‡ (1/mm3) 2.56 (0.45) 3.01 (0.42) 2.87 (0.57) 3.10 (0.65) 3.48 (0.54) 3.02 (0.61) 3.00 (1.01) 3.21 (1.12) 2.66 (0.77) 2.45 (0.61) 2.83 (0.65) 2.68 (0.59)
표 2. 원위부에서의 형태학적 지수
Table 2. Morphologic parameters in distal ROIs. Standard Deviations in parentheses
O- 30° 30-60° 60-90° 90-120° 120-150° 150-180° 180-210° 210-240° 240-270° 270-300° 300-330° 330-360° BV* (mm3) 330.4 (310.0) 378.4 (345.4) 438.2 (347.6) 491.1 (352.4) 459.4 (377.6) 338.2 (368.0) 348.6 (373.0) 412.3 (359.0) 410.3 (332.3) 427.7 (345.3) 366.9 (328.9) 366.9 (328.9) BV/TV† (%) 23.2 (5.8) 25.3 (6.9) 33.2 (10.1) 39.4 (9.60) 35.2 (6.57) 24.5 (9.43) 24.9 (10.0) 30.2 (8.2) 30.5 (6.8) 30.9 (6.9) 30.8 (6.96) 26.1 (6.06) BS/BV‡ (1/mm) 0.68 (0.09) 0.67 (0.09) 0.63 (0.11) 0.59 (0.09) 0.63 (0.07) 0.72 (0.13) 0.73 (0.10) 0.66 (0.09) 0.63 (0.10) 0.62 (0.08) 0.61 (0.08) 0.66 (0.08) SMI§ 1.29 (0.36) 1.20 (0.42) 0.70 (0.70) 0.31 (0.72) 0.68 (0.43) 1.33 (0.52) 1.38 (0.57) 1.03 (0.48) 0.99 (0.40) 0.98 (0.32) 0.93 (0.37) 1.15 (0.36) Tb.Th∥ (mm) 0.34 (0.03) 0.34 (0.02) 0.35 (0.03) 0.36 (0.03) 0.35 (0.03) 0.34 (0.03) 0.33 (0.02) 0.35 (0.02) 0.36 (0.03) 0.36 (0.03) 0.36 (0.03) 0.35 (0.03) Tb.N¶ (1/mm) 0.67 (0.12) 0.73 (0.15) 0.94 (0.22) 1.09 (0.21) 1.00 (0.16) 0.71 (0.22) 0.74 (0.27) 0.86 (0.21) 0.85 (0.15) 0.84 (0.14) 0.84 (0.13) 0.87 (0.12) Tb.Sp** (mm) 0.98 (0.18) 0.90 (0.15) 0.73 (0.13) 0.63 (0.11) 0.67 (0.08) 0.93 (0.23) 0.89 (0.24) 0.78 (0.16) 0.78 (0.11) 0.78 (0.10) 0.78 (0.10) 0.87 (0.12) DA†† 2.53 (0.28) 1.86 (0.17) 1.89 (0.20) 1.72 (0.44) 2.01 (0.25) 2.17 (0.44) 2.25 (0.34) 1.76 (0.15) 1.68 (0.17) 1.73 (0.11) 1.97 (0.22) 2.57 (0.20) Conn.D‡‡ (1/mm3) 2.12 (0.46) 2.45 (0.53) 3.00 (0.67) 3.43 (0.98) 3.63 (1.11) 3.01 (1.02) 3.29 (1.31) 3.41 (1.21) 2.81 (0.96) 2.60 (0.63) 2.67 (0.47) 2.33 (0.47) *; BV, bone volume
†; BV/TV, bone volume/total volume (bone volume fraction) ‡; BS/BV, bone surface/volume ratio
§; structural model index ; Tb.Th, trabecular thickness, ∥
¶; Tb.N, trabecular number **; Tb.Sp, trabecular seperation ††; DA, degree of anisotropy ‡‡; Conn.Dn, Connectivity density
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영역별로 근위부와 원위부에서 형태학적 지수는 각 영역별로 뚜렷한
차이를 보였다. 사후 검정을 시행한 결과 근위부에서는 SMI, Tb. N, Tb. Sp, DA 가
관심 영역들 사이에 통계적으로 의미 있는 차이를 보였고 원위부에서는 BV/TV,
SMI, Tb. N, Tb. Sp, DA, Conn. D 등의 값이 영역들 사이에 의미 있는 차이가
있었다. BV 값은 proximal 의 경우 150°과 300-330° 사이에서 , stal 의 경우 90-150°에서 높은 값을 보였으나 통계적으로 유의한 차이는 아니었다(Fig. 4). BV/TV 의 경우 90-120°의 값이 가장 높았으며 distal 에서는 통계적으로 유의한 차이를 보였다(Fig. 5). BS/BV 의 경우 distal 에서만 통계적으로 의미 있는 영역 사이의 차이가 관찰되었고 150-210°사이의 값이 높게 나타났다(Fig. 6). SMI 의 경우 0 에 가까울수록 평행한 층판형이며 3 에 가까울수록 실린더 형태의 막대 모양에 가까운데 Proximal (p=0.0428), distal (p<0.0001) 모두에서 통계적으로 의미 있는 영역 사이의 차이를 보였고 distal 에서 90-120°영역의 값이 의미 있게 낮았다(Fig. 7). Tb. Th 의 경우 BV, BV/TV 와 유사한 형태를 보이나 통계적으로 의미 있는 차이는 아니었다(Fig. 8). Tb. N 는 양쪽 모두에서 의미 있는 차이가 있었다(proximal: p=0.0089, distal: p<0.0001). 두 군 모두 90-150°에서 높은 값을 보였으며 proximal 의 경우 33360°영역의 값이 의미 있게 낮았고, distal 에서는 0-60°, 150-210°의 값이 유의하게 낮았다(Fig. 9). Tb Sp 역시 양 군 모두에서 통계적으로 의미 있는 차이가 있었으며(proximal: p=0.0389, distal: p<0.0001), distal 의 경우 60-150°의 값이 유의하게 낮았다(Fig. 10). DA 는 1 보다 클수록 이방성 정도가 커지는데 양 군 모두 p<0.0001 으로 구역 간에 뚜렷한 차이를 보였다. Proximal 에서는 330-30°및 150-210°사이의 값이 나머지 구간에 비해 의미
D 는 distal 에서만 p=0.0014 로 통계적으로 의미 있는 차이를 보였고 0-30°가 120-150°에 비해 의미 있게 작았다. 근위부와 원위부를 비교하였을 때 영역별로 다른 형태를 보였는데 BV/TV 의 경우 원위부에서 통계적으로 유의하게 0-120°, 150-210°에서 높은 값을 보였다. 그러나 Tb. Th 는 390°의 영역에서 근위부의 값이 높았고 Tb. N 는 0-210° 영역에서 통계적으로 의미 있게 근위부의 값이 더 컸다. 반면에 330-360°의 경우 원위부의 값이 더 커 뚜렷하게 구별되었다. Tb. Sp 는 전체적으로 원위부의 값이 더 크게 나타났으며 DA 는 근위부로 갈수록 높은 값을 보이는 구역이 많았고 Conn. D 는 0-60°에서 근위부의 값이 통계적으로 의미 있게 높았다(표 3).
- 12 -
표 3. 각 영역 내에서의 근위부와 원위부의 형태학적 지표의 비교.
Table 3. Comparison of morphologic parameters within each ROI between proximal and
distal segment. D means value of distal segment within a region is larger than that of
proximal segment and vice versa. Bold letter means there is statistically significant
difference. P-values are depicted in each comparison.
O- 30° 30-60° 60-90° 90-120° 120-150° 150-180° 180-210° 210-240° 240-270° 270-300° 300-330° 330-360° BV* D 0.021 D 0.026 D 0.007 D 0.003 D 0.008 D 0.030 D 0.023 D 0.008 D 0.003 D 0.004 D 0.002 D 0.015 BV/TV† D 0.007 D 0.003 D 0.024 D 0.021 D 0.089 D 0.004 D 0.005 D 0.163 D 0.237 D 0.213 D 0.207 D 0.013 BS/BV‡ D 0.062 D 0.018 D 0.057 D 0.089 D 0.329 D 0.064 D 0.138 D 0.624 - 0.849 D 0.682 P 0.723 D 0.189 SMI§ D 0.326 D 0.066 D 0.269 D 0.164 D 0.248 D 0.054 D 0.079 P 0.801 P 0.913 P 0.642 P 0.408 P 0.818 Tb.Th∥ (mm) P 0.043 P 0.018 P 0.027 P 0.067 P 0.152 P 0.146 P 0.344 - 0.467 - 0.821 P 0.470 - 0.753 P 0.141 Tb.N¶ (1/mm) P 0.005 P 0.001 P 0.034 P 0.011 P 0.087 P <0.0001 P 0.001 P 0.208 P 0.212 P 0.367 P 0.179 D <0.0001 Tb.Sp** (mm) D 0.001 D <0.0001 D 0.007 D 0.002 D 0.025 D <0.0001 D 0.011 D 0.083 D 0.079 D 0.186 D 0.053 D <0.0001 DA†† P 0.008 P 0.094 P 0.857 P 0.680 D 0.435 P 0.010 P 0.015 P 0.215 P 0.097 P 0.049 D 0.212 P 0.046 Conn.D‡‡ (1/mm3) P 0.043 P 0.009 D 0.441 D 0.166 D 0.535 P 0.936 D 0.104 D 0.288 D 0.399 D 0.362 P 0.385 P 0.079
*; BV, bone volume
†; BV/TV, bone volume/total volume (bone volume fraction) ‡; BS/BV, bone surface/volume ratio
§; structural model index ; Tb.Th, trabecular thickness, ∥
¶; Tb.N, trabecular number **; Tb.Sp, trabecular seperation ††; DA, degree of anisotropy ‡‡; Conn.Dn, Connectivity density
- 14 -
Fig. 4. Bone volume of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are presented
as mean ± SD (n=10). No significant difference was found among ROIs.
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 100 200 300 400 Bone volume (mm3)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 500 1000 1500 Bone volume (mm 3)B
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 20 40 60
80 Bone volume fraction (%)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 20 4060 Bone volume fraction (%)
B
Fig. 5. Bone volume fraction of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are
presented as mean ± SD (n=10). No significant difference was found in proximal segment
while significant difference in distal one. *=p<0.05 vs 90-120°
` * * * * *
- 16 - ° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.0 0.5 1.0
1.5 Specific bone surface (mm
2/mm3)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.0 0.5 1.01.5 Specific bone surface (mm
2/mm3)
B
Fig. 6. Specific bone surface of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are
presented as mean ± SD (n=10). No significant difference was found in proximal segment
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 -3 -2 -1 0 1 2
3
Structure model index (-)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 -1 0 1 23
Structure model index (-)
B
Fig. 7. Structure model index of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are
presented as mean ± SD (n=10). Significant differences were found among ROIs in both
segment. *=p<0.05 vs 90-120°
* *
* *
- 18 - ° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
Trabecular thickness (mm)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45Trabecular thickness (mm)
B
Fig. 8. Trabecular thickness of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
Trabecular number (1/mm)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.0 0.5 1.0 1.5Trabecular number (1/mm)
B
Fig. 9. Trabecular number of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are presented as mean ± SD (n=10). Significant differences were found among ROIs. *=p<0.05
vs 330-360°; †=p<0.05 vs 90-120°; ‡=p<0.05 vs 120-150° * * † † † † ‡ ‡
- 20 - ° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.0 0.5 1.0 1.5
Trabecular seperation (mm)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0.0 0.5 1.0 1.5Trabecular seperation (mm)
B
Fig. 10. Trabecular seperation of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are presented as mean ± SD (n=10). Significant differences were found among ROIs. *=p<0.05
vs 90-120°; †=p<0.05 vs 60-90°; ‡=p<0.05 vs 120-150° * * * * * †‡ ‡ ‡
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 1 2 3 4 5
Degree of anisotropy (-)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 1 2 3 4Degree of anisotropy (-)
B
Fig. 11. Degree of anisotropy of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are presented as mean ± SD (n=10). Significant differences were found among ROIs. *=p<0.05
vs 30-150°, 210-330°; †=p<0.05 vs 0-30°; ‡=p<0.05 vs 330-360°; §= p<0.05 vs 150-180°; ∥ =p<0.05 vs 180-120° * * * * † † † † † † † † ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ § ∥ §∥ § ∥ ∥
- 22 - ° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 2 4 6
Connectivity density (1/mm
3)
A
° 0-30 ° 30 -6 0 ° 60 -9 0 ° 90 -1 20 ° 12 0-15 0 ° 15 0-18 0 ° 18 0-21 0 ° 21 0-24 0 ° 24 0-27 0 ° 27 0-30 0 ° 30 0-33 0 ° 33 0-36 0 0 2 4 6Connectivity density (1/mm
3)
B
Fig. 12. Connectivity density of each ROI in proximal (A) and distal (B) segment. Data are presented as mean ± SD (n=10). No significant differences was found in proximal ROIs.
*=p<0.05 vs 120-150°
IV. 고찰
본 연구에서는 대퇴 골두 내부의 각 영역별로 부하의 정도가 다르기 때문에 미세 골 형성이 다를 수밖에 없으며 따라서 대퇴 골두 내부의 각 영역별로 미세 구조에 차이가 있을 것이라는 가설을 세우고 이를 검증하고자 하였다. 본 연구는 대퇴 골두 전체의 미세 구조를 종합적으로 파악하고자 미세단층촬영기를 이용하여 대퇴 골두 전체를 스캔하고 이를 MTD 의 방향에 따라서 정렬하여 일관성 있는 기준에 의해 미세 구조의 영역별 특징을 발견하였다. 저자들이 아는 한 이러한 연구는 전례가 없으며 대퇴 골두 전체의 미세 구조를 분석한 최초의 연구라고 할 수 있다. 본 연구에는 몇 가지 제한점이 있는데 첫째로 연구 대상이 비교적 고령이어서 골다공증이 진행된 상태로 이 시편이 전체의 평균적인 특성을 대별해주지는 못한다고 할 수 있다. 골다공증이 진행하면서 대퇴 골두 내부의 미세 구조 또한 변화한다. 그러나 최근의 대퇴 골두 연구에서 밝혀진 바에 의하면 골다공증이 진행되더라도 압박 골소주는 비교적 최후까지 남아 있게 되며 골소주의 크기가 비교적 일관성 있게 유지된다고 한다(Tanck et al., 2009). 따라서 본 연구가 비록 골다공증이 심한 공여자의 대퇴 골두를 이용하고 있으나 골 미세구조의 전체적인 경향성을 판단하는데 미치는 영향이 적은 편이라고 할 수 있다. 또한 좌, 우 구별 없이 시행된 분석으로 인하여 결과에 혼선을 줄 수 있으나 기존 연구에서도 같은 개체 내에서 좌, 우의 골질의 미세 구조 경향성에는 일관성 있는 공통점이 있다고 밝혀져 있기 때문에(Wright et al., 2012) 결과의 해석에서 있어 오류는 제한적이다. 둘째로 10 개라는 비교적 제한적인- 24 - 시편의 개수로 인하여 통계적 검정력이 떨어질 수 있다. 그러나 본 연구의 미세단층촬영의 경우 한 개의 관심영역에 120 장 이상의 단층이 있어 한 영역의 형태학적 지표 자체만으로도 높은 통계적인 검정력을 지닐 수 있으며 개체 별로 경향성은 동일하기 때문에 역시 결과의 신뢰도가 손상되지 않는다. 관심영역을 설정하는 과정에서 MTD 의 방향을 설정할 때 과연 일관성이 있는 방법이 적용되었는지에 대한 의문이 제기될 수 있다. 그러나 기존의 연구들에서도
MTD 를 설정하는 과정은 관찰자의 주관이 개입되었고(Ohman et al., 2007; Perilli et
al., 2007; Tassani et al., 2010) 본 연구에서 영역별로 통계적으로 유의미한 차이가
명확하게 나타났다는 점이 본 연구에서 MTD 설정의 일관성에 큰 문제가 없다는 사실을 반증한다. 관심영역을 대퇴 골두 상반부만으로 한정하여 전체적인 경향성을 알기 힘들다는 점을 또 다른 제한점으로 들 수 있으나 향후 후속 연구에서 대퇴 골두 전체를 좀 더 세분화하여 미세 구조가 원위부에서 근위부로 가면서 변화하는 양상을 보다 세밀하게 관찰할 예정이다. 본 연구에서는 형태학적 계수 중 단위 부피당 골량의 비율을 의미하는 BV/TV 가 원위부에서는 90-120° 영역에서 통계적으로 의미 있게 높으며 근위부로 갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 근위 대퇴골의 구조를 보면 대퇴 경부 내측에 위치하여 피질골 형태로 분포하고 있는 대퇴거(calcar)가 근위부로 이동하면서 대퇴 골두에 진입하게 되면 다수의 골소주, 즉 일차 압박 골소주로 분리되는 형상이 관찰된다. 다수의 골소주로 나뉘기 직전 대퇴거가 향하는 방향이 일반적으로 MTD 가 되는 것이다. 근위 대퇴부에는 전염(anteversion)이 있어 대퇴 골두가 경부의 전방에 위치하게 되며 MTD 의 방향에 비해 대퇴 골두는 상대적으로 전방부에 위치하게 된다. 따라서 일차 압박 골소주는 골두의 후방에 위치하게 될 것으로 예상되며 90-120°에서 상대적으로 BV/TV 가 높은 이유를
설명할 수 있다. 240-300°사이에서도 BV/TV 가 약간 상승하게 되는데 이는 일차
인장 골소주(primary tension trabeculae)가 위치하게 되기 때문으로 생각된다.
근위부에서는 이 부위의 골량 증가가 뚜렷하지 않다는 점이 그 이유인데 일차 인장 골소주가 주로 대퇴 골두의 원위 1/2 에 분포하고 있다는 사실이 이를 설명할 수 있다. 또 Tb. N 가 원위부에서는 240-300°부위에서 비교적 높으나 근위부에서는 낮은 편인데 이 또한 일차 인장 골소주가 더 이상 분포하지 않고 압박 골소주 만이 주로 분포하고 있기 때문으로 해석할 수 있다. 위의 두 영역 사이에 150-210°그리고 330-60°사이에 상대적으로 골소주가 적게 분포하는 영역이 존재함을 알 수 있는데 형태학적 지표 중에 명확하게 영역 별로 뚜렷하게 대조적인 양상을 보이는 DA 의 경우 뚜렷하게 150-210°그리고 330-30°부위에서 통계적으로 의미 있게 높으며 근위부로 갈수록 이 영역에서만 통계적으로 의미 있게 원위부에 비해 값이 커진다. 이 부위는 BV/TV 가 낮고 SMI 는 높은 부위로 이 부위에 골소주의 양이 적으면서 막대형의 골이 많이 분포함을 의미한다. 이는 상대적으로 일차 압박 소주의 분포가 적다라고 해석될 수 있다. 일차 압박 소주가 일상 생활에서의 지속적인 압박력에
대해 골이 적응(adaptation)하면서 형성되며 (Homminga et al., 2002; Homminga et al.,
2004; Stiehl et al., 2007) 그 결과 골소주의 모양도 판상형으로 변하고 SMI 는
낮아진다는 것이 기존의 동물 실험에서 입증되었다(Skedros et al., 2012). 일차 압박
소주의 분포가 많을 것으로 생각되는 90-120°영역의 SMI 가 의미 있게 낮다는
점도 이를 뒷받침한다. 이는 볼프의 법칙에 의해(Wolff’s law) 이 부위의
부하(loading)가 현저히 작기 때문으로 설명할 수 있다. 이 부위만 통계적으로
- 26 -
다른 부위와 전혀 다른 형태의 골소주가 분포한다는 사실을 간접적으로
입증하며 압박 골소주의 분포가 상대적으로 적음을 보여준다고 할 수 있다.
많은 정형외과 수술이 대퇴 골두 주변에서 시행되며 임프란트(implant)의
장기 생존을 위해서 임플란트 주변 뼈의 미세 구조에 대한 정확한 지식은 큰
도움이 될 수 있다(Johanson et al., 2011). 그 중 대퇴 표면 치환술(hip resurfacing
arthroplasty)은 영미권을 중심으로 비교적 젊은 환자에게 시행되고 있으며 우수한 단기 결과를 보고하고 있다. 그러나 독특한 구조로 인하여 경부 골절(neck fracture)과 같은 독특한 문제가 발생하고 있어 이를 개선하기 위해 디자인을 변형시키려는 시도가 이루어지고 있다. 최근의 3D 유한요소분석에 의한 연구에 의하면 스템 디자인과 고정 방법에 따라 대퇴 골두 내부의 응력 분포 양상이 달라지고(Rothstock et al., 2011) 스템이 작은 경우 90-120°영역에 해당하는 부위에서 지속적인 골질의 감소가 발생하는 것으로 나타났다(Pal et al., 2010). 임상적인 의미에 대해서는 지속적인 연구가 필요하지만 본 연구의 결과가 향후 표면 치환술 임플란트 디자인에 참고가 될 수 있을 것이다.
V. 결론
인간 대퇴 골두 내부의 미세 구조를 MTD 를 중심축으로 삼아 대퇴 골두 중심으로 영역을 나누어 분석하였을 때 형태학적 지표에 있어 영역 별로 상이한 특성을 보이며 원위부와 근위부의 차이 또한 영역 별로 차이를 보인다. 이와 같은 차이는 대퇴 골두 내부의 일차 압박 골소주 형태 및 분포를 반영하는 결과로 사료된다.- 28 -
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- ABSTRACT -
Analysis of the microarchitecutre of the human femoral head using
micro-computertomography
Hyung Min Ji
Department of Medicine The Graduate School, Ajou University (Supervised by Professor Ye Yen Won)
Purpose: The purpose of this study was to scan femoral heads from cadaveric donors and
investigate the microarchitecture within each femoral head comprehensively.
Material and methods: Ten proximal femora was harvested from eight human cadaveric
donors and these specimens were scanned using micro-computed tomography.
Reconstructed batches of images were aligned along the main trabecular direction(MTD).
The upper hemisphere of each femoral head was included in the analysis. Femoral neck
area was designated as 12 o'clock and 12 identical 30-degree arcs around a same center
were assigned in each image. Each volume of interest was sub-divided into proximal and
distal segment. Morphometric parameters were obtained in each reconstructed 3D volume
of interest(VOI).
Results: In proximal segments structure model index(SMI), trabecular number(Tb. N),
- 32 -
among VOIs. Bone volume fracture(BV/TV), SMI, Tb. N, Tb. Sp, DA, and connectivity
density(Conn. D) were differed among VOIs in distal segments. In 90-120° area, which is
located in posterior area BV-TV was highest and SMI was lowest. In 150-210° and 330-60°
area DA was higher than other areas and increased in proximal segment. In 240-300° area
trabecular thickness and number tended to be increased only in distal segments. In 0-60°
Conn. D was higher in proximal segments.
Conclusion: When the microarchitecture within human femoral head was analysis along
the MTD, morphometric parameters were distinctively different among VOIs. These
findings are assumed to be mainly due to the morphology and orientation of the primary
compressive trabeculae.
