최근 5년 간 무릎 인공관절 전치환술(Total knee arthroplasty)의 건수는 5년 전과 비교하여 약 3배 가까
이 급격하게 증가하였다. 무릎 인공관절 전치환술에 있 어서 중요 수술인자는 절단된 넙다리뼈와 정강뼈 간의 공간 확보량, 무릎관절의 굽힘 및 신장을 고려한 곁인 대(Collateral ligament) 대변형량, 연부조직(인대, 근육) 균형화 정도 등을 들 수 있다. 특히, 넙다리뼈와 정강뼈 사이의 적절한 공간 확보량은 인공관절의 안정적 삽입 및 정착을 위해서 매우 중요하나 안쪽 곁인대(Medial collateral ligament)의 경우 양측 뼈의 내측면에 접착되 어 제한된 변형으로 둘 사이의 공간을 제한하고 있다 (그림 1(a)). 따라서, 넙다리뼈와 정강뼈 간의 적절한 공 간 확보를 유도하기 위해 곁인대의 대변형이 유도되어 야 하며 이를 위하여 곁인대 이완절개술(Pie crust
전 인 수 전남대학교 기계공학부 부교수 ㅣ e-mail : [email protected] 배 지 용 전남대학교 기계공학부 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected] 곽 대 순 가톨릭대학교 응용해부학연구소 연구조교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 무릎 인공관절 전치환술(Total knee arthroplasty) 시 곁인대 이완 절개술(Pie crust technique)에 의한 곁 인대 대변형의 정량화 방법에 대하여 소개한다.
무릎 인공관절 전치환술 시 곁인대 이완 절개술에 의한 곁인대 대변형의 정량화
그림 1(a) 인체 무릎의 곁인대; (b) 곁인대 이완을 위한 절개 술(좌)과 연부조직 균형화(우)
(a)
(b) 그림 2(a) 안굽이무릎 변형이 수반된 무릎 인공관절전치환
대상 환자; (b) 실패한 인공관절전치환술(안쪽 관절면 간격이 좁아져 있음)
(a) (b)
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technique)을 실시한 후 적절한 연부조직 균형화(Soft tissue balancing)가 필요하다(그림 1(b)). 그러나 현재 까지 곁인대 이완절개술은 곁인대의 대변형 유도를 위 한 정량적 평가없이 의사들의 경험에 의해 예측되어 실 시되고 있으며, 이는 인공관절전치환술의 실패의 주원 인으로 작용한다(그림 2). 그러므로 성공적인 인공 관 절전치환술을 위해서는 곁인대 이완절개술에 의한 곁 인대 대변형 유도에 대한 정량적 평가가 반드시 필요하 다. 이에 필자는, 무릎 인공관절전치환술과 곁인대 이 완절개술 과정에 대한 유한요소 해석 및 기증시신 실험 검증을 통한 곁인대 대변형의 정량화 방법에 대하여 설 명하고자 한다.
곁인대 구성조직들의 물성치 측정
일반적으로 인대나 건 등은 길이 방향으로 배열된 섬 유조직들과 이를 결합하는 연조직으로 구성되어 있으 며, 곁인대도 이와 다르지 않다(그림 3(a)). 곁인대의 대 변형 분석을 위해서 곁인대를 구성하는 각각의 조직에 대한 정확한 물성평가가 필요하다. 기증 시신으로부터 곁인대 적출 후, 곁인대를 구성하는 각각의 조직들에 대한 마이크로 압입테스트 또는 단축인장실험 실시 후 재료 물성치를 확보한다.(그림 3(b), 3(c))
곁인대의 3차원 기하학적 모델링 및 유한요소해석
곁인대의 3차원 재구축을 위해 기증 시신으로부터 적출한 곁인대를 냉동한 후 적정한 간격으로 절단한 후 광학현미경을 이용한 곁인대의 절단 단면 사진을 획득 한다(그림 4(a)). 획득한 각각의 단면 사진을 이용하여 구성 조직들을 모두 포함하는 곁인대의 기하학적 3차원 모델링 재구축한다.(그림 4(b))
곁인대의 기하학적 모델을 이용하여 곁인대 이완절 개술 실시 전, 가상의 실시 후의 곁인대 형상에 대한 유
그림 3(a) 곁인대의 방향성 섬유조직 및 연조직; (b) 마이크로 압입테스트 장비; (c) 기증 시신의 연골에 대한 마이크로 압입실험 예
(a) (b) (c)
그림 4(a) 광학현미경시스템; (b) MCL 단일 인대의 기하학 적 모델링 예(인터넷 자료)
(a) (b)
무릎 인공관절 전치환술 시 곁인대 이완 절개술에 의한 곁인대 대변형의 정량화
한요소 모델을 제작한다(그림 5). 마이크로 압입 실험 을 통해 측정한 곁인대의 물성치와 곁인대의 유한요소 모델에 단축인장 실험 상황과 동일한 경계 및 하중 조 건을 적용하여 해석을 실시한 후, 곁인대 자체의 변형 량을 확보한다.
유한요소 모델링 및 해석기법의 타당성 검증
이완절개술 실시 전의 곁인대와 실시 후의 곁인대를 이용하여 각각 단축인장 실험을 실시한 후 실제 변형량 을 측정한다(그림 6(a)). 인장실험 시 정확한 변형량의 측정을 위해 그림 6(b)에 나타난 정밀변형측정센서를 사용하여 정밀한 곁인대 변형을 측정한다. 획득한 곁인 대 변형 측정결과를 곁인대에 대한 유한요소 해석결과 와 비교 후, 곁인대 모델링 기법 및 유한요소 해석 기법 의 적합성 평가를 실시한다.
무릎 인공관절전치환술 및 곁인대 이완절개술의 유한요소해석 및 실험
적출한 무릎관절부에 대한 CT 영상을 촬영한 후 이를 이용한 넙다리뼈와 정강뼈의 3차원 모델 재구축을 실시 하고, 재구축된 모델로써 기하학적 모델을 제작하고, 검 증된 곁인대 모델을 부착하여 무릎관절부에 대한 기하 학적 모델링을 완료한다. 가상의 무릎 인공관절 치환술 과정을 구현하기 위하여 넙다리뼈와 정강뼈 모델의 절 단을 Boolean operation을 통하여 실시한다. 최종 제작 된 기하학적 모델을 이용하여 유한요소모델을 제작한 후(그림 7(a), 7(b)), 무릎관절의 뼈, 연조직 및 곁인대 등에 대한 물성치와 제작된 유한요소 모델에 무릎 인공 관절전치환술 과정 시 시술자의 손에 의해 작용되는 경 계조건을 고려하여 유한요소 해석을 수행한다.
무릎 인공관절전치환술 전 과정에 대한 기증시신 실 험 실시 후 넙다리뼈와 정강뼈 간의 공간 확보량, 연부 조직 균형화 정도 및 곁인대의 변형량을 측정한다(그림
그림 5(a) 곁인대의 유한요소 모델링의 예; (b) 유한요소 해 석결과의 예(인터넷 자료)
(a) (b)
그림 6(a) 단축 인장 압축 실험장비를 이용한 무릎관절 압축 테스트의 예; (b) 정밀변형측정센서와 기증시신 곁인 대에 적용한 예
(a)
(b)
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8). 넙다리뼈와 정강뼈 간의 공간 확보량, 곁인대의 변 형량 등에 대한 계산 결과를 확보한 후 기증 시신 실험 결과와 비교실시를 통하여 해석 기법의 적합성을 검증 한다.
다양한 곁인대 이완절개술에 대한 곁인대 대변형의 유한요소
해석 및 이를 통한 곁인대 대변형의 정량화
무릎 인공관절전치환술에 대한 검증 된 유한요소해석 모델을 이용하여 칼집 형상, 위치, 횟수에 의한 다양한 곁인대 이완절개술에 대한 곁인대의 유한요소 모델 제작 후, 해석을 실시 한다(그림 9). 또한 무릎 인공관절전치환 술 실시 후의 무릎관절의 굽힘 및 신장 시 시술자의 손 에 의해 작용되는 경계조건을 고려하여 유한요소해석
그림 7(a) 무릎관절에 대한 유한요소 모델링의 예; (b) 무릎관절 연부조직 모델링의 예
(a) (b)
그림 8넙다리뼈와 정강뼈 간의 공간 확보량의 측정 예(좌)와 곁인대 이완절개 실시 후의 곁인대 변형량 측정 예(우)
그림 9곁인대 절제술의 개념도(좌)와 다양한 곁인대 이완 절개술의 종류(우)
무릎 인공관절 전치환술 시 곁인대 이완 절개술에 의한 곁인대 대변형의 정량화
을 실시한다. 곁인대 이완절개술에 따르는 무릎구조 교
정 여부 및 곁인대 대변형의 적절성에 대하여 평가한다 (그림 10(a), 10(b)). 해석의 결과로써 넙다리뼈와 정강 뼈 간의 공간과 연부조직 균형화를 위한 곁인대 대변형 량을 확보하고, 인공관절 치환술 실시에 대한 곁인대 변형량을 정량화한다.
위에서 소개한 유한요소해석과 기증시신 실험을 통 한 곁인대의 대변형의 정량화는 임상적 또는 산업적 측 면으로 의의가 있다. 곁인대를 필요한 만큼 정량적으로 이완시키는 절개기법을 정립하거나, 골격부분의 기형 으로 유발된 연부조직 차이의 불균형을 효과적으로 교 정할 수 있는 곁인대 이완절개 수술법으로도 활용이 가 능하다. 또한 무릎인공관절 전치환술을 위한 새로운 수 술기구의 개발을 유도하여 의료산업분야의 제품생산에 도 기여할 수 있다.
그림 10무릎관절 신장 상태에 대한 유한요소해석 사례: (a) 체중에 의한 무릎 연부조직의 응력 분포; (b) Meniscus의 응력 분포
(a) (b)
