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척추 질환 치료/재활을 위한 노령 척추 CAE 모델 및 의료기기 제품화 기술
김 윤 혁 경희대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : yoonhkim@khu.ac.kr 박 원 만 경희대학교 기계공학과 연구교수 ㅣ e-mail : muhaguy@khu.ac.kr
이 글에서는 척추 생체역학 연구를 위한 다양한 컴퓨터 시뮬레이션 생체역학 모델을 소개하고, 이를 이용한 척추 퇴 행성 질환 관련 임상 및 의료기기 개발 관련 연구 사례들을 소개하고자 한다.
UN의 기준에 따르면“노인”이란 65세 이상의 사람을 말하며, 65세 이상의 인구가 총인구에서 차지하는 비율 에 따라서, 고령화 사회(7% 이상), 고령사회(14% 이상), 후기고령사회 또는 초고령사회(20% 이상)로 구분된다.
우리나라는 지난 2000년 65세 이상의 인구가 전체 인구 의 7%로 고령화 사회에 접어들었으며, 오는 2018년에 고령사회를 거쳐, 2026년에는 초고령사회로 진입할 것 으로 예측되고 있다(그림 1). 이러한 급속한 사회 고령 화와 함께 퇴행성 질환 또한 급속하게 증가하고 있는 것 으로 알려져 있다. 2009년부터 2013년까지의 주요수술 통계에 의하면 20개의 주요 질병 중 진료비용 측면에서 가장 많은 비중을 차지하는 수술은 일반 척추수술, 백내 장 수술, 슬관절 치환술로 모두 사회 고령화와 관련이
높은 퇴행성 질환에 따른 수술들이다. 이중에서도 척추 수술에 가장 많은 진료비가 지출되는 것으로 조사되었 다.(그림 2)
척추 수술에 대한 사회적 비용의 증가와 함께 사회적 관심 또한 증가하고 있으며, 이에 따라 척추 수술 및 치 료시 발생하는 다양한 문제를 해결하기 위한 생체공학 연구들이 수행되고 있다. 생체공학 연구에서 가장 일반 적인 연구 방법은 사체를 이용한 실험이다. 하지만, 사 체를 이용한 실험에서는 사체의 상태와 실험 환경에 따 라 실험 결과에 큰 차이가 발생할 뿐 아니라, 생체 조직 내부에 걸리는 응력을 볼 수 없는 등 획득 가능한 생체 역학적 정보의 한계가 있다. 이에 반하여 컴퓨터 시뮬레 이션 모델을 이용할 경우, 실험 환경에 영향을 받지 않
그림 1우리나라 65세 이상 고령인구 비율(2012 한국의 사회 지표, 통계청, 2012)
그림 2연도별 주요 수술 진료 비용(주요 수술 통계, 국민건 강 관리공단, 2010~2013)
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을 뿐 아니라 조직 내부의 응력 분포, 접촉 분포, 변형 에너지 등 다양한 생체역학적 정보를 획득할 수 있다.
이러한 이유로 컴퓨터 시뮬레이션은 생체역학 분야에 서 지난 30여 년간 활용되고 있다. 인체 조직 물성 정보 에 대한 선행 연구와 컴퓨터 소프트웨어 및 하드웨어의 발전으로, 인체 컴퓨터 시뮬레이션 모델의 정확성은 날 로 향상되고 있으며, 다양한 생체역학 분야에서 컴퓨터 시뮬레이션 모델이 활용되고 있다. 이에 필자는 척추 생 체역학 연구를 위한 다양한 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 소개하고, 이를 이용한 척추 퇴행성 질환 관련 연구 사 례들을 소개하고자 한다.
척추 컴퓨터 시뮬레이션 모델
척추 생체역학 연구에 활용되는 인체 모델은 유한요 소 모델과 동역학 모델로 구분할 수 있다. 유한요소 모 델의 경우, 척추를 구성하는 척추뼈, 연골종판, 윤상인 대의 섬유, 윤상인대의 기질, 수핵, 주요 인대, 후관절의 연골 등을 솔리드 요소, 선형 요소, 면 요소 등을 이용하 여 구성하고, 각각에 대한 물성을 부여하여 개발하게 된 다(그림 3). 개발된 모델은 척추에 부가된 하중 조건에 서 척추뼈, 윤상인대 및 주요 인대, 후관절에 발생하는 응력, 접촉력, 변형률 등을 분석하는 데 사용된다. 이에 반하여 동역학 모델에서 척추뼈는 주로 강체로 가정되 며, 추간판과 인대 등은 스프링으로 단순화되어 적용되 고, 근육은 스프링-뎀퍼 또는 선형 액추어에터로 묘사된 다. 구성된 동역학 모델은 주로 동작 분석 장치를 이용 하여 획득한 인체 기구학 정보와 결합되어 특정 운동에 서 근육 및 관절력을 계산하는 데 활용된다.(그림 4)
개발된 모델의 검증
개발된 척추 컴퓨터 시뮬레이션 모델은 연구에 사용 하기에 앞서 검증이 선행되어야 한다. 일반적으로, 유한 요소 모델의 경우 사체 실험 결과와 비교하여 검증된다
그림 38개의 서로 다른 연구그룹에서 개발한 요추 유한요소 모델(Dreischarf et al., J. Biomech, 47(8), 2014)
그림 4척추 근골격 동역학 분석 모델(Khurelbaatar et al., KSME Autumn Annual Meeting, 2014)
그림 5 사체를 이용한 척추 실험(Renner et al., J.
Biomech, 40(6), 2007)
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(그림 5, 6). 생체역학 분야에서 가장 일반적인 연구 방 법이 사체를 이용한 실험 연구이기에, 현재까지 사체를 이용한 실험 데이터가 축적되었을 뿐 아니라, 현재에도 이러한 연구는 지속적으로 수행되고 있다. 이들 실험 연 구에서 사용한 하중 및 구속조건과 동일한 조건을 개발 된 척추 모델에 부가하고, 이때의 척추 각 분절의 움직 임을 사체 실험의 결과와 비교하여 개발한 모델을 검증 하게 된다. 척추 분절의 움직임뿐 아니라, 추간판 수핵 의 내압 또한 척추 유한요소 모델의 검증에 사용되기도 한다. 동역학 모델의 경우, 유한요소 모델과 같이 특정 하중 상황에서 사체 실험의 결과와 비교되어 검증되기 도 하지만, 인체의 동작 중 관절력 및 근력은 in-vivo 실 험에서 획득한 추간판 내압, 근 활성도 및 근력 정보와 비교하여 검증된다.
컴퓨터 시뮬레이션 모델을 이용한 퇴행성 척추 생체역학 연구 사례
개발된 컴퓨터 시뮬레이션 모델은 사회 노령화에 대 한 관심 증대와 함께 퇴행성 질환의 생체역학적 특성 분 석, 퇴행성 질환의 치료에 사용되는 치료 방법의 효과 분석 등에 널리 활용되고 있다. 첫번째로 가장 흔한 척 추 퇴행성 질환 중 하나인 골다공증 분석에 척추 컴퓨터 시뮬레이션 사용 사례를 소개하고자 한다.
척추에 골다공증이 발생하게 되면, 겉질뼈보다는 주 로 척추뼈 가운데 부분의 해면뼈의 골밀도가 감소하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 솔리드 요소로 모델링 되는 척추뼈의 해면뼈 부분을, 빔 요소를 이용하여 실제 해면뼈의 구조와 유사한 구조로 묘사하여 상세 척추뼈 모델을 개발할 수 있다. 그리고, 해면뼈를 구성하는 빔 사이의 간격을 조절함으로써 골다공 정도를 묘사하여, 정상, 골감소, 골다공증 척추뼈 모델을 개발하였다. 이 렇게 상세한 해면뼈 구조를 묘사한 척추뼈 모델을 이용 한다면, 골다공증으로 인한 다양한 형태의 척추뼈의 압 박골절의 원인을 분석할 수 있다.(그림 7)
척추뼈와 같은 경조직뿐 아니라, 추간판과 같은 연조 직의 퇴행성 질환 또한 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 이용 하여 묘사가 가능하다(그림 8). 추간판 수핵의 수분 함 량이 감소하고, 이로 인하여 추간판의 높이가 낮아지는 척추 협착증은 추간판에서 나타나는 대표적인 퇴행성 질환이다. 수핵의 물성을 비압축성에서 압축성으로 변 화시키고 추간판의 높이를 감소시킴으로써 수핵의 수 분 감소를 묘사할 수 있다. 또한, 추간판의 높이가 낮아 지게 되면, 윤상인대와 주요 인대에 좌굴이 발생하는데, 이는 각각의 인대들의 물성을 나타내는 응력-변형률 선 도를 off-set 하여 묘사할 수 있다.
척추뼈에 골다공 정도가 심해지게 되면, 헛디딤 등의 작은 충격에도 척추뼈가 골절되기도 한다. 골다공 정도 가 심한 척추뼈에 압축 하중에 의하여 방출성 골절이 발 생하게 되면, 부서진 척추뼈를 제거하고, 그 자리에 척
그림 6요추 유한요소 모델의 검증을 위한 분절 운동 비교 (Park et al., Comput Biol Med, 43(9), 2013)
그림 7상세 해면뼈 구조를 가지는 척추 모델을 이용한 골다 공 정도에 따른 추체의 골절 분석 : (a) 정상 추체 (50세 이하), (b) 골감소 추체 모델 (50세~75세), (c) 골다공 추체 (75세 이상) (Kim et al., KSME Spring Annual Meeting, 2013)
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추뼈를 대신하는 케이지를 삽입한 후 골절된 척추뼈의 위-아래뼈를 나사못과 금속봉을 이용하여 연결하는 유 합술을 시행하게 된다. 척추 유한요소 모델을 이용하면, 이러한 유합술에 사용되는 다양한 수술법이 척추 생체 역학에 어떠한 영향을 미치는지 분석할 수 있으며(그림 9), 이러한 자료는 보다 안전하고 효과적인 수술방법의 개발에 기초 자료로 활용될 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이 컴퓨터 시뮬레이션 모델의 정 확성과 신뢰성은 꾸준히 향상되고 있다. 이와 함께 인체 컴퓨터 시뮬레이션 모델은 다양한 질환의 분석뿐 아니
라 새롭게 개발된 의료 도구의 성능평가 등에도 활용되 며, 그 활용 분야가 지속적으로 확장되고 있다(그림 10). 또한 컴퓨터 시뮬레이션 모델은 현재 의료기기의 성능 시험에 사용되고 있는 ASTM 시험 방법을 보완하 는 방법으로도 활용될 수 있을 것이며(그림 11), 생체공 학 분야에서 컴퓨터 시뮬레이션 모델의 중요성은 날로 향상될 것으로 전망된다. 이에 따라, 생체역학 분야에서 인체 컴퓨터 시뮬레이션 모델에 보다 많은 관심이 필요 할 것으로 생각된다.
그림 8제4-5 요추 분절에 다양한 정도의 추간판 퇴행이 고 려된 요추 유한요소 모델(Park et al., Comput. Biol Med, 43(9), 2013)
그림 11동일한 요추 케이지에 대한 다양한 시험 방 법(Kim et al., Proc. Inst. Mech. Eng. H, 226(4), 2012)
그림 9척추 유한요소 모델을 이용한 방출성 골절 치료를 위 한 유합술 분석(Park et al., J. Orthop Sci, 14(4), 2009)
그림 10경추 유한요소 모델을 이용한 인공추간판의 성능 평가(Lee et al., Spine, 36(9), 2011)
