근위 상완골 골절에서 금속판과 나사에 작용하는 스트레스 분포 : 유한요소분석

Abstract

Introduction 근위 상완골 골절에서 다양한 수술법들이 소개되고 있다. 가장 대중적으로 사용되고 좋은 임상적 결과를 보이고 있는 것은 금속판을 이용한 내고정술이다. 하지만 아직까지도 금속판을 이용한 내고정술에서 많은 기계적 합병증과 실패율을 보고하고 있다. 이에 금속판의 내고정술을 강화하기 위한 여러 방법들이 제안되고 있고, 그 중에서 많은 저자들이 내측 피질골의 지지대의 중요성을 강조하며 내측 지지(calcar) 나사의 적용 필요성에 대해 주장하고 있다. 하지만 골다공증성 골절은 내측 피질골의 지지를 얻기 어렵고, 분쇄를 동반한 골절이 흔하다. 이러한 경우, 내측 지지 나사의 지지대로서의 중요성이 주목받고 있고 적용의 필요성에 대해 주목받고 있지만, 통상적으로 내측 지지 나사의 위치상, 액와 신경의 손상 위험이 높아 내측 지지 나사를 실질적으로 적용하는 데에는 어려움이 많다. 이에 골절 후, 내측 지지가 없을 경우, 금속판의 고정력을 유지하고 금속판의 기계적 실패 및 합병증을 줄이기 위해 금속판에 적용하는 적절한 나사 위치와 배열, 그리고 그에 따른 스트레스 응집도의 분포도에 대해 이해하는 것이 필요하다. 이 연구의 목적은, 상완골 근위부 골절을 동반한 환자들의 컴퓨터 단층 촬영 검사(CT)를 이용하여 유한요소분석(Finite Element Analysis, FEA)을 시행하고, 내측 지지대가 없는 경우 금속판과 근위부 나사의 적용에 있어, 가장 적절한 스트레스 분배를 위한 최적의 나사 패턴과 가장 근위부에 위치하고 있는 나사의 역할, 그리고 내측 지지 나사의 역할에 대해 알아보고자 한다.

Methods CT Dicom 파일을 통하여 피질골과 해면골을 모두 포함하고 있는 3D 영상을 분리하여 구현하였다. 3D 영상을 통하여 뼈 모델을 재구축하였고 뼈 모델에 맞는 금속판과 잠김나사를 최적의 위치에 놓일 수 있게 설계하였다. 뼈, 금속판 그리고 잠김나사에 대해 사면체 요소(tetrahedral elements)로 표면 및 부피 mesh를 진행하였다. 뼈 모델의 경우, 각 요소에 대해 HU값을 통해 골밀도와 탄성계수(Elastic modulus)를 계산하여 부여해주었으며, 포아송 비(Poisson’s ratio)는 0.3으로 부여하였다. 금속판과 나사모델의 경우, 티타늄 소재에 맞추어 탄성계수 110GPa로, 포아송 비는 0.35로 부여하였다. 이후, Hyperworks 12.0 소프트웨어를 통하여 200N의 하중조건과 경계조건 그리고 뼈, 금속판, 나사간에 접촉조건을 입력하였다. 분석은 뼈에 작용하는 Von-Mises 응력으로 보았으며, 분석의 구체화를 위하여 4구역으로 나누어 국소 최대 응력을 측정하여 contour map으로 나타냈다. 분석 변수로는 골절 유형(2분위 골절, 3분위 골절)에 따른 경우와 나사 개수(근위부 나사 4개, 6개, 9개)에 따른 경우로 구분하여 진행하였다.

Results 상완골 근위부에 대해 정상 골모델과 비교했을 때, 2분위, 3분위 골절과 같이 골절의 양상이 복잡할수록 상완 골두 부위에 응력 집중정도가 증가하였으며, 상대적으로 가장 근위부에 위치하는 나사 주변 골 부위에서 응력 집중 정도가 증가하였다. 최대 Von-Mises 응력 크기 또한 골절 유형이 복잡해질수록 큰 값을 나타냈다. 외과적 경부 골절 부위에 대해서 골절이 복잡해질수록 골절 외측 위치 주변으로 응력이 집중됨을 확인할 수 있었다. 최대 Von-Mises 응력 크기도 상완골 근위부 지역과 마찬가지로 상이하였다. 원위부의 경우 골절이 생기면 정상상태와 비교하였을 때 응력 패턴자체가 바뀌었다. 원위부에서는 골절이 복잡해지더라도 응력 집중 위치나 최대 Von-Mises 응력 크기는 큰 차이를 보이지 않았다. 응력 집중에 대한 정량적 비교결과, 상완골 근위부(upper)지역에 대해서는 골절이 복잡해지면 일정 응력 분포값(1 Mpa) 이상의 요소(elements)가 더 많이 분포하였지만, 상완골 원위부(lower)지역에 대해서는 골절이 복잡해지더라도 그 차이가 근위부 지역에 비해서 상대적으로 미미하였다. 상완골 근위부에서 모든 나사가 적용된 골모델과 비교하여 근위부 나사의 개수가 적어질수록 근위부 골에서 응력 분포가 뚜렷이 많아짐을 확인할 수 있었다. 또한 나사의 개수에 상관없이 상완골 근위부에 적용된 나사 중 가장 하단에 위치하는 나사에서 뚜렷이 응력이 집중됨을 확인할 수 있었다. 최대 Von-Mises 응력 크기 또한 나사 개수가 많이 적용되면 크기를 감소시킬 수 있음이 확인되었다. 경부 지역의 응력에 대해서 상완골 근위부에 위치하는 나사의 개수와 관계없이 외과적 경부 골절면 근위부, 원위부 외측 지역에서 응력 집중을 보였다. 상완골 원위부에서는 어떠한 형태의 나사 배열에서도 비슷한 패턴의 응력 분포를 상완골 원위부 D1 나사 통로 근처에서 보였다. 최대 Von-Mises 응력의 크기와 위치 또한 나사 배열에 관계없이 D1 나사 통로 근처에서 관찰되었다. 나사 개수에 따른 모델에서 정량적인 분석에서는, 상완골 근위부 지역에서 나사 개수가 적어지면 일정 응력 분포값(1 Mpa) 이상의 요소(elements)가 더 많은 비율을 보였지만, 상완골 원위부 지역에 대해서는 나사의 개수에 상관없이 그 차이가 미미하였다.

Conclusion 본 연구를 통해 내측 지지(calcar) 나사는 하중을 지지하고 정복을 막는 역할을 수행한다는 것이 내측 지지 나사가 존재할 경우 경부 주변과 근위부의 비정상적 응력 분포를 최소화시킴을 보임으로써 증명하였다. 하지만 임상적으로 내측 지지(calcar) 나사의 적용이 어렵고, 3분위 이상의 복합 골절의 경우, 근위부의 비정상 하중을 가장 근위부에서 상대적으로 많이 받음을 확인하여, 가장 근위부에 위치하는 나사 중요성을 확인할 수 있었고, 이는 실제 임상에서 적용할 경우에 보다 골밀도가 높은 상완골 근위부, 연골하에 나사가 위치할 수 있도록 신중하게 삽입하는 것이 중요하겠다. 더불어, 본 연구결과를 통해 상완골 근위부 골절에서 금속판 적용시 발생하는 생체역학적 효과에 대해 규명하였고 각 나사의 역할을 재조명하였다.