역행성 견관절 전치환술 고정성의 생체역학적 평가를 위한 근육별 힘 재분배 정합 모델 개발 및 환자 맞춤형 유한요소해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Reverse total shoulder arthroplasty (RTSA) restores elevation in rotator cuff–deficient shoulders by reconstructing the load path around the deltoid, yet baseplate fixation failure, acromial fractures, and proximal humeral stress shielding remain clinically relevant complications. RTSA fixation is sensitive not only to the magnitude of the joint reaction force but also to the muscle-specific redistribution that changes load composition and lines of action. However, many RTSA finite element (FE) studies still rely on a single resultant joint force and therefore cannot fully reflect cuff-dependent changes in postoperative loading.
The primary objective of this study was to develop a literature-calibrated, EMG-free model that quantitatively matches postoperative muscle-specific force redistribution after RTSA. We established a musculoskeletal static optimization (MSK–SO) pipeline using a six-muscle shoulder model (DelA, DelM, SUPSP, SUBSC, INFSP, PECM2) and calibrated it against cadaveric and in vivo references across nine rotator cuff scenarios. The optimization was designed to match joint torques, moment arms, muscle force–angle profiles, and glenohumeral joint (GHJ) force components. The calibrated outputs were standardized in a unified coordinate system and converted into two FE-ready load sets: Case 1, a single resultant GHJ load, and Case 2, a mixed load comprising muscle resultants and a residual GHJ vector that enforces overall force equilibrium.
The secondary objective was to connect the calibrated load sets to patient-specific FE models and quantify how surgically controllable positioning variables affect RTSA fixation mechanics. Patient-specific RTSA FE models were constructed for six cadaveric shoulders under shared material properties, contact and boundary conditions, and mesh-independence criteria. Across 15–120° abduction and nine cuff scenarios, we evaluated baseplate–bone micromotion (95th percentile), acromial and glenoid rim stresses, and proximal humeral stress shielding.
Case 2 tended to reduce baseplate–bone micromotion compared with Case 1 while better reproducing clinically reported loading features such as glenoid rocking and acromial stress patterns. Divergent screw angulation relative to a horizontal baseline provided the largest micromotion reduction, whereas screw length and number had smaller effects. A thin humeral stem combined with neutral or mild valgus alignment mitigated both micromotion and stress shielding, and glenosphere lateralization of approximately 5 mm minimized micromotion and rim stresses, while excessive lateralization increased glenoid and acromial stresses.
In summary, this study develops an EMG-independent, literature-calibrated muscle force redistribution matching model for RTSA and standardizes its outputs into FE inputs. By linking the calibrated load composition to patient-specific FE analysis, the framework provides quantitative guidelines for screw orientation, humeral stem alignment/diameter, and glenosphere lateralization that can be translated into preoperative RTSA planning.

국문 초록 (Abstract)

역행성 견관절 전치환술(reverse total shoulder arthroplasty, RTSA)은 회전근개 결손에서 deltoid 중심으로 하중 경로를 재구성하지만, baseplate 고정 실패, acromion 골절, humerus stress shielding 등이 여전히 보고된다. RTSA의 고정성 평가는 관절 합력의 크기뿐 아니라 근육별 힘 재분배에 의해 결정되는 성분 조합과 작용선 변화에 민감하나, 기존 유한요소해석은 단일 관절력 하중에 의존하여 회전근개 상태에 따른 하중 구성 변화를 충분히 반영하지 못한다.
본 연구의 1차 목적은 표면 EMG 없이 문헌 기반으로 RTSA 후 근육별 힘 재분배를 정량적으로 정합하는 모델을 개발하는 것이다. 이를 위해 여섯 근육을 포함하는 근골격계 정적 최적화 파이프라인을 구축하고, 회전근개 상태를 반영한 여러 시나리오에서 토크, 모멘트암, 근육력 및 관절 성분을 cadaver 및 in vivo 자료에 정합하였다. 정합된 결과는 권고 좌표계와 고정 매핑 규약으로 표준화하였으며, 단일 관절력 하중(Case 1)과 근육 합력 및 잔차를 포함하는 혼합 하중(Case 2)으로 변환 가능한 하중 세트를 산출하였다.
2차 목적은 상기 근육별 힘 재분배 정합 모델의 산출물을 환자 맞춤형 유한요소해석 입력으로 연계하여, RTSA 고정성의 위치 변수 영향을 정량화하는 것이다. 환자맞춤 RTSA 유한요소 모델에서 각 하중 케이스와 시나리오를 적용하고, baseplate-bone 계면 micromotion, acromion 응력, proximal humerus stress shielding 지표를 비교하여 screw 방향, humeral stem 정렬과 직경, glenosphere lateralization의 영향을 평가하였다.
그 결과, Case 2는 Case 1 대비 glenoid rocking과 acromion 응력 분포를 더 잘 재현하면서 micromotion을 감소시키는 경향을 보였다. screw는 수평 기준 발산 배치에서 micromotion 저감 효과가 가장 컸고, humeral stem은 얇은 직경과 neutral 또는 경미한 valgus 정렬이 micromotion과 stress shielding을 동시에 완화하였다. glenosphere lateralization은 약 5 mm에서 micromotion과 rim 응력을 최소화하였으며, 과도한 lateralization에서는 glenoid와 acromion 응력 증가가 관찰되었다.
요약하면, 본 연구는 문헌 정합 기반 무 EMG 근육별 힘 재분배 정합 모델을 개발하고, 이를 Case 1 및 Case 2 표준화 하중으로 정리하여 환자맞춤 RTSA 유한요소해석에 연계하였다. 또한 위치 변수의 상대적 영향을 정량화함으로써 수술 전 환자특이 최소 micromotion 조합을 제시하는 가상 RTSA 평가 프로토콜을 제안하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1 서 론. 1
• 1.1 연구 배경 . 1
• 1.2 연구목적. 5
• 1.3 선행연구 고찰. 8
• 1.3.1 RTSA 생체역학과 Deltoid 중심 재구성 . 8
• 1.3.2 회전근개 상태 이질성과 관절 하중 11
• 1.3.3 근골격계 하중 추정과 유한요소 연계 동향 13
• 1.4 연구가설. 15
• 1.5 연구범위와 기여 . 18
• 2 방법Ⅰ: 근골격계 하중 구축과 내부 검증 . 21
• 2.1 모델과 입력 21
• 2.2 문헌 정합 절차. 25
• 2.2.1 토크 동등화 . 26
• 2.2.2 모멘트암 및 근육력 동등화 . 27
• 2.2.3 정적 최적화 설정과 검증 절차 30
• 2.3 시나리오 정의와 출력 형식 35
• 2.4 내부 검증과 품질관리. 38
• 2.5 소결 44
• 3 방법Ⅱ: 환자맞춤 유한요소 모델과 공통 설정. 45
• 3.1 데이터셋과 전처리 45
• 3.2 분할과 표면, 솔리드 모델 생성 48
• 3.3 해부학 좌표계와 기준자세 52
• 3.4 재료 모델 . 56
• 3.5 접촉과 경계조건 . 59
• 3.6 하중 표준화와 케이스 구성 62
• 3.7 메쉬 독립성 및 수렴 기준 65
• 3.8 소결 69
• 4 결과Ⅰ: 하중 구성의 영향 . 71
• 4.1 연구질문과 분석계획 72
• 4.2 관절력 단일 하중과 혼합 하중 비교. 76
• 4.3 시나리오별 경향 요약. 82
• 4.4 소결 90
• 5 결과Ⅱ: 위치 변수별 구조응답 92
• 5.1 Screw 방향 94
• 5.2 Stem 정렬과 두께 99
• 5.3 Glenosphere lateralization 107
• 5.4 소결. 111
• 6 다변량 최적화와 권고 조합 114
• 6.1 설계공간과 반응 지표 115
• 6.2 단순 회귀 분석과 민감도 해석 119
• 6.3 환자맞춤 설계 권고의 도출 . 124
• 7 강건성 검토와 재현성 127
• 7.1 메쉬 독립성 검토 128
• 7.2 접촉/경계 민감도. 130
• 7.3 문헌치 간접 비교 133
• 7.3.1 문헌치 간접 비교 135
• 7.4 데이터 품질과 공개 원칙. 140
• 7.5 한계와 불확실성 142
• 7.6 소결. 145
• 8 종합고찰 및 결론 . 147
• 8.1 주요 발견 요약 148
• 8.2 임상 및 설계 가이드 제안. 152
• 8.3 향후 과제 156
• 9 참고문헌. 159
• 10 부 록. 167
• 10.1 부록 1. 167
• 10.1.1 정적 최적화 파라미터 값 및 근거. 168
• 10.2 부록 2. 171
• 10.2.1 분석 데이터셋 주요 필드 정의 172
• 10.2.2 약어 및 변수 기호. 175
• 10.2.3 좌표축 및 부호 규약 . 176
• 11 ABSTRACT. 177