의료용재료의 최근 개발현황

김영하 대한의용생체공학회 1989 의공학회지 Vol.10 No.2

근래에 생명과학과 의료기술의 발전으로 인공장 기의 설용화와 더불어 생체에 이용되는 새로운 소재의 개발이 매우 활발하다. 생체의료용 재료는 독성 이 없고, 생체適合性(biocompatibility)이 우수하며, 생체의료기능과 생체內 내구성이 뛰어나 야한다. 재료의 생체적합성은 생체와 접촉시에 부작용을 일으키지 않는 성질이다. 재료가 혈액과 접촉하면 혈액이 응고되며, 응혈형성이 억제되는 혈액적합 성(blood compatibility)재료의 개 발은 혈관, 인공 심장, 인공신장 및 인공섬폐기등의 순환계 인공장 기개발에 펄수적이다. 또한 재료가 생체조직과 접 촉시에 발열, 염증, 조직폐사플 야기하지 않는 조직융화성(tissue compatibility)이 필요하다. 생체 적합성 재료를 개발하기 위하여 생체에 자극을 일 으키지 않는 생체不活性(bioinert) 재료에 대한 연구가 활발하지만, 끈래에는 생체와 강한 친화력 을 가져서 조직과 결합될 수 있는 생체親和(bi- oadhesive)재료가 많이 개발되고 있으며, 체내에서 분해되는 생체분해성(biodegradable) 재료를 이용 하는 사례도 많이 발표되고 있다. 현재 인공신장을 위시한 인공장기와 인공뼈, 인공관절용 이식재료등에 다양한 금속, 요업재료 및 고분자재료가 활용되고 있으나 보다 우수한 생체 적합성과 생체의료기능을 가지는 재료개발에 많은 연구가 이루어지고 있다. The intelligent trajectory control method that controls moving direction and average velocity for a prosthetic arm is proposed by pattern recognition and force estimations using EMG signals. Also, we propose the real time trajectory planning method which generates continuous accelleration paths using 3 stage linear filters to minimize the impact to human body induced by arm motions and to reduce the muscle fatigue. We use combination of MLP and fuzzy filter for pattern recognition to estimate the direction of a muscle and Hogan`s method for the force estimation. EMG signals are acquired by using a amputation simulator and 2 dimensional joystick motion. The simulation results of proposed prosthetic arm control system using the EMf signals show that the arm is effectively followed the desired trajectory depended on estimated force and direction of muscle movements.

반복 연산 스트레스에 대한 감성 평가 시스템 구현

박광훈,하은호,김동윤,김승태,김동선 대한의용생체공학회 2001 의공학회지 Vol.22 No.1

본 연구에서는 20대 남자 대학생 45명에게 반복 연산 스트레스를 유발시키기 위하여 세 단계의 난이도를 갖는 덧셈 연산을 수행하게 하였으며, 이때 각 피검자들로부터 이에 대한 생체 신호를 측정하였다. 측정된 생체 신호로부터 제시된 연산 스트레스에 대한 감성을 평가하기 위하여 7개의 생체 파라미터를 사용하였고, 비선형 특성을 갖는 연산 스트레스에 대한 감성을 평가하기 위하여 세 단계의 구조를 갖는 감성 평가 시스템을 구성하였다. 또한 감성평가 시스템의 성능을 비교하기 위하여 평가 시스템의 각 단계를 선형 판별 알고리즘인 Least Mean Square Algorithm을 이용한 경우와 비선형 판별 알고리즘인 Radial-Based Functional-link Net을 이용한 경우를 사용하였다. 각 감성 평가 시스템은 Cross Validation을 사용하여 성능을 비교하였으며, 전체 감성 평가 시스템에서의 연산 스트레스에 대한 감성 평가 정확도는 선형 알고리즘을 이용할 경우 63.02%, RBFLN을 이용한 경우는 83.07%를 얻었다.

수술실 영역에서의 임상의공(CE)업무에 대한 고찰

채영한,전석봉,김영서,천승민,박현상,권혁남 大韓醫用生體工學會 2000 대한의용생체공학춘계학술대회논문집 Vol.22 No.1

CE(Clinical Engineering) fields have been emphasized on simultaneous assistance while clinical operation including normal maintenance. Especially in OR (Operating Room), composite CE forms are requested from its importance and emergent situations. We have carried out CE jobs for seven years with classifying it into three major parts, BO(Before Operation), OO(On operation), and AO(After Operation). Based on these experiences, we studied on more efficient and pertinent CE jobs to our domestic situation by analyzing and comparing with foreign's and are going to suggest just a model of standard formations of CE in this paper.

대퇴골 전자간 골절의 새로운 수술기법에 관한 생체역학적 분석

김봉주,이성재,권순용,탁계래,이권용 대한의용생체공학회 2003 의공학회지 Vol.24 No.5

본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 대퇴골 전자간 골절 치료에 대한 다양한 수술기법을 골밀도 변화에 따라 생체역학적으로 분석하여 이를 평가하고자 한다. 이에 구현된 모델들은 압박 고관절 나사만을 이용하여 시술한 모델 (Type I), 삽입된 압박 고관절 나사 주위에 시멘트 영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하는 시술을 구현한 모델 (Type II),대학교추가의 골소실이 없이 시멘트를 가압하여 주입하는 시술을 구현한 모델 (TypeIII)의 3가지 형태로 구현하였다. 시술 상황에 따라 골절부위와 삽입물의 경계면 주위에 접촉요소를 사용하기 위해 적절한 마찰계수를 설정하였으며, 골다공증 정도 (Singh Indices, II∼V)에 따라 대퇴골의 물성치를 적절하게 적용시켰다. 각 모델에 있어 골밀도 변화에 따른 수술기법의 차이를 분석하기 위하여 다음과 같은 인자를 분석하였다 : (a) 대퇴골두 내에서의 von Mises 응력 부피비, (b) 대퇴골두 망상골과 인공 삽입물내에서의 최대 von Mises 응력 (PVMS), (c) 대퇴골두 내에서의 최대 von Mises 변형률 (MVMS), (d) 골절 부위와 인공 삽입물 주위에서의 미세운동량. 수술기법 중 Type III가 대퇴골두 내에서 골밀도 변화에 상관없이 가장 낮은 PVMS, MVMS 수치를 보여 가장 효율적인 결과를 나타내었다. 이는 기존 시술법 (Type I,II)에 비해 내고정 실패 가능성이 가장 적을 것으로 예측되었다. 특히, 골밀도가 낮을 때에는 Type III의 수술 효과가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 또한, 삽입물 주위에서 미세운동량을 분석한 결과, Type III의 수치가 다른 시술법들의 15∼20%로 나타나 시멘트를 가 압하여 보강하는 시술법이 삽입물 주위의 미세운동을 억제하는데 있어 가장 효과적이다는 것을 증명하는 것이다. 이러한 결과로부터, 압박 고관절 나사를 이용한 대퇴골두 전자간 골절 치료에 있어 골 시멘트를 가압하여 보강하는 방법이 골밀도가 낮은 환자에 있어 인공삽입물의 내고정 및 골유합에 가장 큰 효과를 보일 것으로 사료된다. This study investigates the biomechanical efficacies of various cement augmentation techniques with or without pressurization for varying degrees of osteoporotic femur. For this study, a biomechanical analysis using a finite element method (FEM) was undertaken to evaluate surgical procedures, Simulated models include the non-cemented(i.e., hip screw only, Type I), the cement-augmented(Type II), and the cemented augmented with pressurization(Type III) models. To simulate the fracture plane and other interfacial regions, 3-D contact elements were used with appropriate friction coefficients. Material properties of the cancellous bone were varied to accommodate varying degrees of osteoporosis(Singh indices, II∼V). For each model. the following items were analyzed to investigate the effect surgical procedures in relation to osteoporosis of varying degrees : (a) von Mises stress distribution within the femoral head in terms of volumetric percentages. (b) Peak von Mises stress(PVMS) within the femoral head and the surgical constructs. (c) Maximum von Mises strain(MVMS) within the femoral head, (d) micromotions at the fracture plane and at the interfacial region between surgical construct and surrounding bone. Type III showed the lowest PVMS and MVMS at the cancellous bone near the bone-construct interface regardless of bone densities. an indication of its least likelihood of construct loosening due to failure of the host bone. Particularly, its efficacy was more prominent when the bone density level was low. Micromotions at the interfacial surgical construct was lowest in Type III. followed by Type I and Type II. They were about 15-20% of other types. which suggested that pressurization was most effective in limiting the interfacial motion. Our results demonstrated the cement augmentation with hip screw could be more effective when used with pressurization technique for the treatment of intertrochanteric fractures. For patients with low bone density. its effectiveness can be more pronounced in limiting construct loosening and promoting bone union.

하퇴의지착용자에 대한 인공족관절 유형(고정형, 단축형, 다축형)에 따른 지면반발력 및 에너지 소모의 측정

김성민,배하석,박창일 대한의용생체공학회 2001 의공학회지 Vol.22 No.6

In this study, ground reaction force(GRF) and energy consumption of fixed. single-axis and multi-axis Prosthetic ankle assemblies were investigated to show the biomechanical evaluation for trans-tibial amputees. In the experiments. two male and two female trans-tibial amputees were tested with fixed, sin91e-axis and multi-axis Prosthetic ankle assembly. A three-dimensional gait analysis was carried out to derive the ratio of GRF to weight as the percentage of total stance Phase for nine Points Energy consumption of each Prosthetic ankle assembly was measured while subjects walked at 2km/h. 3km/h and the most comfortable walking speed on the treadmill The results showed that multi-axis ankle was superior to the other two ankle assemblies for the characteristic of forwarding and breaking forces. Fixed ankle was relatively superior to the other two ankle assemblies for gait balancing and movement of the center fur mass Compared to the other ankle assembly. sing1e-axis type showed lower energy consumption over 2.3km/h walking speed . 본 연구에서는 하퇴 절단환자에서 고정형. 단축형, 다축형 인공족관절 장착시 지면반발력과 에너지 소비량을 측정하여 하퇴의지에 대한 생체역학적 평가를 하였다. 실험에는 각각 2명의 남성과 여성 하퇴 절단 환자가 3종류의 의지를 착용하고 참여하였으며. 3차원 보행분석은 7개의 기준점에 대하여 전체 입각기에 대한 지면 반발력의 체중에 대한 비율로 나타내었다. 하퇴의지 에너지 소비량은 피 실험자들이 각각 2km/h, 3km/h 그리고 가장 걷기 편한 속도로 런닝머신 위에서 보행하게 하면서 측정하였다 실험결과는 지면반발력에서 다축형 인공족관절 장착시 추진력과 후진력의 보행특성에 대하여 우위를 보이며, 고정형 인공족관절 장착시에는 보행균형과 무게중심의 이동에 대해 상대적인 우위를 보였다. 에너지 소비량은 2.3km/h 이상의 보행속도에서 단축형 인공족관절 장착시 다른 두 의지에 비해 적은량의 에너지 소비를 보였다.

흰쥐의 좌골 신경 자극을 통한 광전 자극의 가능성에 대한 연구

김의태,오승재,박형원,김성준,Kim Eui tae,Oh Seung jae,Baac Hyoung won,Kim Sung june 대한의용생체공학회 2004 의공학회지 Vol.25 No.6

본 연구는 외부 전원 없이 광다이오드만을 이용하여 생성한 광전 자극을 통해 신경계를 효과적으로 자극하는 방법에 대한 것이다. 광을 통한 전류원 생성 및 전달은 생체 내에 집적된 광소자를 삽입하고 외부에서 광을 통해 신호와 전력을 전달을 한다. 이 기술은 특히 '눈' 이라는 광학적인 연결통로를 이용할 수 있는 인공망막과 같은 시스템에 매우 효과적이다. 그러나 광전 소자를 내부 전원 없이 구동시키는 경우, 광전류가 생체 저항에 직접적인 영향을 받게 되므로 자극에 충분한 전류를 생성할 수 없다. 무 전원 광다이오드를 통해 생성되는 광전류를 신경 자극에 적용하기 위해서는 생체 저항의 크기에 관계없이 활동 전위 생성에 충분한 전류 공급을 할 수 있는 안정된 전류원이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 병렬 저항을 도입하였다. 병렬 저항 추가 시 생체 저항을 포함한 전체 저항 값이 낮아지므로, 광원의 세기에 따라 최대의 광전류에 근접한 값을 얻을 수 있게 된다. 그러나 병렬 저항 값의 크기를 낮출수록 자극에 쓰이지 않는 전류량이 늘어나므로, 자극 전류량의 극대 값을 찾기 위해서는 병렬 저항 값의 최적화가 필요하다. 실험을 통해 측정된 실제 자극 전류량이 최대가 되는 병렬 저항 값의 범위는 500Ω∼700Ω 이고, 이때 전류량은 580uA∼860uA 이며 전류 효율은 47.5∼59.7%이었다. 자극의 크기와 빈1도를 변화시키면서 쥐의 좌골 신경을 자극하여 눈으로 확인 가능한 떨림 현상을 확인하였으며, 다채널 기록기를 이용해 활동 전위를 측정하였다. 이를 통해, 인공 망막에서의 광 자극 가능성을 확인할 수 있었다. A neural prostheses can be designed to permit stimulation of specific sites in the nervous system to restore their functions, lost due to disease or trauma. This study focuses on the feasibility of optoelecronic stimulation into nervous system. Optoelectronic stimulation supplies, power and signal into the implanted optical detector inside the body by optics. It can be effective strategy especially on the retinal prosthesis, because it enables the non-invasive connection between the external source and internal detector through natural optical window 'eye'. Therefore, we designed an effective neural stimulating setup by optically based stimulation. Stimulating on the sciatic nerve of a rat with proper depth probe through optical stimulation needs higher ratio of current spreading through the neural surface, because of high impedance of neural interface. To increase the insertion current spreading into the neuron, we used a parallel low resistance compared to load resistance organic interface and calculated the optimized outer parallel resistance for maximum insertion current with the assumption of limited current by photodiode. Optimized outer parallel resistance was at a range of 500Ω-700Ω and a current was at a level between 580uA and 650uA. Stimulating current efficiency from initial photodiode induced current was between 47.5 and 59.7%. Various amplitude and frequency of the optical stimulation on the sciatic nerve showed the reliable visual tremble, and the action potential was also recorded near the stimulating area. These result demonstrate that optoelectronic stimulation with no bias can be applied to the retinal prosthesis and other neuroprosthetic area.

의료영상 분석과 유한요소법을 통한 추체 성형술의 다양한 인자들에 대한 생체 역학적 효과 분석

전봉재,권순영,이창섭,탁계래,이권용,이성재 대한의용생체공학회 2004 의공학회지 Vol.25 No.3

본 연구에서는 의료 영상과 유한요소 해석을 이용하여 골절된 척추체의 치료를 위해 골 시멘트를 주입하는 추체 성형술(vertebroplasty)에 영향을 미치는 여러 인자들에 대해 생체 역학적으로 분석하여 평가하고자 하였다. 의료 영상을 통해 구현된 모델들은 분석하고자 하는 인자에 대하여 크게 단분절과 다분절 유한요소 모델의 2 가지 형태로 구분하였다. 단분절 유한요소 모델을 통해 골다공증의 정도, 주입된 골 시멘트의 양, 골 시멘트의 주입량 및 환자에게 주입된 골 시멘트 양의 적절성을 평가하였으며, 골 시멘트의 주입이 척추체의 구조적 안정성에 미치는 효과를 분석하기 위하여 척추체 상종판에 수직 압축하중을 가하여 이때의 최대 수진 변위량을 분석하였다. 또한 단분절 척추체의 강성도(stiffness) 값을 산출한 뒤, 정상 상태의 척추체의 강성도 값으로 정규화 하였다. 다분절 유한요소 모델의 경우, 압박 골절 상태를 적용하여 척추 만곡의 변화가 인체에 미치는 영향을 분석하기 위하여 골절의 정도를 3 가지로 구현하였으며, 모델의 최상부에 압축 하중을 가한 후의 척추 만곡의 변화 정도를 분석하였다. 추체 성형술에 대한 다양한 인자들에 대한 분석 결과, 추체 성형술을 통해 환자의 골밀도가 상대적으로 높은 경우(BMD 50mg/$m\ell$이상)와 환자의 척추체 망상골 부피의 약 15%에 해당하는 골 시멘트 주입 시 가장 큰 척추체의 구조적 안정성의 증가 효과를 가져올 것으로 예측되었다. 또한 척추 골절이 미치는 영향에 대한 분석 결과, -2.8$^{\circ}$의 정상적인 후만곡을 가지는 T12∼L2 운동 분절이 골절의 모델링 후 약 9∼17$^{\circ}$의 큰 전만곡을 가지게 되었으며 이러한 척추 만곡의 변화는 동일한 하중 하에서 급격한 척추 만곡의 변화를 야기하는 것으로 나타났다. 또한 골절의 정도가 심할수록 척추 변형은 더욱 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 연구 결과들로부터, 전반적으로 추체 성형술은 골 시멘트의 주입량 또는 골밀도에 상관없이 약화된 척추체의 자체의 구조적 안정성의 증가 효과를 가져왔으며 골절로 인해 추체의 높이가 손상되었을 경우 이를 회복하는 것이 중요한 인자의 하나임을 나타내는 결과로 사료되어진다. This study investigates the biomechanical efficacies of vertebroplasty which is used to treat vertebral body fracture with bone cement augmentation for osteoporotic patients using image and finite element analysis. Simulated models were divided into two groups: (a) a vertebral body, (b) a functional spinal unit(FSU). For a vertebral body model, the maximum axial displacement was investigated under axial compression to evaluate the effect of structural integrity. The stiffness of each FE model simulated was normalized by the stiffness of intact model. In the case of FSU model, 3 types of compression fractures were formulated to assess the influence on spinal curvature changes. The FSU models were loaded under compressive pressure to calculate the change of spinal curvature. The results according to the various factors suggest that vertebroplasty has the biomechanical efficacy of the increment of structural reinforcement in a patient who has relatively high level of BMD and a patient with the amount of 15%, PMMA injection of the cancellous bone volume. The spinal curvatures after compression fracture simulation vary from 9$^{\circ}$ to 17$^{\circ}$ of kyphosis compared to that the spinal curvature of normal model was -2.8$^{\circ}$ of lordosis. These spinal curvature changes cause the severe spinal deformity under the same loading. As the degree of compressive fracture increases the spinal deformity also increases. The results indicate that vertebroplasty has the increasing effect of the structural integrity regardless of the amount of PMMA or BMD and the restoration of decreased vertebral body height may be an important factor when the compressive fracture caused the significant height loss of vertebral body.

운수유통업의 운반자세에 대한 근력예측모델을 이용한 위험수준 파악에 관한 연구

한정수 대한의용생체공학회 2001 의공학회지 Vol.22 No.1

본 연구는 요통재해를 일으킬 수 있는 위험요소를 많이 내포한 운수유통업의 인력운반방법(Manual Material Handing)에 대한 요통발병의 위험정도를 측정하였다. 운수유통업에서 이루어지고 있는 운반작업은 우리나라의 제반환경특성상 도구를 사용하지 않고 대부분 사람에 의해 이루어지고 있다. 운반방법도 짊어지는 형태인 등짐작업이 많이 이용되고 있다. 그러나 이에 대한 체계적인 연구가 수행되고 있지 않은 실정이다. 본 연구의 목적은 등짐자세로 물건을 운반할 때와 물건을 하역하여 정리하는 작업이 요추에 미치는 물리적 힘이 어느정도인지 규명하여 위험수준을 파악하는데 그 목적이 있다. 등짐운반과 정리작업(비대칭형 작업)에 대한 역학적인 연구를 수행하기 위하여 몸통근육에 미치는 internal force을 규명하여 정량화한 Han's (1991) model을 이용하여, 이들 작업에 대한 역학적인 분석을 실시하였다.

Monte Csrlo 시뮬레이션을 이용한 생체조직내의 광선량 측정

임현수,구철희 대한의용생체공학회 1999 의공학회지 Vol.20 No.2

As the correct measuring of the light dosimetry in biological tissues give the important affection to the effect of PDT treatment we used Monte Carlo simulation to measure the light dosimetry on this study. The parameters using in experiments are the optical properties of the real biological tissue, and we used Henyey-Greenstein phase function among the phase functions. As we results, we displayed the result the change of Fluence rate and the difference against the previous theory was at least 0.35%. Biological tissues using in experiment were Human tissue, pig tissue, rat liver tissue and rabbit muscle tissue. The most of biological tissue have big scattering coefficient in visible wavelength which influences penetration depth. The penetration depth of human tissue in visible region is 1.5~2cm. We showed that it is possible to measure fluence rate and penetration depth within the biological tissues by Monte Carlo simulation very well. 생체조직내의 정확한 광선량 측정이 PDT 치료의 효과에 중요한 영향을 주므로 본 연구에서는 광선량 측정을 위해서 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하였다. 실험에 사용한 계수는 실제 생체조직의 광학계수이고 위상함수는 Henyey-Greenstein 위상함수를 사용하였다. 결과는 깊이에 따른 Fluency rate의 변화로 나타내었으며 기존 이론과의 차이는 0.35%에 지나지 않았다. 실험에 사용한 생체조직은 인체조직, 돼지조직, 쥐간조직, 토기근육조직이다. 대부분의 생체조직은 가시광선영역에서 큰 산란계수를 가지고 있으며 이것은 투과도에 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 가시광선 영역에서 인체조직의 투과 깊이는 1.5~2cm이었다. Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 생체조직내의 광전파(light propagation), 광선량(light dosimetry), 에너지율(fluence rate), 투과깊이(penetration depth)를 효과적으로 측정할 수 있음을 보여주었다.

Simulator를 이용한 인공무릎관절 접촉면의 압력분포 및 운동성 분석

이문규,김종민,김동민,최귀원 대한의용생체공학회 2003 의공학회지 Vol.24 No.4

인공무릎관절의 수명에 직접적인 영향을 주는 인자는 접촉면에 대한 접촉면적과 압력분포이다 따라서. 이에 대한 실험적인 평가가 필요하였고 knee simulator 혹은 K-scan sensor를 포함한 시스템과 같은 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 지금까지 보행주기에 따른 연속적인 인공관절 운동에 대한 접촉면의 압력분포를 실시간으로 분석한 연구는 미흡하다 따라서 본 연구의 목적은 보행주기를 모사하는 simulator와 I-scan을 이용하여 연속적인 동작에 따른 접촉면의 압력분포를 분석함에 있다. 본 연구의 목적을 이루기 위해서 생체내 인공관절 환경을 정확히 표현할 수 있는 knee simulator를 제작하였다. 네 방향의 자유도를 갖고 있는 본 simulator는 soft tissue의 기능을 포함하고 있고 PC Program을 통하여 압축하중과 femoral component의 굴곡각을 조절할 수 있다. 본 시스템의 I-scan sensor는 보행주기에 따른 압력분포를 분석할 수 있다. 보행주기에 대한 압력분포는 압축하중곡선에 따라 주요하게 변화함을 알 수 있고 운동성에 영향을 쿠는 압력중심의 위치도 변한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작한 knee simulator는 보행주기 같은 특정의 운동정보를 이용하여 접촉면의 압력분포 및 운동성 같은 기계적 성능을 평가할 수 있고 형상 설계를 위한 기초 자료를 제공할 수 있다. Contact area and pressure are important factors which directly influence a life of knee implants. Since implant's mechanical functions should be experimentally evaluated for clinical use, many studies using a knee simulator and a pressure sensor system have been conducted. However it has not been reported that the contact pressure's distribution of a knee implant motion was estimated in real-time during a gate cycle. Therefore. the objective of this study was to analyze the contact pressure distribution for the motion of a joint using the knee simulator and I-scan sensor system. For this purpose, we developed a force-controlled dynamic knee simulator to evaluate the mechanical performance of artificial knee joint. This simulator includes a function of a soft tissue and has a 4-degree-of-freedom to represent an axial compressive load and a flexion angle. As axial compressive force and a flexion angle of the femoral component can be controlled by PC program. The pressure is also measured from I-scan system and simulator to visualize the pressure distribution on the joint contact surfaces under loading condition during walking cycle. The compressive loading curve was the major cause for the contact pressure distribution and its center move in a cycle as to a flexion angie. In conclusion, this system can be used to evaluate to the geometric interaction of femoral and tibial design due to a measured mechanical function such as a contact pressure, contact area and a motion of a loading center.