광대역 불규칙 가진에 의한 단순 구조물의 진동레벨에 관한 연구

옥재진 경희대학교 대학원 1995 국내석사

과대하중에 의한 레이저 용접 판재의 피로균열 전파거동

조우강 경희대학교 대학원 2003 국내석사

Dynamic Stabilizer 적용에 따른 생역학적 특성 분석

서정호 단국대학교 대학원 2011 국내석사

후방기기 고정술에 의한 융합시술 후 시술분절의 인접 분절에서 퇴행성 변화의 증상을 보이는 임상적 결과가 계속해서 보고되고 있으며, 기존의 많은 연구결과들은 강성고정장치(rigid fixator)가 인접 분절의 후관절과 추간판에 과도한 응력을 유발한다는 결과를 보이고 있다. 최근, 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 동적안정장치(dynamic stabilizer)가 개발되고 있으나 이들이 인접분절에 미치는 생체역학적 평가는 아직 미미한 상태이다. 본 연구의 목적은 요추부 상세 유한요소 모델을 이용 하여, 대표적인 동적안정장치(dynamic stabilizer)인 PEEK와 DYNESYS 그리고 NFlex 모델을 강성고정장치를 삽입한 Ti 모델과 운동량 및 추간판의 생성된 압력 등 다양한 생체역학적 평가를 통해 동적안정장치 시술 시 인접 분절에서의 퇴행성변화에 어떠한 영향을 미치는지를 판단하는데 있다. 본 연구에서는 검증된 요추부 상세 유한요소 모델을 이용하여 대표적인 동적안정장치인 PEEK와 DYNESYS 그리고 NFlex를 모델링하여 제 3-4 요추 분절에 삽입하였으며 인접분절의 보호효과 여부를 판단하기 위해 기존의 강성고정장치(rigid fixator)인 Titanium 모델을 생성하여 생체역학적 해석을 수행하였다. 제 1 추체 상단에 강체인 판을 연결하였고 판의상단에 360 N, 후방요소 상단에 40 N의 수직하중을 가해 총 400 N의 상체무게를 적용하였다. 척추 부변근의 작용을 보완하기 위해 요추 만곡을 따르는 100N의 follower load를 가해 주었다. 전하중에 의해 발생된 굴곡은 신전모멘트를 가해주어 모든 모델이 동일한 각도의 직립자세를 취하도록 설정하였다. 각 모델별 설정된 직립상태로 부터 제 1 천추 상단의 중간을 회전중심으로 하여 굴곡(10°, 20°, 30°), 신전(10°, 20°), 측굴절(10°, 20°), 축회전(10°, 20°)의 자세를 취하였을 때 그에 따른 각 운동 분절의 운동량 변화, 추간판에서 생성된 압력, 인대에 작용하는 힘, 후관절에 작용하는 힘 및 추체에서의 응력분포 등을 비교하였다. 그 결과 융합부의 인접분절인 제 2-3 운동 분절에서 동적안정장치 삽입모델인 PEEK, DYNESYS, NFlex에서 Ti 모델보다 운동량이 크게 감소하였고, 그에 따라 추간판의 압력, 추간판의 응력, 후관절의 접촉력이 모두 감소하는 결과를 보였다. 결과를 통해 동적안정장치 삽입 모델이 융합부의 상위분절에서 퇴행성 변화에 우수한 보호효과가 있을 것으로 판단된다. 제 4-5 운동 분절에서는 동적안정장치 삽입 모델과 Ti 모델이 거의 같은 수준의 운동량의 결과가 나타났으며, 융합부의 하위분절인 제 4-5 운동 분절에서는 동적안정장치와 강성고정장치간의 유의할만한 차이를 보이지 않아 동적안정장치에 의한 이점을 기대하기 어렵다고 판단된다. 본 연구를 통해 동적안정장치인 PEEK, DYNESYS, NFlex 모델이 융합분절의 운동량을 일정부분 보존하여 줌으로써 융합부의 상위분절에서 운동량이 감소하였고, 이로 인해 상위분절에서 생성된 추간판의 압력과 후관절에서의 접촉력 또한 낮아짐을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과를 통해 동적안정장치를 이용한 시술이 상위분절에서의 퇴행성 변화의 진행을 늦출 수 있다고 판단된다. After posterior interbody fusion in the lumbar spine, symptomatic adjacent segment diseases were clinically observed. Numerous biomechanical studies have demonstrated that segments fused with rigid metallic fixation lead to significant amounts of supraphysiological stress on adjacent discs and facets. Recently, dynamic stabilization implants have been introduced as an alternative to rigid fixation. The aim of this study was to compare the differences between the rigid fixation device and dynamic stabilization device in terms of intersegmental motion and intradiscal pressure in the upper and lower adjacent segment. Models with PEEK, Ti rod, DYNESYS and NFlex implant simulated at L3-L4 level were also developed respectively. The models were loaded with the upper body weight and muscle forces to simulate the ten loading cases from supine position; erect, 10° flexion, 20° flexion, 30° flexion, 10° extension, 20° extension, 10° axial, 20° axial, 10° lateral, 20° lateral. With regard to the upper and lower adjacent segments, intersegmental rotations, intradiscal pressure, force on the spinal ligaments, facet joint contact force with extension were calculated under 400 N compressive preload, 100 N each segmental follower load, and spinal erector muscle forces according to the dynamic loading conditions. At the upper adjacent segment (L2-3), the dynamic stabilization device model showed the decreased intersegmental rotation and intradiscal pressure during motion compared with that of the Ti model. The lower adjacent segment (L4-5) couldn't find dynamic stabilization device's merit clearly. The same results were confirmed in the distribution of Von-Mises stress in the adjacent segments. Facet contact forces at L2-3 level were lower in the dynamic stabilization device model. Posterior instrumentation with dynamic stabilization device may lower the incidence of disc and facet degeneration in the upper adjacent segment compared to Ti rods. However, the incidence of disc and facet degeneration in the lower adjacent segment was predicted not much in it between dynamic stabilization devices and Ti rods. The interbody fusion rate in the index level may increase but the more clinical evidences are required in the future. To reduce the probability of subsequent fracture after posterior instrumentation, dynamic stabilization devices can be an alternative to Ti rods.

폴리머 분말용 적층가공 시스템 개발

한정목 단국대학교 대학원 2024 국내석사

폴리머 분말용 적층가공 시스템 개발 단국대학교 대학원 기계공학과 설계 및 응용역학전공 한 정 목 지도교수: 송 지 현 3차원 프린팅(3D Printing)은 디지털 파일로 3차원 형상을 제작하는 첨단 제조 기술이다. 3D 프린팅은 기하학적 제약없이 복잡한 형상을 구성할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 분말형 3D 프린터의 압출 장치 설계 및 작동 메커니즘을 개발하였다. 분말형 재료를 적층 제조방식인 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 3D 프린터에서 추가적인 가공 없이 사용한다. 출력 가능 최대 크기가 350 mm×350 mm×400 mm인 3D 프린터를 사용 하며, 호퍼에서 압출 장치까지 열 가소성 폴리머 소재를 지속적으로 공급하기 위하여 중력과 공기압을 활용한다. 열처리는 분말을 녹는점 이상으로 가 열하며 공압을 사용하여 압출한다. 온도 및 공기 공급 부분은 온도 센서와 공기압 모니터링 장치로 제어된다. 프린터의 노즐 크기는 0.5~0.6 mm의 직경 의 노즐을 사용하여 일반적으로 사용하는 0.4 mm 직경의 노즐에 비해 보다 빠른 인쇄가 가능하다. 본 연구에서 개발한 분말형 3D 프린팅은 스마트 소 재를 증착 소재로 활용해 적층 제조 분야를 넓힐 수 있다. 또한, 분말 형태 의 폴리머를 FDM 3D 프린터에서 사용하여 다양한 제조 분야에 활용 가능하다. 주제어: 3D 프린팅, 적층 제조, 용융 적층 모델링, 폴리머 분말, 공압 Development of Additive Manufacturing System for Polymer Powder Han Jeongmok Design and Applied Mechanics Major Department of Mechanical Engineering Graduate School, Dankook University Advisor: Professor Song Ji-Hyeon0 3D printing is an advanced manufacturing technology that produces three-dimensional shapes using digital files. One advantage of 3D printing is the ability to construct complex shapes without geometric constraints. In this study, the design and operational mechanism of the extrusion device for a powder-based 3D printer were developed. Powdered materials are used without additional processing in the fused deposition modeling (FDM) 3D printer, which is a layering manufacturing method. A 350 mm×350 mm×400 mm sized 3D printer is employed to continuously supply thermoplastic polymer materials from the hopper to the extrusion device using gravity and air pressure. The heat treatment involves raising the temperature above the melting point of the polymer powder. Temperature and air supply are controlled by temperature sensors and air pressure monitoring devices. The printer's nozzle size was 0.5-0.6 mm in diameter, allowing for faster printing than a typical 0.4 mm-diameter size nozzle. The developed powder-based 3D printing can broaden the scope of additive manufacturing by utilizing smart materials as deposition materials. Furthermore, the use of powdered polymers in FDM 3D printing opens up possibilities for diverse applications in various manufacturing fields. Keywords: 3D Printing, Additive Manufacturing, FDM, Polymer Powder, Pneumatic

混合모드下에서 가지龜裂 形象變化에 따른 疲勞 破壞 擧動에 關한 硏究

허방수 경희대학교 대학원 2001 국내박사

최근 대부분 구조물의 피로 파괴 거동은 선형 파괴 역학을 기초로 한 단축 하중에서 피로 파괴 거동을 연구한 것이 대부분이다. 그러나 실제 구조물인 자동차의 차체나 압력 용기, 또는 항공기 등에는 인장, 전단, 비틀림 등의 상호 혼합된 형태의 혼합 모드 하중을 받고 있다(1). 또한 이러한 구조물의 균열 주변을 세밀하게 관찰하여 보면 대부분 균열 주변에는 다양한 형태의 하중이 작용하고 있다. 또한 균열 전파시 균열은 일정한 방향 또는 크기로 전파하는 것이 아니고 다양한 형태로 균열이 진행되어 결국 균열은 혼합 모드 상태에 놓이게 된다. 따라서 균열 선단은 균열의 가지 현상(Crack branching)을 수없이 반복 생성하면서 파괴가 진행된다. 이와 같이 구조물에 대한 경제성 및 안전성 평가 기준에 대한 요구는 더욱 더 심화되고 있는 실정이다. 따라서 혼합 모드 상태의 균열에 대한 파괴 역학적 안전성을 평가 할 수 있는 평가 기준과 최적 설계 기준을 도출하기 위해서는 균열의 형상 변화에 따라 파괴 역학적 검토를 토대로 한 피로 균열의 전파 거동에 대한 연구가 반드시 선행되어져야 한다고 판단된다. 이와 같이 혼합 모드 상태에서의 피로 균열 전파 거동을 파괴 역학 적으로 고찰한 연구들이 다수 보고되고 있다. 지금까지의 연구를 종합하여 볼 때 대부분의 연구는 혼합 모드 상태에서의 피로 균열 성장률에 대한 것이 대부분이며, 가지 균열(Branched Crack)의 형상 변화에 따른 피로 균열 성장 거동 및 균열 성장 방향에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 특히 최근 자동차의 차체 제작용 기법으로 레이저 용접(Laser Welding)법이 새롭게 대두되고 있는데 레이저 용접(Laser Welding)법을 이용하여 차체 제작의 안전성을 확보하기 위해서는 차체 제작시 발생할 수 있는 혼합 모드 균열에 대한 다양한 파괴 역학적인 고찰이 선행되어져야 한다. 따라서 이러한 중요성을 인식하여 실제 자동차에 사용되는 얇은 판재에 나타날 수 있는 다양한 형상의 가지 균열에 대한 피로 균열 전파 거동에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다. The applications of fracture mechanics have traditionally concentrated on cracks loaded by tensile stresses, and growing under an opening or mode I mechanism. However, many cases of failures occur from growth of cracks subjected to mixed mode loading. Several criteria have been proposed regarding the crack growth direction under mixed mode loadings. This paper is aimed at investigation of fatigue crack growth behaviour under mixed mode(Ⅰ+Ⅱ) with variation of angle and precrack length about non-welded and welded specimens in two dimensional branched type precrack. Especially the direction of fatigue crack propagation was predicted and effective stress intensity factor was calculated by finite element analysis(FEA). In this paper, the maximum tangential stress(MTS) criterion was used to predict crack growth direction. Not only experiment but also finite element analysis was carried out and the theoretical predictions were compared with experimental results. Both experimental and finite element analysis results under mixed mode, crack growth direction was extended with a slant angle at the initial status, but fatigue crack have a tendency to extend in a straight line as the fatigue crack length increased. And the crack growth angle between fatigue crack and upper precrack was decreased to the increment of lower precrack length. In investigation of effective stress intensity factor, there was little difference between the variation of crack length, which is the lower precrack length. In case of laser welded specimens, the direction of crack propagation was go on non-welded crack tip. These results indicate that the rate of crack increase, influence on increment of mode Ⅱ, or K_(Ⅱ) was negligible, consequently the effective stress intensity factor was mainly influenced by mode I, or K_(Ⅰ) therefore fatigue crack propagation was governed by mode I

VOXEL mesh 알고리즘과 Micro-CT를 利用한 骨의 狀態變化 및 有限要素 모델링에 關한 硏究

변창환 慶熙大學校 2004 국내박사

멀티프론탈 유한요소법을 이용한 협업 엔지니어링 시스템 설계

권기억 中央大學校 2003 국내박사

오늘날 초고속 네트워크 환경과 고성능 컴퓨터로의 발전은 정보화 시대의 새로운 패러다임으로 사회 전반을 변화시키고 있다. 또한 인터넷과 웹은 컴퓨터간의 보다 자유로운 정보 교환 및 상호작용을 가능하게 하여 현대 사회의 전반에 걸쳐 전세계를 하나로 통합하는 거대한 매개체가 되고 있다. 이러한 새로운 환경의 변화는 기업에서의 설계 자동화 기술을 급속히 발전시키고 있으며, 이러한 기술에 대한 연구는 생산성 향상을 위한 필수적인 도구로 인식되고 있다. 최근에는 고급화된 컴퓨터 그래픽스를 가진 많은 상업용 소프트웨어들이 개발되어 복잡하고 다양한 기능을 보다 쉽게 사용할 수 있도록 하는 상용 CAD/CAM/CAE 통합 시스템들이 등장하고 있으며, 갈수록 그 응용 범위가 확대되어 가고 있다. 또한, 시스템을 개발하는 개발자와 이를 사용하는 사용자들에게도 많은 변화를 요구하고 있으며, 단일 컴퓨터나 프로세스를 통해 사용되었던 기존 시스템들이 네트워크를 통한 분산/협업 환경에서의 다양한 통합 시스템들로 변화되고 있다. 그리고 인터넷과 웹을 포함한 네트워크 기반의 분산/협업 환경을 위한 기술들은 전세계에 걸친 고속 통신망을 이용하여 다수의 개발자나 사용자가 웹브라우저와 같은 최소한의 클라이언트로 실시간 연결방식을 통한 다양한 응용 프로그램의 서비스를 제공받을 수 있게 하였고, 데이터의 신속한 전송과 상호작용을 통해 개별적이고 순차적인 작업방법에서 탈피하여, 동시 병행적으로 작업 하는 것을 가능하게 하였다. 즉, 지금까지 해결하지 못했던 네트워크 기반의 공동 협력 분산 작업을 가능하게 하고, 원격지에 있는 시스템간의 협동 작업을 통하여 서로의 자원을 공유하거나, 필요한 정보를 주고받는 등 일련의 상호 작용이 가능하도록 하였다. 따라서 생산 과정에서 웹이나 자바와 같은 기술을 효과적으로 이용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 과정에서 CAD/CAE 벤더들은 다양한 방식으로 웹을 기반으로 하는 제품에 대한 개발을 진행시키고 있으며, 사용자들의 요구에 따라 실시간으로 다양하고 협력적인 서비스를 웹을 통해서 원활하게 제공하기 위한 연구와 시도들이 늘고 있다. 이러한 기술들에 대한 연구와 새로운 시도들은 설계/해석 및 생산 분야의 연구자 및 엔지니어들에게 새로운 패러다임을 제시하고 있다. 특히 객체 지향 소프트웨어 개발 기법과 분산화 기법, 생산 제품 정보의 새로운 국제 표준의 제정 및 채택은 분산 엔지니어링 환경에서의 동시공학을 구현하기 위한 기반이 되고 있다. 본 논문에서는 이기종의 시스템들로 이루어진 네트워크 환경에서 서로 다른 CAD/CAE 시스템들 간의 정보 공유 및 상호 작용 등의 공동 협력 작업을 수행하는 네트워크 기반의 분산/협업 엔지니어링 시스템에 관한 연구를 수행하고, 해석과정의 분산 병렬화를 시도하여 분산/협업 시스템에서의 보다 효율적인 유한요소해석을 수행할 수 있는 프로토타입을 설정하여 그 효율성 및 타당성을 논하고자 한다. 이러한 연구는 인터넷을 이용한 최신 기술을 생산 환경에 적용하기 위한 프로토타입을 설정하고, 가상 기업환경의 인프라를 구축하는데 있어서 매우 중요한 핵심기술이 될 것이다.

고혈압 상태에서의 잔류응력 효과를 고려한 혈관벽 내의 응력분포에 대한 연구

최재우 단국대학교 대학원 2011 국내석사

최근 들어 급속한 경제 발전에 따라 현대인의 식습관과 생활 환경의 변화로 우리나라에서도 혈관계 질병으로 고통 받는 사람들이 늘어나고 있다. 특히 혈관은 인체에서 산소와 양분을 공급하는 통로로서 중요한 역할을 하고 있으며, 혈관에 대한 문제는 주로 혈관 자체의 물리적 특성의 변화로 인해 발생되고, 이를 해결하기 위해 내, 외과적인 방법으로 치료하고 있다. 혈관에 대한 외과적인 치료를 위해서 풍선혈관성형술(Balloon Angioplasty), 혈관 이식(Blood Vessel Grafting), 스텐팅(Stenting) 등의 시술이 수행된다. 이러한 시술을 위해서는 혈관에 대해 생리학적인 관점에서 인체 내 타 조직과의 적합성 및 이질재료로 인한 독성평가 외에도 혈관에 대한 역학적인 분석과 해석이 확보되어야 한다는 의견이 힘을 얻고 있다. 이와 함께 고혈압과 같은 인체 내부의 요인이 혈관벽에 미치는 영향을 고려해야 한다. 이런 필요성은 혈관에 대한 역학적 특성에 대한 지식을 요구하게 되고 풍선혈관성형, 혈관 이식, 스텐팅등은 모두 혈관의 역학적인 해석을 필요로 한다. 혈관 내에서는 혈액의 유동으로 인한 압력이 작용하고, 상대적으로 탄성변형이 크게 나타나게 되어 비선형 탄성 거동을 하게 된다. 혈관의 역학적 거동을 설명하기 위해서는 비선형 재료 모델을 사용한 해석이 필요하게 된다. 본 논문에서는 대변형에서의 혈관의 역학적인 거동에 대해 알아보고, 이를 통하여 정상혈압과 고혈압일 때 혈관에 작용하는 각 방향 응력분포를 단층 구조의 혈관 모델과 복층 구조의 섬유강화 모델에 대해 구해보고, 열림각으로 나타낼 수 있는 잔류응력의 효과가 각 방향 응력분포에 미치는 영향과 정상혈압일 때와 고혈압일 때 혈관벽에 작용하는 응력이 어떻게 달라지는 지에 대해 연구하였다. In recent years, people who suffer from vascular disease are increasing due to the rapid economic development of diet and lifestyle changes. In particular, the blood vessel that supply oxygen and nutrients from the body plays an important role, and the issue of blood vessel itself is mainly caused by changes in physical properties. To solve this problem, medical treatment and surgical treatment is performed. Such as the surgical treatment of balloon angioplasty, blood vessel grafting and stenting are performed. These treatments on vascular from a physiology perspective evaluate histocompatibility and toxicity due to extraneous material in addition to mechanical analysis and interpretation of blood vessels must be ensured. In addition we should consider factors such as high blood pressure inside body effects arterial walls and the surgical treatments needs mechanical analysis for blood vessels. The blood pressure is caused in the blood vessel by the flow and the elastic deformation is relatively large that it becomes nonlinear deformation. Therefore analysis using nonlinear material model is needed for explanation mechanical behavior of blood vessels. In this paper, we researched mechanical behavior of large deformation in the blood vessels and determine stress distribution, effecting the blood vessels, for the single layer blood vessel model and multi layer fiber reinforced model, when the blood pressure is normal and high. we studied residual stress, defined by opening angle, effects stress distribution and behaviors of stress distribution effecting blood vessels when the blood pressure is normal and high.

추간판 내 기계적 수용기의 응답 특성에 따른 척추 주변 근육력 해석

최혜원 단국대학교 대학원 2017 국내박사

Spinal stability is controlled by two inter-related systems: the spinal column including ligaments and the muscular control system. Instability results when single or multiple components fail or malfunction in either of the two systems. Paraspinal muscles not only produce moment balance but also generate compression on the spinal column. Paraspinal muscle activities were calculated based on a hypothesis in this study. In this hypothesis, the intervertebral disc was assumed to have a transducer function and the muscle is activated according to a sensor driven control mechanism to maintain the stability of the spine. This study was executed a three-dimensional finite element model of musculoskeletal system, which consisted of a detailed whole lumbar spine, the trunk and pelvis modelled as a rigid body, and paraspinal muscles. Finite element method combined with the optimization method was used to obtain the response in the spine and muscle activity. The muscle model consisted of a connector element was developed and a local coordinate was assigned between the origin and insertion points to maintain its direction regardless of the motion change in the skeletal model. Minimization of the deviation of hydrostatic pressures in the ground matrix of the outermost layer of the annulus in each disc was used for muscle force calculations. Effect of abdominal muscle and abdominal pressure was replaced with tensioning of thoracolumbar fascia. Muscle forces were calculated in isometric forward flexed (20°, 40°, and 60°) and erect standing postures. To identify the effect of fusion on the pattern change in the muscle activities, three different fusion models (fusion at L4-L5, L3-L5, or L4-S1 level) were further developed at the 60° flexed posture. Parametric analysis in the fascial tension force (zero, half, base, and two-fold) was also performed for a 60º flexed posture. The base fascial tension level of TLF was assumed using physiological cross-sectional area of muscles that attached to the TLF and its activation level. The calculated results show that all muscles were properly combined to maintain the posture and stabilize the lumbar spine. The activity of each muscle group maintained the trunk posture while reducing the stress difference in the disc. The activities of erector spinae pars lumborum and multifidus markedly increased according to the increase of flexed angle until 40° flexed posture whereas it was maintained at 60° flexed posture similar to the muscle activity at 40° flexed posture. A reverse change was detected rectus abdominis. The fascial tension induced a decrease in the erector spinae pas thoracis activity. It was decreased to 94.0 N, 90.9 N, and 74.8 N according to the magnitude of half, one, and two-fold base fascial tension from 103.3 N of zero fascial tension, respectively. The spinal fusion decreased total motion at the lumbar spine and additional pelvic tilting was produced to maintain the trunk angle. Compared with intact case, fusion generated the reduction in the erector spinae and multifidus. The nucleus pressure and segmental motion increased at the adjacent segments. The proposed method in this study allowed for the inter-relation of realistic muscle activity and the spinal motion. Further study of its influence in spine stability will lead to a better understanding of how spine stability is maintained under several different loading conditions including surgery and instrumentation. 인체 근골격계 중 요추부는 상체와 하지를 연결하는 주요 구조물로써 척추 요소와 척추 주변 근육의 상호 작용을 통해 기계적 안정성을 유지하여 척추의 손상 없이 다양한 움직임이 가능하도록 한다. 요추의 기계적 불안정성의 발생은 척추 주변 근육의 비정상적 작용을 유발하고 추가적인 척추 요소의 손상 등을 야기한다. 본 연구에서는 추간판 내에 존재하는 기계적 수용기의 응답 특성에 따라 척추의 안정화를 유지하는 방향으로 척추 주변 근육의 작용이 제어된다는 가정 하에 유한 요소 해석과 최적화 해석을 연동하여 각 추간판에서 발생하는 응력 차이를 최소화하는 방향으로 작용하는 척추 주변 근육력을 도출하기 위한 해석을 수행하였다. 상세 요추부 유한 요소 모델과 강체로 이루어진 흉곽 및 흉추, 골반 모델, 척추 주변 근육 모델을 포함한 상체 모델을 개발하였다. 척추 주변 근육 모델은 108개의 요소로 기시점과 삽입점 사이를 커넥터 요소로 연결하고 두 점 사이로 근육력이 작용하도록 하였다. 복근과 복압의 작용은 흉요근막 인장력으로 대체하여 모델에 적용하였으며, 이때 부과되는 인장력은 흉요근막에 부착된 근육의 단면적과 근육의 활성 레벨을 이용하여 추정하였다. 기립 자세와 20°, 40°, 60°의 상체 굽힘 자세에서의 해석을 수행하여 상체의 굽힘 각도 증가에 따른 척추 주변 근육의 활성도 변화와 흉요근막 인장력의 적용 여부에 따른 근육의 작용을 계산하였다. 추가적으로 60° 굽힘 자세에서 흉요근막 인장력의 크기를 세 단계(1/2배, 1배, 2배)로 변화시켜 흉요근막 인장력의 증가에 따른 근육력의 변화를 확인하고자 하였으며, 60° 굽힘 자세에서 L4-L5, L3-L5, L4-S1의 운동 분절 유합에 따른 각 근육 요소의 작용 변화와 유합 인접 분절에서 발생하는 척추 요소의 변화를 살펴보고자 하였다. 해석 결과를 통해 척추 주변 근육이 적절한 작용을 통해 상체의 자세를 유지하고 각 운동 분절을 조정하여 각 추간판에서 발생하는 응력의 차이를 최소화하는 것을 확인하였다. 굽힘 각도가 증가함에 따라 40° 이내의 굽힘 자세에서는 심층부 척추 기립근과 다열근의 활성도가 증가하였으나 60° 굽힘 자세에서는 40° 굽힘 시의 근육 활성도와 유사한 값을 유지하였다. 반면 40° 이상의 굽힘 자세에서 복직근의 작용은 감소하는 결과를 보였다. 흉요근막 인장력의 부과로 인해 굽힘 자세에서의 척추 기립근 중 표면근의 작용이 감소하였다. 특히 60° 굽힘 자세에서 흉요근막 인장력의 세 단계 변화에 따른 해석 결과로 척추 기립근 중 표면근의 근육력은 흉요근막 인장력이 부과되지 않은 경우 103.3 N 이었으나 흉요근막 인장력의 크기에 따라 각각 94 N, 90.9 N, 74.8 N 으로 감소하였다. 운동 분절의 유합은 요추의 운동량을 감소시키며, 요구되는 상체의 굽힘 각도를 유지하기 위해 골반의 각도가 증가되었다. 운동 분절의 유합 후 상체의 굽힘 각도를 형성하고 척추의 안정화를 유지하기 위해 유합 분절에 부착된 다열근의 작용이 감소하였으며, 인접 상위 분절과 최하위 분절에서 추간판의 압력과 운동량이 증가하였다. 본 연구에서 제안된 해석 방법은 자세 변화와 척추의 기계적 특성 변화를 모델에 반영하여 이로 인해 변화되는 척추 주변 근육의 작용력을 도출 할 수 있었다. 개발된 모델과 해석 방법은 유합 인접 분절의 추가적 변성에 대한 메커니즘 분석과 유합 장치에 따른 영향 등 다양한 응용 해석에 활용될 수 있을 것으로 여겨지며, 이로써 다양한 하중 조건에서의 척추 안정화를 유지하기 위한 근육의 작용을 보다 명확히 분석 할 수 있을 것으로 기대된다.

응력센서 피드백 메커니즘을 이용한 상체 굽힘 시 척추 주변 근육력 분석

최혜원 단국대학교 대학원 2009 국내석사

척추는 인체 골격계 중 매우 중요한 구조물로써 가장 복잡하면서도 이상적인 구조를 가지고 있다. 무거운 물건을 들어 올려 임계 하중 이상의 부하가 걸리거나 갑작스러운 자세 변화로 인해 척추의 안정성이 깨어지면 척추에 부상을 유발하게 된다. 이와 같은 기계적 요인에 의한 척추 운동 분절 내에서의 손상 및 퇴행성 변화는 요통(backpain)을 야기하게 된다. 특히 척추 운동 분절의 융합은 요추의 5개의 운동 분절이 유기적으로 분배하였던 하중의 분포를 흐트러트리게 된다. 이에 따라 척추 주변근들은 정상상태의 척추에서와는 다른 양상의 역할 분담을 할 것으로 예상되고 있다. 본 연구에서는 요추의 각 분절 사이에 위치한 추간판이 응력 센서의 역할을 하고 이를 통해 척추주변근이 척추체를 조절하여 각 운동 분절에서의 발생 응력 차이를 최소화 한다고 가정하였다. 이를 위해 상세유한요소모델을 이용하여 각 추간판에 발생되는 응력의 편차를 구한 후 최적화 기법을 통해 이를 최소화하는 방법으로 상체 굽힘 시, 정상상태와 척추간 융합이 이루어진 경우에 대해 척추 주변 근육력 변화를 분석하였다. 모델은 빔(beam) 요소로 간략화 된 늑골장(rib cage)과 견갑대(shoulder girdle)로 구성된 흉추부, 상세 유한 요소 모델로 구성된 추체(vertebra) 및 추간판, 인대(ligments) 등을 포함하는 요추부로 나누어 모델링하였다. 해부학적 자료를 토대로 부착한 다섯 종류의 근육은 12개의 요장늑근(iliocostalis lumborum), 10개의 흉최장근(longissimus thoracis), 4개의 흉극근(spinalis thoracis), 각각 10개의 다열근(multifidus), 대요근(psoas major) 으로 총 46개로 구성하였다. 척추 유합술 시술에 의한 융합 분절을 유한요소모델로 모사하기 위해 추간판인성 요통이 주로 발생되는 제 3-4 요추, 제 4-5 요추, 제 5 요추 - 1 천추 그리고 제 3-5 요추, 총 네 가지 융합 케이스(case)에 대해 모델링 하였다. 10명의 피검자를 대상으로 촬영된 x-ray 이미지를 분석하여 정리한 실험값의 평균을 토대로 10°, 20°, 30° 의 굽힘 자세를 모사하였다. 모델에서 천골 및 좌우 골반을 완전 고정하고 상체무게 350N 과 부가하중을 가하였고, 최적화 과정을 통하여 각 모델의 자세를 유지하면서 추간판 압력을 균일화 하는 적합한 근육의 조합을 계산하였다. 최적화 방법은 ‘유용방향법(MMFD)’ 을 사용하였으며, 제약조건은 직립 자세의 경우 상체의 무게 중심이 2mm 이내로 움직이도록 구속하였다. 굽힘 자세의 경우 각 자세의 굽힘 각도를 유지하며 상체가 기울어진 선상으로 10mm 이내로 움직이도록 하였다. 상체 굽힘 각도가 증가함에 따라 자세를 유지하고 추간판의 압력을 균일화하기 위한 총 근육력과 각 추간판의 발생 압력 및 응력은 증가하게 되는데, 특히 L5/S1 융합모델과 L3-L5의 융합모델에서 근육의 역할 변화가 두드러졌다. 이를 통해 각 근접분절에 근육력을 집중시켜 운동량을 보완하여 요추의 안정화를 유도하였다. 본 연구를 통해 척추 주변근의 상호보완적인 협조 작용을 통해 자세를 유지하고 추간판의 압력을 균일화하는 역할을 함을 확인하였고, 상체의 굽힘 각도 뿐 아니라 융합분절의 레벨 및 위치 또한 근육 역할 변화에 큰 영향을 미친다는 결론을 얻을 수 있었다. For stability analysis of the lumbar spine, the hypothesis presented is that the disc has stress sensors driving feedback mechanism, which could react to the imposed loads by adjusting the contraction of the muscles. This study was executed a finite element model combined with optimization technique was applied to quantify the role of each muscle and reaction forces in the spinal motion segments under varying flexion postures between 0° and 30°. The musculoskeletal model was consisted with detailed whole lumbar spine, pelvis, sacrum, coccyx and simplified trunk model. Vertebral body and pelvis were modeled as a rigid body and rigid truss element was used the rib cage construction for the computational efficiency. Spinal fusion model was applied to L3-L4, L4-L5, L5-S1 (single level) and L3-L5 (two level) fusion segments. Muscle architecture with 46 local muscles was used as acting directions in this analysis. The pelvis, coccyx and sacrum were fixed. One nodal point of truck represented the centre of gravity of the upper-body where the body load (350N) was applied in vertical direction and additional load between 0 and 200N was applied both ends of the shoulder. Minimization of the nucleus pressure deviation and annulus fiber average axial stress deviation was used for cost function. As results, the flexion of upper body has been generated increment in nucleus pressure and angular motion. A role of longissimus thoracis was markedly increased at erect position as contrast with flexed position of intact model. Especially, longissimus thoracis and psoas major muscle showed a dramatic changes for the case of L5-S1 level fusion and L3-L5 level fusion cases. Fusion segments generate concentraion of muscle forces in adjacent segment. As a result of this study, the role of each muscle was changed according to the variation of fusion level as well as magnitude of inclination angle.