FE 운동 분절내에서 하중 조건이 Dural-sac의 교합량에 미치는 영향에 대한 해석

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 하중 조건에 따른 마미(cauda-equina)의 외부 표피인 척추 경막(dural-sac)의 교합원인과 교합량(occlusion)을 정량적으로 구하였다. 정하중 해석, creep 해석과 충격 하중시의 척추 경막의 교합을 살펴보기 위해 정상적인 요추와 골절이 생긴 요추 운동 분절에 대한 두 가지 유한 요소 모델을 개발했고, 점탄성적 성질을 나타낼 수 있는 물성치를 추간판과 인대등에 적용시켰다. 유한 요소 모델의 타당성은 축방향으로의 변위와 신전시 후관절에서의 접촉력 그리고 크립 해석 결과를 참고문헌과 비교하여 검증하였다. 정하중 해석에서는 500 N부터 6000 N까지 축하중을 가했고, 신전과 굴전 상태에서 2800 N까지 축하중을 가했다.
크립 해석에서는 신전(extension), 굴전(flexion) 그리고 배회전(lateral bending)의 하중을 각각 2 Nm에서 10 Nm까지 가했고 50 sec까지는 균일하게 증가시킨 후 3600 sec까지 일정하게 유지시켰다. 교합은 척추 경막의 단면적을 계산함으로써 구했는데, 교합이 가장 많이 발생하는 곳에서 계산했다. 정하중 해석에서는 2000 N이상에서는 하중에서만 척추 경막의 교합이 발생했고 6000 N에서는 4 %에 이르렀다. 이 하중 구간에서 하중량과 교합량은 비례했다. 또한 신전을 동반할 경우 교합이 더 크게 나타났고, 신전량이 클수록 교합량이 증가했는데, 8 Nm + 2 kN에서는 7.4%, 10 Nm + 2 kN에서는 10.5%의 교합이 발생했다. 크립 해석에서는 각 운동에 따라 교합량을 구했는데, 신전시 가장 크게 나타났다. 10 Nm에서 6.9%의 교합이 발생되고, 2.4%의 체적 감소가 일어났다. 정하중 해석과 크립 해석에서 굴전으로 인한 교합은 발생되지 않았다. 또한 교합은 주로 황색 인대(ligamentum flavum)의 이완(slacknening)과 추간판(disc)의 팽륜(bulging)에 의해 발생되었고 신전에서 그 양이 가장 컸다.
충격 하중(impact)하에서는 충격 지속시간을 변화시켜 가며 6000 N의 하중을 추체의 윗면에 가했는데, 충격 지속 시간이 8 msec ∼ 12 msec일 때 척추 경막의 교합량이 가장 크게 나타났으며, 교합은 추체 조각(fragment)이 척추 경막을 압박하면서 발생되었다. 충격 지속 시간(time duration)이 400 msec일 때는 약 4%의 교합이 발생하였는데, 이 수치는 같은 양의 정하중을 가했을 때 나타난 교합량과 같았다. 충격 지속 시간이 길수록 하중은 정하중에 가까워졌고, 척추 경막의 교합은 황색 인대(ligamentum flavum)와 추간판(disc)에 의해 발생되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study the occlusion of dural-sac, the outer membrane of spinal cord in the lumbar region, was quantitatively analyzed using one motion segment finite element model. Two types of model, intact model having viscoealstic properties in disc and ligaments and fractured model which has fragment at the lower posterior region of vertebra body were developed for calculating the occlusion of dural-sac under static and dynamic loading conditions. FE model validation was performed by comparing axial displacement, facet contact force in extension and creep analysis by comparing with published data. Occlusion was quantified by calculating cross sectional area change of dural-sac. In static analysis, less than 2 kN of compressive load could not produce dural-sac occlusion, even though 4% cross sectional area change was calculated under 6 kN. Additional compression in extension is more likely to occlude the dural-sac. The magnitude of occlusions were 7.4%, 10.5% under 8 Nm, 10 Nm extension moment with 6 kN of compressive load respectively. In creep analysis, 10 Nm extension induced 6.9% of cross sectional area change and volume reduction 2.4% in dural-sac. However, flexion moment could not produce any occlusion of dural-sac. Occlusions were mainly resulted from the slackening of ligamentum flavum and disc bulging.
In dynamic analysis, dural-sac was occluded most highly in the range of 8 msec ∼ 12 msec by fragment intruding into the spinal cord. △t = 400 msec case 4% cross sectional area change was calculated, which is the same occlusion quantity of cross sectional area change under static 6 kN of compressive loading.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문 요약 = i
• 감사의 글 = iii
• 1. 서론 = 1
• 2. 유한요소 모델 = 4
• 2.1 요추부의 유한 요소 모델 = 4
• 2.1.1 추간판(disc) = 6
• 2.1.2 인대(ligament) = 7
• 2.1.3 후관절(facet joint) = 8
• 2.1.4 황색인대(ligamentum flavum) = 9
• 2.1.5 마미(cauda-equina) = 11
• 2.2 접촉(contact) 부위의 모델링과 해석 = 13
• 2.2.1 Gap 요소 = 13
• 2.2.2 면접촉(surface contact) = 15
• 2.3 Element type = 16
• 2.4 물성치(material properties) = 18
• 2.4.1 점탄성 물성치(viscoelastic property) = 20
• 2.5 경계 조건(B.C.)과 하중 조건(L.C.) = 24
• 2.5.1 정하중 해석(static analysis) = 27
• 2.5.2 크립 해석(creep analysis) = 28
• 2.5.3 동하중 해석(impact analysis) = 29
• 3. 결과 및 토의 = 30
• 3.1 유한 요소 모델의 타당성 비교 = 30
• 3.1.1 정하중 해석 = 30
• 3.1.2 크립 해석 = 32
• 3.2 정하중시 척추 경막(dural-sac)의 교합 = 35
• 3.2.1 축하중에 따른 척추 경막(dural-sac)의 교합 = 35
• 3.2.2 회전력을 동반한 축하중에서의 척추 경막 교합 = 36
• 3.3 추간판 크립현상에 따른 척추 경막의 교합량 = 39
• 3.3.1 시간에 따른 척추 경막과 주변 요소와의 접촉 현상 = 39
• 3.3.2 시간에 따른 척추 경막(dural-sac)의 교합 현상 = 42
• 3.3.3 추간판(disc)의 거동 = 46
• 3.3.4 척추 경막(dural-sac)의 체적 변화 = 48
• 3.3.5 척추 경막(dural-sac)의 단면적 변화 = 51
• 3.3.6 시간에 따른 추간판의 팽륜(bulging) = 54
• 3.4 충격 하중(impact)시 척추 경막(dural-sac)의 교합 = 57
• 3.4.1 충격 지속 시간에 따른 척추 경막의 교합량 = 57
• 4. 결론 = 61
• References = 63
• List of Figures = 66
• List of Tables = 68
• Abstract = 69