응력센서 피드백 메커니즘을 이용한 상체 굽힘 시 척추 주변 근육력 분석

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 선행연구 = 2
• 1.3 연구목적 = 6
• 2. 유한요소모델 = 7
• 2.1 직립(erect)모델 = 7
• 2.1.1 흉추부(Thoracic part) 모델링 = 7
• 2.1.2 요추부(Lumbar part) 모델링 = 9
• ⑴ 추골(Vertebra) = 9
• ⑵ 추간판(Intervertebral disc) = 10
• ⑶ 후관절(Facet joint) = 12
• ⑷ 인대(Ligaments) = 13
• ⑸ 요추부 모델의 타당성 검증 = 14
• 2.1.3 척추주변근육(Paraspinal muscles) 모델링 = 16
• ⑴ 근육의 역할 및 위치 = 16
• ⑵ 근육의 모델링 = 19
• 2.2 융합분절(Fusion Segments)모델 = 21
• 2.3 굽힘 자세(Flexed position)모델 = 22
• 3. 최적화 기법을 이용한 해석 = 27
• 3.1 해석과정 = 28
• 3.2 FE 해석조건(Boundary/Loading condition) = 29
• 3.3 최적화(Optimization) 조건 = 31
• 3.4 유용방향법(MMFD) = 32
• 3.5 상용프로그램에서의 최적화 알고리즘 = 33
• 4. 해석결과 = 38
• 4.1 정상모델의 해석결과 = 38
• 4.1.1 최적화 된 근육력 = 38
• 4.1.2 추간판의 압력 및 응력 = 46
• 4.1.3 각 분절의 운동량 = 49
• 4.1.4 실험값과 해석결과의 비교 = 50
• 4.1.5 후관절의 접촉력 = 53
• 4.2 융합모델의 해석결과 = 54
• 4.2.1 최적화 된 근육력 = 54
• (1) 굽힘 각도에 따른 근육력 비교 = 54
• (2) 융합 레벨 및 위치에 따른 근육력 비교 = 58
• 4.2.2 추간판의 압력 및 응력 = 64
• 4.2.3 각 분절의 운동량 = 67
• 4.2.4 후관절의 접촉력 = 68
• 5. 결론 = 69
• References = 71
• List of figures = 75
• List of tables = 77
• (Abstract) = 78