Dynamic Stabilizer 적용에 따른 생역학적 특성 분석

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 선행연구 2
• 1.3 연구목적 4
• 2. 유한요소 모델 6
• 2.1 정상모델 6
• 2.1.1 추골(Vertebra) 6
• 2.1.2 추간판(Intervertebral disc) 7
• 2.1.3 후관절(Facet joint) 9
• 2.1.4 인대(Ligaments) 9
• 2.2 제 3-4 운동 분절 융합모델 11
• 2.2.1 강성고정장치(Rigid fixation device) 삽입모델 11
• 2.2.2 동적안정장치(Dynamic stabilizer) 삽입모델 12
• 2.2.2.1 PEEK 모델 12
• 2.2.2.2 DYNESYS 모델 13
• 2.2.2.3 NFlex 모델 15
• 2.3 하중 및 경계조건 17
• 3. 해석결과 및 토의 19
• 3.1 모델의 타당성 검증 19
• 3.1.1 In-vitro 실험결과와 운동량 비교 19
• 3.1.2 In-vivo 실험결과와 수핵의 압력비교 21
• 3.2 동적안정장치 적용 시 운동량 변화 24
• 3.3 추간판의 압력 34
• 3.4 추간판의 응력분포 36
• 3.5 인대에 작용하는 힘 39
• 3.6 후관절에서의 접촉력 42
• 3.7 추체에서의 응력분포 44
• 4. 결론 48
• References 51
• Appendix 55
• Abstract 69