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척추체간 유합케이지의 스파이크형상 변화에 따른 척추체의 응력분포 및 케이지의 안정성에 대한 수치적 해석

Numerical Analysis on Stress Distribution of Vertebra and Stability of Intervertebral Fusion Cage with Change of Spike Shape

오재윤|김철생|심해영
대한의용생체공학회 (The Korea Society Of Medical & Biological Engineering)|2004.10|의공학회지 (Journal of biomedical Engineering Research)|제25권 제5호|pp. 6-6

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초록

척추체간 유합케이지의 성능평가에 있어서 압축강도와 상대적인 3차원적 안정성 그리고 골유도를 촉진시킬 수 있는 형상은 성공적인 골유합의 정도를 판가름 할 수 있는 중요한 척도이다. 새로 고안된 박스형 유합케이지 스파이크의 형상변화에 따른 척추체의 골단판에 미치는 응력분포 양상과 케이지의 안정성을 비교하기 위하여 압축하중 작용 초기에 스파이크 끝단과 골단판이 접촉하는 경우와 스파이크가 골단판에 삽입되었을 경우를 구분하여 스파이크의 높이, 폭 및 각도를 변화시켜 가면서 유한요소 해석을 실시하여 고찰하였다. 유합케이지 2개가 척추체간에 삽입되어 있는 상태에서 수직하중 1700N이 가해질 때 척추체 골단판에 전달되는 응력분포를 조사하였으며, 전,후방향으로 케이지 하나에 100N의 pull out 하중을 부과하여 케이지의 스파이크 형상변화에 따른 미세이동 정도를 비교 평가하였다. 그 결과, 척추체 골단판의 응력집중 정도에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 케이지 스파이크 끝단 폭의 크기이며, 케이지 스파이크의 높이 및 각도의 변화는 스파이크 끝단과 접촉하는 척추체 골단판에 미치는 응력 정도에 큰 영향을 미치지 않았다. 스파이크 경사면 각도조절 및 양방향 혼합형의 대칭 배열을 통하여 전후방향 pull-out 하중에 대한 변위량을 저감시킬 수 있었다. 본 연구의 결과를 통하여 척추체에서의 응력집중을 피할 수 있고 케이지의 초기 접촉시 골단판의 파괴를 방지하고 골유합에 유리한 케이지 스파이크 형상을 설계하였고, 케이지 치환술 후 운동시 전후방향으로 이동을 최소화 하여 기계적 안정성을 높일 수 있는 새로운 척추체간 유합 케이지의 최적 형상을 제안하였다.

Abstract

The axial compressive strength, relative 3-D stability and osteoconductive shape design of an intervertebral fusion cage are important biomechanical factors for successful intervertebral fusion. Changes in the stress distribution of the vertebral end plate and in cage stability due to changes in the spike shape of a newly contrived box-shaped fusion cage are investigated. In this investigation, the initial contact of the cage's spikes with the end plate and the penetration of the cage's spikes into the end plate are considered. The finite element analysis is conducted to study the effects of the cage's spike height, tip width and angle on the stress distribution of the vertebral end plate, and the micromigration of the cage in the A-P direction. The stress distribution in the end plate is examined when a normal load of 1700N is applied to the vertebra after inserting 2 cages. The micromigration of the cage is examined when a pull out load of 100N is applied in the A-P direction. The analysis results reveal that the spike tip width significantly influences the stress concentration in the end plate, but the spike height and angle do not significantly influence the stress distribution inthe end plate touching the cage's spikes. In addition, the analysis results show that the micromigration of the cage can be reduced by adjusting the spike angle and spike arrangement in the A-P direction. This study proposes the optimal shape of an intervertebral fusion cage, which promotes bone fusion, reduces the stress concentration in a vertebral end plate, and increases mechanical stability.

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