임플란트 붐: 당신의 고관절을 인공관절로 교체한다면?

임플란트 붐: 당신의 고관절을 인공관절로 교체한다면?


“최적화로 인공관절의 수명과 성능을 향상!”

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안녕하세요.
다름을 디자인하다, 알테어입니다.

미국의 베이비 붐 세대들 사이에서 고관절 대치술을 받는 횟수가 급증하고 있습니다. 고관절에 심각한 손상이나 통증을 호소하는 경우뿐만 아니라, 활동적인 라이프 스타일을 위해 고관절 대치술을 받는 경우도 적지 않습니다.

이전 세대들은 나이가 들면 단지 지팡이를 잡는 것에 그쳤을지 모르지만, 오늘날 베이비 붐 세대는 지팡이 대신 운동화, 자전거 또는 수경을 사용하고자 할만큼 활동적이기 때문이라고 볼 수 있습니다.

NCHS (National Hospital Discharge Survey)에 따르면 미국의 45 세 이상인 환자의 고관절 대치술 횟수는 2000 년에서 2010 년 사이에 2배 이상 증가했습니다. 게다가 같은 기간 동안 45세에서 64세 환자들의 고관절 대치술은 거의 3 배 이상 증가했습니다.

이는 고관절 대치술에 사용되는 많은 인공관절들이 활동적인 라이프 스타일까지 고려하여 설계되지 않았다는 것을 보여줍니다.

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(자료제공: https://www.cdc.gov/nchs/products/databriefs/db186.htm)

고관절 대치술의 횟수는 계속해서 증가하고 있으며, 수술받은 환자들 중 10-20%는 인공관절의 파손 또는 마모로 인한 재수술이 요구됩니다.

그 중 가장 보편적으로는 인공관절이 느슨해지는 경우이며, 이러한 이완 현상은 뼈의 수축이나 뼈의 손실로 인해 발생할 수 있습니다. 재수술은 특히 노인 환자의 경우 더 어려울 수 있으며, 뼈가 재구성되는 과정에서 골절의 위험이 증가할 수도 있습니다. 이는 수십 년간 유지될 보철물이 필요한 활동적인 젊은 환자들에게도 달갑지 않은 소식입니다.

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(자료제공: https://www.healio.com/orthopedics/hip/news/print/orthopedics-today)

이러한 문제를 피할 수는 없을까요?

인공관절에 최적화 및 시뮬레이션 기술과 방법을 적용하면 보철물의 수명과 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

이를 수행하는 두 가지 방법은 인공관절을 디자인할 때, 보다 동적인 하중 조건을 포함시키고 임플란트 주변의 뼈의 응력 수축을 줄이는 데 초점을 맞추는 것입니다.

컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 설계를 분석할 때는 제품 수명 주기 동안에 볼 수 있는 다양한 하중 케이스를 모두 포함시키는 것이 중요합니다.
현재 인공관절을 디자인할 때 고려되는 하중 케이스는 서기, 앉기, 걷기 및 계단 오르기와 같은 일상적인 활동만 포함됩니다.

그러나, 전체 고관절 대치술을 받은 젊은 환자의 수가 증가하고 고령 환자들이 활동적으로 생활하고 있는 상황까지 본다면, 추가적인 하중 케이스가 고려되어야 합니다.
이번 연구에서는 조깅과 같은 일상적인 활동뿐만 아니라, 자전거 타기, 수영 및 기타 활동들도 디자인 과정에 포함시킬 수 있었으며, 이러한 하중 케이스를 추가해 인공관절의 수명과 성능을 향상시킬 수 있었습니다.

추가된 하중 케이스를 고려할 때는 성능 향상기존 관절과의 호환성도 고려해야 합니다.

대부분의 인공고관절은 생체 적합성때문에 티타늄으로 만들어지지만, 티타늄은 인간 대퇴골의 피질골보다 약 6.5 배 더 단단합니다. 대퇴골에 견고한 티타늄 스템이 삽입되면 나머지 골격에서 하중 분포가 변경됩니다.

티타늄 스템이 자연 뼈보다 훨씬 단단하기 때문에 종종 뼈에 가해지는 하중이 줄어드는데, 이것을 응력 차단(stress-shielding)이라고 합니다.
울프의 법칙에 따르면, 뼈는 외부 하중에 적응할 수 있도록 스스로 변화합니다. 주변 뼈에 가해지는 하중과 응력이 감소하면 뼈의 수축 및 뼈의 손실까지 발생할 수 있기 때문에, 응력을 줄이는 것은 대치술 재수술을 방지하는데 도움이 됩니다.

토폴로지 최적화는 제공된 하중 케이스, 설계 제약 조건 및 목표에 따라 정의된 재료 체적 내에서 재료 분포를 최적화합니다.

최적화 프로세스는 재료가 제거될 수 있는 위치와 다양한 하중에 대한 최적의 하중 경로를 보여줍니다. 최근 적층 제조 기술의 발전으로 알테어는 구조 격자를 생성하는 격자 최적화를 도입하여 솔리드 구조가 필요하지 않은 영역에 통합할 수 있게 되었습니다. 설계 제약 조건 및 목표를 달성하기 위해 각각의 격자의 빔 직경을 미세하게 조정하는 것도 가능합니다.

이 기술들은 일반적으로 인공관절의 기하학적 구조에 적용되었습니다. 우리 연구의 목적은 인공관절의 강성과 강도를 더욱 잘 조정할 수 있는 방법론 및 프로세스를 작성하고 표준 일상 활동 중 조깅과 같은 하중 케이스를 포함시키는 것이었으며, 그 결과는 매우 긍정적이었습니다.

이를 위해 우리는 건강한 대퇴골을 시뮬레이션 한 다음, 일반 임플란트를 사용한 대퇴골과 마지막으로 토폴로지와 격자 최적화를 사용하여 설계된 대퇴골을 시뮬레이션했습니다.

최적화된 보철물은 인쇄 방향을 신중하게 선택하고, 돌출 각도를 계산하고, 최소 크기의 파라미터와 인쇄된 지지 구조물에 대한 필요성을 줄이고, 금속 적층 제조에 적합하도록 설계되었습니다.

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결과적으로 일반 디자인과 최적화된 디자인을 비교할 때 보철물로 인한 응력이 57 %까지 감소했습니다.

또한 최적화된 설계에서는 조깅과 ISO표준 피로 하중 케이스 2개를 포함한 모든 하중 조건에 대한 스템의 응력은 575 MPa 이하로 유지되었습니다. 티타늄 등급의 경우, 인공보철물은 약 1 만 사이클이 가능한 내구성 또는 로스앤젤레스에서 뉴욕까지 2번 조깅할 수 있을 정도로 설계되었습니다.

이번 연구는 적층 제조와 최적화 프로세스를 결합하면 매우 흥미로운 설계와 사용자 정의 가능성을 제공할 수 있음을 보여줍니다.

예를 들어 수상 스키와 사이클링을 즐기는 200 파운드 남성에게 적용한다면, 이러한 개인 활동과 생리학을 기반으로 하는 특정 하중 케이스가 최적화 프로세스에 적용될 수 있습니다. 그리고 바로 다음 주에 외과의사로부터 주문 제작된 보철물을 받아볼 수 있게 됩니다.

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자세한 내용은 (여기)에서 확인하세요

감사합니다, 알테어드림

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