Biomechanical Investigation to Establish Stable Fixation Strategies for Distal Tibial Fractures in Various Situations: Finite Element Analysis Studies

Abstract

목적: 원위 경골 골절 치료에서 골수강 내 금속정과 원위 경골 금속판에서 적절한 내고정물을 선택하는 것은 아주 중요한 부분이지만 아시아인에 대한 원위 경골의 해부학 및 원위 경골 금속판 모양과의 일치성에 대한 연구와 금속판과 금속정 사이의 생역학적 차이를 비교한 연구는 없다. 본 연구는 3D 재건술을 통하여 아시아인의 원위 경골의 해부학적 요소를 파악하고, 원위 경골 금속판과 원위 경골의 일치 정도를 파악하고자 하였습니다. 또한 유한 요소 해석을 통해 원위 경골 골절을 위한 다양한 고정 방법의 구조적 강도를 분석함으로써 임상적 의의를 얻고자 하였다. 대상 및 방법: 경골의 3D 재건술을 위해 IRB 승인 이후 후향적으로 경골 골절이 있었던 19세 이상의 환자를 대상으로 양측 경골 CT 촬영을 한 총 77명의 환자를 대상으로 하였다. 대상들의 수상하지 않은 반대쪽 경골 CT 데이터로 Mimics® 프로그램을 이용하여 3D 경골 모델을 재건하였다. 금속판의 3D모델을 제작하고 원위 경골의 내측에 가상으로 위치시켜 기존의 원위 경골 금속판의 모양과 경골 사이의 일치 정도를 확인하였다. 원위 경골의 해부학적 특성을 확인하기 위해 Mimics® 프로그램을 사용하여 아시아인의 원위 경골의 뒤틀림 정도와 원위 경골의 오목함의 정도를 파악하였다. 2개의 선을 경골 간부와 원위 경골에 설정한 후 이 두 선 사이의 각도를 측정하여 원위 경골의 뒤틀림 정도를 확인하였다. 원위 경골 내측면에 3개의 점을 경골 간부, 족관절 내과, 그리고 이 두 점 사이 같은 거리에 있는 점을 설정하여 이 3개의 점을 이어 원을 그리고, 원의 지름을 측정하여 원위 경골 내측부의 오목한 정도를 파악하였다. 좌측 경골(SAWBONES®)에 대해 금속정과 금속판을 가장 이상적인 곳에 위치시킨 후 원위 경골에 20mm와 120mm의 결손으로 원위 경골 골절 모델을 만들었다. 20mm 및 120mm 결손에서 금속정 고정술을 시행하였으며 원위 고정의 구성은 2개 및 3개의 교합나사를 삽입한 모델 그리고 2개의 교합 나사 및 차단나사를 삽입한 모델을 만들었다. 금속판 고정술은 20mm결손에 대해서만 시행하였다. Ansys®를 이용한 하중 부하 모델 구축에서 외다리 서기를 구현하기 위해 축성 800N를 내측에 60%, 외측에 40%를 부하 하였으며, 임플란트와 뼈는 직접 접촉된 것으로 가정하였고 제조사에서 제시된 물성치를 적용하였다. 골절 부위의 변형 정도(mm)와 경골 및 임플란트에 발생하는 응력(von Mises stress, VMS, MPa)를 측정하였다. 결과: 원위 경골의 뒤틀린 정도는 평균값 30.06도 (표준편차: 6.50°), 원위 경골의 굴곡 정도는 굴곡선의 지름 평균값이 436.46mm (표준편차: 67.62mm) 확인되었다. 원위 경골의 뒤틀림 정도는 원위 경골의 굴곡 정도와 통계적으로 유의한 관계를 보였다. (p=0.039) 원위 경골과 원위 경골 금속판사이의 불일치 하는 부위는 경골 골간단에서 골간으로 넘어가는 부위에서 유격이 크게 확인되었으며 금속판의 모양에 따라 수술적 정복시 경골의 내반 변형 및 외회전 변형이 일어날 수 있음을 확인 하였습니다. 금속정 모델에서 경골 및 내고정물의 응력 분포는 첫번째 교합 나사 홀 및 주위 내측 피질골에서 최대치를 나타났었으며, 금속판 모델에서는 골절 주위 잠김 홀에서 최대치가 나타났다. 20mm결손 골절의 2개의 교합나사 모델에서 경골의 최대 VMS는 40.35MPa, 3개의 교합나사 모델은 30.12MPa이었으며, 금속판 모델의 유사한 위치에서는 56.39MPa였다. 내고정물의 최대 VMS는 2개의 교합나사 모델에서 251.21MPa, 3개의 교합나사 모델은 202.70MPa이었으며, 금속판 모델의 유사한 위치에서는 510.42 MPa이였다. 120mm 결손 골절의 2개의 교합나사 모델에서 경골의 최대 VMS는 38.86MPa, 3개의 교합나사 모델은 25.30MPa이었으며, 차단나사 모델에서는 25.74MPa이었다. 내고정물의 최대 VMS는 2개의 교합나사 모델에서 243.65MPa, 3개의 교합나사 모델은 198.71MPa이었으며, 차단나사 모델에서는 187.17MPa이었다. 결론: 금속정 고정술에서 원위 골편의 고정력을 유지하기 위해서는 첫번째 교합나사의 최대 고정력을 확보하는 것이 제일 중요하게 되며, 2개의 교합나사 고정술 보다 3개의 교합나사를 이용한 고정술이 생역학적으로 안정적이며 분쇄가 심한 골절에서는 3개의 교합나사 고정술보다 차단 나사못 고정술이 생역학적으로 안정적이었다. 금속판 고정술에서는 골절 주위의 근접 잠김홀 및 피질골에서 최대의 응력이 집중되는 점을 감안하여 최대한의 고정력이 확보될 수 있게 나사못 고정술이 이루어져야 할 것으로 판단된다.