Simulator를 이용한 인공무릎관절 접촉면의 압력분포 및 운동성 분석 = Analysis of the Contact Pressure Distribution and Kinetics of Knee Implant Using the Simulator

국문 초록 (Abstract)

인공무릎관절의 수명에 직접적인 영향을 주는 인자는 접촉면에 대한 접촉면적과 압력분포이다 따라서. 이에 대한 실험적인 평가가 필요하였고 knee simulator 혹은 K-scan sensor를 포함한 시스템과 같은 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 지금까지 보행주기에 따른 연속적인 인공관절 운동에 대한 접촉면의 압력분포를 실시간으로 분석한 연구는 미흡하다 따라서 본 연구의 목적은 보행주기를 모사하는 simulator와 I-scan을 이용하여 연속적인 동작에 따른 접촉면의 압력분포를 분석함에 있다. 본 연구의 목적을 이루기 위해서 생체내 인공관절 환경을 정확히 표현할 수 있는 knee simulator를 제작하였다. 네 방향의 자유도를 갖고 있는 본 simulator는 soft tissue의 기능을 포함하고 있고 PC Program을 통하여 압축하중과 femoral component의 굴곡각을 조절할 수 있다. 본 시스템의 I-scan sensor는 보행주기에 따른 압력분포를 분석할 수 있다. 보행주기에 대한 압력분포는 압축하중곡선에 따라 주요하게 변화함을 알 수 있고 운동성에 영향을 쿠는 압력중심의 위치도 변한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작한 knee simulator는 보행주기 같은 특정의 운동정보를 이용하여 접촉면의 압력분포 및 운동성 같은 기계적 성능을 평가할 수 있고 형상 설계를 위한 기초 자료를 제공할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Contact area and pressure are important factors which directly influence a life of knee implants. Since implant's mechanical functions should be experimentally evaluated for clinical use, many studies using a knee simulator and a pressure sensor system have been conducted. However it has not been reported that the contact pressure's distribution of a knee implant motion was estimated in real-time during a gate cycle. Therefore. the objective of this study was to analyze the contact pressure distribution for the motion of a joint using the knee simulator and I-scan sensor system. For this purpose, we developed a force-controlled dynamic knee simulator to evaluate the mechanical performance of artificial knee joint. This simulator includes a function of a soft tissue and has a 4-degree-of-freedom to represent an axial compressive load and a flexion angle. As axial compressive force and a flexion angle of the femoral component can be controlled by PC program. The pressure is also measured from I-scan system and simulator to visualize the pressure distribution on the joint contact surfaces under loading condition during walking cycle. The compressive loading curve was the major cause for the contact pressure distribution and its center move in a cycle as to a flexion angie. In conclusion, this system can be used to evaluate to the geometric interaction of femoral and tibial design due to a measured mechanical function such as a contact pressure, contact area and a motion of a loading center.