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시스템 구성 인자를 고려한 외고정장치 시스템의 강성 해석
김윤혁,이현근,Kim Yoon Hyuk,Lee Hyun Keun 대한의용생체공학회 2004 의공학회지 Vol.25 No.6
외고정장치를 이용한 골절 치료에서, 골절 부위에서의 절골편간 운동은 골절의 치유과정에 다양한 영향을 미친다고 알려져 있고, 이 미세 운동은 외고정장치-절골편 시스템의 강성과 밀접한 관련이 있다. 그렇기 때문에 최적의 골절 치유 과정을 부여하기 위하여 외고정장치 시스템의 구성 인자와 강성과의 연관성에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 장골 골절의 외고정술에 대한 유한요소 해석에서 외고정장치 시스템의 구성인자가 시스템 강성에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여, 시스템 정렬, 재료 비선형성, 조인트 유연성 및 가골형성 등을 해석 인자로 선정하였다. 개발된 유한요소 모델은 실험 결과와 유사한 시스템 강성을 나타내었고, 조인트 유연성 및 재료 비선형성의 고려는 시스템 강성 결과를 더욱 정확하게 반영하였다. 시스템 비정렬상태, 조인트 유연성 및 재료 비선형성은 시스템 강성의 감소를, 그리고 골절 부위의 가골형성은 시스템 강성의 증가를 나타내었다. 본 연구 결과는 외고정술시 시스템 강성을 증가시키기 위한 프레임 구성이나 기구 설계 등의 도구로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. In fracture treatment with external fixators, the inter-fragmentary movements at the fracture site affect the fracture healing process, and these movements are highly related to the stiffness of external fixation systems. Therefore, in order to provide the optimal fracture healing at the fracture site, it is essential to understand the relationship between the stiffness and the system configurations in external fixation system. In this study we investigated the influences of system configuration parameters on the stiffness in the finite element analysis of an external fixation system of a long bone. The system alignment, the geometric and the material non-linearity of the pin, the joint stiffness and the callus formation were considered in the finite element model. In the first, the system stiffness of the developed finite element model was compared with the experiment data for model validation. The consideration of the joint stiffness and nonlinearity of the model improved the system stiffness results. The joint stiffness, the non-alignment of the system decreased the system stiffness while the callus formation increased the system stiffness. The present results provided the biomechanical basis of rational guidelines for design improvements of external fixators and pre-op. planning to maximize the system stiffness in fracture surgery.
김윤혁(Yoon Hyuk Kim) 대한기계학회 2006 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2006 No.6
In this paper, the applications of finite element method to biomechanical modeling and analysis in total knee replacement, surgical planning of the hip, and spinal fusion were presented. In the total knee replacement case, a parametric study was performed to investigate the effect of stem design on surgical outcomes. In the surgical planning of the hip case, pre-op. planning of the shelf operation was performed to reduce the contact pressure in the dysplastic hip joint. In the spinal fusion case, the biomechanical stability of various fixation methods was analyzed in the treatment of the burst fracture in lumbar spine.
Yoon Hyuk Kim(김윤혁),Ruoyu Wei(위약우),Bayasgalan Davaasambuu(바이상갈란 다바삼부) 대한인간공학회 2021 대한인간공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.11
Objective: The aim of present study was to develop an IMU-based three-dimension (3D) pelvic motion measurement system that can work on Android tablet devices. Background: Every country is experiencing the aging population and increasing number of patients suffering from the joint diseases. The most common form of arthritis is osteoarthritis (OA), and total hip arthroplasty (THA) is recognized as reliable surgery with the high satisfaction and relative success rate. Even though, the failure rate of total hip arthroplasty surgeries is up to 10% following primary surgery and 28% after revision arthroplasty. Method: In order to achieve the higher accuracy, anterior pelvic plane (APP) can be used as an anatomical reference for the navigation system during THA. The anterior pelvic plane was defined as the plane formed by the bilateral anterior superior iliac spines and the upper margin of the pubic symphystic. The previous methods such as EOS imaging, computed tomography (CT) can only provide the static pelvic models. Ten male volunteers participated in the validation experiment using the 10 sets of left side sagittal and posterior x-ray images. Results: The result shows the APP orientation mean error showed between 1.56 degrees to 0.05 degrees. The inter-variability and intra-variability among 10 subjects were maximally within 2-3 degrees which is acceptable in clinical application. Conclusion: We demonstrated that our device can be used as a pelvic orientation system for patients and surgeons in the clinical environment. Application: The developed technology and mobile app can be utilized in orthopaedic joint surgical planning and evaluation of post-surgical outcomes.
유한요소법을 이용한 고관절 이형성증 수술 전후의 접촉압력해석
김윤혁(Yoon Hyuk Kim),박원만(Won Man Park) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5
Finite element contact analyses of dysplastic hip joints were performed based on CT and MR images as a surgical planning tool of the shelf operation. After surgical planning, the anatomical parameters including the CE angle, the AC angle, the sharp angle and the spheric sector angle were improved to normal hips. The mechanical parameters including the maximum contact pressure, the contact area and the quality of contact pressure distribution also were improved. The present models and the results can be used as a computer simulation tool for optimal pre-operative planning of the shelf operation in hip dysplasia.
인체 다물체 동역학 모델을 이용한 생체역학 분석 및 평가 기술
김윤혁(Yoon Hyuk Kim),신준호(June Ho Shin),철먼바타르(Tsolmonbaatar Khurelbastar) 한국비파괴검사학회 2011 한국비파괴검사학회지 Vol.31 No.5
인체 근골격 시스템에 대한 다물체 동역학 모델을 이용한 동작중의 인체 내부의 생체역학 분석 및 평가 기술에 대하여 기술하였다. 의료영상과 사체실험 결과를 기본으로 하는 인체 다물체 동역학 모델과 3차원 동작분석 시스템을 이용한 인체 동작분석기술을 이용하여 생체내 발생하는 관절기구학, 관절모멘트관절접촉력 및 근력을 예측하는 기술을 보행과 팔굽혀펴기 두 동작에 적용하였다. 본 연구에서 개발한 인체다물체 동역학 모델링 기술과 3차원 동작분석기술은 다양한 동작을 수행하는 생체의 분석 및 평가 기술로 활용성이 높을 것으로 생각한다. This paper presents the biomechanical analysis and evaluation technology of musculoskeletal system by multi-body human dynamic model and 3-D motion capture data. First, medical image based geometric model and material properties of tissue were used to develop the human dynamic model and 3-D motion capture data based motion analysis techniques were develop to quantify the in-vivo joint kinematics, joint moment, joint force, and muscle force. Walking and push-up motion was investigated using the developed model. The present model and technologies would be useful to apply the biomechanical analysis and evaluation of human activities.
역동역학해석 및 근전도 신호를 이용한 앉기-서기 동작에서의 하지 관절 모멘트 및 근력 예측
김윤혁(Yoon Hyuk Kim),프티탄프(Bui Thi Thanh Phuong) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.10
앉기-서기 동작은 인간의 생체역학적 기능 정도를 결정할 수 있는 기본적인 일상생활 동작의 하나이다. 동작 중 발생하는 관절의 운동 정보와 모멘트, 그리고 근력을 예측하는 것은 앉기-서기 동작의 특성을 이해하는데 필요하다. 본 연구에서는 동작 기반 역동역학해석 프로그램과 근전도 기반 근력예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램과 앉기-서기 동작 실험에서 측정한 동작, 지면반력, 그리고 근전도신호 정보를 이용하여 실험적 방법으로 측정하기 힘든 관절각도, 관절모멘트, 및 근력을 예측하고 기존 연구결과와 비교하여 검증하였다. 개발된 기법과 프로그램들은 일상생활 동작에서의 관절 생체역학과 근육 협응에 대한 지식을 얻는 데 사용될 수 있으리라 기대한다. Sit-to-stand movement is a basic movement in daily activities. On the basis of this movement, the biomechanical functions of a person can be evaluated. The study of the joint kinematics, moment, and muscle coordination is necessary to understand the characteristics of the sit-to-stand movement. We have developed a motion-based program for inverse dynamics analysis and the electromyogram-based program for muscle force prediction. The joint kinematics and the kinetic results estimated on the basis of obtained motion data, ground reaction force, and electromyogram signals were compared with those reported in previous studies, and the muscle forces determined by the two methods were compared with each other. The methods and programs developed in this study can be used to understand biomechanics and muscle coordination involved in basic movements in daily activities.