Zone-dependent Analysis of the 3D Microstructural and Mechanical Properties in Osteonecrosis of the Femoral Head

Myong-Hyun Baek(백명현),Kwang-Kyun Kim(김광균),Wen Quan Cui(최문권),Keyoung Jin Chun(전경진),Ye-Yeon Won(원예연),Jin Soo Park(박진수) 대한정형외과학회 2005 대한정형외과학회지 Vol.40 No.8

목적: 최근 미세단충촬영기가 개발되면서 미세한 해면골의 2차원 및 3차원 영상을 분석할 수 있는 방법이 소개되었다. 저자들은 미세단충촬영기 및 유한요소모델을 이용하여 괴사된 대퇴골두 해면골의 미세구조 및 기계적 특성을 분석하여 대퇴 골두 무혈성괴사의 치료법 중에서 골두 보존술에 도움이 되는 자료를 구하고자 한다. 대상 및 방법: 미세단층촬영기를 이용하여 7개의 괴사된 대퇴골두의 제1압박골소주군 부위를 촬영하여 미세구조영상을 얻어 구조분석 및 유한요소모델을 만들었다. 이들 모델은 3개의 부위(Zone)으로 나뉘어 유한요소해석을 수행하였다. 결과: 결과는 반응부위(Zone Ⅱ)에서 구조적 특성과 기계적 특성의 중요한 변화를 보였다. 특히, 골소주 두께, 골 체적비, 반력, 그리고 영률은 다른부위(Zone Ⅰ and Zone Ⅲ)에 비해서 중요한 증가를 보였다. 그러나 Zone Ⅰ과 Zone Ⅲ에서는 중요한 변화가 없었다. 결론: 반응부위에서 구조적 특성과 기계적 특성이 강해진 것은 ONFH의 골두보존술에서 부분전치환술시 시멘트를 중요하게 지지해 줄 것으로 생각된다. 따라서 Zone Ⅱ는 임플란트의 함몰을 피하기 위해서 이 부분을 보존하는 것이 유리하다고 사료된다. Purpose: The development of micro-CT has recently been introduced for the analysis of the 20 and 30 micro-images taken with the high-resolution technique. The aim of this study was to analyze the microstructural and mechanical properties of trabecular bone with osteonecrosis of the femoral head (ONFH) by using micro-CT and the finite element model, and we wanted to elucidate ways to help surgeons during headsaving procedures. Materials and Methods: Seven bone cores obtained from human femoral heads with osteonecrosis were scanned using the micro-CT system. Based on the micro-images, the finite element model was created in three region within the ONFH, respectively, and finite element analysis was then performed. Results: The results showed salient changes of the microstructural and mechanical properties in the reactive zone (Zone Ⅱ) specimens. Specifically, there were significant increases in the trabecular thickness, the bone volume fraction, the reaction force and Young's modulus. However, no significant differences in the other zones were found. Conclusion: The Zone Ⅱ within the ONFH has a strong microstructure and good mechanical strength. The results of our study, are impotant for surgeons when they are cementing a partial resurfacing implant to preserve the femoral head during treatment for ONFH. Thus, we suggest that Zone Ⅱ should be preserved as much as possible to avoid implant subsidence.

Testing Evaluation for Stand-Alone Cervical Cage

백명현(Myong-Hyun Baek),이문환(Mun-Hwan Lee) Korean Society for Precision Engineering 2016 한국정밀공학회지 Vol.33 No.11

Stand-alone cervical cage consists of a PEEK body, Ti plate, and screw, which are configured as a single-piece. Through a single operation, this implantable medical device is capable of completely fixing the cervical vertebral body. For example, instead of a plate, which is normally used, the intervertebral disc is removed and replaced with a cervical cage. It should be noted that in Korea, KFDA guidelines for a stand-alone cervical cage have not yet been suggested. Therefore, the aim of this study is to present the systematic study of the static compression test, static torsion test, dynamic compression test, and expulsion test. Further, the test method is designed to refer to the ASTM standard and relative literature.

대퇴골두 해면골의 미세구조 특성과 기계적 특성의 분석

원예연,백명현,최문권,전경진,김만경,Won Ye-Yeon,Baek Myong-Hyun,Cui WenQuan,Chun KeyoungJin,Kim Man Kyung 대한의용생체공학회 2004 의공학회지 Vol.25 No.6

골다공증이 있는 대퇴골두 해면골과 골다공증이 없는 대퇴골두 해면골의 특성을 평가하고자 미세단층촬영기 및 유한요소모델을 이용하여 해면골을 미세구조 특성과 기계적 특성을 비교 및 분석하였다. 골다공증이 있는 대퇴골두는 골밀도를 측정하여 T-score 값이 -2.5 이상인 시편 15개를 사용했으며, 골다공증이 없는 대퇴골두는 사망전 골다공증으로 인한 병력이 없었던 사체 4구에서 대퇴골두 5개를 획득하여 사용하였다. 대퇴골두 해면골의 미세구조 특성을 분석하기 위해서 미세단층촬영기를 이용하여 골다공증이 있는 대퇴골두와 골다공증이 없는 대퇴골두를 촬영하여 형태학적 지수(histomorphometry index)를 구했고, 미세단층촬영기에 의해서 획득된 미세영상(pixel size=21.31㎛)을 바탕으로 유한요소모델을 재건하여 기계적 특성을 구하였다. 형태학적지수는 골다공증이 없는 대퇴골두가 골다공증이 있는 대퇴골두에 비해서 골소주 두께, 골 체적, 골 체적비, 이방성 정도 그리고 골소주 개수가 증가했으며, 골소주 간격과 구조모델지수는 감소했다. 기계적특성 지수는 골다공증이 없는 대퇴골두 해면골 시편에서 반력, 표면응력 그리고 영률이 높게 분석되었다. 골다공증이 있는 대퇴골두 해면골 시편에서 미세구조 특성이 퇴화되며, 기계적 특성이 감소된다는 사실을 알수 있었다. This study investigates micro-structural and mechanical properties of trabecular bone in human femoral head with and without osteoporosis using Micro-CT and finite element-model. 15 cored trabecular bone specimens with 20min of diameter were obtained from femoral heads with osteoporosis (T-score > -2.5 ) resected for total hip arthroplasty, and 5 specimens were removed from femoral head of cadavers, which has no history of musculoskeletal diseases. A high-resolution micro-CT system was used to scan each specimen to obtain histomorphometry indices. Based on obtained micro-images(pixel size=21.31㎛), a FE-model was created to determine mechanical property indices. While non-osteoporosis group had increases trabecular thickness, bone volume, bone volume fraction, degree of anisotropy and trabecular number compared with those of non-osteoporotic group, the non-osteoporotic group showed decreases in trabecular separation and structure model index. Regarding the mechanical property indices, reaction force, apparent stress and young's modulus were 1ower in osteoporotic group than in non-osteoporotic group. Our data shows salient deteriorations in trabecular micro-structural and mechanical properties in human femoral head with osteoporosis.

족관절 해면골의 미세 구조 분석

김현정,안태선,백명현,최문권,원예연,Kim, Hyon-Jeong,An, Tae-Sun,Baek, Myong-Hyun,Choi, Mun-Kwon,Won, Ye-Yeon 대한족부족관절학회 2004 대한족부족관절학회지 Vol.8 No.2

Purpose: This study aimed to investigate and compare the micro-structural profiles of trabecular bone from different facets at the ankle joint. Materials and Methods: In a fresh cadaver ankle, four cored 10 mm of diameter cylindrical specimens of trabecular bone were harvested from the distal tibia, the talar dome, the medial malleolus, and the lateral malleolus. Using a micro-computed tomography, two-dimensional and three-dimensional micro-structural indices of the trabecular bone were analyzed. Results: Each specimen from the tibia, talus, medial malleolus, and the lateral malleolus showed unique micro-structural pattern. Tibia versus talus, the talus was seen a higher bone volume fraction and a wider supporting zone subchondrally whereas the tibia was seen a relatively lower bone volume fraction and a much narrower supporting zone subchondrally. Lateral malleolus versus medial malleolus, the lateral malleolus was seen the thicker but sparse trabeculae pattern whereas the medial malleolus was seen the thinner but more compact trabecular pattern. Conclusion: Each four locations from the different facet at the ankle joint have distinct own micro-structural patterns of the trabecular bone, suggesting different mechanical properties.

The Ability of Bone Mineral Density and Microstructural Indices to Reflect the Mechanical Properties of Trabecular Bone in the Intertrochanteric Region

Wen Quan Cui(최문권),Ye-Yeon Won(원예연),Kwang-Kyoun Kim(김광균),Myong-Hyun Baek(백명현),Sung-Gu Yeo(여성구),Han-Sung Kim(김한성),Han Ter Min(민한터) 대한정형외과학회 2005 대한정형외과학회지 Vol.40 No.8

목적: 본 연구의 목적은 골밀도와 미세 골구조의 성질이 전자부 골소주의 기계적 특성(예, 탄성계수)에 미치는 영향을 연구하는 것이다. 대상 및 방법: 인공관절 전치환술을 시행 받은 15명의 환자로부터 대퇴골 전자부에서 총 15개의 고관절 골소주 시편을 채취하여, 이들을 대상으로 PIXImus2 골밀도 측정기, 고해상도 미세 컴퓨터 단층촬영기, 유한요소법을 이용하여 골밀도와 2차 및 3차원 미세구조 지수, 그리고 기계적 특성을 분석하였다. 골밀도, 구조 지수, 탄성계수 간의 상관관계를 선형회귀분석을 이용하여 통계처리하였다. 결과: 저자들의 본 연구에서 골밀도 및 골 체적비는 기계적 특성을 예측하는데 가장 중요한 인자였으며, 삼차원 마세구조 지수(예를 들어 구조 모델 지수) 또한 51% 정도 통계적으로 의미 있게 기계적 특성을 예측하였다. 골밀도와 미세구조지수를 조합한 경우에 탄성계수의 변화량을 예측하는데 잘 반영하였다. 결론: 골밀도와 미세구조지수를 이용한 복합적인 분석은 전자부에서 탄성계수를 예측하는데 가장 좋은 방법이다. Purpose: The goal of this study was to investigate the contribution of bone mineral density (BMD) and the microstructural properties of trabecular bone to predict its mechanical property, i.e., its elastic modulus in the intertrochanteric region. Materials and Methods: A total 15 trabecular bone core specimens were obtained from the proximal femurs of patients who were to undergo to total hip arthroplasties. The BMD measurement, 2-D and 3-D microstructural parameters, and elastic modulus of each bone core were obtained with PIXImus2 densitometer, high-resolution micro-computed tomography (micro-CT), and micro-finite element analysis (FEA). The multiple relationships among the BMD, structural parameters and elastic modulus were assessed with using linear regression analysis. Results: Linear regression analysis demonstrated that the bone volume fraction (BV/TV) was the best predictor for Young's modulus, as well as the BMD. A 3-D microarchitectural parameter, the structure model index (SMI) could well explain the variance of Young's modulus by 51%. The ability to explain the variance of Young's modulus was improved by combining the structural indices with each other, as well as by supplementing the BMD with any of the examined structural indices. Conclusion: A combination of microstructural parameters with each other or with the bone mineral density measurement could provide the best predictions of the elastic modulus of cancellous bone in the intertrochanteric region.

경골 골절제의 정도가 절제면의 골 강도에 미치는 영향 : 유한 요소 해석을 이용한 연구

김광균(Kwang Kyoun Kim),원예연(Ye Yeon Won),백명현(Myong-Hyun Baek),최문권(WonQuan Cui),권순행(Soon Haeng Kwon),이주홍(Joo-Hong Lee),김용범(Yong-Beum Kim) 대한정형외과학회 2009 대한정형외과학회지 Vol.44 No.5

목적: 유한요소 해석을 이용하여 슬관절의 경골 관절면에서 절단 거리에 따른 절단면의 기계적 강도 차이를 분석하고자 한다. 대상 및 방법: 슬관절 치환술을 위해 내원한 퇴행성 관절염 환자에서 시행한 20예의 슬관절 전산화 단층 촬영 영상을 이용하였고 각 컴퓨터 단층 촬영 이미지를 자동 메쉬 형성(automatic mesh generation) 소프트웨어 BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea) 프로그램을 이용하여 8절점 정육방형 요소(8-node hexahedron element)로 모델을 생성하였다. 유한요소 모델은 근위 경골 외과측 관절면에서 6 ㎜, 8 ㎜, 10 ㎜, 12 ㎜, 15 ㎜, 18 ㎜씩 절단하여 20개의 모델당 각 6개의 유한요소 모델을 만들었다. BIONIX™ 소프트웨어에서 생성된 8절점 정육방형 요소는 HyperMesh™ (Altair Engineering. Inc, Seattle, USA) 소프트웨어를 사용하여 1%의 변형률(strain rate)을 가하여 경계 조건을 적용했다. 유한요소 해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, Orlando, USA)을 이용하여 최대 응력(σu, Ultimate stress)을 구하였다. 결과: 평균 최대 응력은 6 ㎜에서 906.84 ㎫, 8 ㎜에서 877.22 ㎫, 10 ㎜에서 895.93 ㎫, 12 ㎜에서 852.70 ㎫, 15 ㎜에서 742.90 ㎫, 18 ㎜에서 585.51 ㎫로 관절면으로부터 절제 거리가 증가할수록 절단면의 최대 응력이 감소하는 경향을 보였고 15 ㎜와 18 ㎜에서는 통계적으로 의미있는 감소를 보였다(15 ㎜: p=0.005, 18 ㎜: p=0.000) 결론: 경골 외과측 관절면에서 절제 거리에 따른 절단면의 강도는 전반적인 감소를 보이나 12 ㎜ 이내에서는 절제면의 골강도를 유의하게 감소시키지 않았다. Purpose: We wanted to evaluate the mechanical strength of proximal tibia as resection distance increased from the joint surface. Materials and Methods: We obtained the CT images of twenty knee osteoarthritis patients undergoing total knee arthroplasty. The finite element models were created based on the computed tomography images. The 8-node hexahedron element was made from BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea), which is automatic mesh generation software program. The finite element model of the proximal tibia was resected at 6 ㎜, 8 ㎜, 10 ㎜, 12 ㎜, 15 ㎜ and 18 ㎜ from the lateral joint surface. A 1 % strain rate was applied to a model by using HyperMesh™ software (Altair Engineering. Inc, Seattle, USA). The ultimate stress was calculated from the finite element analysis with using ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, Orlando, USA). Results: The mean ultimate stress was 906.84 ㎫, 877.22 ㎫, 895.93 ㎫, 852.70 ㎫, 742.90 ㎫ and 585.51 ㎫ at the 6 ㎜, 8 ㎜, 10 ㎜, 12 ㎜, 15 ㎜ and 18 ㎜ resection levels. As co㎫re to the 6 ㎜ resection level, the bone strengths at 15 ㎜ and 18 ㎜ were decreased with statistical significance (15 ㎜: p=0.005, 18 ㎜: p=0.000). Conclusion: The ultimate stress was decreased as the resection distance increased from the joint surface. But within a 12 ㎜ resection distance from the lateral condyle articular surface of the tibia, the ultimate stress was not significantly decreased (p>0.05).