골절 내고정용 금속판 모양에 따른 응력과 변형의 유한요소 해석 (Finite Element Analysis of Stress and Deformation according to the Shape of Plates for Internal Bone Fixation)

서지정보

· 발행기관 : 대한정형외과학회
· 수록지 정보 : 대한정형외과학회지 / 47권 / 4호 / 257 ~ 263페이지
· 저자명 : 문준희, 김지형, 이봉구, 이송, 김대근

초록

목적: 골절 시 사용되는 금속판을 개선하기 위해 동일한 부피와 무게를 가지면서도 모양이 다른 금속판을 유한요소 해석을 통해 변형과 응력을 비교하였다.
대상 및 방법: 길이 100 mm, 외경 20 mm 및 내경 12 mm인 피질골을 가진 뼈에 장축과 직각인 가상의 골절선을 만든 뒤 두 조각의 뼈를 금속판으로 고정한다고 가정하였다. 이 때 금속은 Titanium 재질이며, 12 mm 간격으로 6개의 구멍이 있고 이 구멍에 지름 2 mm, 길이 25 mm의 나사못이 삽입된 것으로 가정하였다. 금속판의 모양은 A형은 표준형, B와 C형은 중심부 두께가 두꺼운 형태, D와 E형은 중심부 폭이 넓은 형태로 총 5개로 구분하였다. 각 형태에 인장, 압축, 전방, 후방 및 측방 굽힘, 비틀림의 6 종류의 힘이 주어졌고 그에 따른 최대 응력 및 변형을 비교하였다.
결과: 인장력, 굽힘 그리고 비틀림이 작용하는 환경에서는 B, C, D나 E형의 금속판이 A형보다 낮은 최대 응력 및 적은 최대 변형을 보여주었으며 특히 전방 굽힘에서 가장 월등한 결과를 보였다. 하지만 압축력에 대해서는 상대적으로 큰 향상을 보이지는 않았다.
결론: 동일한 부피의 금속판은 가운데 부분의 두께가 두껍거나 폭이 넓을수록 낮은 최대 응력 및 적은 최대 변형을 보여주었다.

영어초록

Purpose: To determine the metal plate that has almost the same volume and weight as the conventional plate, but has improved properties by changing the shape using finite element analysis.
Materials and Methods: The bone is assumed to be of 100 mm length, 20 mm outer diameter and 12 mm inner diameter,respectively. There is a fracture line that is perpendicular to the major axis of the bone at the center. The two pieces of bone are joined together using a metallic plate that is made of titanium. Six holes are located, with an interval of 12 mm. We suppose that screws of 2 mm diameter and 25 mm length are inserted in six holes. The metallic plates are of 5 shapes (A, B, C, D and E) in total.
Shape A is the standard or nominal type. Shape B and C are thicker at the center of the plate, respectively. Shape D and E are wider at the center. Six types of load are applied to each of those plates: tension, compression, anterior flexion, posterior flexion, lateral flexion and torsion. We compared stress, deformation, maximal stress and maximal deformation, according to the six types of load.
Results: Our deliberate investigation using finite element analysis showed that increasing the thickness or width at the center of metallic plates lowered the maximum stress and deformation. In particular, maximal stress and deformation could be reduced by 33.5% and 38.6%, respectively, in the anterior bending situation. Compression showed lower stress and deformation in type C or D,but the absolute quantity was much smaller than others, for example 0.01-0.001 times.
Conclusion: As for the internal bone fixation plates with the same volume, the wider or thicker in the middle the plate become, the less deformation and yielding it bears.

참고자료

· 없음