Abstract
This study investigates the biomechanical efficacies of various cement augmentation techniques with or without pressurization for varying degrees of osteoporotic femur. For this study, a biomechanical analysis using a finite element method (FEM) was undertaken to evaluate surgical procedures, Simulated models include the non-cemented(i.e., hip screw only, Type I), the cement-augmented(Type II), and the cemented augmented with pressurization(Type III) models. To simulate the fracture plane and other interfacial regions, 3-D contact elements were used with appropriate friction coefficients. Material properties of the cancellous bone were varied to accommodate varying degrees of osteoporosis(Singh indices, II∼V). For each model. the following items were analyzed to investigate the effect surgical procedures in relation to osteoporosis of varying degrees : (a) von Mises stress distribution within the femoral head in terms of volumetric percentages. (b) Peak von Mises stress(PVMS) within the femoral head and the surgical constructs. (c) Maximum von Mises strain(MVMS) within the femoral head, (d) micromotions at the fracture plane and at the interfacial region between surgical construct and surrounding bone. Type III showed the lowest PVMS and MVMS at the cancellous bone near the bone-construct interface regardless of bone densities. an indication of its least likelihood of construct loosening due to failure of the host bone. Particularly, its efficacy was more prominent when the bone density level was low. Micromotions at the interfacial surgical construct was lowest in Type III. followed by Type I and Type II. They were about 15-20% of other types. which suggested that pressurization was most effective in limiting the interfacial motion. Our results demonstrated the cement augmentation with hip screw could be more effective when used with pressurization technique for the treatment of intertrochanteric fractures. For patients with low bone density. its effectiveness can be more pronounced in limiting construct loosening and promoting bone union.
본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 대퇴골 전자간 골절 치료에 대한 다양한 수술기법을 골밀도 변화에 따라 생체역학적으로 분석하여 이를 평가하고자 한다. 이에 구현된 모델들은 압박 고관절 나사만을 이용하여 시술한 모델 (Type I), 삽입된 압박 고관절 나사 주위에 시멘트 영역을 확보한 뒤 골 시멘트로 보강하는 시술을 구현한 모델 (Type II),대학교추가의 골소실이 없이 시멘트를 가압하여 주입하는 시술을 구현한 모델 (TypeIII)의 3가지 형태로 구현하였다. 시술 상황에 따라 골절부위와 삽입물의 경계면 주위에 접촉요소를 사용하기 위해 적절한 마찰계수를 설정하였으며, 골다공증 정도 (Singh Indices, II∼V)에 따라 대퇴골의 물성치를 적절하게 적용시켰다. 각 모델에 있어 골밀도 변화에 따른 수술기법의 차이를 분석하기 위하여 다음과 같은 인자를 분석하였다 : (a) 대퇴골두 내에서의 von Mises 응력 부피비, (b) 대퇴골두 망상골과 인공 삽입물내에서의 최대 von Mises 응력 (PVMS), (c) 대퇴골두 내에서의 최대 von Mises 변형률 (MVMS), (d) 골절 부위와 인공 삽입물 주위에서의 미세운동량. 수술기법 중 Type III가 대퇴골두 내에서 골밀도 변화에 상관없이 가장 낮은 PVMS, MVMS 수치를 보여 가장 효율적인 결과를 나타내었다. 이는 기존 시술법 (Type I,II)에 비해 내고정 실패 가능성이 가장 적을 것으로 예측되었다. 특히, 골밀도가 낮을 때에는 Type III의 수술 효과가 더욱 커지는 것으로 나타났다. 또한, 삽입물 주위에서 미세운동량을 분석한 결과, Type III의 수치가 다른 시술법들의 15∼20%로 나타나 시멘트를 가 압하여 보강하는 시술법이 삽입물 주위의 미세운동을 억제하는데 있어 가장 효과적이다는 것을 증명하는 것이다. 이러한 결과로부터, 압박 고관절 나사를 이용한 대퇴골두 전자간 골절 치료에 있어 골 시멘트를 가압하여 보강하는 방법이 골밀도가 낮은 환자에 있어 인공삽입물의 내고정 및 골유합에 가장 큰 효과를 보일 것으로 사료된다.
