WO2017052011A1 - Method for designing neck of prosthesis for total hip replacement and prosthesis manufactured thereby - Google Patents

Method for designing neck of prosthesis for total hip replacement and prosthesis manufactured thereby Download PDF

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WO2017052011A1
WO2017052011A1 PCT/KR2016/002471 KR2016002471W WO2017052011A1 WO 2017052011 A1 WO2017052011 A1 WO 2017052011A1 KR 2016002471 W KR2016002471 W KR 2016002471W WO 2017052011 A1 WO2017052011 A1 WO 2017052011A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
neck
diameter
range
motion
artificial
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/002471
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
신충수
노재훈
Original Assignee
서강대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • A61F2/32Joints for the hip
    • A61F2/36Femoral heads ; Femoral endoprostheses
    • AHUMAN NECESSITIES
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    • A61F2002/30001Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof

Definitions

  • the present invention was made by the task number NRF-2014R1A2A1A11051209 under the auspices of the Ministry of Science, ICT and Future Planning, and the research management specialized agency of the project is Korea Research Foundation,
  • the present invention relates to an artificial organ that is rotatably disposed in the acetabulum of the pelvis (pelvi s) in total hip repl acement, more specifically, an artificial organ that can increase the range of motion of the artificial organ. It relates to a neck design method and its artificial engine.
  • the hip joint (coxa) consists of the femur and the acetabular, and is a very large joint in which the spherical femoral head and the cup-shaped acetabular are closely engaged. In addition, it is surrounded by a variety of muscles, the second largest range of motion following the shoulder joint of the human joint, the joint movement is possible even under a load of five times the weight.
  • femoroacetabular impingement. pincer type the proximal femoral condyle and the acetabular collision of the hip joint due to excessive movement of the joint.
  • Cam type deforms in the femoral head and neck, causing collisions. It is mainly seen in the young with high momentum.
  • Prince type deforms in the acetabulum, causing collisions. In either case, if the condition is serious, total hip arthroplasty should be performed, which partially cuts the proximal part of the thigh and implants an artificial organ.
  • the femoral ball head is a part that is rotatably bound to the acetabular, the neck is connected below the femoral ball head.
  • the femoral head of the artificial organ used for total arthroplasty can be determined according to the acetabular shape of the patient undergoing total arthroplasty.
  • the larger the diameter the greater the range of mot ion. Will be reduced. Therefore, the smaller the diameter of the neck, the greater the range of motion, and can overcome the femoral acetabular syndrome with striking the acetabular neck.
  • the problem is that the diameter of the neck can not be reduced. Because reducing the diameter of the neck increases the range of motion of the artificial organ rotating in the acetabular, but the neck is broken by the force applied to the neck.
  • the diameter size of the neck connected to the femoral ball head that is pivotally connected to the acetabular patient of the total hip arthroplasty should be appropriate within the range of motion and the extent of preventing neck breakage.
  • PCTCW0 03/086244 discloses a feature that controls the surface roughness of the prosthetic stem that can replace the femur, and describes the hip joint or the name or description of the artificial organ that is implanted in the femur and bound to the acetabular bone. See.
  • the present invention provides a design method that can calculate the proper diameter of the neck of the artificial engine rotating in the acetabular and the artificial engine produced by the design method.
  • the present invention provides a design method and an artificial organ that can maximize the range of motion of the artificial organ and at the same time minimize the force applied to the neck.
  • a femoral head rotating in the acetabulum, a stem implanted into the femur, and the femoral head And Design method for determining the neck diameter for the femoral ball head in the artificial organ comprising a neck connecting the stem, Selecting a range of motion (ROM parameter) of the artificial organ rotating in the acetabular, Selecting a design variable of the institution; Modeling the artificial organ based on the selected design parameter of the artificial organ; And calculating a range of mot ion (ROM) of the artificial organ with respect to the motion range parameter in the modeled artificial organ, and calculating a force applied to the artificial organ within the range of motion of the artificial organ.
  • ROM parameter range of motion
  • ROM mot ion
  • the optimal range of the neck providing the maximum range of motion of the artificial trachea and the minimum force.
  • the optimum neck diameter ratio for the femoral head providing the greatest range of motion of the artificial trachea and the minimum stress is 2.2 to 3.0.
  • the range of motion parameter is determined by the rotational characteristics of the artificial engine rotating in the acetabular, the range of motion parameters are flexion, extension, internal rotation, external rotation, adduction ( adduction, and abduction.
  • the rotations are all defined as the movement of the femur against the pelvis, and 0 degrees in the anatomical position (see FIG. 2).
  • Flexion and extension are defined as rotations of the left and right axes (also referred to as the medio—lateral axis or transverse axis or left—light axis). Lifting the leg is the flexion, and the leg flips backward.
  • Internal and external rotations are defined as rotations of the longitudinal axis or craniocandal axis, with rotation in the central direction being inward rotation and rotation in the outward direction being outward rotation.
  • Abduction and abduction are defined as rotations of the antero-posterior axis. Abduction is the rotation that approaches the central axis of the body, and rotation that is farther away.
  • the design parameters of the prosthesis may include any one of the head diameter, the diameter of the neck, the stem-off set, and the neck-stem angle. It may include.
  • an artificial organ comprising a femoral head rotating in the acetabular, a stem implanted into the femur, and a neck connecting the femoral head and the stem is Is initiated.
  • the artificial organ maximizes the range of motion of the artificial organ from the objective function of the neck diameter for the femoral head determined using the range of motion of the artificial organ and the stress applied to the artificial organ, and minimizes the force. Having the diameter of the neck determined to be
  • the neck design method and the artificial engine of the artificial engine according to the present invention while minimizing the size of the vertical force (pr inc i pal st ress) acting on the stem of the artificial engine while maximizing the range of motion of the artificial engine rotating in the acetabular I can design the neck which I can do. Therefore, the neck fracture which occurs in the total arthroplasty patient implanted with an artificial organ can be prevented beforehand.
  • 1 is a reference diagram for explaining the femoral acetabular syndrome.
  • FIG. 2 is a reference diagram for describing a motion range parameter.
  • 3 is a flow chart for designing an optimal neck.
  • Fig. 6 (a) shows the optimal neck diameter value according to the diameter ratio of the neck to the femoral head and Fig. 6 (b) shows the optimal neck diameter value according to the femoral head diameter.
  • the maximum main force values for the neck diameter are indicated at neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130 and 135 °.
  • neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130, and 135 ° the ratio of the neck to femoral head and the maximum principal stress values are indicated, with varying neck diameters.
  • neck and stem axial angles (NSA) of 125, 130, and 135 ° the ratio of the neck to the femoral head and the maximum main force values are shown.
  • Total hip arthroplasty reduces the range of motion (ROM) of the prosthesis (prosthesis), resulting in femoral acetabular stratospheric stones, which can lead to dislocation problems.
  • the femoral ball head and neck diameter have a great influence on the range of motion of the artificial organ, but for the large range of motion, reducing the diameter of the neck causes a problem of increasing the main stress on the artificial organ neck. Neck fractures have been reported.
  • the present invention is to provide an optimized frame of the neck diameter design that can maximize the range of motion while minimizing the force applied to the neck.
  • FIG. 1 is a flow chart for designing the optimal neck of the artificial engine according to the present invention. Referring to FIG. 1, first, the motion range parameter is selected, and the design variable of the artificial engine is selected.
  • the range of motion parameters are determined by the rotational characteristics of the trachea that rotates in the acetabular, specifically, flexion, extension, internal rotat ion, external rotat ion, adduct ion. , And abduct ion.
  • the range of motion parameters are all defined as the movement of the femur relative to the pelvis (pel vis) and 0 degrees in the anatomical position (see FIG. 2).
  • Flexion and extension are defined as rotations of the left and right axes (referred to as the medio—lateral axis or transverse axis or left—ight axi s).
  • Internal and external rotations are defined as rotations of the longi tudinal axis or craniocandal axis, with the rotation in the central direction being inward and the rotation in the outward direction being outward.
  • Abduction and abduction are defined as the rotation of the antero-posterior axis, which is the central axis of the body. Closer rotation is adduction, farther rotation is abduction.
  • the motion range parameters are widely used anatomically and are not only used herein.
  • the design parameters of the prosthesis include the head di ameter (H), the neck diameter (N), the stem-of fset (S0), and the neck angle (neck).
  • H head di ameter
  • N neck diameter
  • S0 stem-of fset
  • neck neck angle
  • Stem angleXNSAs Stem angleXNSAs
  • the 3D CAD (3D CAD) may be used to model artificial organs, and CT image reconstruct ion may be used to model bones (referring to the thighs) where the artificial organs are implanted.
  • Simulat and calcul at ion can then be performed, specifically calculating the range of motion of the trachea with respect to the range of motion parameters, and the maximum main force applied to the trachea within the range of motion of the trachea. Calculate the maximum pr incipal stress.
  • the rotation angle of the artificial organ that is, the calculation of the motion range
  • the rotation angle of the artificial organ can be calculated for each type of motion range parameter, and the calculation of the motion range is possible because the numerical value of the artificial organ is specifically designed.
  • the calculation of the range of motion has already been carried out in the 2002 Yoshimine study (Yoshimine, F., 2006.The safe-zones for combined cup and neck ant ever s ions that ful fill the essent i al range of mot ion and the i r opt imum combinat ion in total hip replacements.Journal of Biomechani cs 39, 1315-1323.
  • the maximum main force applied to the artificial organ may correspond to the vertical force applied to the stem, which can be calculated when the weight of the subject to be simulated and the key set is established, and is widely used for commercial use (ANSYS V14. 5; ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA) can be used to make calculations without difficulty.
  • the neck diameter for the femoral head can be selected as a finite element.
  • the purpose of neck optimization is to maximize the range of motion while minimizing the force.
  • the femoral head and neck diameter are defined as design variables that affect the force and range of motion.
  • the objective function of the neck diameter can be determined.
  • H is the femoral head diameter
  • N is the neck diameter
  • STR is the tension (st ress)
  • type of motion range parameter, Corresponds to the parameter, and its value is 1 to 5.
  • the force term is positive and the range of motion terms is set to negative values, and the terms and range of motion terms are divided by the average of each set and equalized.
  • ⁇ (sigma) means standard deviation. In this embodiment, there are five motion range parameters, where ⁇ is 1 to 5.
  • the diameter of the femoral ball head is 33 to 51 mm and the neck diameter is 12 to 20 mm, with artificial organs designed for various cases, and the range of motion for various range of motion parameters is calculated.
  • the main force applied to the neck is limited to less than 150MPa.
  • the optimization of the neck diameter is performed on six data sets to find the optimal point within the proposed constraint.
  • the calculation framework for optimization uses Mat l ab R2014a (Mathworks, Nat ick, MA, USA).
  • the objective function values for the neck and femoral heads are shown in FIG. 5. Looking at Figure 5 shows the smallest function value at 51mm, the largest femoral ball head diameter. In FIG.
  • the NSA is 125 ° and the stem-offset is 42 mm.
  • the objective function value decreases as the diameter of the femoral head increases in each model.
  • the smaller the diameter of the neck the smaller the objective function value, that is, the magnitude of the force applied to the neck.
  • 6 (a) shows the optimal neck diameter average value according to the ratio of the diameter of the neck to the femoral head.
  • 6 (b) shows the optimal neck diameter average value along the femoral head diameter.
  • the average value of the opt imum point is located on the red linear line, and the optimal neck diameter ranges from 14.4 mm to 17.8 mm, which is the relationship between the optimal neck diameter to the femoral ball and the diameter ratio of the neck.
  • Equation (1) is a linear equation (l inear funct ion) as follows.
  • Optimum neck diameter 0.149 * diameter of femoral ball head +9.994-relation (2)
  • the range of motion is maximum, and the neck diameter for the femoral head can be determined to minimize the vertical force exerted on the neck, and the optimal neck diameter ratio for the femoral head must be at least 2, preferably Preferably from 2.2 to 3.0.
  • the maximum main force value for the neck diameter is displayed at the neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130, and 135 °, and as the neck diameter increases, the maximum force applied to the neck decreases. This tendency is confirmed by the smaller angles of the neck and stem.
  • the mean value for the maximum main force of the neck diameter is shown in solid lines and the deviation in dotted lines. In FIG.
  • the ratio of the neck to the femoral head and the maximum main force value are displayed. As the ratio of the femoral head to the neck increases, the range of motion in the objective function increases.
  • the neck design for the maximum range of motion can be determined by the diameter size of the neck relative to the femoral head, whereby the femoral head can be maximized to maximize the mechanical stability of the trachea.
  • the neck design for the maximum range of motion can be determined by the diameter size of the neck relative to the femoral head, whereby the femoral head can be maximized to maximize the mechanical stability of the trachea.

Abstract

A method for designing a neck diameter of a femoral head in a prosthesis comprises the steps of: selecting a parameter for a range of movement and selecting a design variable of a prosthesis; modeling the prosthesis; calculating the range of movement and a stress in the modeled prosthesis; selecting a neck diameter of a femoral head as a finite element, which affects the range of movement and the stress, among design variables; determining an objective function for the neck diameter of the femoral head, using the range of movement and the stress; and determining a neck diameter of the femoral head, which maximizes the range of movement and minimizes the stress, from the objective function.

Description

【명세서】  【Specification】
【발명의 명칭】 [Name of invention]
고관절 전치환술을 위한 인공기관의 넥 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관  Neck design method of artificial organ for total hip arthroplasty and artificial organ manufactured by the design method
【기술분야】 Technical Field
본 발명은 대한민국 미래창조과학부 지원하에 과제번호 NRF- 2014R1A2A1A11051209에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 The present invention was made by the task number NRF-2014R1A2A1A11051209 under the auspices of the Ministry of Science, ICT and Future Planning, and the research management specialized agency of the project is Korea Research Foundation,
"이공분야기초연구사업〉중견연구자사업〉 도약연구지원사업 연구과제명은"Science Research Foundation> Mid-sized Researcher Project> Leap Research Support Project
"생체신호 활용 실시간 사용자 의도감지 스마트 알고리즘 개발 및 생체역학 기반 경량 발목보조장치 개발" , 주관기관은 서강대학교, 연구기간은 2014. 11.01 ~ 2017.09.30이다 "Development of real-time user intention detection smart algorithm using bio-signals and development of biomechanics-based lightweight ankle assist device", The research organization is Sogang University, The research period is from November 01, 2014 to September 30, 2017.
본 발명은 고관절 전치환술 (total hip repl acement )에서 골반 (pelvi s)의 비구 (acetabulum)에 회전 가능하게 배치되는 인공기관에 대한 것으로서, 보다 자세하게는 인공기관의 운동범위를 증가시킬 수 있는 인공기관의 넥 설계방법 및 그 인공기관에 관한 것이다.  The present invention relates to an artificial organ that is rotatably disposed in the acetabulum of the pelvis (pelvi s) in total hip repl acement, more specifically, an artificial organ that can increase the range of motion of the artificial organ. It relates to a neck design method and its artificial engine.
【배경기술】 Background Art
고관절 (coxa)은 대퇴골 ( femur )과 비구로 이루어져 있으며, 구체적으로 구형의 대퇴 골두 ( femoral head)와 컵 모양의 비구가 밀접하게 맞물려 있는 매우 큰 관절이다. 또한, 다양한 근육들로 둘러 쌓여있어 인체 관절 중 견관절에 이어 두 번째로 운동범위가 큰 관절로, 체중의 5배에 이르는 하중에도 관절 운동이 가능하다.  The hip joint (coxa) consists of the femur and the acetabular, and is a very large joint in which the spherical femoral head and the cup-shaped acetabular are closely engaged. In addition, it is surrounded by a variety of muscles, the second largest range of motion following the shoulder joint of the human joint, the joint movement is possible even under a load of five times the weight.
한편, 고관절의 대퇴 근위부와 비구가 관절의 과도한 움직임에 의해 충돌하는 것을 대퇴비구층돌증후군 ( femoroacetabular impingement )이라고 하며, 대퇴비구층돌증후군은 골 변형 위치에 따라 캠 타입 (cam type)과 프린서 타입 (pincer type)으로 구분할 수 있다. 각 타입이 도시되는 도 1을 참조하면, 캠 타입은 대퇴 골두와 경부에 변형이 생겨 충돌을 일으키는데 주로 운동량이 많은 젊은 층에서 잘 나타나고, 프린서 타입은 비구에 변형이 생겨 충돌을 일으키며 주로 중년 층에게 발견된다. 어느 경우던 상태가 심각한 경우, 대퇴부의 근위부를 일부 잘라내고 인공기관을 이식하는 고관절 전치환술을 받아야 한다. On the other hand, the proximal femoral condyle and the acetabular collision of the hip joint due to excessive movement of the joint are called femoroacetabular impingement. pincer type). Referring to FIG. 1 where each type is shown, Cam type deforms in the femoral head and neck, causing collisions. It is mainly seen in the young with high momentum. Prince type deforms in the acetabulum, causing collisions. In either case, if the condition is serious, total hip arthroplasty should be performed, which partially cuts the proximal part of the thigh and implants an artificial organ.
도 1에서 확인할 수 있듯이, 대퇴 골두는 비구에 회전 가능하게 결속되는 부분이고, 대퇴 골두 아래로는 넥이 연결된다.  As can be seen in Figure 1, the femoral ball head is a part that is rotatably bound to the acetabular, the neck is connected below the femoral ball head.
전치환술에 사용되는 인공기관의 대퇴 골두는 전치환술을 받는 환자의 비구 모양에 따라서 결정될 수 있고, 대퇴 골두 아래로 배치되는 넥의 경우에는 그 직경이 클수록 운동범위 (ROM: range of mot ion)가 줄어들게 된다. 그래서, 넥의 직경을 작게 하면 할수록 운동범위가 커지고, 비구와 넥이 층돌하는 대퇴비구층돌증후군을 극복할수가 있다.  The femoral head of the artificial organ used for total arthroplasty can be determined according to the acetabular shape of the patient undergoing total arthroplasty. For necks placed below the femoral head, the larger the diameter, the greater the range of mot ion. Will be reduced. Therefore, the smaller the diameter of the neck, the greater the range of motion, and can overcome the femoral acetabular syndrome with striking the acetabular neck.
다만, 문제는 넥의 직경을 한없이 줄일 수 없다는데 있다. 왜냐하면 넥의 직경을 줄이면 비구에서 회동하는 인공기관의 운동범위가 증가하지만, 넥에 가해지는 웅력에 의해서 넥이 파단되는 문제가 발생한다.  However, the problem is that the diameter of the neck can not be reduced. Because reducing the diameter of the neck increases the range of motion of the artificial organ rotating in the acetabular, but the neck is broken by the force applied to the neck.
따라서, 전치환술을 받는 환자의 비구에 회동하게 결속되는 대퇴 골두에 연결되는 넥의 직경 사이즈는 운동범위와 넥의 파단을 막는 범위 내에서 적절하게 이루어져야 한다.  Therefore, the diameter size of the neck connected to the femoral ball head that is pivotally connected to the acetabular patient of the total hip arthroplasty should be appropriate within the range of motion and the extent of preventing neck breakage.
PCTCW0 03/086244)에는 대퇴부를 대신할 수 있는 인공기관 증 스템 (stem)의 표면 거칠기를 조절하는 특징이 개시되며, 고관절에 대한 설명이나 대퇴골에 이식되어 비구에 결속되는 인공기관에 대한 명칭이나 설명을 참조할 수 있다.  PCTCW0 03/086244) discloses a feature that controls the surface roughness of the prosthetic stem that can replace the femur, and describes the hip joint or the name or description of the artificial organ that is implanted in the femur and bound to the acetabular bone. See.
【발명의 상세한 설명】 [Detailed Description of the Invention]
【기술적 과제】  [Technical problem]
본 발명은 비구에서 회동하는 인공기관의 넥의 적절한 직경을 산출할 수 있는 설계방법 및 상기 설계방법에 의해서 제작되는 인공기관을 제공한다.  The present invention provides a design method that can calculate the proper diameter of the neck of the artificial engine rotating in the acetabular and the artificial engine produced by the design method.
본 발명은 인공기관의 운동범위를 최대로 함과 동시에 넥에 가해지는 웅력을 최소화할 수 있는 설계방법 및 인공기관을 제공한다. 【기술적 해결방법】 The present invention provides a design method and an artificial organ that can maximize the range of motion of the artificial organ and at the same time minimize the force applied to the neck. Technical Solution
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 비구 (acetabulum)에서 회전하는 대퇴 골두 (femoral head) , 대퇴골 (femur)에 이식되는 스템 (stem) , 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관에서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 설계방법은, 상기 비구에서 회전하는 상기 인공기관의 운동범위 파라미터 (ROM parameter)를 선정하고, 상기 인공기관의 설계 변수 (design variable)를 선정하는 단계; 선정된 상기 인공기관의 설계 변수를 기반으로 상기 인공기관을 모델링하는 단계; 및 모델링된 상기 인공기관에서 상기 운동범위 파라미터에 대한 상기 인공기관의 운동범위 (ROM; range of mot ion)를 계산하고, 상기 인공기관의 운동범위 내에서 상기 인공기관에 가해지는 웅력을 계산하는 단계; 상기 인공기관의 설계 변수 중에서 상기 운동범위 및 상기 웅력에 영향을 주는 유한요소로서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 선정하는 단계; 계산된 상기 인공기관의 운동범위 및 상기 웅력을 이용하여 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수를 결정하는 단계; 및 상기 목적함수로부터 상기 운동범위 및 상기 웅력 중 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 웅력을 최소로 하는 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계를 포함한다.  According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above objects of the present invention, a femoral head rotating in the acetabulum, a stem implanted into the femur, and the femoral head And Design method for determining the neck diameter for the femoral ball head in the artificial organ comprising a neck connecting the stem, Selecting a range of motion (ROM parameter) of the artificial organ rotating in the acetabular, Selecting a design variable of the institution; Modeling the artificial organ based on the selected design parameter of the artificial organ; And calculating a range of mot ion (ROM) of the artificial organ with respect to the motion range parameter in the modeled artificial organ, and calculating a force applied to the artificial organ within the range of motion of the artificial organ. ; Selecting the neck diameter for the femoral head as a finite element influencing the range of motion and the force of design variables of the artificial organ; Determining an objective function of the neck diameter for the femoral ball head using the calculated range of motion of the artificial organ and the maneuver; And determining the neck diameter for the femoral ball head that maximizes the range of motion of the artificial organ among the range of motion and the force from the objective function and minimizes the force.
r 、 r 、
¾: ^纖 讀ᄂ £ ROM' x ' ¾: ^ 纖 讀 £ £ ROM 'x '
상기 목적함수는, ; ¾ ^ROM', 이며 여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 웅력 (stress) , Χ' =Χ/μχ, =평균값, η=운동범위 파라미터이다. 또한, 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서, 최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 웅력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은, 최적의 넥 직경 (opt imum neck diameter)=3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비 (head-to-neck diameter rat io)+6.437이다. The objective function is ¾ ^ ROM ', where H is the femoral ball head diameter, N is the neck diameter, STR is the stress, Χ' = Χ / μχ , = mean value, and η = range of motion parameter. Further, in determining the neck diameter for the femoral ball head, the optimal diameter of the neck providing the maximum range of motion of the artificial organ and the minimum force is the optimal neck diameter (opt imum neck diameter). = 3.783 * head-to-neck diameter rat io + 6.437.
또한, 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서, 최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 웅력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은, 최적의 넥 직경 (optimum neck diameter )= 0.149*대퇴 골두의 직경 +9.944이다. Also, in determining the neck diameter for the femoral head, the optimal range of the neck providing the maximum range of motion of the artificial trachea and the minimum force. The diameter is optimal neck diameter = 0.149 * femoral head diameter +9.944.
또한, 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서, 최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 응력을 제공하는 상기 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 2.2 내지 3.0이다.  Further, in the step of determining the neck diameter for the femoral head, the optimum neck diameter ratio for the femoral head providing the greatest range of motion of the artificial trachea and the minimum stress is 2.2 to 3.0.
또한, 상기 운동범위 파라미터는 비구에서 회전하는 인공기관의 회전 특징에 의해서 결정되며, 상기 운동범위 파라미터는 굴곡 (flexion), 신전 (extension), 내회전 (internal rotation) , 외회전 (external rotation) , 내전 (adduction), 및 외전 (abduction) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.  In addition, the range of motion parameter is determined by the rotational characteristics of the artificial engine rotating in the acetabular, the range of motion parameters are flexion, extension, internal rotation, external rotation, adduction ( adduction, and abduction.
구체적으로, 상기 회전들은 모두 골반뼈 (pelvis)에 대함 대퇴골 (femur)의 움직임으로 정의되며, 해부학적 자세 (도 2 참조)에서 0도로 정의된다. 굴곡과 신전은 좌우축 (medio— lateral axis 또는 transverse axis 또는 left— light axis으로 지칭됨)의 회전으로 정의되며, 다리를 들어을리는 것이 굴곡, 다리를 후방으로 젖히는 동작이 신전에 해당된다. 내회전과 외회전은 장축 (longitudinal axis 또는 craniocandal axis)의 회전으로 정의되며, 중심방향의 회전이 내회전, 바깥쪽 방향의 회전이 외회전을 의미한다. 내전과 외전은 전후방축 (antero-posterior axis)의 회전으로 정의되며, 몸의 중심축으로 가까워지는 회전이 내전, 멀어지는 회전이 외전이다.  Specifically, the rotations are all defined as the movement of the femur against the pelvis, and 0 degrees in the anatomical position (see FIG. 2). Flexion and extension are defined as rotations of the left and right axes (also referred to as the medio—lateral axis or transverse axis or left—light axis). Lifting the leg is the flexion, and the leg flips backward. Internal and external rotations are defined as rotations of the longitudinal axis or craniocandal axis, with rotation in the central direction being inward rotation and rotation in the outward direction being outward rotation. Abduction and abduction are defined as rotations of the antero-posterior axis. Abduction is the rotation that approaches the central axis of the body, and rotation that is farther away.
또한, 상기 인공기관의 설계 변수는, 대퇴 골두의 직경 (head diameter), 넥 (neck)의 직경, 스템—오프셋 (steam-off set), 넥 -스템 각도 (neck-stem angle) 중 어느하나를 포함할 수 있다.  The design parameters of the prosthesis may include any one of the head diameter, the diameter of the neck, the stem-off set, and the neck-stem angle. It may include.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 비구에서 회전하는 대퇴 골두, 대퇴골에 이식되는 스템, 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관이 개시된다. 상기 인공기관은, 상기 인공기관의 운동범위 및 상기 인공기관에 가해지는 응력을 이용하여 결정된 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수로부터 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 웅력을 최소로 하도록 결정된 상기 넥의 직경을 갖되, 상기 목적함수는,
Figure imgf000006_0001
, 여기세 H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 웅력, Χ ' =Χ/μ: μ-평균값, 1!=운동범위 파라미터이다.
According to another preferred embodiment of the present invention for achieving the above object of the present invention, an artificial organ comprising a femoral head rotating in the acetabular, a stem implanted into the femur, and a neck connecting the femoral head and the stem is Is initiated. The artificial organ maximizes the range of motion of the artificial organ from the objective function of the neck diameter for the femoral head determined using the range of motion of the artificial organ and the stress applied to the artificial organ, and minimizes the force. Having the diameter of the neck determined to be The objective function is,
Figure imgf000006_0001
, Excitation H is the femoral head diameter, N is the neck diameter, STR is the male force, Χ '= Χ / μ: μ-mean value, 1! = Mean range parameter.
【유리한 효과】 Advantageous Effects
본 발명에 따른 인공기관의 넥 설계방법 및 인공기관에 따르면, 비구에서 회전하는 인공기관의 운동범위를 최대로 하면서도 인공기관의 스템에 작용하는 수직웅력 (pr inc i pal st ress )의 크기를 최소로 할 수 있는 넥을 설계할 수 있다. 따라서, 인공기관을 이식한 전치환술 환자에게 발생하는 넥 파단 현상을 미연에 방지할 수 있다.  According to the neck design method and the artificial engine of the artificial engine according to the present invention, while minimizing the size of the vertical force (pr inc i pal st ress) acting on the stem of the artificial engine while maximizing the range of motion of the artificial engine rotating in the acetabular I can design the neck which I can do. Therefore, the neck fracture which occurs in the total arthroplasty patient implanted with an artificial organ can be prevented beforehand.
【도면의 간단한 설명】 [Brief Description of Drawings]
도 1은 대퇴비구층돌증후군을 설명하기 위한 참고도이다.  1 is a reference diagram for explaining the femoral acetabular syndrome.
도 2는 운동범위 파라미터를 설명하기 위한 참고도이다.  2 is a reference diagram for describing a motion range parameter.
도 3은 최적의 넥을 설계하기 위한 흐름도이다.  3 is a flow chart for designing an optimal neck.
도 4에는 인공기관의 설계 변수가 표시된다.  4 shows the design parameters of the artificial organ.
도 5에는 넥과 대퇴 골두에 대한 목적함수 값이 도시된다.  5 shows the objective function values for neck and femoral heads.
도 6(a)에는 대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비에 따른 최적의 넥 직경 값이 도시되고ᅳ 도 6(b)에는 대퇴 골두 직경에 따른 최적의 넥 직경 값이 도시된다. 도 7에서는 125, 130 , 135°의 넥과 스템 축 각도 (NSA)에서, 넥 직경에 대한 최대 주 웅력 값이 표시된다.  Fig. 6 (a) shows the optimal neck diameter value according to the diameter ratio of the neck to the femoral head and Fig. 6 (b) shows the optimal neck diameter value according to the femoral head diameter. In FIG. 7 the maximum main force values for the neck diameter are indicated at neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130 and 135 °.
도 8에서는 125, 130 , 135°의 넥과 스템 축 각도 (NSA)에서, 넥의 직경을 다양하게 변경하면서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 응력 값이 표시된다. 도 9에서는 125, 130 , 135°의 넥과 스템 축 각도 (NSA)에서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 웅력 값이 표시된다.  In FIG. 8, at neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130, and 135 °, the ratio of the neck to femoral head and the maximum principal stress values are indicated, with varying neck diameters. In FIG. 9, the neck and stem axial angles (NSA) of 125, 130, and 135 °, the ratio of the neck to the femoral head and the maximum main force values are shown.
도 10에서는 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 웅력 값이 표시된다. 【발명의 실시를 위한 형태】 10, the ratio of the neck to the femoral head and the maximum main force value are shown. [Form for implementation of invention]
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 질시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.  Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the examples. For reference, in the present description, the same numbers refer to substantially the same elements, and may be described by quoting contents described in other drawings under such a rule, and the contents repeated or deemed apparent to those skilled in the art may be omitted.
고관절 전치환술로 인공기관 (보철물)의 운동범위 (ROM)가 감소하면, 대퇴 비구 층돌을 발생시키고, 이는 탈구 문제로 연결될 수 있다.  Total hip arthroplasty reduces the range of motion (ROM) of the prosthesis (prosthesis), resulting in femoral acetabular stratospheric stones, which can lead to dislocation problems.
이때, 대퇴 골두와 넥 직경은 인공기관의 운동범위에 큰 영향을 주지만, 큰 운동범위를 위해서 넥의 직경을 줄이는 것은 인공기관 넥에 주요 스트레스를 증가시키는 문제가 야기되고, 실지로 작은 직경의 넥으로 인한 경부 골절이 보고되고 있다.  At this time, the femoral ball head and neck diameter have a great influence on the range of motion of the artificial organ, but for the large range of motion, reducing the diameter of the neck causes a problem of increasing the main stress on the artificial organ neck. Neck fractures have been reported.
본 발명에서는 넥에 가해지는 웅력을 최소화하면서 운동범위를 극대화할 수 있는 넥 직경 설계의 최적화 프레임을 제공하는 것이다.  The present invention is to provide an optimized frame of the neck diameter design that can maximize the range of motion while minimizing the force applied to the neck.
도 1은 본 발명에 따른 인공기관의 최적의 넥을 설계하기 위한흐름도이다. 도 1을 참조하면, 먼저, 운동범위 파라미터를 선정하고, 인공기관의 설계 변수를 선정한다.  1 is a flow chart for designing the optimal neck of the artificial engine according to the present invention. Referring to FIG. 1, first, the motion range parameter is selected, and the design variable of the artificial engine is selected.
운동범위 파라미터는 비구에서 회전하는 인공기관의 회전 특징에 의해서 결정되는데, 구체적으로 굴곡 (f lexion) , 신전 (extension), 내회전 ( internal rotat ion) , 외회전 (external rotat ion) , 내전 (adduct ion), 및 외전 (abduct ion) 등이 있다.  The range of motion parameters are determined by the rotational characteristics of the trachea that rotates in the acetabular, specifically, flexion, extension, internal rotat ion, external rotat ion, adduct ion. , And abduct ion.
상기 운동범위 파라미터들은 모두 골반뼈 (pel vis)에 대한 대퇴골 (femur)의 움직임으로 정의되며, 해부학적 자세 (도 2 참조)에서 0도로 정의된다. 굴곡과 신전은 좌우축 (medio— lateral axis 또는 transverse axis 또는 left— l ight axi s으로 지칭됨)의 회전으로 정의되며, 다리를 들어을리는 것이 굴곡, 다리를 후방으로 젖히는 동작이 신전에 해당된다. 내회전과 외회전은 장축 ( longi tudinal axis 또는 craniocandal axis)의 회전으로 정의되며, 중심방향의 회전이 내회전, 바깥쪽 방향의 회전이 외회전을 의미한다. 내전과 외전은 전후방축 (antero-posterior axis)의 회전으로 정의되며, 몸의 중심축으로 가까워지는 회전이 내전, 멀어지는 회전이 외전이다. 여기서, 상기 운동범위 파라미터들은 해부학적으로 널리 사용되는 것으로 본 명세서에서만 통용되는 것은 아니다. The range of motion parameters are all defined as the movement of the femur relative to the pelvis (pel vis) and 0 degrees in the anatomical position (see FIG. 2). Flexion and extension are defined as rotations of the left and right axes (referred to as the medio—lateral axis or transverse axis or left—ight axi s). . Internal and external rotations are defined as rotations of the longi tudinal axis or craniocandal axis, with the rotation in the central direction being inward and the rotation in the outward direction being outward. Abduction and abduction are defined as the rotation of the antero-posterior axis, which is the central axis of the body. Closer rotation is adduction, farther rotation is abduction. Here, the motion range parameters are widely used anatomically and are not only used herein.
또한, 인공기관의 설계 변수들은 대퇴 골두의 직경 (head di ameter) (H) , 넥 (neck)의 직경 (N) , 스템-오프셋 (steam-of fset ) (S0) , 넥ᅳ스템 각도 (neck— stem angleXNSA)들을 포함할 수 있고, 이는 도 4를 참고할 수 있다.  In addition, the design parameters of the prosthesis include the head di ameter (H), the neck diameter (N), the stem-of fset (S0), and the neck angle (neck). — Stem angleXNSAs), which may refer to FIG. 4.
그리고, 3D 캐드 (3D CAD)를 이용하여 인공기관을 모델링하고, CT 이미지 재건 (CT image reconstruct ion)을 통해서 인공기관이 이식되는 뼈 (대퇴부를 지칭)를 모델링 할 수 있다.  The 3D CAD (3D CAD) may be used to model artificial organs, and CT image reconstruct ion may be used to model bones (referring to the thighs) where the artificial organs are implanted.
그리고 나서, 시물레이션 및 계산 (simulat ion and calcul at ion)을 수행할 수 있는데, 구체적으로 운동범위 파라미터에 대한 인공기관의 운동범위를 계산하고, 인공기관의 운동범위 내에서 인공기관에 가해지는 최대 주 웅력 (maximum pr incipal stress)을 계산한다.  Simulat and calcul at ion can then be performed, specifically calculating the range of motion of the trachea with respect to the range of motion parameters, and the maximum main force applied to the trachea within the range of motion of the trachea. Calculate the maximum pr incipal stress.
참고로, 인공기관의 회전 각도 즉, 운동범위에 대한 계산은 운동범위 파라미터의 종류에 대해서 각각 계산될 수 있으며, 인공기관의 수치가 구체적으로 설계된 상황으로 운동 범위에 대한 계산이 가능하며, 이론적인 운동범위에 대한 계산은 이미 2002년 Yoshimine 연구 (Yoshimine , F . , 2006. The safe-zones for combined cup and neck ant ever s ions that ful f i l l the essent i al range of mot ion and thei r opt imum combinat ion in total hip replacements . Journal of Biomechani cs 39 , 1315-1323. )에서 사용된 식을 이용할 수 있다.  For reference, the rotation angle of the artificial organ, that is, the calculation of the motion range, can be calculated for each type of motion range parameter, and the calculation of the motion range is possible because the numerical value of the artificial organ is specifically designed. The calculation of the range of motion has already been carried out in the 2002 Yoshimine study (Yoshimine, F., 2006.The safe-zones for combined cup and neck ant ever s ions that ful fill the essent i al range of mot ion and the i r opt imum combinat ion in total hip replacements.Journal of Biomechani cs 39, 1315-1323.
또한, 인공기관에 가해지는 최대 주 웅력은 스템에 가해지는 수직웅력에 해당할 수 있고, 이는 시뮬레이션이 이루어지는 대상의 몸무게, 키 둥이 설정되면, 계산 가능하며, 이미 널리 사용되는 상용 를 (ANSYS V14.5 ; ANSYS, Inc . , Canonsburg, PA, USA)을사용하여 어렵지 않게 계산할 수 있다.  In addition, the maximum main force applied to the artificial organ may correspond to the vertical force applied to the stem, which can be calculated when the weight of the subject to be simulated and the key set is established, and is widely used for commercial use (ANSYS V14. 5; ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA) can be used to make calculations without difficulty.
그리고, 인공기관의 설계 변수 중에서 운동범위 및 웅력에 영향을 주는 유한요소를 선정할 수 있는데, 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 유한요소로 선정할 수 있다. 넥의 최적화의 목적은 웅력은 최소화하면서 운동범위는 최대로 하는데 있고, 대퇴 골두, 넥의 직경은 웅력과 운동범위에 영향을 미치는 설계 변수로 정의된다. 그리고, 계산된 인공기관의 운동범위 및 웅력을 이용하여 And, among the design variables of the artificial organ can be selected a finite element that affects the movement range and force, the neck diameter for the femoral head can be selected as a finite element. The purpose of neck optimization is to maximize the range of motion while minimizing the force. The femoral head and neck diameter are defined as design variables that affect the force and range of motion. And, using the calculated motion range and power of the artificial organ
대한 넥 직경의 목적함수 결정할 수 있다. The objective function of the neck diameter can be determined.
상기 목적함수는,
Figure imgf000009_0001
며 여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 웅력 ( st ress) , Χ ' =Χ/μχ, =평균값, η=운동범위 파라미터의 종류, 즉 본 실험에서 고려되는 총 5가지의 파라미터에 해당되고, 그 값은 1에서 5가 된다. 웅력 항은 플러스로, 운동범위 항은 마이너스 값으로 설정하며, 웅력 항과 운동범위 항은 각기 각 세트의 평균으로 나누어 평준화한다. σ (시그마)는 표준편차를 의미한다. 본 실시예에서 운동범위 파라미터는 총 5가지이며, 이에 η은 1에서 5이다. 상기 목적함수를 얻기 위해서, 실험적으로는 총 6개의 세트, 구체적으로 대퇴 스템-오프셋 ( femoral stenrof f set )을 42隱 및 45隱으로 설정하고, 넥- 샤프트 (스템 축을 지칭) 각도가 125 , 130, 1350인 경우를 포함한다. 자세한 세트 구성은 아래의 [표 1]을 참고할 수 있다.
The objective function is
Figure imgf000009_0001
Where H is the femoral head diameter, N is the neck diameter, STR is the tension (st ress), Χ '= Χ / μ χ , = mean value, η = type of motion range parameter, Corresponds to the parameter, and its value is 1 to 5. The force term is positive and the range of motion terms is set to negative values, and the terms and range of motion terms are divided by the average of each set and equalized. σ (sigma) means standard deviation. In this embodiment, there are five motion range parameters, where η is 1 to 5. In order to obtain the objective function, experimentally, a total of six sets, specifically, femoral stenrof f set are set to 42 隱 and 45 隱, and the neck-shaft (referring to the stem axis) angles 125 and 130 , Including the case of 135 0 . Refer to [Table 1] below for detailed set configuration.
【표 1] [Table 1]
Figure imgf000009_0002
상기 세트에서 대퇴 골두의 직경을 33에서 51麵로, 넥의 직경을 12에서 20睡로 하여, 다양한 경우로 설계된 인공기관을 가지고, 다양한 운동범위 파라미터에 대한 운동범위를 계산한다. 이때, 넥에 가해지는 주 웅력은 150MPa보다 낮은 것으로 제한한다. 한편 넥 직경의 최적화는 제안된 제약 조건 내에서 최적 점을 찾을 6 개의 데이터 세트에서 수행한다. 최적화를 위한 계산 틀은 Mat l ab R2014a(Mathworks , Nat i ck , MA , USA)을 이용한다. 넥과 대퇴 골두에 대한 목적함수 값은 도 5에 도시된다. 도 5를 살펴보면 가장 큰 대퇴 골두 직경인 51mm에서 가장 작은 함수 값을 보여준다. 도 5에서 NSA가 125°, 스템-오프셋은 42mm이다. 모든 고정된 대퇴 골두의 직경마다 목적함수 값이 가장 작은 넥 직경이 존재한다. 일반적으로, 각 모델에서 대퇴 골두의 직경 증가에 따라서 목적함수 값은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 반대로 생각하면, 넥의 직경이 작을수록 목적함수 값, 즉 넥에 가해지는 웅력의 크기가 작은 것으로 이해할 수 있다.
Figure imgf000009_0002
In the set, the diameter of the femoral ball head is 33 to 51 mm and the neck diameter is 12 to 20 mm, with artificial organs designed for various cases, and the range of motion for various range of motion parameters is calculated. At this time, the main force applied to the neck is limited to less than 150MPa. On the other hand, the optimization of the neck diameter is performed on six data sets to find the optimal point within the proposed constraint. The calculation framework for optimization uses Mat l ab R2014a (Mathworks, Nat ick, MA, USA). The objective function values for the neck and femoral heads are shown in FIG. 5. Looking at Figure 5 shows the smallest function value at 51mm, the largest femoral ball head diameter. In FIG. 5 the NSA is 125 ° and the stem-offset is 42 mm. For every fixed femoral head diameter there is a neck diameter with the smallest objective function value. In general, the objective function value decreases as the diameter of the femoral head increases in each model. On the contrary, it can be understood that the smaller the diameter of the neck, the smaller the objective function value, that is, the magnitude of the force applied to the neck.
도 6(a)에는 대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비에 따른 최적의 넥 직경 평균 값이 도시된다. 도 6(b)에는 대퇴 골두 직경에 따른 최적의 넥 직경 평균 값이 도시된다. 붉은 색의 일차식에 의한 선에 최적 점 (opt imum point )의 평균 값이 위치하며, 최적의 넥 직경은 14.4mm에서 17.8mm으로, 대퇴 골두 및 넥의 직경 비에 대한 최적의 넥 직경의 관계 식 ( 1)은, 선형 방정식 ( l inear funct ion)으로 아래와 같다.  6 (a) shows the optimal neck diameter average value according to the ratio of the diameter of the neck to the femoral head. 6 (b) shows the optimal neck diameter average value along the femoral head diameter. The average value of the opt imum point is located on the red linear line, and the optimal neck diameter ranges from 14.4 mm to 17.8 mm, which is the relationship between the optimal neck diameter to the femoral ball and the diameter ratio of the neck. Equation (1) is a linear equation (l inear funct ion) as follows.
최적의 넥 직경 (opt imum neck di ameter )=3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비 (head-to-neck diameter rat io)+6.437 - 관계 식 ( 1)  Optimal neck diameter (opt imum neck di ameter) = 3.783 * head-to-neck diameter rat io + 6.437-relational expression (1)
또한, 대퇴 골두의 직경과 최적의 넥 직경에 대한 관계 식 (2)은, 아래와 같다.  In addition, the relational expression (2) regarding the diameter of the femoral ball head and the optimal neck diameter is as follows.
최적의 넥 직경 = 0. 149*대퇴 골두의 직경 +9.994 - 관계 식 (2)  Optimum neck diameter = 0.149 * diameter of femoral ball head +9.994-relation (2)
상기 관계 식으로부터, 운동범위는 최대이고, 넥에 가해지는 수직 웅력을 최소로 하는 대퇴 골두에 대한 넥 직경을 결정할 수 있고, 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 최소한 2를 넘어야 하며, 바람직하게는 2.2 내지 3.0인 것으로 확인된다. 도 7에서는 125, 130 , 135。의 넥과 스템 축 각도 (NSA)에서 넥 직경에 대한 최대 주 웅력 값이 표시되며, 넥 직경이 커질수록 넥에 가해지는 최대 웅력 값이 작아짐을 확인할 수 있고, 이러한 경향은 넥과 스템의 각도가 작을수록 더 큰 것을 확인할 수 있다. 넥 직경의 최대 주 웅력에 대한 평균 값은 실선으로 편차는 점선으로 표시된다. 도 8에서는 125, 130 , 135°의 넥과 스템 축 각도 (NSA)에서, 넥의 직경을 다양하게 변경하면서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 웅력 값이 표시된다. 도 9에서는 125, 130, 135°의 넥과 스템 축 각도 (NSA)에서, 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 웅력 값이 표시되며, 대퇴 골두의 직경을 넥의 직경으로 나눈 값이 커질수록 최대 수직 웅력 값이 작아짐을 알 수 있다. 이는 다르게 해석하면, 대퇴 골두의 사이즈가 결정된 상황에서 넥의 직경이 작아질수록 최대 웅력 값이 작아짐을 의미한다. From the above relation, the range of motion is maximum, and the neck diameter for the femoral head can be determined to minimize the vertical force exerted on the neck, and the optimal neck diameter ratio for the femoral head must be at least 2, preferably Preferably from 2.2 to 3.0. In Figure 7, the maximum main force value for the neck diameter is displayed at the neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130, and 135 °, and as the neck diameter increases, the maximum force applied to the neck decreases. This tendency is confirmed by the smaller angles of the neck and stem. The mean value for the maximum main force of the neck diameter is shown in solid lines and the deviation in dotted lines. In FIG. 8, at neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130, and 135 °, the ratio of the neck to femoral head and the maximum main force value are shown, with varying neck diameters. In Figure 9, the neck and stem axis angles (NSA) of 125, 130 and 135 °, the ratio of the neck to the femoral head and the maximum main force value are shown, and as the diameter of the femoral head divided by the diameter of the neck increases, It can be seen that the maximum vertical force value becomes small. In other words, when the size of the femoral ball head is determined, the smaller the diameter of the neck, the smaller the maximum force value.
또한, 도 10에서는 대퇴 골두에 대한 넥의 비와 최대 주 웅력 값이 표시되며, 대퇴 골두와 넥의 비가 커질수록 목적함수에서 운동범위 값은 증가함을 확인할수 있다.  10, the ratio of the neck to the femoral head and the maximum main force value are displayed. As the ratio of the femoral head to the neck increases, the range of motion in the objective function increases.
도 10에서는 대퇴 골두와 넥의 비가 같은 경우에도 넥과 스템의 각 (NSA)이 작은 경우에 운동범위가 큰 것을 확인할 수 있고, 도 9에서 확인 가능하듯, NSA가 작은 경우에서 넥의 직경이 작아질수록 최대 웅력의 크기가 급격하게 줄어든다. 따라서, 전치환 수술을 받는 환자의 경우, 비구에서 회전하는 대퇴 골두의 직경은 결정된 수치에 해당하며, 이에 넥의 직경을 작게 하여 최대 웅력을 작게 하되, 운동범위를 고려하여 넥-스템의 각도를 선정할 수 있다.  In FIG. 10, even when the ratio of the femoral head and the neck is the same, it can be seen that the range of motion is large when the angle of the neck and the stem (NSA) is small, and as shown in FIG. 9, the diameter of the neck is small when the NSA is small. As it increases, the maximum force decreases rapidly. Therefore, in patients undergoing total displacement surgery, the diameter of the femoral ball head rotating in the acetabular value corresponds to the determined value. Therefore, the diameter of the neck-stem is reduced in consideration of the range of motion by reducing the diameter of the neck. Can be selected.
요약하면, 다양한 운동범위 파라미터를 고려하고, 최대의 운동범위를 갖기 위한 넥 설계는 대퇴 골두에 대한 넥의 직경 사이즈로 결정될 수 있고, 이때, 인공기관의 기계적인 안정성을 최대화할 수 있는 대퇴 골두에 대한 넥의 최적화된 직경 값을 구함으로써, 넥의 파단을 방지할 수 있다.  In summary, considering the various range of motion parameters, the neck design for the maximum range of motion can be determined by the diameter size of the neck relative to the femoral head, whereby the femoral head can be maximized to maximize the mechanical stability of the trachea. By obtaining an optimized diameter value for the neck, breakage of the neck can be prevented.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.  As described above, it has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims

【청구의 범위】 [Range of request]
【청구항 1】 [Claim 1]
비구 (acetabulum)에서 회전하는 대퇴 골두 ( femora l head) , 대퇴골 ( femur )에 이식되는 스템 ( stem) , 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관에서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 설계방법에 있어서,  Said femoral head in an artificial organ comprising a femoral head rotating in an acetabulum, a stem implanted into a femur, and a neck connecting said femoral head and said stem In the design method for determining the neck diameter,
상기 비구에서 회전하는 상기 인공기관의 운동범위 파라미터 (ROM parameter )를 선정하고, 상기 인공기관의 설계 변수 (des ign var i abl e)를 선정하는 단계;  Selecting a ROM parameter of the artificial engine rotating in the acetabular, and selecting a design variable of the artificial engine (des ign var i abl e);
선정된 상기 인공기관의 설계 변수를 기반으로 상기 인공기관을 모델링하는 단계; 및  Modeling the artificial organ based on the selected design parameter of the artificial organ; And
모델링된 상기 인공기관에서 상기 운동범위 파라미터에 대한 상기 인공기관의 운동범위 (ROM ; range of mot ion)를 계산하고, 상기 인공기관의 운동범위 내에서 상기 인공기관에 가해지는 웅력을 계산하는 단계;  Calculating a range of mot ion (ROM) of the artificial organ with respect to the motion range parameter in the modeled artificial organ, and calculating a force applied to the artificial organ within the range of motion of the artificial organ;
상기 인공기관의 설계 변수 중에서 상기 운동범위 및 상기 웅력에 영향을 주는 유한요소로서 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 선정하는 단계;  Selecting the neck diameter for the femoral head as a finite element influencing the range of motion and the force of design variables of the artificial organ;
계산된 상기 인공기관의 운동범위 및 상기 웅력을 이용하여 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수를 결정하는 단계; 및  Determining an objective function of the neck diameter for the femoral ball head using the calculated range of motion of the artificial organ and the maneuver; And
상기 목적함수로부터 상기 운동범위 및 상기 웅력 중 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 웅력을 최소로 하는 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계;  Determining the neck diameter for the femoral head that maximizes the range of motion of the artificial organ among the range of motion and the force from the objective function and minimizes the force;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.  Neck design method of artificial engine, characterized in that it comprises a.
【청구항 2】 [Claim 2]
겨 U항에 있어서, , 목적함수는,
Figure imgf000012_0001
여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 웅력 (stress) , Χ '=Χ/μχ > =평균값, η-운동범위 파라미터인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.
In the U term, the objective function is
Figure imgf000012_0001
Here, H is the femoral ball head diameter, N is the neck diameter, STR is the stress (stress), Χ '= Χ / μ χ> = mean value, η-motion range parameter design method of the artificial organ.
【청구항 3】 [Claim 3]
제 2항에 있어서  The method of claim 2
상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서,  In determining the neck diameter for the femoral head,
최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 옹력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은,  The optimal diameter of the neck providing the maximum range of motion of the artificial organ and the minimum force is
최적의 넥 직경 (opt imum neck diameter )=3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비 (head-to-neck diameter rat io)+6.437,  Opt imum neck diameter = 3.783 * head-to-neck diameter rat io + 6.437,
인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.  Neck design method of artificial engine, characterized in that.
【청구항 4】 [Claim 4]
계 2항에 있어서,  The method according to claim 2,
상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경을 결정하는 단계에서,  In determining the neck diameter for the femoral head,
최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 웅력을 제공하는 최적의 상기 넥의 직경은,  The optimal diameter of the neck that provides the maximum range of motion of the artificial organ and the minimum force is
최적의 넥 직경 = 0.149*대퇴 골두의 직경 +9.944,  Optimal neck diameter = 0.149 * femoral head diameter +9.944 ,
인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.  Neck design method of artificial engine, characterized in that.
[청구항 5】 [Claim 5]
제 2항에 있어서,  The method of claim 2,
상기 대퇴 골두에 대한상기 넥 직경을 결정하는 단계에서,  In determining the neck diameter for the femoral head,
최대의 상기 인공기관의 운동범위 및 최소의 상기 웅력을 제공하는 상기 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 2.2 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법 . The optimal neck diameter ratio for the femoral ball head providing the maximum range of motion of the artificial trachea and the minimum force is 2.2 to 3.0.
【청구항 6] [Claim 6]
계 1항에 있어서,  According to claim 1,
상기 운동범위 파라미터는 비구에서 회전하는 인공기관의 회전 특징에 의해서 결정되며,  The range of motion parameter is determined by the rotational characteristics of the artificial engine rotating in the acetabular,
상기 운동범위 파라미터는 굴곡 (flexion), 신전 (extension), 내회전 (internal rotation) , 외회전 (external rotation), 내전 (adduct ion) , 및 외전 (abduction) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.  The motion range parameter may include any one of flexion, extension, internal rotation, external rotation, adduct ion, and abduction. Neck design method.
【청구항 7】 [Claim 7]
거 U항에 있어서,  In U,
상기 인공기관의 설계 변수는,  The design parameter of the artificial organ is,
대퇴 골두의 직경 (head diameter), 넥 (neck)의 직경, 스템-오프셋 (steam- offset), 넥 -스템 각도 (neck-stem angle) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공기관의 넥 설계방법.  Neck design of an artificial organ comprising any one of the head diameter, the diameter of the neck, the stem-offset, and the neck-stem angle Way.
【청구항 8】 [Claim 8]
비구에서 희전하는 대퇴 골두, 대퇴골에 이식되는 스템, 및 상기 대퇴 골두 및 상기 스템을 연결하는 넥을 포함하는 인공기관에 있어서,  In the artificial organ comprising a femoral head to be metabolized in the acetabular, a stem implanted into the femur, and a neck connecting the femoral head and the stem,
상기 인공기관의 운동범위 및 상기 인공기관에 가해지는 웅력을 이용하여 결정된 상기 대퇴 골두에 대한 상기 넥 직경의 목적함수로부터 상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 웅력을 최소로 하도록 결정된 상기 넥의 직경을 갖되,  The neck determined to maximize the range of motion of the artificial organ from the objective function of the neck diameter for the femoral head determined using the range of motion of the artificial organ and the force applied to the artificial organ, and to minimize the force Has a diameter of
며, 상기 목적함수는,
Figure imgf000014_0001
The objective function is
Figure imgf000014_0001
여기서, H는 대퇴 골두 직경, N은 넥 직경, STR은 웅력, Χ'=Χ/μχ, Where H is the femoral head diameter, N is the neck diameter, STR is the male, Χ '= Χ / μχ ,
|^=평균값, | ^ = Mean value ,
η=운동범위 파라미터인 것을 특징으로 하는 인공기관. η = artificial engine, characterized in that the movement range parameter.
【청구항 9】 [Claim 9]
제 8항에 있어서,  The method of claim 8,
상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 웅력을 최소로 하는 최적의 상기 넥의 직경은, 3.783*대퇴 골두에 대한 넥의 직경 비 +6.437인 것을 특징으로 하는 인공기관.  And the optimal diameter of the neck for maximizing the range of motion of the artificial organ and minimizing the force is 3.783 * diameter ratio of neck to femoral head +6.437.
【청구항 10] [Claim 10]
제 8항에 있어서,  The method of claim 8,
상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 응력을 최소로 하는 최적의 상기 넥의 직경은, 0. 149*대퇴 골두의 직경 +9.944인 것을 특징으로 하는 인공기관.  And the optimal diameter of the neck for maximizing the range of motion of the artificial organs and for minimizing the stress is 0.149 * diameter of the femoral ball head +9.944.
【청구항 111 [Claim 111]
제 8항에 있어서,  The method of claim 8,
상기 인공기관의 운동범위를 최대로 하고, 상기 웅력을 최소로 하는 상기 대퇴 골두에 대한 최적의 넥 직경 비는, 2.2 내지 3.0인 것을 특징으로 하는 인공기관.  And an optimal neck diameter ratio for the femoral ball head that maximizes the range of motion of the artificial organ and minimizes the force, 2.2 to 3.0.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102467242B1 (en) * 2020-12-11 2022-11-16 가톨릭관동대학교산학협력단 Total hip arthroplasty simulation method and device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2834454B2 (en) * 1987-11-03 1998-12-09 オルソペーディック・テクノロジー・ベスロテン・ベンノットシャップ Bone prosthesis manufacturing method
US6567681B1 (en) * 1998-04-01 2003-05-20 Medical Robotics I Stockholm Ab Method and arrangement for determining where to position fixation means
US20070043446A1 (en) * 1998-04-14 2007-02-22 Encore Medical Asset Corporation Differential porosity prosthetic hip system
KR100909580B1 (en) * 2009-01-21 2009-07-29 주식회사 코렌텍 The manufacturing method of femoral stem and rasp for order-type artificial hip-joint
US7985261B2 (en) * 1999-10-01 2011-07-26 Medidea, Llc Anti-impingement femoral prostheses

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2834454B2 (en) * 1987-11-03 1998-12-09 オルソペーディック・テクノロジー・ベスロテン・ベンノットシャップ Bone prosthesis manufacturing method
US6567681B1 (en) * 1998-04-01 2003-05-20 Medical Robotics I Stockholm Ab Method and arrangement for determining where to position fixation means
US20070043446A1 (en) * 1998-04-14 2007-02-22 Encore Medical Asset Corporation Differential porosity prosthetic hip system
US7985261B2 (en) * 1999-10-01 2011-07-26 Medidea, Llc Anti-impingement femoral prostheses
KR100909580B1 (en) * 2009-01-21 2009-07-29 주식회사 코렌텍 The manufacturing method of femoral stem and rasp for order-type artificial hip-joint

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