척추는 위쪽의 머리를 받쳐주고, 아래쪽은 골반과 연결되는 근골격계에서 가장 복잡한 관절로써 인체를 지지하고, 몸의 평형을 유지하며, 뇌에서 척추 안으로 내려오는 척수를 보호하는 매우 중요한 역할을 한다. 이렇게 중요한 역할을 하고 있는 척추에서 요통의 유병률이 80%에 이른다고 보고되고 있으며, 여러 가지 요통의 원인 중 척추성 원인이 가장 빈번한 요통을 유발한다고 알려져 있다. 척추성 원인은 척추 불안정성과 관련이 있으며, 척추 불안정성의 원인으로 추간판 퇴행, 인대 결손 등이 있다고 보고되었다. 하지만, 이러한 원인들이 척추 불안정성에 미치는 영향은 명확하게 분석되어 있지 않다. 현재 척추 불안정의 치료를 위한 수술적 치료방법으로 척추 감압술과 유합술이 널리 사용되고 있다. 그러나 척추 분절의 감압 정도가 심한 경우에는 척추 감압술이 수술 분절의 척추 불안정성을 일으키는 것으로 보고되었으며, 척추 유합술은 수술 분절을 고정시킴으로써 인접 분절의 회전 각도나 후관절의 접촉력, 추간판의 내압을 증가시켜 인접분절의 퇴화를 가속화시켜 인접분절질환을 유발한다고 보고되고 있다. 따라서 기존의 척추 유합술의 임상적 문제점을 보완하기 위하여 역동적 안정술 중의 하나인 척추 극돌기 사이에 고정체를 삽입하는 극돌기간 삽입술이 제안되어 임상에서 시술되고 있다. 하지만 비교적 새로운 임플란트이기 때문에 생체역학적 특성 연구가 매우 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 생체역학 해석용 유한요소 모델을 개발하고, 이를 이용하여 척추 불안정성 및 극돌기간 삽입술의 생체역학적 평가를 수행하였다.
척추에 병변이 없는 사람의 CT 영상과 기존 문헌에서 제시하고 있는 모델링 기법, 해부학 정보, 척추의 물성 정보 등을 이용하여, 정상 요추의 유한요소 모델을 개발하였다. 개발한 검증된 정상 요추의 유한요소 모델을 이용하여 척추 불안정 모델을 개발하였다. 정상 모델에 후방 구조물의 인대를 제거하거나 협부에 골절을 발생시킴으로써 척추의 불안정을 부여하였다. 또한 실제 수술방법에 따라서 5가지 다양한 극돌기간 임플란트와 척추경 나사못 시스템을 삽입하여 가상 수술을 시행하였다. 척추가 불안정해지는 경우 전, 후방으로 전단력이 발생하기 때문에 질환이 발생한 분절에 굽힘 시 전방, 신전 시 후방으로 전단력을 가하였다. 극돌기간 임플란트를 삽입하는 경우 고정끈으로 임플란트를 극돌기에 고정할 때 고정끈의 예장력을 0, 100, 200, 300, 400 N으로 변화시켰다. 각각의 척추 분절에 인체의 무게를 고려한 추적경로하중을 부가하고, 상위 추체의 상단에 다양한 방향의 모멘트를 가하여 척추 불안정성 및 극돌기간 삽입술의 생체역학적 특성 분석을 위한 가상시험을 수행하였다.
부상의 종류에 따라서 정상, 인대 결손, 협부 결손 순으로 불안정성이 점차 증가하였으며, 하중 조건에 따라서 전단력을 고려할 때 대부분의 모델에서 척추 불안정성의 기준을 초과하였다. 즉, 각각의 요소가 불안정성에 영향을 미친다고 할지라도 인대 결손과 협부 결손, 전단력 등의 요소가 복합적으로 작용할 때 더 큰 척추의 불안정을 일으킨다고 말할 수 있다. 또한 자세의 불균형이나 척추 근육의 불안정적인 작용 등의 영향으로 인해 발생할 수 있는 전단력도 척추 불안정성의 원인이 되는 중요한 요인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 척추 극돌기간 임플란트와 척추경 나사못을 삽입한 경우 극돌기간 임플란트 삽입 시 척추경 나사못 시스템에 비하여 큰 굽힘 운동이 발생하였다. 하지만 고정끈의 예장력이 증가함에 따라 척추경 나사못 시스템과 비슷한 굽힘 운동을 나타냄으로써 수술 분절의 안정성을 효과적으로 높일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 극돌기간 임플란트의 고정끈의 예장력을 증가시켰을 때 기저물질에 발생하는 최대 von-Mises 응력이 감소하였다. 하지만 예장력이 증가함에 따라서 극돌기에 발생하는 응력이 증가하였으며, 극돌기의 피로수명은 감소하였다. 골밀도가 낮은 환자의 경우 정상인에 비하여 임플란트가 뼈를 침강하거나 극돌기가 피로 골절되는 위험성이 증가할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 유한요소 해석을 이용하여 척추 불안정성의 생체역학적 평가를 하고, 극돌기간 임플란트를 사용한 수술법에서 나타날 수 있는 다양한 문제점을 파악할 수 있었다. 본 연구의 결과는 향후 불안정성의 원인 및 기전을 규명하는데 도움이 될 수 있을 뿐만 아니라 척추 질환 환자의 수술적 및 비수술적 다양한 치료 방법을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 다양한 극돌기간 임플란트에 대한 생체역학적 성능 평가 결과와 개발한 척추 유한요소 모델을 이용한 가상시험 기술은 다양한 수술 방법의 효과 검증 및 검토, 기존 척추 수술용 임플란트의 문제점 분석 및 개선, 새로운 척추 수술법 및 척추 임플란트의 개발 등에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Low back pain is a common disease in the world. Low back pain has been known to be related with spinal instability. However, there is a controversy about the evaluation of instability because there is a lack of consensus regarding quantitative clinical or radiological definition of the instability. In addition, the major factors to affect on the instability has not been elucidated although the disc degeneration, disc injury, or ligament injury were considered to result in such instability. Spinal decompression surgery with spinal fusion is a widely used surgical procedure for the treatment of spinal instability in the lumbar spine. However, it has been known that spinal decompression surgery causes the spinal instability. Some cadaveric and finite element (FE) studies have reported that adjacent segment degeneration may reduce adverse effects on the adjacent levels resulting from fusion by maintaining physiologic ROM as well as pressure. Therefore the interspinous process spacers(IPS) have been recently used due to its advantages such as motion preserving and less subsidence of the implant to the osteoporotic bone. However, the various influences by different types of IPSs and pretension of ligatures on the lumbar spine are still unknown. Therefore, the purpose of this study was to develop the finite element models of lumbar spine for biomechanical simulation and evaluate the biomechanical effects of spinal instability and various IPSs based on finite element analysis.
A three dimensional FE model of the L3-L4 functional spinal unit was developed from 1-mm thickness of computed tomography (CT) images. Clinical data and results of previous studies were taken for determining attachment points of ligaments and material properties of the model. Then, the model in which the SSL was removed (SSL), the model in which the ISL was removed (ISL), the model in which both the SSL and ISL were removed (SSL+ISL), and the model in which the post-bone of superior vertebrae were separated (Isthmic defect) were developed to represent the spinal instability. Three dimensional FE models of five different IPSs such as CoflexTM, WallisTM, VikingTM, DiamTM and Spear® and one pedicle screw system were developed. Interspinous process surgeries and spinal fusion based on the clinical protocol were virtually performed using the developed FE models of the lumbar spine and implants. Effects of spinal instability and pretension of ligature on the results of interspinous process surgery were analyzed in flexion, extension movements. Inferior plane of L4 vertebra was fixed in all directions. For the spinal instability models, flexion-extension moments of 7.5Nm were applied with a compressive force of 400 N and shear force. For the IPS models, flexion-extension moments of 7.5Nm were applied with a compressive force of 400 N along the direction from upper vertebra center to the lower one on the superior plane of L3 vertebra. Pretension of the ligature was varied from 0N to 400N with an increment of 100N. In this study, ranges of motion (ROMs) in flexion and extension movements, sagittal translation of superior vertebrae and maximum von-Mises stress at the spinous process in extension movement were analyzed using ABAQUS StandardTM ver. 6.10(Simulia Corp., U.S.A.).
The intersegmental angles were increased to 8.3 ~ 11.8° in the Case1 and to 12.5 ~ 19.2° in the Case4. For the SSL, ISL, SSL+ISL, and isthmic defect models, the angles were increased by 7%, 13%, 25%, and 51% in the Case1, and by 54%, 64%, 82%, and 133% in the Case4, respectively, in comparison to the intact model in the Case1. The Case4 showed larger rotation angles in comparison with the Case1. For the SSL, ISL, SSL+ISL, and isthmic defect models, the translations were increased by 19%, 22%, 25%, and 33% in the Case1, and by 55%, 58%, 63%, and 80% in the Case4, respectively, in comparison to the intact model in the Case1.The results show that the combination of spine injury and loading condition accelerated rotational and translational instability although each factor could affect on the instability. Pretension of ligature acting on spinous process constrained flexion movement of the IPS implanted models and tended to reduce ROMs of flexion movement of the models. In spite of increase of pretension of ligature, ROMs of IPS implanted models were higher than ROMs of fusion models in flexion and extension movement. Because IPSs are inserted between upper and lower interspinous processes, the maximum stress on interspinous process is occurred in extension. Therefore additional force which generated extension movement by pretension increased maximum von-Mises stress on the interspinous process. High von-Mises stress on the spinous process means the high risk of the subsidence of the osteoporotic bone related with failure of surgery. The results of this study showed that excessive pretension of ligature could increase the risk of subsidence of the osteoporotic bone and decrease the ROMs of flexion-extension movement. Therefore the magnitude of pretension of ligature should be carefully considered in the interspinous process surgery.
We analyzed biomechanical effects of spinal instability and biomechanical characteristics of different types of interspinous implants. The results indicated that the combination of factors could be considered to have higher influence on the translational or rotational instability rather than a single factor. While all kinds of interspinous implants studied in this study increased stability of motions segment in extension, tremendously different values of maximum von-Mises stress was shown in each implant. Therefore, the influence of interspinous implants on subsidence of interspinous process should be considered in the interspinous implant surgery, as well as the increase of stability of motion segment. The results of this study could be useful for investigating the mechanism of spinal instability and evaluating and selecting surgical options and implants in spinal surgeries.