발목관절은 다른 하지 관절에 비해 면적이 상대적으로 작아 체중부하 시 단위 면적당 높은 압력과 모멘트를 받으며, 다양한 운동학적 특징으로 외상에 따른 관절염의 발생한다. 말기 관절염 환자의 경우 과거에는 발목관절 고정술(Ankle Arthrodesis, AA)이 많이 시행되었으나, 수명이 증가함에 따라 삶의 질 향상 요구가 증가하여 발목관절 전치환술(Total Ankle Arthroplasty, TAA)의 시행이 증가하고 있는 추세이다. 총 4세대에 걸쳐 기존의 문제점들을 보완한 발목관절 치환물의 개발에도 불구하고 다른 하지 관절들에 비해 낮은 생존율을 보이고 있다. 낮은 생존율의 원인 중 가장 높은 비중을 차지하고 있는 골 용해 발생 원인을 확인하기 위한 연구들이 이루어졌으나, 대부분 생물학적 관점으로 기계학적 관점에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 기계학적 관점으로 TAA에 의한 응력 분포가 골 용해에 영향을 미치는지 분석하고자 했다. 본 연구 진행에 앞서 발목관절 치환물 삽입에 의해 관절면의 응력 분포 변화가 발생할 것이며, 이는 비정상적인 하중 전달을 초래하여 응력 차폐 현상을 발생시켜 이로 인해 골 용해 발생 가능성이 증가할 것이라 가정했다.
TAA 전후 관절면의 응력 분포 변화를 비교 분석하고자 정상발목관절 및 인공발목관절 족부유한요소 모델을 이용하여 유한요소 해석을 진행하였다. 보행 상태에 따른 응력 분포를 확인하고자 initial contact, mid stance, terminal stance를 구현하였다. 또한 발목관절 복합체에 있는 인대, 주요 근육, 뼈, 연골, 아킬레스 건, 족저근막, 연조직을 개발하였다. 인공발목관절 모델에 사용한 발목관절 치환물은 현재 많이 사용되어지는 3세대 발목관절 치환물을 사용하였다. 접촉, 하중 및 경계 조건은 발목관절 치환물 삽입 외의 요인들을 동일하게 하기 위해 발목관절 치환물 접촉 조건 이외는 정상발목관절 및 인공발목관절 모델 모두 동일하게 적용하였다. 하중은 발에 전달되는 지면반발력을 각 보행상태에 따라 660N, 480N, 660N을 적용하였으며, 경계 조건은 경골과 비골 윗면의 6개 자유도를 고정하여 진행하였다. 그리고 골 용해 위치를 유한요소해석 모델의 응력 분포 결과와 비교분석하기 위해 TAA를 받은 성인 환자의 CT 데이터를 3차원 모델로 구현하였다.
족부유한요소 모델 검증을 위해 족저압 패턴 및 관절면 접촉 압력 분포를 기존 문헌들과 비교했으며, 비슷한 결과를 보임으로 현재 모델의 타당성을 입증하였다. 보행상태에 따른 응력분포는 terminal stance가 TAA 전후 가장 높은 응력을 보였다. TAA 전과 비교하여 후에 발목관절에서의 접촉 영역이 전방에 분포되는 것에 비해 TAA 후 후방으로 변경되었다. 이는 접촉영역을 TAA 후 발목관절에서의 접촉영역이 TAA 전과 동일하게 위치할 수 있는 설계가 고려되어야 할 것으로 사료된다. 발목관절 치환물 삽입에 따른 경골 및 거골 응력 분포는 경골 및 거골 구성품의 keel, spikes, pegs 주변에 낮은 응력 전달로 디자인에 따라 응력 분포가 변화하였다. 이는 발목관절 치환물의 디자인에 의한 응력 분포 변화로 응력 차폐 현상이 발생한다고 사료된다. TAA 환자의 3차원 모델을 유한요소 해석 결과와 동일한 단면을 확인한 결과 유한요소 해석 시 낮은 응력이 전달 된 곳에 골 용해가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 발목관절 치환물에 의한 응력 분포 변화가 응력 차폐를 유발하여 이로 인해 골 용해가 일어나 보철물 풀림 및 침강에 의해 TAA의 생존율이 낮은 원인을 야기한다고 사료된다. 따라서 본 연구를 통해 TAA의 낮은 생존율의 원인인 골 용해 발생 원인을 판단하는 데이터로 활용 가능하다는 점과 골 용해 발생 원인을 낮추기 위해 설계 변경 요소가 중요한 것으로 판단된다.

The ankle joints are relatively small in area compared to the knee joints and hip joints, and receive high pressure and moment per unit area under weight load. The ankle arthritis is caused by trauma due to various kinematic characteristics. Patients who have end stage arthritis have been performed Ankle Arthrodesis (AA) in the past. However, a lot of people want to improve the quality of their life according to the lifespan increases, so the rate of Total Ankle Arthroplasty (TAA) is increasing in the present. TAA has lower survival rates than otheer joints such as hip and knee even though ankle implant has been developed during four generation. Previous studies confirmed the causes of osteolysis, which is the highest percentage of low survival rates. However, the most studies were the biological point of view, and the mechanical point of view is insufficient. Therefore, the aim of this study was to analyze the stress distribution for confirming the possibility of osteolysis in TAA by mechanical point of view. Prior to this study, it was assumed that the insertion of the ankle implant would result in a change in the stress distribution of the ankle joint, which would result in abnormal load transfer and stress shielding with would increase the possibility of osteolysis.
A three-dimensional finite element model (3D FEM) of male foot and ankle consisting of ligaments, major muscle groups, bones, cartilages, achilles tendon, plantar fascia, and soft tissue was developed to confirm the stress distribution change of the ankle joint between intact and TAA. In addition, the gait cycle such as initial contact, mid stance, and terminal stance were developed to confirm the stress distribution according to the walking. The ankle implant used in the 3D FEM was the third generation ankle implant, which is currently in use. Contact, loading, and boundary conditions were the same for normal ankle and TAA models, except for the contact of the ankle implant, in order to make the factors other than insertion of ankle the ankle implant the same. Ground reaction forces were 660N, 480N, and 660N from each gait cycle. Boundary conditions were fixed six-degree of freedom of upper surface of tibia and fibula. In addition, Computed Tomography (CT) data of adult patients who had TAA were implemented as a 3D FEM, in order to compare the osteolysis position in CT data and stress distribution in finite element model.
The foot pressure pattern and the ankle joint contact pressure distribution were compared with the previous studies to validate the foot 3D FEM, and the foot 3D FEM was verified by showing similar results. The stress distribution of terminal stance showed the highest stress both 3D FEM. The contact area in the ankle joint was shifted to the posterior position in the TAA model compared with normal ankle model. It is judged that the design of the ankle implant should be considered such that the contact area of the ankle joint in the TAA model should be placed in the same position as normal ankle model. The stress distribution of the tibia and talus according to insertion of the ankle implant changed the stress distribution by low stress transfer around the keel, spikes, and pegs of the tibial and talar components. When the foot 3D FEM result and CT data reconstruction were compared, the position of low stress in foot 3D FEM and the position of osteolysis in CT data reconstruction were similar. It is judged that the changing stress distribution due to the design of the ankle joint implant causes stress shielding, which leads to osteolysis, resulting in lower survival rate of TAA due to loosening and sinking of TAA. Therefore, this study can be used as data to determine the cause of osteolysis, which is the cause of low survival rates of TAA, and it is considered that the design change factor is important to lower the cause of osteolysis.