Difference of the Mechanical Strength of Proximal Tibia according to Resection Distance from Joint Surface

Abstract

PURPOSE: This study carried out to evaluate the mechanical strength of proximal tibia according to resection distance from joint surface and to use this data for total knee arthroplasty. MATERIALS AND METHODS: 20 cases of knee computed tomography images were obtained from knee osteoarthritis patients undergoing total knee arthroplasty. Based on computed tomography images, the finite element models were created. The 8-node hexahedron element was made from BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea) which is automatic mesh generation software program. The finite element model of proximal tibia was resected to 6 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm, 15 mm, 18 mm from the lateral joint surface. 10% strain rate was applied to model using HyperMeshTM(Altair Engineering. Inc, seattle, USA)software. Ultimated stress was calculated from finite element anaysis using ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, orlando, USA). Paired sample t-test was used for statics. RESULTS: As compare to 6mm resection level, p value with 8 mm, 10 mm, 12 mm, 15 mm, 18 mm was 0.389, 0.774, 0.145, 0.005, 0.000. As compare to consecutive resection level, p-value was 0.389, 0.502, 0.205, 0.005, 0.021 between 6 mm and 8 mm, 8 mm and 10 mm, 10 mm and 12 mm, 12 mm and 15 mm, 15 mm and 18 mm. CONCLUSION: Ultimate strength was decreased according to increasing resection distance from joint surface but Within 12mm resection distance from lateral condyle articular surface of tibia, ultimate strength was not decreased statically significant(p>0.05) and consider it doing total knee arthroplasty.

목적: 유한요소 해석을 이용하여 슬관절의 경골 관절면에서 거리에 따른 절단면의 기계적 강도 차이를 분석하고 이를 슬관절 인공관절 치환술 시에 고려하고자 한다. 재료 및 방법: 슬관절 인공관절 치환술을 위해 내원한 퇴행성 관절염 환자에서 시행한 20 례의 슬관절 전산화 단층 촬영 영상을 이용하였고 각 전산화 단층 영상을 자동 메쉬 형성(automatic mesh generation) 소프트웨어 BIONIX™ (CANTIBio. Co, Suwon, Korea) 프로그램을 이용하여 8절점 정육방형 요소(8-node hexahedron element)로 모델을 생성하였다. 유한요소 모델은 근위 경골 외과측 관절면에서 6mm, 8mm, 10mm, 12mm, 15mm, 18mm씩 절단하여 20개의 모델당 각 6개의 유한요소 모델을 만들었다. BIONIX™ 소프트웨어에서 생성된 8절점 정육방형 요소는 HyperMeshTM(Altair Engineering. Inc, Seattle, U.S.A) 소프트웨어를 사용하여 1%의 변형률(strain rate)을 가하여 경계 조건을 적용했다. 유한요소 해석은 상용 소프트 웨어인 ANSYS 9.0 (ANSYS. Inc, Orlando, U.S.A)을 이용하여 최대 응력(σu, Ultimate stress)을 구하였다. 결과: 전체 최대 응력의 평균은 810.18 Mpa 이었고 각 절단면에서 최대 응력의 평균은 6 mm에서 906.84 MPa, 8 mm에서 877.22 MPa, 10 mm에서 895.93 MPa, 12 mm에서 852.70 MPa, 15 mm에서 742.90 MPa, 18 mm에서 585.51 MPa로 관절면으로부터 절제 거리가 증가할 수 록 절단면의 평균 최대응력은 감소하는 경향을 보였다. 전체 평균 최대 응력에 대해 6 mm와 비교해서 8 mm, 10 mm, 12 mm에서의 최대 응력의 변화는 3.58%, 1.30%, 5.66%로 의미 있는 감소는 없었으나 15 mm일 때는 20.24% 그리고 18 mm일 때는 39.62%가 감소하였다. 6 mm 절제 시 평균 최대 응력에 대한 절제 거리에 대한 최대 응력의 변화는 8 mm에서 3.20% 10 mm에서 1.21% 12 mm에서 5.96% 15 mm에서는 18.09% 18 mm에서는 35.40%였다. 각 절제 거리에 따른 비교 및 연속된 절제 거리간의 최대 응력변화의 통계적 의미는 paired t-test를 이용하였다. 6 mm 절단면의 최대 응력과 비교하여 절단면 8 mm, 10 mm, 12 mm, 15 mm 그리고 18 mm에서 최대 응력의 변화에 대한 p-value는 0.389, 0.774, 0.145, 0.005 그리고 0.000 이었고, 연속된 절단면간의 최대 응력 변화는 6 mm와 8 mm, 8 mm와 10 mm, 10 mm와 12 mm, 12 mm와 15 mm 그리고 15 mm와 18 mm에서 p-value는 각각 0.389, 0.502, 0.205, 0.005 그리고 0.021이었다. 결론: 슬관절의 경골 외과측 관절면에서 거리에 따른 절단면의 최대 응력의 변화는 전반적인 감소를 보이나 12 mm이내에서는 최대 응력의 변화가 통계적 의미가 없었고 이를 슬관절 인공관절 치환술시 고려해야 할 것으로 사료된다.