요추 질환(Low Back Pain)은 모든 연령에 있어 가장 흔하게 발생하며 장애의 위험이 큰 질병 중 하나다.¹ 미국의 경우 연간 1,000억 달러 이상의 높은 진단 비용이 발생하며, 성인 인구의 약 2/3가 요통을 경험한다. 요통은 24-80%의 높은 재발률을 지니며, 2015년 보고된 전 세계 활동 제한 유형의 요통은 7.3%로 5억 4천만명에 이른다.^2,3

중량물 취급작업(MMH)은 척추에 상당한 부하를 발생시키고, 특히 굽힘 자세에서 무거운 중량물을 반복적으로 다루는 작업은 요추 부상을 일으키는 주요 원인이다.^4,5 이는 추간판 내부압력(IDP) 증가, 요추 염좌, 종판 파단, 추간판 탈출증과 같은 질환으로 이어질 수 있는 위험이 존재한다. 중량물 취급 작업 시 L4-L5, L5-S 분절은 요추에서 가장 큰 압축력과 모멘트가 발생하며, 추간판은 이로 인한 부상의 위험이 가장 큰 조직이다.^6,7 이러한 요추 부상의 위험을 예측하기 위한 방법으로 추간판 내부압력이 일반적으로 사용된다. 추간판 내부압력을 구하는 방법에는 생체 실험을 통해 측정하는 방법과 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 얻는 해석적 방법이 있다.

생체 내 측정 방법(In vivo)은 침습적인 장치로 추간판 내부압력을 측정하는 방법이다.^8-10 많은 비용과 기술적·윤리적 제약이 따르며, 다양한 환경 및 피험자에 대한 실험이나 추간판(Disc), 섬유륜(Annulus Fibrosus), 종판(Endplate), 인대(Ligament) 등의 내부 조직이 받는 영향에 대한 분석이 어렵다. 생체 내 측정 방법(In vivo)의 한계를 보완하기 위해 활용되는 해석적 방법에는 두 가지가 있는데, 동작분석(Motion Analysis)에 의해 동적 상태에서 구하는 방법과 유한요소법을 활용한 정적 상태에서 구하는 방법이 있다.

동작분석은 강체 동역학(Rigid Body Dynamics) 기반의 인체 모델을 활용하여 동작에 따라 척추 분절의 운동과 주변 근육 힘을 추정한다.^7,11 추간판 내부압력을 계산하기 위해 척추 관절에 작용하는 압축력과 회전 변위에 대한 경험식을 활용하며 일정한 크기의 추간판 단면적을 가정한다.^12,13 이와 같은 강체 모델을 활용한 해석은 추간판 L4-L5 분절의 굽힘(Flexion) 각도에 대한 경험식을 활용하기 때문에 굽힘 자세 이외의 복잡한 동작에 따른 추간판 내부압력을 측정하기 어려운 한계가 있다. 반면 유한요소해석은 추간판의 복잡한 구조와 비선형 물성을 고려한 유한요소모델(Finite Element Model)을 활용하여 추간판의 기계적 거동에 대한 분석이 용이하다. 요추 만곡에 따라 일정한 종동력(Follower Load)을 부과하는 생체 외 측정(In vitro) 연구의 실험적 방법을 적용하여 척추 주변 근육 힘을 보완한다.^14,15 이는 생체 실험법에 근거하는 하중 조건으로 굽힘(Flexion), 신전(Extension), 측굴(Lateral Bending), 축회전(Axial Rotation)과 같은 기본적인 척추 거동 이외의 동작에 대한 분석이 어렵고, 주변 근육의 능동적인 힘을 모사하지 못하는 한계를 지닌다.

최근에는 동작 분석과 유한요소해석을 연계하여 보행 시 하체의 무릎 연골 및 발목 관절의 내부응력을 분석하는 연구를 수행하였다.^16,17 이러한 해석기법의 연계는 각 방법의 한계점을 보완하는 동시에 강점을 고려하여 동작 중인 인체에 대한 해석을 가능하게 한다. 선행연구에서 활용된 방법을 상체 모델에 확장하여 적용하면 작업 동작 중에 발생하는 추간판의 내부응력과 변형 등을 분석할 수 있다. 본 연구에서는 동작 분석과 연계하여 작업 동작 중 요추의 생체역학적 변화를 측정하기 위한 상세 유한요소모델을 개발하고자 하였다. 지금까지 다수의 연구에서 요추부 유한요소모델 개발과 In vitro 실험 결과와 비교를 통한 모델의 검증이 수행되었다. Xu, et al., Mills, et al.은 1,000 N의 순수 압축힘, 10 N·m의 순수 모멘트, 압축힘과 모멘트를 동시에 인가하는 복합 하중(Combined Loading)을 적용하여 In vitro 실험연구와 동일한 하중 조건에서 유한요소모델을 검증하였다.^18,19 이러한 연구는 척추 운동에 따른 단순하중 및 복합 하중(Combined Loading)을 고려하여 모델의 타당성을 검증하였으나, 영역에 따른 추간판의 비선형적 거동 특성을 상세히 고려하지 않은 한계가 있다. Schmidt, et al.은 Calibration Method를 개발하고, 추간판 내부 섬유륜의 층과 방향에 따른 가중치를 적용하여 비선형 물성을 구현하였으나, 순수 모멘트의 단순 하중 조건에서만 모델 검증이 이루어졌다.²⁰ 이러한 기존 연구를 보완하여 본 연구에서는 이상적인 추간판 물성을 구현한 요추부 표준 유한요소모델을 개발하고, 척추 거동에 대한 하중 조건을 고려하여 모델을 검증하였다.

본 연구에서는 피험자의 신장, 체중 등의 신체 정보를 반영하여 동작 분석과 유한요소해석의 연계에 활용 가능한 요추부 표준 유한요소모델을 개발하였다. 본 연구의 목적은 척추 추간판의 기저층, 섬유륜, 종판과 주변 인대의 상세 모델링을 통해 요추 제4-5번(L4-L5)의 유한요소모델을 개발하고, 요추부 표준 유한요소모델에 가장 이상적인 물성을 적용하여 기존의 생체 실험 연구 및 유한요소 연구 결과와 비교하여 모델 검증을 수행하는 것이다.

본 연구에서는 작업 자세에 따른 요추의 생체역학적 분석을 위해 동작분석과 유한요소해석의 연계에 활용이 가능한 제4-5번 요추의 표준 유한요소모델을 개발하였다.

요추 유한요소모델 개발에 적용되는 최신의 모델링 방법을 종합적으로 반영하였으며, Calibration Process를 통해 영역과 방향에 따라 다르게 물성을 적용하여 추간판의 비선형 재료 특성을 구현하였다. 생체 실험과 동일한 하중 조건에서 추간판 내부압력과 운동 가동 범위를 기존의 In vitro 실험 및 타 유한요소 연구 결과와 비교하여 모델을 검증하였으며, 검증 결과는 생체 실험의 측정 범위 내에서 기존 유한요소연구 결과와 전반적으로 일치했다.

유한요소해석의 하중 조건에서 근육 힘과 상체의 중량을 모사하기 위해 실험적 방법에 근거하여 압축 하중으로 작용하는 종동력을 부과하였으며, 실제 척추에 작용하는 주변 근육의 효과가 단순화되어 적용되었다. 또한 본 연구에서는 제4-5번의 단분절 요추에 대해 상세 유한요소모델을 개발하고 순수 압축 하중, 순수 모멘트, 복합 하중의 다양한 하중조건에서 모델을 검증하였으나, 추후 생체활동에 대한 전체 요추의 거동을 분석하기 위해 다분절 요추 유한요소모델의 개발과 후관절(Facet Joint)의 접촉력에 대한 분석이 필요할 것으로 생각된다.

본 연구에서 개발된 제4-5번 요추의 표준 유한요소모델은 전신 인체 유한요소모델의 개발에 적용되어 동작분석 기반의 유한요소해석에 활용할 예정이다. 향후 요추 모델이 포함된 전신 인체 모델은 피험자와 동작에 맞게 변환되며, 동작 분석으로부터 얻어진 운동학적 데이터와 지면 반발력을 하중 조건으로 고려하여 작업 동작 중 추간판의 응력 및 변형을 분석하고 요추 부상의 위험을 예측하는데 활용이 가능할 것으로 기대한다.