교신저자：박문서, 403-020 인천광역시 부평구 산곡동 310-110  다인 이비인후과
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서     론

   이소골 재건술은 중이 수술에서 청력 개선을 위한 중요한 술기다. 이때 재건재료로 이소골 대체물이 사용될 수 있는데, 이들은 공기와 접촉하고 나중에 점막으로 뒤덮이며, 물리적 만성 자극이 고막의 진동을 통해서 오는 등의 특수한 조건을 가지고 있기 때문에 다른 부위에 사용되는 이식 재료와는 다르게 평가하여야 한다. 즉 이러한 이소골 대체물 이식에는 그 물질의 생체적합성의 정도도 중요하지만 중이 내에서의 생역학적 기능에 대한 이해가 중요하다.¹⁾ 그러나 이소골 대체물 개발은 형상설계에 있어 사전에 충분한 생역학적 연구없이 술자 개인의 경험에 의해 개발된 경우가 많아 음전도나 중이 구조물에 미치는 영향, 이소골 대체물 자체의 내구성 등에서 많은 시행착오가 있었다.
   등골의 상부구조물이 없을 때 사용하는 전 이소골 대체물(total ossicular replacement prosthesis：TORP)은 등골족판 위에 안정되게 고정시키는 것이 중요한데, 재건된 이소골연쇄 자체가 고막의 움직임에 대한 유연성이 떨어지므로 고막이나 등골족판의 접합 부위에서 분리되어 고막을 통해 탈출하거나 전정 쪽으로 밀려 들어갈 가능성이 있다. 또 상부구조물이 없으면 수술수기가 내이 가까이에서 이루어지는만큼 내이 구조물에 대한 외상이나 임파액 유출의 가능성이 커진다. 또 TORP와 등골족판 사이의 연결부 면적이 너무 작아 적절한 압력 분산에 문제가 생기기 때문에 등골의 상부구조가 온전할 때 이용할 수 있는 이소골 부분 대체물(partial ossicular replacement prosthesis：PORP)에 비해 위험도가 클 뿐만 아니라 삽입 시 성공률이 떨어질 가능성도 크다. 즉 재건된 이소골 연쇄를 통해서는 음압(sound pressure)뿐만 아니라 정수압(hydraulic pressure)도 전달되는 점을 감안해야 한다는 점에서 TORP는 보다 민감하고 사용에 있어 주의를 요하는 인공재료다. 이상과 같은 이유로 중이 내에서의 TORP의 상태를 생역학적으로 이해하는 것은 중요하다.
   이관 기능이 불량한 경우 중이 수술 후에도 고막 내 기압은 만성적으로 음압(negative pressure)을 형성하므로 고막이 내측으로 함몰되는 경향이 있고, 이것은 이소골들의 유무, 상고실의 수술적 조작 상태, 중이 내 염증조직의 잔존 여부 등과 연관되어 다양한 임상적 문제를 유발하는데 그 중 대표적인 것이 이소골 대체물의 고막을 통한 탈출이다. 이것은 보통 점진적으로 이루어지는데 함몰이 심하지 않은 경우는 탈출에까지 이르지 않는다 하더라도 과도한 고막의 긴장(tenting)을 유발하여 고막의 음전도에 있어 효율을 감소시킬 수 있다. 즉 고막을 통한 이소골 대체물의 탈출은 이관기능 부전에 의한 고막의 함몰 및 길이조절의 실패에 따른 고막의 압력괴사 등에 의하며, 감염이 있거나 이식재료의 조직반응이 클 때 더 잘 일어날 수 있다. 이러한 탈출에는 이소골 대체물 재료의 생체적합성뿐 아니라 그 형태에서 기인하는 생역학적 문제들도 관여하여 TORP의 경우 재료와 형태에 따라 고막을 통한 탈출 가능성 빈도와 그 양상이 달라질 수 있는 것이다.
   그러나 지금까지 이소골 대체물의 생체 내에서의 역할에 관한 연구는 그 재료의 생체적합성이나 획득할 수 있는 자연주파수(natural frequency)의 관점에서만 다루어졌고²⁾ 또 다른 중요 요소인 고막이나 등골족판과 만나는 접촉면에서의 응력의 문제에는 미치지 못하였다. 이소골 대체물과 고막 사이에 국소적 응력집중현상이 발생할 때 이소골 대체물의 생역학적 힘들을 알맞게 주위 조직에 분산시키는 것이 필요하며 이러한 힘의 분산은 가해지는 힘의 양상과 접촉 면적에 따라 결정된다.
   생체역학 탐구를 위한 구조 해석법은 실험적 방법과 수치 해석적 방법으로 나눌 수 있는데 전자에는 기계적 파절 실험이나 광탄성법(photoelastic analysis)³⁾ 등이, 후자에는 경계요소법(boundary element method),⁴⁾ 유한요소법(finite element method) 등이 있다. 이중 유한요소법은 미분방정식을 풀기 위한 수치해석법의 일종으로 대상물체를 정형화된 유한한 크기의 수많은 요소로 나눈 후 각 요소간의 관계식을 고려하여 물체 전체에 대한 식을 구성한 다음 선형 방정식을 풀어 물체의 변이, 응력, 진동 등을 해석하는 방법이다. 이 방법은 기하학적 형상, 하중 및 경계조건 등에 제한이 없기 때문에 최근 정형외과, 치과 등 의학 분야의 구조 해석에 많이 사용되고 있다.⁵⁾⁶⁾
   이 연구의 목적은 TORP를 이용한 이소골 재건술 후 고막을 통한 탈출을 예방하기 위하여 생역학적으로 이상적인 형태를 찾으려는 것이며, 삽입 후 중이 내에서 받게 되는 각 부위의 응력 분포 양상과 변이를 유한요소법으로 전산 수치 해석함으로써 가상적 이소골 대체물들이 중이 내에서 받게 되는 생역학적 하중과 그에 영향을 미치는 변수들을 비교하려는데 있다.

재료 및 방법

재  료
   정상 성인의 평균적 크기의 중이와 기둥모양 형의 hydroxyapatite TORP를 실험 대상으로 하였는데, 대상이 된 중이 구조물들과 이소골 대체물의 크기 및 물리적 성질은 다음과 같다. 고막의 크기는 최장 및 최단 직경을 10 mm×9 mm로, 두께는 0.1 mm로 하였고 또 등골족판의 크기는 1.4 mm×3 mm로, 그 두께는 0.1 mm로 하였다. 유한요소 모델을 위한 대체물들의 기본적 형태에 관한 수치는 Xomed사(Florida, U.S.A.)에서 공급받아, 각 부위의 크기 및 각도를 AutoCAD 프로그램을 이용하여 설정하였다. 즉 이소골 대체물은 dense hydroxyapatite의 재질로 만들어진 TORP형태 3종을 대상으로 하였는데 디스크가 고막과 접촉하는 면이 완전 평면인 형태(flat)와 볼록한 형태(convex), 오목(concave)한 형태를 설정하였다. 각각의 TORP 모델(Fig. 1)의 외형(geometry)을 수식화 하였으며(Table 1), 고막과 등골족판, hydroxyapatite로 만든 TORP의 물성을 정리하였다(Table 2). 여기서 중이구조물의 물성은 Wada 등⁷⁾의 연구 결과를 참고로 하였고, 모든 실험 대상 물질은 온도의 영향을 받지 않는 것으로 가정하였다.

하중 및 경계조건
   응력 분포 및 변위에 관한 분석을 위한 3차원적 좌표를 X축은 내외, Y축은 전후, Z축은 상하 방향으로 설정하였다. 이소골 대체물은 추골과 침골이 제거된 상태에서 기둥부의 밑면과 디스크의 상면이 각각 등골족판과 고막의 면에 수평으로 닿아 유착된 것으로 가정하여 질점을 공유하도록 하였다. 디스크는 고막 중심부에서 고막을 추골병에 평행과 직각으로 4등분하여 그 중 후상부쪽 중심, 즉 후상부 고막연을 이등분하는 지점에서 고막 중심까지 그은 선의 중간 지점에 디스크의 중심이 위치하는 것으로 설정하였다. 또 이들은 모두 균일 등방성 재질이고 선형 변화를 한다고 가정하였다. 제작된 모형에 400 daPa(deca Pascal)의 하중을 TORP의 장축을 따라 수직으로 가하는 것으로 설정하였는데 이 수치는 Hergils⁸⁾의 중이 내 음압(negative pressure)조절을 위한 압력 실험에 기초하여 임의로 설정한 것이다. 하중에 대한 유한요소법적 응력분석은 압축, 등가응력 등을 기준으로 할 수 있으나 이 연구에서는 TORP 형태가 수직 하중 시 응력값에 보이는 변화를 관찰하기 위한 것이었으므로 등가응력과 등가변형률 값에 초점을 맞추었다. 여기서 등가응력(equivalent stress)이란 동일 하중을 주었을 때 단위면적 당 받는 힘을, 등가변형률(equivalent strain)은 동일 하중을 주었을 때 단위길이 당 변하는 길이의 차이를 의미한다. 유한모형의 설계는 Design Space CAR 프로그램을 3D CAD프로그램과 함께 이용하였고, ANSYS의 Design Space automated finite element analyzer 프로그램을 이용하여 해석하였다.

유한요소법을 이용한 이소골 대체물의 구조분석
   이소골 대체물과 접촉 골부 경계면의 응력 해석을 시행하였다. 실제 유한요소 해석의 단계는 유한요소 모델링과 해석 그리고 해석결과 후처리(post-processing)로 나뉘어진다. 먼저 CAD 데이터로 3종류 TORP, 고막, 등골족판의 기하학적 형상을 읽어낸 후 유한한 크기의 요소로 나누어 유한요소 모델을 만들었다. 이어 그물망(mesh) 모델링, 물성 값, 하중조건 등을 가지고 대수방정식을 구성하였다. 대수방정식은 Ku=P로 표현될 수 있는데 여기서 K는 구조물의 선형 강성(linear rigidity), u는 절점 변위(nodal displacement), p는 하중 벡터(load vector)를 의미한다. 기본형인 Flat형의 경우 생성된 총 요소 수는 13633개였는데 이중 고막이 8862개, 이소골 대체물이 3408개, 등골족판이 1363개였다. 또 총 절점 수는 3112개였다.

결     과

   응력 및 변형률 분포의 차이를 가시화 하기 위해 그 크기에 따라 9단계의 색상으로 분류하여 그래픽으로 나타내었고 추가로 그물망 형태도 사용하여 결과분석을 하였다(Fig. 2). 각각의 TORP 형태에 따라 고막에 가해지는 등가응력, 등가변형률을 계산하여 최저의 응력 및 변형률은 파란색으로, 최고의 응력 및 변형률은 빨간색으로 나타내었다.

등가응력
   등가응력은 동일 하중을 주었을 때 단위 면적 당 받는 힘을 의미하는 것으로 flat형에서 가장 크게 나타났으며 3가지 형태 중 최대 등가응력값은 concave형에서 가장 작았다. 가장 낮은 응력분포를 나타내는 색인 파란색은 응력값이 0이고, 최대응력을 나타내는 빨간색은 flat형이 4.61×10^-8, convex형이 3.18×10^-8, concave형이 2.78×10^-8 Mpa (Mega Pascal)을 보이고 있다(Fig. 3, Table 3). TORP 자체의 최대응력은 flat형이 7.76×10^-9, convex형이 8.72×10^-9, concave형이 3.3×10^-8 MPa였다(Table 4).

등가변형률
   등가변형률은 동일 하중을 주었을 때 단위 길이 당 변하는 길이의 차이를 의미하는 것으로 최저 변형을 나타내는 파란색은 모두 0 mm/mm이고 최대 변형은 flat형이 1.96×10^-3 mm/mm, convex형이 1.35×10^-3 mm/mm, concave형이 1.18×10^-3 mm/mm로 concave형이 최대 변형이 가장 작았다(Fig. 4, Table 3). TORP 자체의 최대변형은 flat형이 2.97×10^-7, convex형이 3.33×10^-7, concave형이 1.26×10^-6 MPa였다(Table 4).

TORP의 응력 분포
   3가지 TORP 형태 전부에서 고막의 응력은 TORP 디스크의 고막 중심부를 향한 면을 따라 집중되어 나타났으며, TORP 기둥에서도 상부 1/4의 고막 중심부를 향한 면에 가장 응력이 집중되어 나타났다(Fig. 5).

고     찰

   생체역학은 생체공학 분야의 일부로 생체공학이 의료기기에 관한 기계 공학적 연구를 통칭한다면, 생체역학은 인체조직 주변의 기계학적 환경변화에 따른 생물학적 변화에 대한 상관관계를 의미한다. 중이 내에 이식된 이소골 대체물의 상태에는 그 물질의 생체적합성뿐 아니라 생역학적 공생의 정도도 중요하여 최근 이에 관한 이해의 폭이 넓어지고 있다. 이소골 연쇄는 주변의 기계적 환경에 민감하게 반응하는 인체조직이기 때문에 생체역학분야의 적용이 이루어질 수 있다. 즉 이소골 대체물의 삽입 시 주변의 조직에 가해지는 응력해석, 미세운동 해석 등이 여러가지 공학적 방법에 의해 이해될 수 있으며 정적 상황과 충격하중의 상황에서의 해석도 계산될 수 있는데 유한요소법은 그 한 방법이라 하겠다.
   유한요소법은 공학적 문제를 수치적으로 풀어내는 방법의 하나로 해석 대상 모델을 유한 개의 요소로 분할한 후 개개의 요소들의 물리적 특성을 합하여 얻은 결과식이 영역 전체에 걸쳐서 물리적 현상을 지배하는 미분 방정식과 등가라는 개념으로부터 출발한다. 유한요소법은 복잡한 구조물의 응력해석을 위해 개발되었으나 연속체 역학(continuum mechanics)분야 등 광범위한 분야에서 사용되고 있다. 구조물에 대해 요소의 공통되는 점, 선 및 면 등에서 여러 가지 경계조건을 사용하여 수식을 만들고, 이를 이용해 구조물 전체에 대한 연립 대수 방정식을 만들어 해를 구한다. 공통되는 점이나, 선, 면이 많아질수록 연립방정식이 커지게 되는 특성으로 유한요소법은 컴퓨터의 발전속도와 비례하여 발전하였다. 유한요소법은 여러 가지 공학분야에 적용이 가능하지만 구조 분야에서 가장 먼저 적용이 되었고, 현재는 의학 등 다양한 분야에서 적용이 되고 있다.
   이 연구에서는 유한요소법을 이용하여 수술로서 삽입된 TORP에 대해 중이 내 내압에 의해 밀착된 고막이 압력을 가할 때 고막에 나타나는 응력 분포를 분석함으로써 TORP의 탈출과 관련된 생역학적 지식을 얻고자 하였다. 기둥모양 형태를 기본 연구모델로 한 이유는 이소골 관절들은 음전도시 기능적으로 관절로서보다는 고정된 연결체로서 효과를 가지는데 이 사실은 기둥모양 형태가 중이 내에서 유일한 음전도 물체로 작용해도 이소골 관절들에 근접하는 음의 전달효과를 가질 수 있음을 시사하기 때문이다. 실제로 이것은 중이 수술에서 기둥모양 형태가 수술의 효과가 비교적 양호하고 조류가 이소골 연쇄 대신 기둥모양 형태를 이용하여 우수한 청각기능을 유지하는 사실에 비추어 타당하다고 하겠다.⁹⁾
   이소골 재건술에 있어서 성패를 좌우하는 중요한 변수 중 하나는 등골 구조물들의 존재 여부다. 추골에 등골을 연결할 때 상부구조물이 있으면 89%에서 20 dB 이내의 기골도차를 유지하는 반면 등골 각이 없으면 73%로 감소한다.¹⁰⁾ 이소골 대체물의 재료도 중요한데 Portman과 Lacher¹¹⁾에 의하면 Proplast, Plastipore, Ceravital을 사용했을 때 성공율은 각각 45%, 53%, 61%인데 반해 동종의 침골을 사용한 경우는 72%라고 하였다. 또 추골과 이소골 대체물, 등골족판 사이의 긴장도는 낮을수록 좋은데 그 이유는 최대한의 소리 전도성을 유지하기 위해서다. 이소골 재건술에 있어 이소골 대체물을 올바른 자리에 올바르게 위치시키는 문제는 기술적 측면에서 가장 중요한 요소라 할 수 있다. 기계적 효과는 이러한 재건술의 성공에 중요한 역할을 하는데 정상적 침골-등골 관절은 높은 물리적 스트레스를 받지만 활액성 관절(synovial joint)과 이소골을 지지하는 인대들에 의해 적절히 조절되는데 반해 인공적 재건은 이소골들이 새로운 기하학적 구조를 형성하고 그 경계면에는 나중에 섬유성 조직이 생기게 되므로 정상 이소골 관절에서와 같이 유연성과 강직성을 동시에 갖추기는 힘들다. 이런 의미에서 PORP보다는 TORP가 등골의 상부구조물이라는 완충 구조가 없으므로 더욱 문제가 된다. 또 인간 등골의 각 2/3부분에서 정확한 대칭성이 맞지 않는 것은 음 전도의 효율성을 희생하더라도 등골에 가해지는 뒤틀림 하중(bending load)을 완충시키기 위함인데¹²⁾ 이소골 재건술에서 이소골 대체물을 사용할 때 이러한 요소가 어떻게 변화하는지는 아직 잘 알려져 있지 않다.
   TORP의 두부 표면은 고막이 접촉하는 부위로서 고실 내에 음압이 걸릴 경우 고막은 수직 방향으로 두부의 전체면을 누르게 된다. 이때 TORP에 작용하는 응력의 분포는 고막의 취약점을 예측하는 것뿐 아니라 장기적으로는 TORP의 내구성을 예측한다는 관점에서도 중요하다. 그 응력이 많이 작용하는 부분을 통해 고막이 가장 많은 물리적 자극을 받을 것이고 결국 그곳이 후일 탈출에 의한 천공 가능성이 가장 높은 곳이 되기 때문이다. 또 이러한 자극은 이소골 대체물에도 동일하게 주어지므로 시간에 따른 마모율이 장소에 따라 달라지게 된다. 그렇기 때문에 그 응력을 가능하면 효과적으로 분산시켜 주는 작업이 필요한데 이것은 주로 생체적합성과 생역학적 문제로서 후자의 경우 지금까지 이런 면이 간과되어 온 것이 사실이다. 즉 TORP가 고막과 접촉하는 부위에서 TORP의 형태를 응력을 분산시키는데 유리한 모양으로 고안할 수 있다면 수술 후 발생할 수 있는 고막의 천공, 이소골 대체물의 탈출 등을 보다 효과적으로 막을 수 있다고 하겠다.
   이번 연구의 결과 최대등가응력은 flat형에서 가장 커 탈출의 가능성이 가장 높았고 convex, concave형은 그보다 최대등가응력이 작아 응력분산의 효과가 높음을 알 수 있었다. 그러나 그 수치는 순서대로 flat형 4.61×10^-8 MPa, convex형 3.18×10^-8 MPa, concave형 2.78×10^-8 Mpa 등 작은 차이를 보여서 실제 이들간 임상적 의미는 별개로 생각해야 할 것이다. 등가변형률 역시 고막이 받는 하중을 간접적으로 보여준다고 할 수 있는데 등가응력과 같은 결과를 보여주었으며, 이들 역시 flat형 1.96×10^-3 mm/mm, convex형 1.35×10^-3 mm/mm, concave형 1.18×10^-3 mm/mm로 미세한 차이를 보였다.
   전체적으로 보면 TORP의 사용 시 응력은 크게 고막과 등골족판에 직접적으로 가해지는데 등골족판의 경우는 보다 중요한 문제를 발생시킬 수 있는 개연성이 있다. 실제로 TORP 사용 시 내이쪽으로의 탈출을 막기 위해서 등골족판에 교원질 조직을 올려 놓는 것이 추천되고 있는데 실험적으로도 등골을 제거하고 고막에 TORP를 부착시켰을 때는 침골에 TORP를 부착시켰을 때와 비교하여 추골-침골 관절이 기능을 못하므로 난원창에 10배 가량의 압력이 주어진다.¹³⁾ 또 TORP에 의한 등골족판 천공의 가능성은 압력 변화가 갑자기 일어나서 라기 보다는 만성적 자극이 원인이 된다.¹⁴⁾ 이상의 이유에서 향후 유사한 연구가 등골족판을 중심으로 이루어져야 할 것으로 생각된다.
   이소골 대체물이 고막의 진동을 받아들이는 위치도 중요한데 고음역의 감각신경성 난청이 있는 경우 이소골 대체물은 추골병보다 고막에 연결되는 것이 청력회복에 도움을 준다.¹⁵⁾ Portman¹⁶⁾은 동종의 침골을 고막에 연결하는 것은 저음역보다 고음역에 이득을 주며 추골에 연결되었을 때는 그 반대 효과를 나타낸다고 하였다. 그 외에 이소골 대체물의 크기나 강도, 밀도 등 물리적 성질도 청각 회복의 정도에 영향을 줄 수 있다.
   이번 연구에서는 TORP의 두부가 편심에 위치하는 것으로 가정하였다. 즉 고막 중심부에서 고막을 추골병에 평행과 직각으로 4등분 한 후상부 쪽 중심에 위치하도록 하였다. 연구 결과 이 위치에서 응력의 집중은 TORP 디스크의 고막 중심을 향하는 면을 따라 나타났는데 앞으로 임상적으로 TORP가 가장 흔히 탈출하는 부위와 비교해 볼 필요가 있다. TORP 기둥의 상 1/4 부위가 가장 응력을 많이 받는 사실 역시 Polycel 등 상대적으로 부드러운 물질을 사용한 임상례와 비교해 볼 필요가 있다. 만약 같은 부위의 취약성이 증명된다면 앞으로 TORP의 구조적 보강에 참고자료가 되리라 생각한다.
   TORP 자체의 물리적 성질도 중이 생리에 영향을 미칠 수 있다. TORP는 그 무게가 음 전도에 가장 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있는데¹⁷⁾ 이상적 이소골 대체물의 무게는 40 mg을 넘지 않는 것이 좋고 가능하면 25 mg 이하가 적절하다는 Goode¹⁾의 연구 결과는 이런 측면에서 이해될 수 있다. 반면 TORP의 강직도 자체는 큰 영향을 끼치지 않는데¹⁷⁾ 이점에 관해서는 이소골 대체물의 경도는 등골과의 사이에 작은 응력집중(stress attenuation)을 일으킬 뿐이라는 보고와 일치한다.¹⁸⁾
   원래 중이 전체의 생역학적 성질을 정의하는 것은 쉽지 않다. 왜냐하면 여러 굴곡을 가진 고막과 이소골들의 활액성 관절들 그리고 지지인대들의 성질이 각각 상호보완적으로 작용하기 때문이다. 또 중이 내에서 이소골들 각각과 등골족판, 고막 등 구조물들 사이의 거리나 각도 등이 다양하므로 중이의 생역학적 모델을 만드는 것도 쉽지 않다. 이 연구의 경우 이소골 중 등골족판을 제외하고는 전부 없는 상태로 가정하였는데 그 이유는 추골병이 있는 경우 음압에 따른 고막의 진동양상이 복잡하고 고막의 외팔보기능(cantilever function)을 감안해야 하는 등 고려해야 할 지표가 너무 많아지기 때문이었다. 또 등골족판-고막 사이에 이소골 대체물이 수직으로 위치한다는 가정을 하였는데 이것 역시 등골족판의 위치에 따라 임상적으로 여러 변수가 생길 수 있어 연구의 단순화를 위해 채택한 방법이었다. 그러나 등골족판 위에 이소골 대체물을 세우는 위치가 음전도성에 미치는 영향을 laser doppler vibrometer를 이용하여 알아 보았을 때 중심부가 가장 음 전도에 유리하고 후방부가 가장 불량하다고 하였다는 Goode의 연구¹⁾를 감안하면 앞으로는 등골족판의 위치나 기울기를 고려한 연구도 필요하리라 생각된다. 또 본 연구에서 사용한 TORP의 형태에 따라 음전도성이 달라질 것을 예상할 수 있기 때문에 이점도 앞으로 고려되어야 할 것이다. 고막의 형태는 원래 원추형이지만 이 연구에서는 추골이 없는 상태로 가정했기 때문에 고막은 굴곡이 없는 평면으로 바뀐 것으로 간주하였다. 또 이 연구에서 고막을 함몰시키는 음압은 400 daPa로 가정하여 이들이 고막의 전면에 수직 방향으로 작용하는 것으로 수식을 세웠다.
   몇몇 이과 영역에서 유한요소법이 사용되어 왔는데 Williams와 Lesser²⁾는 인간 고막의 자연진동 주파수 분석을 했다. 이들에 의하면 고막 자연진동 주파수의 측정에는 대상 물질의 강직도와 두께, 굴곡도, 원추형(cornical shape) 및 비등방성(anisotropy) 등이 중요 변수로 작용한다고 하였다. 이와는 별개로 Wada 등⁷⁾은 고막이나 이소골 연쇄 등 중이강 자체를 유한요소법을 이용하여 모델화하였다. 이소골 대체물을 대상으로 유한요소법을 시행한 연구로서 Spandrel prosthesis의 청력 개선율의 원인을 생역학적으로 증명한 연구가 있는데 적절한 진동 특성은 재료 물질인 Polycel의 탄성계수가 100 N/mm²일 때 주어지고. Spandrel 기둥의 직경이 25% 늘어나면 고막의 자연진동 주파수가 54% 증가한다고 하였다.¹⁸⁾ 최근에는 Dresden PORP prosthesis도 유사한 방법으로 연구되었다.¹⁹⁾ 이번 연구에서는 TORP를 대상으로 하고 유한요소법 계산을 위하여 이소골 대체물과 고막, 등골족판의 조직은 균질성을 갖는 것으로, 하중을 가할 경우 이들은 선형변형을 하는 것으로 가정하였다.
   이소골 대체물은 근본적으로 생체 내에서 이물작용을 일으킬 수 있으나 최근 생체적합성이 우수한 재료가 개발되고 있는데 이들 재료는 모양의 선택이 가능하고, 감염의 위험이 없어 발전 가능성이 가장 많은 재료이며, 기둥모양형을 중심으로 하여 다양한 형태가 개발되어 있다. 이소골 재건술에 있어 이소골을 사용할 때와 이소골 대체물을 사용할 때는 생역학적 차이가 있을 수 있다. 즉 이소골에는 조직학적으로 물리력이 전달되어 내려가는, 판상뼈의 밀집으로 이루어진 “critical point”가 존재하므로²⁰⁾ 이 부위가 특히 생역학적으로 중요시되나 대부분의 이소골 대체물은 균일 재질이므로 그런 문제는 없다고 하겠다. 다만 디스크와 기둥이 만나는 자리 등 그 형태에서 초래되는 취약점이 있는 점이 다르다. 앞으로 이소골 자체를 대상으로 하는 연구에 있어서는 이점이 고려되어야 할 것이다.
   수술 시 TORP에 연골편을 올려놓아 탈출을 막고 있는데 이론적으로는 concave한 디스크의 면에 concave하게 붙는 연골이라면 가장 효과가 높겠으나 실제 임상적 의의는 의문스럽다. 궁극적으로는 연골편을 쓰지 않아도 되도록 이물반응이 없고 생역학적으로 유리한 대체물을 만드는 것이 중요할 것이다.
   최근 세라믹은 강도나 생체적합성에 있어 합성 중합체와 비교되고 있다. 하나 이상의 재료가 합쳐진 hybrid prosthesis나 복잡한 모양의 이소골 대체물도 많이 개발되고 있는데 유한요소법은 여러 가지 복합재료로 이루어진 연속체에도 적용할 수 있고 기하학적 형상, 하중 및 경계조건 등에 제한이 없는 것이 장점이므로 이 분야에 응용이 가능하다고 할 수 있다. 그러나 국부 응력 해석 시에는 일반적으로 모델링이 어렵고 실제 구조물을 유한요소 모델로 이상화 시키기 위해서는 많은 경험과 지식이 필요한 점 등에서 결과의 신뢰성 평가는 신중히 이루어져야 한다. 그런 점에서 이 계통의 연구는 생체공학 분야와의 전문적 지식 교환이 가장 중요하다고 하겠다. 앞으로 각종 PORP를 대상으로 더 복잡한 수식이 필요한 생역학적 연구가 필요하며, 이소골 대체물과 등골 사이의 응력은 이소골 대체물이 추골 밑으로 위치할수록 더 커지고 음의 전도성도 커지기 때문에 추골과 접촉 여부에 따른 생역학적 차이도 규명되어야 할 것이다.

결     론

   중이수술 후 이소골 대체물의 탈출에는 여러 가지 요인이 관여하는데 이 연구의 목적은 TORP를 이용한 이소골 재건술 후 고막을 통한 탈출의 생역학적 기전을 조사하고 탈출을 예방할 수 있는 이상적 형태 모델을 찾으려는 것이다. Flat, convex, concave한 3가지 형태의 가상 이소골 대체물을 대상으로 그들의 응력 해석 및 이소골 대체물과 접촉 경계면의 미세운동 분석을 시행하였다. 먼저 유한요소 모델화를 시행하고 하중 및 경계조건을 설정한 다음 ANSYS finite element program을 이용하여 응력분포 양상과 변위를 추출하고 그들을 비교 해석하였다. 등가응력은 flat형에서 가장 크게 나타났으며 3가지 형태 중 최대 등가응력값은 concave형에서 가장 작았다. 즉 flat형이 4.61×10^-8 MPa, convex형이 3.18×10^-8 MPa, concave형이 2.78×10^-8 MPa를 보였다. 등가변형률 역시 flat형에서 가장 크게 나타났고 concave형에서 가장 작았다. 즉 최대 변형은 flat형이 1.96×10^-3 mm/mm, convex형이 1.35×10^-3 mm/mm, concave형이 1.18×10^-3 mm/mm였다. 또한 TORP의 기둥에서는 상부 1/4의 고막 중심부를 향한 면에 응력이 집중되었다.
   이소골 대체물의 고막 접촉면은 생역학적 관점에서 기존의 flat형일 때 가장 고막을 통해 탈출하기가 쉬운 것으로 나타났고 고막 접촉면이 concave할 때 가장 안전했다. 또한 TORP의 기둥 상부 1/4에 응력이 집중되는 점은 앞으로 중이 내에서 TORP의 물리적 취약부를 규명하는 데에 참고가 될 수 있다.

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