대퇴 경부 골절은 고관절 골절의 약 절반의 비율을 차지하는 흔한 고관절 골절이다.1) 대퇴 경부 골절은 합병증이 많고 예후가 좋지 않다고 알려져 있기 때문에 한때 ‘미해결 골절’이라고도 불렸고, 과거에는 신체운동능력이 떨어지고 골다공증이 있는 노인 환자의 낙상으로 인해 발생 빈도가 높았지만 최근 몇 년간 젊은 성인에서 대퇴 경부 골절이 증가하고 있는 추세이다.2) 일반적으로 젊은 연령일수록 고에너지 부상으로 인한 골절의 빈도가 많으며 수직 방향 골절 패턴으로 확장되는 경향이 있어 노인 환자와는 치료와 접근이 매우 다르다.3) 특히 Pauwels III형 대퇴 경부 골절은 높은 전단력과 내부 불안정성으로 인해 고정 실패 및 불유합의 비율이 상당히 높으며 무혈관 괴사와 같은 합병증이 발생하기도 한다.4) 합병증이 생길 경우 환자에게 심각한 기능적 손상을 불러일으키게 되므로 이를 예방하기 위해 정확한 해부학적 정복 및 견고한 내부 고정술이 시행되어야 한다.5,6,7)

전통적인 치료 중 하나로 다발성 유관 나사를 이용한 고정술이 있지만 불안정 골절에 있어서 전단력 발생 시 내부 고정이 불안정해지기 쉽고 불유합을 유발하는 등 한계점을 지닌다.8,9) 대퇴골두의 안정성은 골유합에 필수적이기 때문에 이를 위해 새롭게 적용된 기술인 Femoral Neck System (FNS)이 기존 다발성 유관 나사의 한계를 극복할 수 있도록 설계되어 대퇴 경부 골절 고정 시 다발성 유관 나사 및 dynamic hip screw (DHS)보다 축 및 회전에 대해 안정적이라고 보고되어 있다.10) 하지만 FNS는 다발성 유관 나사 고정술에 비해 부하가 하나의 기구에 집중되고 좁은 고정 단면적 형태를 띠고 있어서 전단력과 회전 변형에 대한 고정력 및 안정성에 있어 한계점이 예상된다. 이를 보완하기 위한 치료 대안이 제안되었으며, 이 연구에서는 FNS에 유관 나사를 추가 고정함으로써 발생하는 생체역학적 이득 및 특성에 대해 고정장치 간 비교를 통해 이론적 참고자료를 제공하려 한다. 나아가 이상적인 추가 고정의 방법과 해부학적인 위치에 대해서도 알아보고자 하였다.

젊은 환자에서의 대퇴 경부 골절에는 고관절 치환술보다 내부 고정이 선호되지만 최적의 고정방법 선택에 대해서는 모든 연구자들의 합의가 이뤄진 것이 아니다. 하지만 불안정 골절 단면에 대해 전단력 및 회전변형을 최소화하는 고정력과 안정성이 클수록 골유합의 가능성이 높다는 것에 대해서는 의견이 일치한다. 그러한 이유로 대퇴 경부 골절의 치료에는 다양한 내부 고정기구와 방법이 적용되고 시도되어 왔지만, 수술 후 치유 과정에서 관련 합병증의 발생률이 15%-40%에 이른다고 보고되어 있다.1,18) 불안정 대퇴 경부 골절은 높은 전단력과 내부 불안정성으로 인해 고정 실패 및 불유합의 비율이 상당히 높으며 무혈관 괴사와 같은 합병증이 발생하기도 한다.4)

골치유는 해부학적 정복과 안정적인 고정이 필요하며 골절 치유 과정에서 정복을 유지하는 것이 매우 중요하다.19) 내부 고정의 불충분한 안정성으로 고정 실패 시 내반 경사, 회전 변형 또는 전단력에 의한 변형이 발생할 수 있으며, 궁극적으로 불유합 골절로 이어질 수 있다.20,21,22) 이러한 대퇴 경부 골절의 치료 중 해부학적 정복의 확립과 함께 골절에 대한 안정성의 유지는 주로 내부 고정에 의존하게 된다. 좋은 안정성을 제공하는 내부 고정장치의 선택과 고정방법이 골절 정복과 안정화를 유지하는 핵심 요소가 된다. Pauwels III형 대퇴 경부 골절은 높은 전단 응력으로 인해 더 불안정한 것으로 간주되므로 Pauwels III형의 고정에 사용되는 임플란트는 최적의 기계적 저항을 제공해야 한다.23,24)

기존의 다발성 유관 나사 또는 DHS를 사용한 내부 고정이 대부분의 정형외과 의사가 선호하는 방법이다.25) 다발성 유관 나사를 사용한 고정은 DHS를 사용한 고정보다 안정성은 떨어지지만, 큰 절개와 광범위한 연조직 박리가 필요하지 않고 간단하고 최소 침습적이며 저렴하기 때문에 많은 의사들에게 여전히 선호되고 있다.26)

FNS는 최근 몇 년 동안 대퇴 경부 골절의 최소 침습적 고정을 위해 설계된 새로운 임플란트 시스템이다. FNS는 체외 실험에서 Hansson Pins27), DHS, 다발성 유관 나사보다 우수한 각도 안정성과 활강 압축의 기계적 물성을 겸비한 임플란트로 개발되었다. FNS는 내반 변형(varus deformity)에 대한 저항 면에서 유관 나사보다 우수하고 회복된 경관 길이의 지속성 측면에서 DHS와 대등하기 때문에 Pauwels III형의 치료에 적용할 수 있다.28) Teng 등3)의 실험 결과에 따르면 FNS 그룹의 최대 VMS는 유관 나사 그룹 및 유관 나사+1/3관형 플레이트 그룹보다 낮았으며, 3가지 고정 구성 모두가 골절 부분에 가장 가까운 부위에서 응력이 집중적으로 관찰되었지만 FNS는 그 중 가장 낮은 값을 나타내어 FNS의 우수한 기계적 특성이 더욱 확인되었다. 또한 임상 실습에서 Zhou 등9)은 FNS가 유관 나사보다 시각통증점수(visual analog scale)가 낮고 Harris 점수(Harris hip score)가 높으며 합병증 발생률이 낮다는 것을 발견했다. Tang 등29)에 의해 이러한 일관된 결과가 관찰되었으며, 불안정한 대퇴 경부 골절의 치료를 위해 FNS는 다발성 유관 나사 고정술의 적절한 대책으로 볼 수 있었다.

하지만 다발성 유관 나사에 비해서 좁은 고정 단면적을 보이고, 이는 회전 변형에 취약할 수 있음을 시사한다. 또한 활강 볼트(sliding bolt)와 잠금 플레이트 사이의 접합부에서 응력 증가 영역이 관찰된 것을 볼 수 있다(Fig. 5). 그 이유는 짧은 활강 슬리브(sleeve)와 볼트의 긴 작동 거리로 인해 수직하향력이 가해질 때 필연적으로 접합부에 응력이 집중되는 결과일 수 있다. 따라서 접합부에서의 응력 증가에 주의가 필요했으며, 향후에는 활강 슬리브의 강성을 늘리거나 강화하는 것으로 개선이 필요하다는 결론이다.3,30)

하지만 저자는 FNS 자체의 강화보다 즉각적인 보완책으로 추가적 유관 나사 고정술을 계획하였고, 시뮬레이션을 통해 생체역학적 이득을 확인하고, 해부학적으로 가장 이상적인 위치를 찾아내는 과정을 시행했다. Jeong과 Jung11)의 연구를 참고하여 첫 시도에는 유관 나사 2개를 추가 적용하는 것을 고려해 보았지만, 시험체로 쓰인 뼈 모델마다 통일된 위치를 설정하는 것이 불가능하였으며 FNS의 항회전 나사와의 충돌이 빈번히 발생하여 실제 임상적 적용에는 많은 제약이 있다고 판단되었다. 그리하여 FNS에 1개의 추가적 유관 나사에 대한 연구를 진행하였고, 이에 대해서 3D modeling 과정을 통해 충분한 공간이 확보됨을 확인하였다. 전위된 대퇴 경부 골절 환자 395명에 대한 Gurusamy 등31)의 분석에서 전방 나사의 위치는 불유합에 영향을 미치지 않으며 측면상에서의 유관 나사의 간격이 중요하다고 하였다. 따라서 전방 나사의 이상적 위치 선정에서, 대퇴골 능선을 지표로 직하방에서 전방 피질골에 최대 근접시키는 간단한 방법으로 불유합의 가능성을 줄일 수 있는 최대한의 나사못 간격을 확보할 수 있게 된다. 후상방 위치는 대퇴골두로의 혈액 공급을 하는 중요한 혈관들이 지나다니므로 천공 발생 시 대퇴골두의 무혈관 괴사를 유발할 수 있는 위험성이 존재한다.17) 그리하여 전상방에 단일 추가 고정이 가장 임상적 적용에 적절하다고 판단된다. 하지만 대부분의 불안정성 대퇴 경부 골절의 경우 완벽한 해부학적 정복을 얻기가 어렵고, 후방경사가 남아 있는 경우가 많다. 이러한 경우에는 좁아진 전상방 구역에 추가 유관 나사를 고집하기보다, 후상방 공간에 추가 유관 나사를 고정함으로써 생체역학적 안정성을 높일 수 있다.

나아가 유관 나사의 나사산과 직경이 생체역학적으로 영향이 있는지에 대해 추가적인 실험을 하였다. 예상대로 FNS 단독 실험군보다 추가로 유관 나사를 쓴 다른 모든 실험군에서 하중을 분산시키고 더 많은 안정성을 준다는 것이 확인되었다. FNS만 사용한 실험군보다 나머지 모든 실험군에서 뼈와 FNS에 작용하는 VMS가 줄었으며 유관 나사의 직경이 6.5 mm보다 7.0 mm일 때, 부분산 나사보다 전산 나사 사용 시 뼈와 FNS에 작용하는 VMS가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 변형의 정도를 시각적으로 5배 증강시킨 결과를 보면(Fig. 8) FNS 단독 사용군에는 윗부분이 상당히 뒤틀려 있는 것을 볼 수가 있다. 이로써 회전에 대한 저항성을 다른 대조군들과 비교해 볼 수 있다. 이는 뼈와 FNS에 작용하는 응력을 낮춰 주는 것으로 유의미한 안정성 부여를 확인하였고, 회전에 대한 변형도 막아주는 것으로 볼 수 있다. 그리고 부분산 나사를 통해 활강을 시킴으로써 골 압박을 기대할 수가 있을 것으로 예상했지만 이에 대한 의미 있는 결과는 얻어내지 못했다.

컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 연구에서 여러 경향성을 파악할 수는 있었으나, 동시에 제반의 한계점이 존재한다. 모델의 수렴성을 향상시키기 위해 모든 임플란트의 나사산 부분을 실린더로 단순화하고 주변 근육과 인대가 골절에 미치는 영향을 고려하지 않았다. 그리고 나사산에 작용하는 저항을 무시하고 뼈와 나사산을 접착 형태로 가정하여 시험을 진행하였다. 또한 본 연구는 두 부분의 골절의 안정성과 가장 수직 방향의 골절 패턴(Pauwels III형)만을 가정하여 시험하였다. 결과는 고무적이었지만 실제 임상 사례는 더 많은 요소들이 복잡하게 관여한다. 사용된 뼈의 모델은 평균적인 정형화된 모델로, 임플란트 배치 실험에 사용된 사체의 골질 및 골 형태는 모두 달랐다. 컴퓨터를 이용한 재현 연구는 피질골 지지를 위한 가장 이상적인 유관 나사 및 FNS의 위치를 확인할 수는 있었지만 컴퓨터를 이용한 임플란트들의 위치가 정상적인 대퇴골에 대해 수작업으로 진행되었던 점을 고려했을 때 수기적 오류가 있을 수 있다. 또한 골절이 없는 대퇴골을 컴퓨터를 이용해 골절을 발생시킨 것이므로 이 결과가 실제 임상 결과와 비교하였을 때 다소 차이가 있을 수 있다. 이 연구는 방향성을 보기 위한 예비 논의에 불과하며 추가 비교를 위해서는 더 많은 임상 연구 응용 프로그램 샘플이 필요하다.

하지만 이러한 제한점에도 불구하고 이 연구를 활용하여 Pauwels III형뿐만 아니라 경부 기저부 골절(basicervical fracture)을 포함한 다양한 근위 대퇴골 불안정 골절에서 추가 고정에 적용시켜 볼 수 있다. 향후 보다 많은 재현 연구를 통해 다양한 각도와 길이의 유관 나사를 추가할 수 있는 이상적 위치를 연구해 볼 가치가 있다. 또한, FNS에 나사를 추가로 고정하여 결과를 비교한 연구는 현재 거의 없어 앞으로의 방향성에 의미가 있을 것으로 생각된다.

본 연구에서 사용한 Mimics^®와 Ansys 프로그램으로 환자의 영상 자료를 활용해 수술 전 가상 고정 및 가상 시뮬레이션을 통해 수술의 계획 수립에 정확도를 높일 수 있을 뿐 아니라 나아가 다양한 술기의 수술 교육 프로그램의 개발 및 상용화로 임상적 접근성을 높일 수 있을 것이라고 저자는 기대하고 있다.

대퇴 경부 불안정 골절에 FNS에 추가로 유관 나사를 고정할 때 그 위치는 전상방이 공간이 넓고 FNS와 간섭이 생기지 않으며 안전 구역에도 부합해 가장 이상적인 위치이다. 유관 나사 하나를 추가함으로써 대퇴골두의 회전 변형을 줄일 수 있으며 뼈와 FNS에 작용하는 응력을 낮출 수가 있다. 그러므로 본 연구에서는 대퇴 경부 불안정 골절에 FNS와 유관 나사 1개를 추가 고정하는 것이 FNS만 단독으로 고정하는 경우보다 안정적이고 생체역학적 이득이 있다고 할 수 있다. 6.5 mm보다 7.0 mm 직경의 유관 나사를 사용했을 때 뼈와 FNS가 받는 스트레스가 확연히 줄었지만 전산 나사와 부분산 나사의 비교에서는 의미 있는 감소 효과의 결과를 얻지는 못하였다.