For the study of its stability when the screw has been fixed after sagittal split ramus osteotomy(SSRO) of the mandible, the methods of screw arrangement are classified into two types, triangular and straight. The angles of screws to the bone surface are classified as perpendicular arrangements, the...
For the study of its stability when the screw has been fixed after sagittal split ramus osteotomy(SSRO) of the mandible, the methods of screw arrangement are classified into two types, triangular and straight. The angles of screws to the bone surface are classified as perpendicular arrangements, the $60^{\circ}$ anterioinferior screw, known as triangular, and the most posterior screw, called straight arrangement, thus there are four types. The finite element method model has been made by using a three dimensional calculator and a supercomputer. The load directions are to the anterior teeth, premolar region, and molar region, and the bite force is 1 Kgf to each region. The distribution of stress, the von-Mises yield strength, and safety of margin refer to the total sum of transformed energy have been studied by comparison with each other. The following conclusion has been researched : 1. When shear stress is compared, in the triangular arrangement in the form of "ㄱ", the anterosuperior screw is seen at contributing to the support of the bone fragment. In the straight arrangement, substantial stress is seen to be concentrated on the most posterior angled screw. 2. When the von-Mises yield strength is compared, it seemed that the stress concentration on the angled anteroinferior screw is higher, it shows a higher possibility of fracture than any other screw. In the straight arrangement, stress appeared to be concentrated on the most posteriorly angled screw. 3. When the safety margins of the transfomed energy are compared, the energy conduction is much greater in the case of the angled screw than in the case of the perpendicular screw. The triangular arrangement in the form of "ㄱ" shows a superior clinical sign to that of the straight arrangement. Judging from the above results, when the screw fixation is made after SSRO in practical clinical cases, two screws should be inserted in the superior border of mandibular ramus and a third screw of mandibular inferior border should be inserted in the form of triangular. All screws on the bony surface should be placed perpendicularly-$90^{\circ}$ angles apparently best promote bony support and stability.
For the study of its stability when the screw has been fixed after sagittal split ramus osteotomy(SSRO) of the mandible, the methods of screw arrangement are classified into two types, triangular and straight. The angles of screws to the bone surface are classified as perpendicular arrangements, the $60^{\circ}$ anterioinferior screw, known as triangular, and the most posterior screw, called straight arrangement, thus there are four types. The finite element method model has been made by using a three dimensional calculator and a supercomputer. The load directions are to the anterior teeth, premolar region, and molar region, and the bite force is 1 Kgf to each region. The distribution of stress, the von-Mises yield strength, and safety of margin refer to the total sum of transformed energy have been studied by comparison with each other. The following conclusion has been researched : 1. When shear stress is compared, in the triangular arrangement in the form of "ㄱ", the anterosuperior screw is seen at contributing to the support of the bone fragment. In the straight arrangement, substantial stress is seen to be concentrated on the most posterior angled screw. 2. When the von-Mises yield strength is compared, it seemed that the stress concentration on the angled anteroinferior screw is higher, it shows a higher possibility of fracture than any other screw. In the straight arrangement, stress appeared to be concentrated on the most posteriorly angled screw. 3. When the safety margins of the transfomed energy are compared, the energy conduction is much greater in the case of the angled screw than in the case of the perpendicular screw. The triangular arrangement in the form of "ㄱ" shows a superior clinical sign to that of the straight arrangement. Judging from the above results, when the screw fixation is made after SSRO in practical clinical cases, two screws should be inserted in the superior border of mandibular ramus and a third screw of mandibular inferior border should be inserted in the form of triangular. All screws on the bony surface should be placed perpendicularly-$90^{\circ}$ angles apparently best promote bony support and stability.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이에 본 연구에서는 악안면 기형에 대한 치료방법 중의 하나인 하악지시상분할골절단술을 시행한 후 나사에 의한 고정 시 나사의 배열방법 및 배열방향에 따른 응력분포와 나사의 선형탄성에 의한 응력-변형도의 관계가 변화되어 나사의 물성에 대한 변화가 생길 수 있는 von-Mises 항복강도를 비교 연구함으로서 향후 하악지시상분할골절단술 후 골절단편의 고정방법에 따른 안전성에 대한 평가를 임상에 활용함을 목적으로 하였다.
가설 설정
구조물에 발생하는 응력을 연구하는 실험적 방법은 광탄성 응력분석법, 전기저항 스트레인 게이지법, 홀로그래피법, 므와레무늬분석법, 브리틀래터코팅법 등이 있는데, 유한요소법은 이방성의 선형성을 가지는 구조의 모든 부위에서 응력의 계측이 가능하고 모델을 형성한 후 다양한 경계조건과 하중조건의 변화에 따른 응력의 해석이 가능하며 3차원 내에서 응력의 방향과 크기를 알 수 있고 응력발생 후 변위된 상태와 변위되기 전의 초기상태를 비교해볼 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서 사용된 유한 요소에 의한 해석은 모형의 단순화와 계산을 위하여 모형내에 설계된 재료나 생체조직은 임의의 어떤 부분에서도 균질성을 가지며 설계된 재료나 조직은 원자배열 3차원 내에서 방향에 관계 없이 어느 방향으로나 동일한 등방성을 가지고 구조물에 하중을 가했을 때 실험모형의 변형을 항상 탄성변형을 한다는 가정하에서 이루어진다28-30).
제안 방법
하악골 전돌증 환자에서 제일 많이 시행하는 하악지시상분할 골절단술 시행 후 나사에 의한 고정을 시행하였을 때 안정성에 대한 연구를 위하여 나사의 배열방법을 삼각형 형태와 일직선 형태로 분류하고 나사의 골면에 대한 각도는 직각으로 배열한 것과 삼각형 형태에서는 전하방의 나사에 그리고 일직 형태에서는 최후방의 나사에 각각 60°로 골면에 대해 경사시키는 4가지의 형태로 분류하였다. 3차원 측정기 및 슈퍼컴퓨터를 이용하여 유한요소 모형을 완성한 뒤 하중이 가해지는 방향을 전치부와 소구치부 및 대구치부로 정하고 공히 1Kgf의 교합력을 가하여 나타나는 응력분포와 von-Mises 항복강도 및 변형에너지 총합에 의한 안전효율을 비교 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 하악골 자체의 물성치와 티타닉움 고정 나사의 물성치를 전후처리기인 MSC사(미국)의 XL과 ALTRAIR사(미국)의 HYPERMESH를 이용하여 입력하고(Table 2), Hardware는 Hp7550 Engineering Work Station(Hewlett packard사, 미국)을 사용하였다.
본 연구에서 하악지시상분할골절단술 후 나사에 의한 강성고정을 시행하고 3차원 측정기로 실측하여 약 8000개의 절점 및 유한요소로 입력하여 하악골 및 나사에 대한 유한요소 모형을 완성하고 골절단면에는 경계조건를 부여한 후 하중이 가해지는 부위를 전치부와 소구치부 및 대구치부로 분류하여 공히 1Kgf의 하중을 가하였다. 세 부위에 가해지는 교합력은 차이가 존재하지만 동적인 상황의 변화로 인해 수시로 변화되는 수치이므로 안정상태의 교합력을 하중조건으로 하는 것 보다는 1Kgf의 하중에 대한 변화의 결과를 얻어 특정 상태의 교합력을 곱함으로써 응력의 변화를 얻을 수 있다.
본 연구에서는 나사의 배열위치 및 배열방향에 대해 이론적으로 골절단편에 직각으로 나사를 고정시키는 것이 타당하지만 구강 내로 수술시 후방에 위치하는 나사는 나사의 방향을 근심으로 경사시키고, 하방에 위치하는 나사일수록 상방으로 경사시키는 것이 수술시 용이하다는 점을 착안하여 나사의 배열위치와 배열방향을 변화시켜 아래와 같은 4가지로 분류하였다.
완성된 유한요소 모형을 하중이 가해지는 부위를 전치부, 소구 치부 및 대구치부로 분류하고, 각각에 공히 1kgf의 하중을 가하여 응력분포를 유한요소 구조해석용 프로그램인 NASTRAN을 이용하여 슈퍼콤퓨터(CRAY2S)에서 해석하고 결과를 XL과 HYPERMESH에서 출력하였다(Fig. 3).
하악골 전돌증 환자에서 제일 많이 시행하는 하악지시상분할 골절단술 시행 후 나사에 의한 고정을 시행하였을 때 안정성에 대한 연구를 위하여 나사의 배열방법을 삼각형 형태와 일직선 형태로 분류하고 나사의 골면에 대한 각도는 직각으로 배열한 것과 삼각형 형태에서는 전하방의 나사에 그리고 일직 형태에서는 최후방의 나사에 각각 60°로 골면에 대해 경사시키는 4가지의 형태로 분류하였다. 3차원 측정기 및 슈퍼컴퓨터를 이용하여 유한요소 모형을 완성한 뒤 하중이 가해지는 방향을 전치부와 소구치부 및 대구치부로 정하고 공히 1Kgf의 교합력을 가하여 나타나는 응력분포와 von-Mises 항복강도 및 변형에너지 총합에 의한 안전효율을 비교 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
하악골에 대한 골절단술은 실제 임상에서 3급 부정교합을 가진 악안면 기형 환자의 외과적 치료 시 많이 사용되고 있는 하악지시상분할골절단술을 실제와 동일한 방법으로 시술하고 원심 골절단편을 후방으로 이동시킨 후 나사로 고정하였다.
하악지시상분할골절단술 후 강선고정은 악간고정을 필요로 하며 상당히 높은 재발율을 나타내어 보완책으로 여러 가지 방법이 시행되었다. Spiessl8)이 하악지시상분할골절단술 후 골절단편을 고정하기 위해 경협접근법으로 하악조관 상방에 2개의 압박나사와 하방에 1개의 압박나사를 이용하여 고정한 방법을 보고한 이후 나사에 의한 강성고정시 사용한 나사의 종류 및 형태와 접근방법, 수술 술식의 변형 그리고 나사의 배열방향과 위치 및 각도가 술 후 안정성에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 시행되었다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 재료는 정상 성인의 사체 하악골을 사용하였으며, 하악지시상분할골절단술 후 골절단편의 고정을 위해 Leibinger사(독일)에서 제작된 직경 2.7mm, 길이 12mm의 양측 피질골용 나사를 사용하였다.
성능/효과
1. 전단응력의 분석에서 “ㄱ”자형의 삼각형 형태로 배열한 것은 전상방의 나사가 골절편의 유지에 크게 관여하였으며 일직선 형태의 배열에서는 경사시킨 최후방의 나사에 현저한 응력의 집중이 관찰되었다.
2. von-Mises 항복강도는 “ㄱ”자형 배열에서는 삽입각도를 경사시킨 전하방의 나사에 응력의 집중도가 높아 파절의 가능성이 제일 높을 것으로 추정되며 일직선 형태의 배열에서도 경사시킨 최후방의 나사에 응력의 집중이 발생하였다.
3. 변형에너지의 총합에 의한 안전효율은 나사가 골면에 대해 경사지게 삽입된 경우가 직각을 이룬 경우 보다 변형에너지가 크게 나타났으며 일직선 형태보다는 “ㄱ”자형의 삼각형 형태의 배열이 임상적으로 더 양호한 것으로 나타났다.
YZ방향의 전단응력은 나사가 굽힘을 받는 응력을 나타내는 것으로 일반적인 보형태의 구조물에서는 축 방향의 인장 혹은 압축하중에 의한 파괴보다는 전단력에 의한 파괴 양상이 지배적이기 때문에 파절강도의 측정 시 유용하다. 본 연구에서 나사가 삼각형의 형태로 골면에 직각으로 배열된 경우에 비해 경사시킨 형태에서 전단응력의 절대적인 수치가 높게 나타났으며 screw 2에 대한 응력의 집중도가 높아 “ㄱ”자형의 배열에서 screw 2가 골절단편의 유지에 많은 역할을 담당하고 있다는 것을 알 수 있다. 일직선의 배열에서는 나사를 골면에 대해 경사시킨 경우 screw 1에 대한 응력의 집중도가 높게 나타났으며 나사를 경사시키면 응력의 분포상 열악한 조건이 됨을 나타낸다.
이러한 von-Mises 이론의 특징은 유사한 다른 이론들에 비해 항복응력의 범위가 좁아 기계구조물 등의 설계 시 가장 안전한 방법으로 사용 가능하다. 본 연구에서 나사를 삼각형의 형태로 배열한 경우 screw 3에 응력의 집중이 관찰되었고 나사가 골면에 대해 직각으로 삽입된 경우보다 경사시켰을 때 집중응력의 발생이 더 높게 나타났으며 그 결과 screw 3의 파절 가능성이 더 높다고 할 수 있다. 대구치에 하중이 가해진 경우 screw 3의 영향은 screw 1, 2에 비해 상대적으로 민감하지 않은데 하중이 가해지는 위치가 고정점에 접근함에 따라 지렛대 효과에 의한 모멘트 효과보다는 하중이 직접적으로 전단응력화 한다는 것을 의미한다.
본 연구에서 변형에너지의 총합은 삼각형의 배열에 비해 일직선의 배열에서 크게 나타났으며 나사를 경사시킨 경우도 삼각형의 배열보다는 일직선에서 그 차이가 더욱더 크게 나타났다. 본 연구의 결과로 나사를 골면에 대해 직각으로 삽입하는 것이 임상적으로 더 안정성이 있으며 나사의 배열이 일직선 형태보다는 “ㄱ”자형으로 삼각형으로 배열하는 것이 안정성에 있어 효과적인 방법이라고 할 수 있다.
본 연구에서 변형에너지의 총합은 삼각형의 배열에 비해 일직선의 배열에서 크게 나타났으며 나사를 경사시킨 경우도 삼각형의 배열보다는 일직선에서 그 차이가 더욱더 크게 나타났다. 본 연구의 결과로 나사를 골면에 대해 직각으로 삽입하는 것이 임상적으로 더 안정성이 있으며 나사의 배열이 일직선 형태보다는 “ㄱ”자형으로 삼각형으로 배열하는 것이 안정성에 있어 효과적인 방법이라고 할 수 있다.
본 연구에서 하악지시상분할골절단술 후 나사에 의한 강성고정을 시행하고 3차원 측정기로 실측하여 약 8000개의 절점 및 유한요소로 입력하여 하악골 및 나사에 대한 유한요소 모형을 완성하고 골절단면에는 경계조건를 부여한 후 하중이 가해지는 부위를 전치부와 소구치부 및 대구치부로 분류하여 공히 1Kgf의 하중을 가하였다. 세 부위에 가해지는 교합력은 차이가 존재하지만 동적인 상황의 변화로 인해 수시로 변화되는 수치이므로 안정상태의 교합력을 하중조건으로 하는 것 보다는 1Kgf의 하중에 대한 변화의 결과를 얻어 특정 상태의 교합력을 곱함으로써 응력의 변화를 얻을 수 있다.
이러한 하악골 및 나사의 배열방법과 배열방향을 정확히 재현하기 위해 3차원 측정기를 사용하여 기하학적 형태를 실측하고, 약 8000개의 절정과 요소를 TETRA, PENTA, 및 HEXA의 형태로 입력하여 하악골 및 나사의 모형을 완성하였으며(Table 1), 골절단면에는 경계조건을 부여하여 유한요소 모형을 완성하였다 (Fig. 2).
이상의 결과로 보아 실제 임상에서 하악지시상분할골절단술을 시행한 후 나사에 의한 강성고정을 시행할 때는 나사를 삼각형 형태로 하악지의 상연에 2개 하악골의 하연에 1개를 삽입하며 골면에 대한 나사의 각도는 직각을 유지하는 것이 술 후 골절 단편의 고정 및 안정성의 유지에 있어 유효한 방법이라고 할 수 있겠다.
대구치에 하중이 가해진 경우 screw 3의 영향은 screw 1, 2에 비해 상대적으로 민감하지 않은데 하중이 가해지는 위치가 고정점에 접근함에 따라 지렛대 효과에 의한 모멘트 효과보다는 하중이 직접적으로 전단응력화 한다는 것을 의미한다. 일직선의 배열에서는 screw 1이 경사되어 응력의 분포가 경사된 나사쪽으로 이동했다는 것을 알 수 있으며 삼각형의 형태에서처럼 하중이 전치부와 소구치부에서 가해진 경우 보다는 대구치 부위에서 가해진 경우 변화량이 적게 나타났다.
Table 6에서 보는 바와 같이 전체 변형에너지의 총합은 응력분포와 크게 다르지 않음을 알 수 있다. 즉 Type Ⅰ에 비해 Type Ⅲ에서 변형에너지의 총합이 더 크게 나타났으며, Type Ⅱ에 비해 Type Ⅳ에서는 그 차이가 현저히 크게 나타났다.
후속연구
하악지시상분할골절단술 후 나사에 의한 강성고정을 시행했을 때 골절편의 안정성에 대해 수많은 공학적 연구가 보고되었지만 본 연구에서는 하악골 뿐만 아니라 나사부분도 삼차원적으로 유한요소 모형을 형성하였으며 다양한 항복강도 중 가장 이해의 범위가 좁은 von-Mises 항복강도를 이용하였고 또한 구조물의 파괴양상을 분석할 때 가장 세밀한 상황에 적용되는 안전효율에 의한 파절강도를 비교 연구했다는 점에서 그 의의가 있다고 할 수 있고 현재는 공학적으로 이미 시행되고 있는 분석 내지는 해석법을 응용하여 치의학 분야에 적용하는 현실이지만 향후 치의학을 위한 그리고 치의학에 가장 적합한 방법의 개발이 절실하다고 사료된다.
참고문헌 (38)
Trauner R. Obwegeser H : The surgical correction of mandibular prognathism and retrognathia with consideration of genioplasty. Oral Surg Oral Med Oral Pathol 1957,10:677-689
Dal Pont G: Retromolar osteotomy for the correction of prognathism. J Oral Surg 1961,19:42-47
김여갑 :하악골전돌증의 악교정수술 후 재발에 관한 연구. 경희의학 1985;1:1:85-95
김여갑 : 상하악 동시 악교정술시 안정성에 관한 연구 [1] 강선고정에 의한 방법. 대한악안면성형재건외과학회지 1990;12:2:9-20
Spiessl B : Osteosynthese bei sagittaler osteotomie nach Obwegesser-Dal Pont. Schuschardt For-tschritte der Kiefer and Gesichtschirurgie 1974;18:145-148
Turvey TA, Hall DJ : Intra-oral self-threading screw fixation for sagittal osteotomies-early experience. Int J Adult Orthod Orthognath Surg 1986;4:243-250
Kempf KK : Transoral technique for rigid fixation of sagittal ramus osteotomies. J Oral Maxillofac Surg 1987;45:1077-1079
Leonard M: The use of lag screws in mandibular fractures. Otolaryngol Clin North Am 1987;20:479-493
Schpimmer A, Greenberg AM, Kummer F, Kaynal A : The effect of screw size and insertion technique on the stability of the mandibular sagittal split osteotomy. J Oral Maxillofac Surg 1994;52:45-48
Oeid G, Lindquist CC : Optimal placement of bicortical screws in sagittal split-ramus osteotomy of mandible. Oral Surg Oral Med Oral Pathol 1991;71:665-669
Ardary WC, Tracy DJ, Brownridge GW, Urata MM : Comparative evaluation of screw configuration on the stability of the sagittal split osteotomy. Oral Surg Oral Med Oral Pathol 1989;68:125-129
Ellis Ⅲ E, Carlson DS, Billups J : Osseous healing of the sagittal ramus osteotomy : A histologic comparison of rigid and nonrigid fixation in macaca mulatta. J Oral Maxillofac Surg 1992;50:718-723
Ayoub AF, Stirrups DR, Moos KF : A comparison of wire osteosynthesis and screw fixation in the stability of bimaxillary osteotomies lnt J Adult Orthod Orthognath Surg 1994;9:257-272
Stroster TG, Pangrazio-Kulbersh V : Assessment of condylar position following bilateral ramus osteotomy with wire fixation or rigid fixation. lnt J Adult Orthod Orthognath Surg 1994;9:1:55-63
한훈, 김여갑 : 시상분할골절단술 후 나사고정방법에 따른 응력분포에 관한 유한요소법적 연구. 경희치대 논문집 1995;17:2:547-560
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.