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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 국내에서 생산되고 있는 AVANA self tapping 임플란트를 기본 모델로 하여 기본 모델 3개를 연결한 구치부 임플란트 국소의치 모델을 구현하여 임플란트 고정체와 주위 골조직간의 완전결합을 전제로 3가지 형태의 분포하중을 교합면에 적용하여 주위 지지골에서의 von Mises 응력 분포를 비교 분석하여 임플란트를 이용한 국소의치 치과 보철물 제작시 하중 분산의 효과를 파악하기 위한 역학적 기초 자료를 얻고자 실시하였다.
가설 설정
- 단관 모델은 3차원 육면체 요소를 사용하였으며 22,538개의 요소로 구성하였다. 인체의 피질골과 해면골을 포함한 모델의 모든 구조물은 등방성, 균질성, 선형 탄성 재료들로 가정하였으며, 각 재료들의 물성치는 문헌에 나와 있는 자료들을 이용하였으며 Table 1에 나타내었다. 모형을 이루는 각각의 부속 구조물들의 모형은 Figure 1에 나타내었으며 전체적인 모델의 모형은 Figure 2에 나타내었다.
제안 방법
- 구속조건은 지지골의 윗면을 제외한 다른 외면에 존재하는 절점들의 6방향 자유도를 모두 구속시켜 이동 및 회전이 없도록 하였다. 각 하중 조건에 따른 지지골의 구조적 안정성은 von Mises 응력 분포를 분석하고 각 하중조건별로 비교하여 검증하였다.
- 그리고 세 번째는 3개의 치관 중 원심부 치관의 교합면에만 균일하게 분포하도록 하였다. 결과적으로 첫 번째 하중조건은 300N의 하중이 3개의 치관 교합면에 분산 되어 적용되도록 하였고 다른 두가지의 하중조건은 각각 300N의 하중을 가운데 치관과 원심부 치관 하나에만 집중하도록 하였다. 구속조건은 지지골의 윗면을 제외한 다른 외면에 존재하는 절점들의 6방향 자유도를 모두 구속시켜 이동 및 회전이 없도록 하였다.
- 결과적으로 첫 번째 하중조건은 300N의 하중이 3개의 치관 교합면에 분산 되어 적용되도록 하였고 다른 두가지의 하중조건은 각각 300N의 하중을 가운데 치관과 원심부 치관 하나에만 집중하도록 하였다. 구속조건은 지지골의 윗면을 제외한 다른 외면에 존재하는 절점들의 6방향 자유도를 모두 구속시켜 이동 및 회전이 없도록 하였다. 각 하중 조건에 따른 지지골의 구조적 안정성은 von Mises 응력 분포를 분석하고 각 하중조건별로 비교하여 검증하였다.
- 구치부 임프란트 국소의치 모델은 임상에서 가장 많이 이용되는 구치부 고정성 국소의치를 대상으로, 제 2소구치부터 제 2대구치까지의 3치관을 연결한 구치부 고정성 국소의치 형태의 임플란트 모델을 가정하고 기본 단관 모델 3개를 붙여 68,394개의 육면체 요소들로 구현 하였다. Figure 3에 전체 모델의 형태와 내부 단면 및 외부 전면의 모양을 나타내었다.
- 두 번째는 300N의 하중을 3개의 치관 중 가운데 위치한 치관의 교합면에만 균일하게 분포 하도록 하였다. 그리고 세 번째는 3개의 치관 중 원심부 치관의 교합면에만 균일하게 분포하도록 하였다. 결과적으로 첫 번째 하중조건은 300N의 하중이 3개의 치관 교합면에 분산 되어 적용되도록 하였고 다른 두가지의 하중조건은 각각 300N의 하중을 가운데 치관과 원심부 치관 하나에만 집중하도록 하였다.
- USA) 프로그램을 이용하였다. 단관 모델(crown model)의 임플란트 모델링은 AVANA 임플란트(오스템, Korea)의 설계도면을 이용하여 각 구조물의 중요 지점에 대한 3차원 위치정보를 입력하여 구현 하였다. 모델링 상부 구조물은 금실린더(esthetic gold cylinder), 실린더금나사(esthetic cylinder gold screw, slot type), 지대주(esthetic abutment, 2㎜ collar), 지대주나사(esthetic abutment screw)로 구성하였으며, 하부 고정체(US II fixture, external hexagon connection type)는 임상에서 가장 많이 사용되는 직경 3.
- 첫 번째는 300N의 하중을 설측에서 협측으로 향하는 45° 경사하중의 형태로 3개의 치관 교합면에 균일하게 분포하도록 적용하였다. 두 번째는 300N의 하중을 3개의 치관 중 가운데 위치한 치관의 교합면에만 균일하게 분포 하도록 하였다. 그리고 세 번째는 3개의 치관 중 원심부 치관의 교합면에만 균일하게 분포하도록 하였다.
- 본 연구에서는 3차원 유한요소해석 방법을 이용하여 구강 내 저작운동 등에 의해 발생하는 외부 하중을 교합면에 경사 하중으로 구현하고, 지지골에서의 구조적 안정성을 von Mises 응력 분포를 통해 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 가장 많은 시술예를 보이고 있는 구치부 임플란트 국소의치 모델을 유한요소 프로그램을 통해 구현하고 구강 내에서 나타날 수 있는 3가지 형태의 교합 하중 위치에 따른 지지골에서의 구조적 안정성을 von Mises 응력 분포를 통해 고찰하였다.
- 본 연구에서는 저작 운동에 의한 외부하중으로 경사하중을 선택하였다. 문헌에서는 수직하중과 수평하중, 경사하중 등이 다양하게 이용되었는데 이는 치아의 경사도와 교합면 형태, 하악골 운동 등이 복합적으로 작용하여 저작시 하중경사에 대한 일정한 경향을 찾기 어렵기 때문으로 사료된다.
- 근원심폭과 협설폭은 모두 8㎜로 하였으며 전체적으로 육면체 형태로 구성하였다. 상부 보철물 구조는 자연치의 소구치 근원심폭 7㎜, 9~11㎜의 근원심폭을 갖고 있는 제 1, 2대구치의 크기를 기준으로 보철물 제작시 자연치보다 교합면 크기를 축소 제작하는 경향을 고려하고, 국소의치 모델을 제작할 때 최후방 대합치(제 2대구치) 교합면의 중간까지 접촉될 수 있는 크기로 설정하여 교합면은 근원심폭경 8㎜, 협설폭경 8㎜의 4각 평면으로 구성하였다.
- 첫 번째는 300N의 하중을 설측에서 협측으로 향하는 45° 경사하중의 형태로 3개의 치관 교합면에 균일하게 분포하도록 적용하였다.
대상 데이터
- 단관 모델은 3차원 육면체 요소를 사용하였으며 22,538개의 요소로 구성하였다. 인체의 피질골과 해면골을 포함한 모델의 모든 구조물은 등방성, 균질성, 선형 탄성 재료들로 가정하였으며, 각 재료들의 물성치는 문헌에 나와 있는 자료들을 이용하였으며 Table 1에 나타내었다.
- 단관 모델(crown model)의 임플란트 모델링은 AVANA 임플란트(오스템, Korea)의 설계도면을 이용하여 각 구조물의 중요 지점에 대한 3차원 위치정보를 입력하여 구현 하였다. 모델링 상부 구조물은 금실린더(esthetic gold cylinder), 실린더금나사(esthetic cylinder gold screw, slot type), 지대주(esthetic abutment, 2㎜ collar), 지대주나사(esthetic abutment screw)로 구성하였으며, 하부 고정체(US II fixture, external hexagon connection type)는 임상에서 가장 많이 사용되는 직경 3.75㎜, 길이 13㎜를 채택하였다.
- 임플란트 고정체를 지지한 치조골의 형태는 해면골(cancellous bone)과 피질골(cortical bone)로 구성하여 지지골 구조 부분은 두께 1.5㎜의 상부 피질골과 16.5㎜의 해면골, 2.0㎜의 하부 피질골로 구성하였다. 근원심폭과 협설폭은 모두 8㎜로 하였으며 전체적으로 육면체 형태로 구성하였다.
- 하중의 크기도 역시 임상적 교합하중의 크기에 대한 명확한 정의가 없으며 선행연구에서도 1개 치관당 1~300N까지 다양하게 이용되고 있으나, 본 연구에서는 여러 문헌(윤승현 등, 1997; Eraslan 등, 2005)에서 가장 많이 이용되고 있는 1 치관당 100N을 사용하였다. 구치부 임플란트 국소의치 모델에서의 하중 위치에 따른 지지골에서의 von Mises 응력 분포 결과는 Figure 5에 제시하였다.
데이터처리
- 유한요소 프로그램으로는 ANSYS 10.0(Swanson Analysis Inc. USA) 프로그램을 이용하였다. 단관 모델(crown model)의 임플란트 모델링은 AVANA 임플란트(오스템, Korea)의 설계도면을 이용하여 각 구조물의 중요 지점에 대한 3차원 위치정보를 입력하여 구현 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 여러 문헌(Holmgren 등, 1998; Geng 등, 2004)들과 Ishigaki 등(2003)이 발표한 내용을 바탕으로 설측에서 협측으로의 45° 경사하중을 적용하였다.
성능/효과
- 1. 구치부 임플란트 국소의치의 제작에 있어서 3개의 치관 교합면 모두에 하중을 균등하게 분포하도록 하는 것이 지지골의 구조적 안정성을 확보 하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
- 2. 구치부 임플란트 국소의치에 있어서 원심부치관의 집중 하중이 발생할 수 있는 상황은 해당 치관 지지골에 과다한 응력 부담 상황을 줄 수 있어 보철물 설계 제작에 있어 이를 충분히 고려해야 한다.
- 구치부 임플란트 국소의치 모델에서의 하중 위치에 따른 지지골에서의 von Mises 응력 분포 결과는 Figure 5에 제시하였다. 300N의 하중을 3 치관의 모든 교합면에 고르게 분포하도록 한 하중 조건에서는 지지골에서 가장 낮은 98.83MPa의 von Mises 응력값을 보였으며, 중간 1 치관의 교합면에 300N의 집중경사하중을 적용한 경우에는 103.76MPa로 나타나 3 치관 분산하중과 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 원심부 치관의 교합면에 300N의 집중하중을 분포 시켰을 경우에는 3 치관 분산하중과 중간 1치관 집중하중 시보다 약 40%정도 높은 140.
- 따라서 본 연구의 결과에서 나타난 바와 같이 구치부 임플란트 국소의치 보철물 제작시 교합하중에 의한 지지골의 응력 분산을 가장 효율적으로 얻을 수 있는 3 치관 분산 형태를 얻도록 노력하여야 하며, 집중하중에서도 원심부 치관에는 집중 하중이 발생하지 않도록 제작하여야만 지지골의 응력 집중에 따른 골조직 손실이나 파괴를 피할 수 있다고 사료된다.
- 본 연구에서 나타난 바와 같이 3 치관 분산 하중과 중간 1 치관 집중 하중에서는 응력 분포가 3개 임플란트로 분산되어 지지골에 가해지는 응력을 분산 감소시킬 수 있으나 원심부 1 치관에 가해지는 집중하중에서는 상대적으로 매우 높은 응력 부담의 결과를 보이고 있었다. 근심부 치관에 접촉 인접치가 있다면 원심부 치관 집중하중보다는 다소 낮은 결과를 보일 수 있다고 예상되나 그 응력의 분산 효과는 충분한 정도를 얻기 어려울 것으로 판단된다.
후속연구
- 3. 본 연구의 결과들은 구치부 국소의치 제작시 필요한 기초 자료로서 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 이후의 다양한 역학적 조건 및 디자인 변경 그리고 임플란트 위치 변화 등에 따른 구조적 안정성 연구의 기본 자료로서 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서와 같이 유한요소 프로그램을 이용한 간편화된 모델 구현과 역학적 분석 결과는 실제 구강 내의 모든 역학적 조건과 생화학적 요건들을 포함하고 있지는 않다. 그러나 시뮬레이션을 통한 구조적 취약점이나 안정성 등을 미리 예견하여 구조체의 설계에 반영하는데 많은 도움을 줄 수 있을 뿐 아니라 실제 실험이 불가능한 경우에도 다양한 분석을 통해 결과를 예견하는데 도움이 될 수 있다고 판단된다.
- 그러나 치근막의 응력 분산 효과를 가지는 자연치에 비하여 지지골과 직접 결합하는 구조로 인하여 교합 하중과 충격 하중 등의 응력 분산 흡수능이 매우 약한 문제점을 가지고 있어 보철물 제작시 이의 보완 설계 제작이 필요하다고 할 수 있다.
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