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문제 정의
가설 설정
- 유한요소분석법을 이용한 결과는 임상에서 적용하는 데에는 여러 가지 한계를 가지고 있는데, 그 중 하나가 실제 골에서 발생하는 생리적인 변화 등이 야기하는 응력의 수치와 일치하지는 않는다는 점이다.29 그리고 완전한 passive fit은 실제 임상에서는 실현하기 어려운 조건인데도 이번 실험에서는 이상적으로 이뤄진 것으로 가정하였고, 나사에 torque를 가해 고정체에 연결할 때 발생하는 응력을 재현하는 것은 아직까지는 불가능하다고 보고되고있다.30
- 모든 임프란트 보철물들간의 fit은 ideal passive fit으로 가정한 상황을 설정하였다.
제안 방법
- 각 모델을 구성하는 계면은 서로 붙어있다는 가정 하에 절점의 연결성 (Continuity)을 유지하였고, 여기서 유한 요소는 사면체 2차 솔리드 요소 (Tetrahedral quadratic solid element) 를 사용했으며, 고정체, 지대주 및 지대주 나사의 나사산 부분과 같이 불규칙성과 예리함이 발생하거나 정밀한 응력의 관찰이 필요한 부분은 보다 정밀한 요소망을 사용하였다. 개개 모형의 요소 (element) 및 절점 (node)의 수를 Table II에 정리하였다.
- 각각의 모형에서 시멘트 유지형 지대주를 사용하는 경우 인산 아연 시멘트로 합착하는 것과 40 μm의 시멘트 공간을 부여하는 것으로 설정하였다.
- 경계조건으로는 유한요소해석 하악골의 양단 모서리 부분 (절단부)를 Ux, Uy, Uz 방향의 자유도 (Degree of Freedom) 로 구속하였다.
- 0 mm의 블록으로 형성했다. 교합면의 형태는 유한요소해석을 위하여 단순화 시켰고 금관간 연결부는 높이가 2 mm이고, 협설폭경이 4 mm가 되도록 설계하였다(Fig. 1). 연구에 사용된 임플란트는 모두 오스템 임플란트 시스템 SS II (Osstem Co.
- 보철물에 이용되는 재료로는 미국 치과 의사회 (ADA) 규격 제3형 금 합금의 물성치를 이용하였다. 또한, 지대주 나사 구멍의 빈 공간은 레진으로 채우는 것으로 모델링 하였다.
- 에 따라 주위에 발생하는 응력을 비교하였다. 본 연구를 위해 설정한 4가지 모형의 최대 응력은 주로 Comocta abutment 시스템과 Octa abutment 시스템 자체의 특성에 따라 차이를 나타내고 있으므로, 하중의 종류에 따른 임 플란트 component 별 상세 응력 분석도 상부구조물의 방식 별로 구분하여 수행하였다.
- 본 연구에 사용하기 위해 4가지의 보철물 모형을 만들었으며 각각의 모델은 제1대구치와 제1소구치의 상부구조물의 형태가 나사 유지형 지대주와 시멘트 유지형지대주 중 어느 것을 사용하느냐에 따라 다음과 같이 분류하였다.
- 본 연구에서 사용한 COSMOSWorks 2007 (Solidworks Inc.)에서 산출되는 여러가지 응력값 중에서 주로 von-Mises stress를 기준으로 각 모형에 대하여 3가지 하중 경우에 대해, 골, 고정체, 지대주, 지대주 나사 등의 응력분포를 비교 분석하였다. 이것은 주로 티타늄 합금으로 만들어진 임플란트 구성요소의 파손을 평가하기에 가장 적합한 대표응력 값으로 판단되며 기존 연구에서도 주로 응력값을 표현할 때 von Mises stress를 사용한다.
- 본 연구에서는 하악 우측 제1소구치, 제2소구치 그리고 제1대구치가 상실된 부분 무치악 부위에서 제1소구치와 제1대구치에 해당하는 부위에 두 개의 임플란트가 식립된 모형을 형상화 하였다.
- 본 연구에서는 하악 우측 제1소구치에서 제1대구치까지의 하악골을 모형화하였다. 제1소구치에서부터 제1대구치까지 세 개의 치아를 이용하게 되므로 중간지점인 제2소구치부의 골을 전산 단층 촬영하고 이 형태를 단면 방향으로 연장하여 균일한 외형과 피질골 두께를 갖는 하악골 블록 모델을 완성하였다.
- 의 하악골을 모형화하였다. 제1소구치에서부터 제1대구치까지 세 개의 치아를 이용하게 되므로 중간지점인 제2소구치부의 골을 전산 단층 촬영하고 이 형태를 단면 방향으로 연장하여 균일한 외형과 피질골 두께를 갖는 하악골 블록 모델을 완성하였다. 하악골은 피질골 및 해면골로 나누고 피질골의 두께를 균일하게 2 mm로 하는 단순한 형태로 모델링 하였다 (Fig.
- 지대주의 형태에 따라 임플란트 내부의 하중전달기전은 변하게 되고 악골에 발생하는 응력 분포 역시 변하게되므로 본 연구에서는 Osstem사의 SS II임플란트를 이용 하여 나사 유지형인 Octa abutment와 시멘트 유지형인 Comocta abutment를 이용하여 임플란트 수복물의 유지형태에 따라 주위에 발생하는 응력을 비교하였다. 본 연구를 위해 설정한 4가지 모형의 최대 응력은 주로 Comocta abutment 시스템과 Octa abutment 시스템 자체의 특성에 따라 차이를 나타내고 있으므로, 하중의 종류에 따른 임 플란트 component 별 상세 응력 분석도 상부구조물의 방식 별로 구분하여 수행하였다.
- 제1소구치에서부터 제1대구치까지 세 개의 치아를 이용하게 되므로 중간지점인 제2소구치부의 골을 전산 단층 촬영하고 이 형태를 단면 방향으로 연장하여 균일한 외형과 피질골 두께를 갖는 하악골 블록 모델을 완성하였다. 하악골은 피질골 및 해면골로 나누고 피질골의 두께를 균일하게 2 mm로 하는 단순한 형태로 모델링 하였다 (Fig. 1).
대상 데이터
- 2). 보철물에 이용되는 재료로는 미국 치과 의사회 (ADA) 규격 제3형 금 합금의 물성치를 이용하였다. 또한, 지대주 나사 구멍의 빈 공간은 레진으로 채우는 것으로 모델링 하였다.
- 1). 연구에 사용된 임플란트는 모두 오스템 임플란트 시스템 SS II (Osstem Co. Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였으며, 고정체는 SS II의 표준형 (직경 4.1 mm, 길이 11.5 mm)을 이용했고, 상부 보철물을 연결하기 위한 지대주로는 나사 유지형 지대주로 Octa abutment (Osstem Co. Ltd.)와 시멘트 유지형 지대주는 Comocta abutment (Osstem Co. Ltd.)를 사용했다 (Fig. 2). 보철물에 이용되는 재료로는 미국 치과 의사회 (ADA) 규격 제3형 금 합금의 물성치를 이용하였다.
이론/모형
- 단, 임플란트 구성요소의 상세 응력 분석을 위해서는 인장응력 (tensile stress)과 압축응력 (compressive stress)에 대한 식별이 필요하므로 이를 위해 일부 최대 주응력 (maximum principal stress)을 활용한다. 결과는 전체 응력의 분포와 최대응력 집중부를 식별하기 위해 응력 등고선식 (stress contour plot)을 이용하여 결과를 표시하였다.
- 개개 모형의 요소 (element) 및 절점 (node)의 수를 Table II에 정리하였다. 유한요소 모델의 생성 및 해석에는 COSMOSWorks 2007 (Solidworks Inc., Concord, MA, USA)을 사용하였다.
성능/효과
- 4가지 모델 중 나사 유지형인 Octa abutment를 사용한 모형 2에서 전반적으로 안정된 응력 분포를 보였다. 모형의 종류에 따라서 지지골과 고정체에 걸리는 최대 응력 치의 크기는 거의 비슷하였다.
- ∙모형 1: 제1대구치와 제1소구치 부에 모두 시멘트 유지형 지대주인 Comocta abutment 시스템을 사용한 경우로서, 제1 소구치에 가해진 288 N의 두 배에 해당하는 565 N 의 하중이 제1대구치에 가해졌고, 중앙 수직하중이 가해진 경우에는 골과 임플란트 component의 최대응력도 대구치 부위에서 약 2배 정도 크게 나타났다. 하지만 교두정에 하중이 가해진 경우에는 제1대구치부의 최대응력이 제1 소구치부에 비해 약 20 - 30%만 크게 나타났다.
- ∙모형 2: 제1대구치와 제1소구치부에 모두 나사 유지형지대주인 Octa abutment 시스템을 사용한 경우로서, 하중의 종류와 상관없이 임플란트 component에서 네가지 모형 중 가장 양호한 응력 분포를 나타내었다. 모형 1과 마찬가지로 교두정 하중이 가해진 경우 제1대구치의 최대응력이 제1소구치에 비해 약 20 - 30% 크게 나타났고, 제 1대구치와 제 1소구치간에 하중의 패턴은 거의 동일하게 나타났다.
- ∙모형 3: 제1대구치는 시멘트 유지형 지대주인 Comocta abutment를 사용하고 제1소구치에는 나사 유지형 지대주인 Octa abutment 시스템을 이용한 경우로서, 모형 1의 제 1대구치 부와 모형 2의 제1소구치 부를 합쳐놓은 결과와 동일한 응력분포가 나타났고, 제1대구치의 최대응력 크기는 모형 1과 비교했을 때 중앙 수직하중의 경우에는 약1 - 3% 증가했고, 교두정부에 하중이 가해진 경우에는 약1 - 3% 감소했다. 제1소구치의 최대응력 크기는 모형 2와 비교했을 때 1 - 3% 증가되었다.
- 력 발생 양상은 서로 비슷하였다. 그러나, 지대주와 지대주 나사, 그리고 보철물 나사에 발생하는 응력 발생 양상은 지대주 종류에 따라 차이가 있었으며, 응력 분포 양상은 지대주와 접촉되는 고정체의 내부를 따라서 분산되는 경향을 보였다. 본 유한 요소 실험의 한계내에서 네가지 보철물 모형 중 나사 유지형 지대주만으로 제작된 모형이 가장 낮은 최대 응력값과 응력 분포를 보였으며 모형 종류와 상관없이 같은 유지형태의 지대주를 사용하는 부위에서는 거의 동일한 최대 응력값 및 응력분포가 나타났다.
- 즉, 나사 유지형 지대주를 사용한 경우는 시멘트 유지형 지대주를 사용한 경우에 비해 낮은 안정적인 응력을 보였다. 또한, 모형과 상관없이 제1대구치 또는 제1소구치 부에 같은 방식의 지대주를 사용하게 되면 거의 동일한 최대 응력값 및 응력분포가 나타났다. 즉, 모형 1과 같이 제1대구치 및 제1소구치에 Comocta abutment를 사용한 경우와 모형 3과 같이 제1대구치에는 Comocta abutment를 사용하고, 제1소구치에 Octa abutment를 사용한 경우에 동일한 방식을 사용한 제 1대구치부에는 거의 유의차 없는 최대응력값과 분포가 얻어짐을 알 수 있었다 (Fig.
- 본 실험에서 모형 3과 4는 일반적인 임플란트 보철물에서는 흔하지 않은 나사 유지형과 시멘트 유지형의 혼합 형인데, 이번 실험의 한계 내에서 시멘트 유지형만을 연결한 경우인 모형 1과 비교하여 보았을 때 임플란트 보철물 성분들에 더 응력이 나타나지는 않았음을 볼 수있었다. 이 결과는 나사나 지대주의 파절 및 나사의 풀림 등의 보철물 후유증과도 연관이 깊은 부분인데, 실제 이런 혼합 유지 형태의 임플란트 보철물에서의 10년 임상 보고가 이를 뒷받침 해 주고 있었다.
- 그러나, 지대주와 지대주 나사, 그리고 보철물 나사에 발생하는 응력 발생 양상은 지대주 종류에 따라 차이가 있었으며, 응력 분포 양상은 지대주와 접촉되는 고정체의 내부를 따라서 분산되는 경향을 보였다. 본 유한 요소 실험의 한계내에서 네가지 보철물 모형 중 나사 유지형 지대주만으로 제작된 모형이 가장 낮은 최대 응력값과 응력 분포를 보였으며 모형 종류와 상관없이 같은 유지형태의 지대주를 사용하는 부위에서는 거의 동일한 최대 응력값 및 응력분포가 나타났다. 혼합 유지형의 임플란트 보철물 모형에서는 시멘트 유지형의 경우와 비교하여 더 큰 응력이 관찰되지 않았다.
- 그러나 지대주 나사와 지대주, 그리고 보철물 나사 등에 나타나는 응력의 크기와 분포는 사용하는 지대주 종류에 따라서 서로 상이한 결과를 나타내었다. 즉, 나사 유지형 지대주를 사용한 경우는 시멘트 유지형 지대주를 사용한 경우에 비해 낮은 안정적인 응력을 보였다. 또한, 모형과 상관없이 제1대구치 또는 제1소구치 부에 같은 방식의 지대주를 사용하게 되면 거의 동일한 최대 응력값 및 응력분포가 나타났다.
- 또한, 모형과 상관없이 제1대구치 또는 제1소구치 부에 같은 방식의 지대주를 사용하게 되면 거의 동일한 최대 응력값 및 응력분포가 나타났다. 즉, 모형 1과 같이 제1대구치 및 제1소구치에 Comocta abutment를 사용한 경우와 모형 3과 같이 제1대구치에는 Comocta abutment를 사용하고, 제1소구치에 Octa abutment를 사용한 경우에 동일한 방식을 사용한 제 1대구치부에는 거의 유의차 없는 최대응력값과 분포가 얻어짐을 알 수 있었다 (Fig. 4 - 11).
- 지대주 나사의 응력분포양상을 보면 과거 외측 연결 형태 임플란트 시스템에서 주로 파손이 발생했던 부위가 지대주 나사였으며 내측 연결 형태 임플란트 시스템에서는 지대주와 고정체의 morse taper 접촉영역에 의해 응력이 분산되므로 지대주 나사에 대한 응력은 상대적으로 작을 것으로 예측되었다. Comocta abutment의 지대주 나사의 경우 Octa abutment의 prosthetic screw에 비해 상대적으로 길이가 길어 굽힘 모멘트의 영향을 많이 받게 되므로 약 5배 정도의 큰 응력이 발생했다.
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