[국내논문]임플란트 경부형상이 주위골 응력에 미치는 영향에 관한 유한요소법적 분석 Finite element analysis of peri-implant bone stress influenced by cervical module configuration of endosseous implant원문보기
연구목적: 임플란트 경부의 치은관통부 형상이 주위골 응력분포에 미치는 영향에 대해 조사하고자 한다. 연구재료 및 방법: 높이 2.8 mm, 상부 직경 4 mm, 하부 직경 2.7 mm 인 직선형 치은관통부를 가지는 ITI의 일체형(one piece) 임플란트 (Straumann, Waldenburg, Switzerland)를 Base Model로 사용하여, 치은관통부 외형에 함몰부를 부여하여 곡선형으로 수정한 4개의 해석 모델 (Model-1, -2, -3, -4)을 설정하였다. Base Model을 포함, 모두 5개의 경우에 대해 축대칭 유한요소모델링을 통해 임플란트 장축에 평행인 수직 방향과 임플란트 장축에 $30^{\circ}$ 경사진 방향으로 각각 50 N의 힘이 작용할 때 발생되는 임플란트 주위골의 응력을 해석하여 비교하였다. 체계적인 응력비교를 위해 임플란트 주위에 19개의 절점을 응력 관찰점으로 선정하였으며, 경부 치밀골에 설정된 5개 관찰점의 응력으로부터 회귀분석법으로 임플란트/골 사이에서 생기는 최대응력값을 추정하여 정량적인 비교를 실행하였다. 결과: 최대 골응력은 치은관통부가 직선인 기본모델에서 가장 컸으며, 치은 관통부를 곡선으로 설계한 경우 응력이 감소되었다. 치은 함몰부가 클수록 응력감소 정도가 커졌으며 함몰부의 수직위치가 몸체부에 가장 가까운 Model-4에서 응력감소 정도가 전체의 약5%로 가장 컸다. 결론: 임플란트의 경부 형상은 골응력에 영향을 미치며, 이를 곡선형으로 함으로써 또한 그 함몰부를 몸체부에 근접하게 함으로써 경부골 응력감소를 효과적으로 도모할 수 있다.
연구목적: 임플란트 경부의 치은관통부 형상이 주위골 응력분포에 미치는 영향에 대해 조사하고자 한다. 연구재료 및 방법: 높이 2.8 mm, 상부 직경 4 mm, 하부 직경 2.7 mm 인 직선형 치은관통부를 가지는 ITI의 일체형(one piece) 임플란트 (Straumann, Waldenburg, Switzerland)를 Base Model로 사용하여, 치은관통부 외형에 함몰부를 부여하여 곡선형으로 수정한 4개의 해석 모델 (Model-1, -2, -3, -4)을 설정하였다. Base Model을 포함, 모두 5개의 경우에 대해 축대칭 유한요소모델링을 통해 임플란트 장축에 평행인 수직 방향과 임플란트 장축에 $30^{\circ}$ 경사진 방향으로 각각 50 N의 힘이 작용할 때 발생되는 임플란트 주위골의 응력을 해석하여 비교하였다. 체계적인 응력비교를 위해 임플란트 주위에 19개의 절점을 응력 관찰점으로 선정하였으며, 경부 치밀골에 설정된 5개 관찰점의 응력으로부터 회귀분석법으로 임플란트/골 사이에서 생기는 최대응력값을 추정하여 정량적인 비교를 실행하였다. 결과: 최대 골응력은 치은관통부가 직선인 기본모델에서 가장 컸으며, 치은 관통부를 곡선으로 설계한 경우 응력이 감소되었다. 치은 함몰부가 클수록 응력감소 정도가 커졌으며 함몰부의 수직위치가 몸체부에 가장 가까운 Model-4에서 응력감소 정도가 전체의 약5%로 가장 컸다. 결론: 임플란트의 경부 형상은 골응력에 영향을 미치며, 이를 곡선형으로 함으로써 또한 그 함몰부를 몸체부에 근접하게 함으로써 경부골 응력감소를 효과적으로 도모할 수 있다.
Statement of problem: Crestal bone loss, a common problem associated with dental implant, has been attributed to excessive bone stresses. Design of implant's transgingival (TG) part may affect the crestal bone stresses. Purpose: To investigate if concavely designed geometry at a dental implant's TG ...
Statement of problem: Crestal bone loss, a common problem associated with dental implant, has been attributed to excessive bone stresses. Design of implant's transgingival (TG) part may affect the crestal bone stresses. Purpose: To investigate if concavely designed geometry at a dental implant's TG part reduces peri-implant bone stresses. Material and methods: A total of five differently configured TG parts were compared. Base model was the ITI one piece implant (Straumann, Waldenburg, Switzerland) characterized by straight TG part. Other 4 experimental models, i.e. Model-1 to Model-4, were designed to have concave TG part. Finite element analyses were carried out using an axisymmetric assumption. A vertical load of 50 N or an oblique load of 50 N acting at $30^{\circ}$ with the implant's long axis was applied. For a systematic stress comparison, a total of 19 reference points were defined on nodal points around the implant. The peak crestal bone stress acting at the intersection of implant and crestal bone was estimated using regression analysis from the stress results obtained at 5 reference points defined along the mid plane of the crestal bone. Results: Base Model with straight configuration at the transgingival part created highest stresses on the crestal bone. Stress level was reduced when concavity was imposed. The greater the concavity and the closer the concavity to the crestal bone level, the less the crestal stresses. Conclusion: The transgingival part of dental implant affect the crestal bone stress. And that concavely designed one may be used to reduce bone stress.
Statement of problem: Crestal bone loss, a common problem associated with dental implant, has been attributed to excessive bone stresses. Design of implant's transgingival (TG) part may affect the crestal bone stresses. Purpose: To investigate if concavely designed geometry at a dental implant's TG part reduces peri-implant bone stresses. Material and methods: A total of five differently configured TG parts were compared. Base model was the ITI one piece implant (Straumann, Waldenburg, Switzerland) characterized by straight TG part. Other 4 experimental models, i.e. Model-1 to Model-4, were designed to have concave TG part. Finite element analyses were carried out using an axisymmetric assumption. A vertical load of 50 N or an oblique load of 50 N acting at $30^{\circ}$ with the implant's long axis was applied. For a systematic stress comparison, a total of 19 reference points were defined on nodal points around the implant. The peak crestal bone stress acting at the intersection of implant and crestal bone was estimated using regression analysis from the stress results obtained at 5 reference points defined along the mid plane of the crestal bone. Results: Base Model with straight configuration at the transgingival part created highest stresses on the crestal bone. Stress level was reduced when concavity was imposed. The greater the concavity and the closer the concavity to the crestal bone level, the less the crestal stresses. Conclusion: The transgingival part of dental implant affect the crestal bone stress. And that concavely designed one may be used to reduce bone stress.
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문제 정의
그러므로 임플란트 재질의 최대응력의 관점에서 하중조건에 따른 재료강도학적인 분석이 필요할 것이다. 본 연구에서는 골응력에 주목하였으며 경부디자인이 임플란트 자체의 강도에 미치는 영향에 대해서는 제한된 범위내에서 평가를 수행하였다.
그러나 임플란트와 관련한 이전의 생역학적인 연구는 주로 하부 고정체의 형상과 나사산에 초점을 두었고 경부 관련 연구는 상대적으로 미미 하였다. 이에 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 임플란트 경부 형상이 임플란트 주위골의 응력에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
가설 설정
응력분포특성에 중요한 임플란트 경부골 곡면은 악골의 근원심 방향과 협설 방향 단면으로부터 가상적인 평균 곡률을 추론하여 spline 곡선을 이용, 굴곡없이 자연스런 형상으로 모델링하였다. 치밀골의 두께는 이전 연구37와 mesh 구성의 편의를 위해 0.8 mm로 가정하였으며 경부를 제외하고는 골/임플란트 계면은 모두 해면골로 가정 하였다.
제안 방법
유한요소 모델링과 해석에는 NISA II/DISPLAY III (Engineering Mechanics Research Corporation, USA) 프로그램을 사용하였다. Mesh 구성에는 NKTP type 34형solid 요소 (4각형 축대칭 요소, 요소당 절점수 8개)를 사용하여 임플란트 장축과 평행한 축대칭 하중은 물론 장축과 경사각을 갖는 비축대칭 하중조건을 모두 해석할 수 있도록 하였다.38
The peak stress at the cervical region of five different implant models subject to an obliquely acting load of 50 N at 30°to the implant’s long axis is estimated by a regression analysis.
각 모델간의 응력 분포차이를 비교하기 위해 응력 관찰점에서 산출된 응력을 비교하였다 (Fig. 11 - 14). 경부 피질골판과 해면골내의 임플란트 길이에 따라 좌우 측면에 각각 5개씩의 응력관찰점이 설정되었으나 (Fig.
응력관찰 점은 경부 치밀골에 10곳, 해면골에 9곳을 설정하였다. 경부 치밀골에 설정된 응력 관찰점은 치밀골판의 중심면상에 있는 절점들로, 임플란트의 표면으로부터 각각 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 mm 떨어진 위치이며, 해면골에서의 응력 관찰점은 경부 해면골과 고정체 높이의 각각 25%, 50%, 75% 위치 및 근첨부에서 임플란트 외면에 가장 근접한 절점을 설정하였다.
골내매식부분의 직경은3.3 mm, 길이는10 mm로동일 하나 경부 형상이 다르게 디자인된 5가지 모델의 일체형 임플란트가 7 mm 폭경의 악골에 식립된 경우에 대해 골 응력을 해석하였다. 하중조건은 두 가지로 수직하중 50 N과 임플란트 장축에 30º각도를 갖는 경사하중 50 N 조건이었다.
11 - 14에서 보는 바와 같이 경부치밀골내 응력의 크기는 임플란트 외벽으로부터 떨어진 거리에 역비례한다. 따라서 경부골의 최대응력은 임플란트/골 계면에서 발생할 것이며, 이러한 응력의 거리에 따른 역비례관계를 선형함수와 이차함수의 두 가지로 가정하여 임플란트/골 계면에서의 응력값을 추산하였다. 두 하중조건에서 모두 이차함수 사용시 응력이 더 크게 산출되었지만, Fig.
본 연구에서는 일체형 임플란트의 치은관통부 측면에 곡선을 부여하였다. Fig.
유한 요소 해석을 통해 임플란트 경부의 형상이 임플란트 주위골의 응력에 미치는 영향을 분석하기 위해 일체형 임플란트를 선정하여 치은 관통부인 경부의 외형 모델 5가지에 수직하중 50 N과 장축에 30º각도를 갖는 경사하중50 N을 설정하여 각각이 골응력에 미치는 영향을 비교분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
6에 나타낸 바와 같다. 응력분포특성에 중요한 임플란트 경부골 곡면은 악골의 근원심 방향과 협설 방향 단면으로부터 가상적인 평균 곡률을 추론하여 spline 곡선을 이용, 굴곡없이 자연스런 형상으로 모델링하였다. 치밀골의 두께는 이전 연구37와 mesh 구성의 편의를 위해 0.
임플란트 주위골 응력의 상호 비교를 용이하게 하기 위해서19군데의 응력 관찰점(stress monitoring point)을 설정하여 응력 변화 추이를 조사하였다 (Fig. 7). 응력관찰 점은 경부 치밀골에 10곳, 해면골에 9곳을 설정하였다.
치은관통부 외에 임플란트의 기본외형과 나사산 형상은 ITI 임플란트 (Fig. 2) 와 동일하게 설정, 매식부 직경 3.3 mm, 길이 10 mm의 임플란트가 폭경 7 mm 악골에 식립된 형상을 축대칭으로 유한 요소 모델링 하였다(Fig. 5). 모델별 경부의 mesh모델은 Fig.
하중 크기는 Richter45가 소구치에 load cell을 부착하여 측정한 50 N 으로 정하였고, 작용 방향은 임플란트 장축에 평행인 수직방향과 임플란트 장축에 30º를 이루는 사선 방향의 두 가지로 설정하였다.
대상 데이터
연구모델로 임플란트 치은관통부 외면에 곡선형 형상의 적용이 가능한 일체형 임플란트를 선정하였다. 임플란트 고정체와 지대주가 별도로 제작되어 경부에서 체결되는 비일체형 시스템의 경우, 경부 디자인 변경은 극히 제한될 수 밖에 없다.
7). 응력관찰 점은 경부 치밀골에 10곳, 해면골에 9곳을 설정하였다. 경부 치밀골에 설정된 응력 관찰점은 치밀골판의 중심면상에 있는 절점들로, 임플란트의 표면으로부터 각각 0.
데이터처리
유한요소 모델링과 해석에는 NISA II/DISPLAY III (Engineering Mechanics Research Corporation, USA) 프로그램을 사용하였다. Mesh 구성에는 NKTP type 34형solid 요소 (4각형 축대칭 요소, 요소당 절점수 8개)를 사용하여 임플란트 장축과 평행한 축대칭 하중은 물론 장축과 경사각을 갖는 비축대칭 하중조건을 모두 해석할 수 있도록 하였다.
치밀골의 응력관찰점에서 기록된 응력은 특이점 문제로 인해 계산이 어려운 경부골 응력 최대값(peak stress)을 정량화하여 비교하기 위한 회귀분석에 이용되었다. 37 회귀분석에는 SPSS WIN 12.
성능/효과
1. 경부 치은관통부가 직선으로 설계된 Base Model에서 경부치밀골의 응력이 최대였으며 경부에 함몰부를 부여하여 곡선으로 설계한 4개의 모델에서는 골응력이 감소되었다.
2. 경부의 함몰부가 클수록 골응력의 큰 감소를 가져왔으며, 함몰부의 수직위치가 치조정에 가까운 Model4 가Model-3 보다 응력 감소효과가 더 컸다.
3. Base Model 과 Model-4 사이에서 최대응력의 차이가 가장 컸으며 그 크기는 응력값의 약 5%에 해당되었다.
15와 16은 각각 수직력과 경사력 조건하에서 응력 관찰점에서 산출된 응력값에 근거하여 회귀분석방법으로 구한 임플란트 경부골에서의 최대 응력을 모델별로 비교하였다. 그 결과는 선형, 2차 함수 분석 모두 각각의 모델간의 최대 응력의 상대비교시 유사함을 나타내었다.
임플란트 식립 개수를 늘려서 임플란트당 작용하는 힘을 경감시키거나, 길이나 직경이 큰 임플란트 사용을 통해 응력완화를 시도하였고, 17,33 임플란트 나사의 디자인, 13,34 지대주 디자인, 13,25 임플란트 표면개질35,36등을 응력 감소방안의 관점에서 조명한 연구도 있었다. 연구의 공통적인 결론은 임플란트와 골간의 접촉계면의 넓이가 클수록 응력이 낮아진다는 것이었다. 하중이나 골조건에 차이가 없다면 응력 지지면적이 넓어질수록 응력이 낮아지는 것은 산술적으로 매우 자명하다고 할 수 있다.
후속연구
이 정도 수준의 응력감소가 임상적으로 또는 임플란트의 장기 예후에 어떤 차이를 가져올지는 예단하기 어렵다. 그러나 이러한 응력 감소와 더불어 치은관통면의 곡선설계에 따라 골의 상부와 구강환경간의 거리 증가의 효과가 중첩될 것이므로 경부디자인의 효과가 배가될 수 있을 것으로 기대되며 이의 확인을 위해 향후의 동물실험과 임상적 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
9, 10에 도시한 바와 같이 임플란트 자체의 응력분포는 경부에서 큰 차이를 보였으며 이는 임플란트 경부의 직경 차이에 따른 당연한 결과로 보인다. 그러므로 임플란트 재질의 최대응력의 관점에서 하중조건에 따른 재료강도학적인 분석이 필요할 것이다. 본 연구에서는 골응력에 주목하였으며 경부디자인이 임플란트 자체의 강도에 미치는 영향에 대해서는 제한된 범위내에서 평가를 수행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
치과용임플란트의경부를둘러싸고있는조직 중, 연조직과 경조직은 어떤 손상을 받을 수 있는가?
치과용임플란트의경부를둘러싸고있는조직은대단히 가혹한 조건에 노출된다. 이 부위의 연조직과 경조직은 임플란트 식립시 피판 거상 등 수술에 따른 조직손상,1,2 drilling에 의한 열손상3 등을 받을 수 있고, 구강환경의 생화학적 자극과 저작압에 따른 응력을 지탱하여야 한다. 외부자극이 생리적 허용치를 넘는 경우 조직의 퇴축이생길수있고, 임플란트지지골, 특히경부골의퇴축이 관리되지 않으면 장기적으로 임플란트의 실패로 이어질 수 있으므로 유의를 요한다.
임플란트경부골의퇴축원인에는 어떤 것들이 있다고 거론되는가?
임플란트경부골의퇴축원인에대해서는아직학문적 논란이 진행되고 있다. 주요 인자로 거론되어온 것들에는 외과시술에 의한 손상, 1 과하중, 5 임플란트 주위염, 6 고 정체/지대주 연결부의 미세한 틈새, 6-8 생물학적 폭경, 9-11임플란트 경부의 디자인, 12 등이 포함된다. 구강조건에서는 여러 인자들이 중첩하여 작용하므로 각 인자들간의 상호관계를 정량적으로 규명하기 위해서는 아직 많은 노력이 필요할 것이다.
치과용임플란트의경부를둘러싸고있는조직 중, 연조직과 경조직은 어떤 것을 지탱하여야 하는가?
치과용임플란트의경부를둘러싸고있는조직은대단히 가혹한 조건에 노출된다. 이 부위의 연조직과 경조직은 임플란트 식립시 피판 거상 등 수술에 따른 조직손상,1,2 drilling에 의한 열손상3 등을 받을 수 있고, 구강환경의 생화학적 자극과 저작압에 따른 응력을 지탱하여야 한다. 외부자극이 생리적 허용치를 넘는 경우 조직의 퇴축이생길수있고, 임플란트지지골, 특히경부골의퇴축이 관리되지 않으면 장기적으로 임플란트의 실패로 이어질 수 있으므로 유의를 요한다.
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