[논문]경사하중에 따른 시멘트 유지형 임플란트 지지골의 유한요소법 응력 분포

이명곤

doi:10.5392/jkca.2014.14.09.343

경사하중에 따른 시멘트 유지형 임플란트 지지골의 유한요소법 응력 분포
Finite Element Analysis of Stress Distribution on Supporting Bone of Cement Retained Implant by Oblique Loading 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.14 no.9, 2014년, pp.343 - 349

초록
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본 연구는 치과 임상에서 사용하고 있는 시멘트 유지형 치과용 임플란트의 지지골 응력 분포 안정성을 확인하고자 시행하였다. 모델링과 유한요소 응력 분석은 유한요소 해석 프로그램인 Solidworks를 사용하였고, 시멘트 유지형 임플란트 시스템인 지대주와 고정체를 연결하는 지대주 나사를 20 Ncm 나사조임력에 의한 결합조건을 적용시킨 단관 모델을 제작하고, 설측에서 협측으로의 $45^{\circ}$ 경사로 100 N 크기 외부하중을 가하여 지지골 응력 분포 해석을 실시하였다. 경사하중에 따른 임플란트 고정체의 지지골 응력 크기와 분포를 파악하기 위한 유한요소법 분석을 통해 다음 결과를 얻었다. 고정체 직경, 길이의 조건에 관계없이 임플란트 고정체 상부와 골 접촉부인 치밀골에 응력이 집중되는 양상으로 나타났고, 고정체 길이 증가로 인한 응력 감소 폭보다 직경 증가로 인한 감소폭이 큰 것으로 나타났다 따라서 본 연구 결과는 지지골 형태 조건에 대하여 가능한 큰 직경의 고정체 사용이 효과적이라고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The dental osseointegration implant should be enough to endure occlusion load and it's required to have efficient design and use of implant to disperse the stress into bones properly. Solidworks as a finite element analysis program for modeling and analysis of stress distribution was used for the research. The simple crown model was designed on applying conjoined condition with tightening torque of 20 Ncm of a abutment screw between a cement retained implant abutment and a fixture. A $45^{\circ}$ oblique loading from lingual to buccal side on buccal cusps of crown and performed finite element analysis by 100 N of external load. The results by a analysis for stress distribution of supporting bones of fixture were as below. The von Mises stress was concentrated on the upper side of supporting compact bone regardless of the diameters and lengths of fixture, and the efficiency result of stress reduction was increase of fixture's diameter than it's length. Therefore, it's effective to use wider fixture as possible to the conditions of supporting jaw bone.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기존 연구에서 이루어진 임플란트의 각 구조와 보철물, 지지골 형태를 구성하는 각 구조의 접촉 부분들은 완전 결합한 것으로 취급하지 않고 지대주와 고정체 결합을 지대주나사의 20 N㎝ 나사조임력에 의한 결합으로 취급하여 보다 정확한 응력값과 분포 양상을 제시하고자 하였으며, 고정체의 직경과 길이에 따른 지지골의 응력 분포를 파악하고자 4 종의 고정체를 모델링하였다.
본 연구는 치과용 임플란트 지대주와 고정체를 지대주나사의 나사조임력 의해 결합된 모델을 제시하여 보다 정확한 응력값과 분포 양상을 알아보고자 직경과 길이가 다른 4 종의 치과용 임플란트 고정체의 경사하중에 따른 주위 지지골에서 발생하는 von Mises 응력값과 분포 양상을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

인체 피질골과 해면골은 이방성(anisotropy)이나 수치적 계산에 의한 유한요소 분석을 위해 모델을 구성하는 전체 구조 부분은 등방성(isotropy), 균질성(homogenization), 선형 탄성(linear elasticity)인 물질로 가정하였으며, 모델링과 유한요소 응력 분석은 유한요소 해석 범용 프로그램인 Solidworks (Premium 2013, Dassault System Co., France)를 사용 하였다.

제안 방법

가해진 하중으로 인하여 발생하는 임플란트 고정체 주위 치조골 조직의 구조적 안정성은 VMS값을 이용하여 분석하였다. 각 모델과 하중조건에 따른 최대 VMS의 크기와 위치를 분석하였으며 등 간격으로 구분된 VMS 값의 분포를 색깔별로 나타내었다.
고정체를 지지하는 치조골 형태는 협설폭 10 ㎜, 근원심폭 14 ㎜, 높이 17.5 ㎜로 제작하고 1.2 ㎜ 두께의 피질골(cortical bone)과 해면골(cancellous bone)로 구성하였다.
하중 전달 시 치관형태의 영향성을 배제하기 위하여 지대주와 고정체를 연결하는 나사 삽입로는 설계하지 않고 단순화하였다. 교합면은 근원심 폭경 8 ㎜, 협설폭경 8 ㎜로 구성하였고 치아 교두 형태는 4 교두 형태로 모델링 하였다. 금속-도재관의 높이는 자연치를 모방한 8 ㎜로 하였으며 2.
교합하중 적용에 따른 임플란트 고정체 지지골에서 발생하는 응력 크기와 분포 양상을 파악하기 위한 3차원 유한요소법 분석을 위해 제작한 구치부 단관 모델은 국내 D사의 internal type의 직경 4, 5 ㎜와 길이 10, 13 ㎜의 고정체와 시멘트 유지형 지대주와 지대주나사를 선택하여 제조사의 설계도면에 바탕으로 자료를 입력하였다. 임플란트 구조에 결합되는 상부 보철물 구조로 금속-도재관(metal-ceramic crown)과 임플란트 고정체를 지지하는 하악 치조골 형태로 모델을 제작하여 사용하였다[그림 1][표 1].
하중조건에 대한 그림은 [그림 2]에 나타내었다. 구속조건으로는 지지골 모델의 연장성을 고려하여 지지골 양 옆면의 모든 절점을 6 방향의 자유도를 구속시켰다.
상부 치관 보철물은 시멘트 유지형으로 내부 지대주와 결합되는 금속 내관(coping cap)과 치아 형태를 모방한 도재관(ceramic crown)으로 구성하였으며, 보철물과 지대주는 치과용 시멘트로 유지시키나 시멘트 층에 의한 영향성을 피하기 위해 상부 보철물과 지대주는 완전 결합된 상태로 설정하였다. 그리고 지대주와 고정체의 연결은 지대주 나사 체결에 의한 결합으로 제조사 지시대로 20 N㎝의 조임력으로 결합시켰으며 각 구조가 결합된 모델과 내부 구성형태를 [그림 2]에 나타내었다.
본 연구에서는 치과용 시멘트 유지형 단관 임플란트를 대상으로 지대주와 고정체를 연결하는 지대주나사(abutment screw)를 20 N㎝ 나사조임력에 의한 결합조건을 적용시킨 하악 단관모델(crown model)을 제작하고, 교합하중을 모방한 45º 경사하중을 적용하여 직경과 길이가 다른 4 종의 임플란트 고정체의 주위 지지골에서 발생하는 von Mises 응력값(이하 VMS)과 분포양상을 비교 분석하였다.
본 연구에서의 하중 형태는 임상적으로 가장 많이 가해지는 교합하중을 모방하여 설측에서 협측으로 향하는 45° 경사하중으로 단순화 하였으며 하중 크기는 한 교두 당 50 N씩 모두 100 N으로 적용하였다.
상부 보철물 구조는 하악 제 1 대구치를 가상한 형태로 모델링 하였다. 하중 전달 시 치관형태의 영향성을 배제하기 위하여 지대주와 고정체를 연결하는 나사 삽입로는 설계하지 않고 단순화하였다.
5 ㎜이었다. 상부 치관 보철물은 시멘트 유지형으로 내부 지대주와 결합되는 금속 내관(coping cap)과 치아 형태를 모방한 도재관(ceramic crown)으로 구성하였으며, 보철물과 지대주는 치과용 시멘트로 유지시키나 시멘트 층에 의한 영향성을 피하기 위해 상부 보철물과 지대주는 완전 결합된 상태로 설정하였다. 그리고 지대주와 고정체의 연결은 지대주 나사 체결에 의한 결합으로 제조사 지시대로 20 N㎝의 조임력으로 결합시켰으며 각 구조가 결합된 모델과 내부 구성형태를 [그림 2]에 나타내었다.
상부 보철물 구조는 하악 제 1 대구치를 가상한 형태로 모델링 하였다. 하중 전달 시 치관형태의 영향성을 배제하기 위하여 지대주와 고정체를 연결하는 나사 삽입로는 설계하지 않고 단순화하였다. 교합면은 근원심 폭경 8 ㎜, 협설폭경 8 ㎜로 구성하였고 치아 교두 형태는 4 교두 형태로 모델링 하였다.

대상 데이터

모델 구성 재료들의 탄성계수(Young's modulus)와 포와송비(Poisson's ratio)의 물성적 자료는 문헌의 보고에서 제시된 자료를 이용하였으며 이를 [표 2]에 나타내었다.
교합하중 적용에 따른 임플란트 고정체 지지골에서 발생하는 응력 크기와 분포 양상을 파악하기 위한 3차원 유한요소법 분석을 위해 제작한 구치부 단관 모델은 국내 D사의 internal type의 직경 4, 5 ㎜와 길이 10, 13 ㎜의 고정체와 시멘트 유지형 지대주와 지대주나사를 선택하여 제조사의 설계도면에 바탕으로 자료를 입력하였다. 임플란트 구조에 결합되는 상부 보철물 구조로 금속-도재관(metal-ceramic crown)과 임플란트 고정체를 지지하는 하악 치조골 형태로 모델을 제작하여 사용하였다[그림 1][표 1].

데이터처리

가해진 하중으로 인하여 발생하는 임플란트 고정체 주위 치조골 조직의 구조적 안정성은 VMS값을 이용하여 분석하였다. 각 모델과 하중조건에 따른 최대 VMS의 크기와 위치를 분석하였으며 등 간격으로 구분된 VMS 값의 분포를 색깔별로 나타내었다.

성능/효과

각 모델에 100 N 경사하중을 적용하여 지지골 응력분포 비교한 결과 M2(Ø 4.0×13 ㎜)의 단관 모델에서는 VMS 741.3 ㎫로 나타났으며, M1(Ø 4.0×10 ㎜)의 고정체 지지골 677.3 ㎫로 M2 모델에 비하여 91.36%로 나타나 약간의 감소 현상을 보였고, M4(Ø 5.0×13 ㎜)는 251.2 ㎫로 M2에 비하여 33.88%로 감소하였다.
고정체의 직경, 길이의 조건에 관계없이 지지골 상부 즉 임플란트 고정체 상부와 골 접촉부인 치밀골에 응력이 집중되는 양상으로 나타났으며, 고정체의 길이의 증가로 인한 응력 감소폭보다 직경 증가로 인한 감소폭이 큰 것으로 나타났다.
따라서 본 연구 결과를 바탕으로 고정체 길이의 증가로 인한 응력 감소폭보다 직경 증가로 인한 감소폭이 큰 것으로 나타났으며 지지골의 조건에 따라 가능한 큰 직경 고정체(wide fixture) 사용이 효과적이라고 판단된다.
모든 모델에서 지지골에서의 응력 양상은 고정체의 직경, 길이 조건에 관계없이 지지골 상부 즉 임플란트 고정체 상부와 골 접촉부인 치밀골에 응력이 집중되는 양상으로 나타났다[그림 3].
본 연구에서도 M2(Ø 4.0×13 ㎜) 고정체 사용 시 지지골 응력분포와 M4(Ø5.0×13㎜), M3(Ø 5.0×10 ㎜) 지지골 응력분포를 비교했을 때, 각각 66.2 %, 67.9 %의 응력 감소를 나타냈다.

후속연구

연구의 제한점으로는 초기 가정으로 정한 지지골의 균질성, 등방성은 생체와 차이가 있으며, 인체에서의 실제 교합력은 동하중으로 정하중에 비하여 응력 지속시간과 크기에 차이가 있으므로 보다 정확한 물성치와 모델 구성, 하중의 적용 등의 계속적인 연구가 필요하다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유한 요소 분석법은 어떤 방법인가?	교합하중에 대한 임플란트 고정체를 지지하는 주위 골의 응력 크기와 분포를 파악하기 위한 공학적 실험 분석방법으로 유한요소법이 많이 이용되고 있다. 유한 요소 분석법은 구조물 내 무한개의 미지수 점들을 유한개의 이산화된 위치의 절점(node)과 이들을 유기적인 관계를 맺어주는 요소(element)로 나타내고, 절점들의 변위를 미지수로 하는 연립방정식 계산을 통해 각 절점에서의 변위 값을 측정해서 구조물 내 임의의 점에서의 변위, 응력, 변형률 등의 값을 수치적인 근사화를 통해 얻어내는 방법이다. 유한요소법은 적절한 조건 설정과 정확한 계산과정이 이루어진다면 실험과 관련 없는 외적 요인을 배제할 수 있으며, 복잡한 구조물 해석에 있어 구조 재현이 쉽고 모델 변형 전 후의 구조물 상태를 비교 할 수 있다.
	유한요소 분석법으로 생체역학적인 연구를 할 때 장점은 무엇인가?	이는 구조물에 대하여 여러 가지 경계조건을 사용하여 구조물 전체에 대한 미분방정식을 통하여 해를 구하는 것이다. 불규칙하고 복잡한 기하학적 형태와 다양한 물성치로 이루어진 구조물에 대해 각각의 특성을 포함한 결과로 발생되는 응력 크기와 방향 그리고 변위를 분석할 수 있어 생체에서의 응력분포를 가장 유사하게 재현할 수 있는 장점이 있다[16].
	임플란트는 어떤 문제점이 발생 할 수 있는가?	임플란트는 특수 환경인 구강 내 치조골에 식립 되어 치근 역할을 수행하는 과정에서 정하중(static load) 및 동하중(dynamic load)의 복합적 교합하중에 의해 매식된 임플란트 고정체(fixture)의 고정성 손실 또는 골유착 상실, 연조직 합병증 등의 생체역학적 문제점이 발생 할 수 있다[5]. 이러한 문제점들 중 시술 임플란트의 철거 상황을 갖게 되어 환자에게 피해정도가 큰 사항으로 임플란트 고정체와 치조골 간의 골유착 파괴를 들 수 있는데, 이의 원인으로 식립 후 조기 하중 부여, 지지 주위조직 감염 등의 시술 실패의 원인 등도 있지만 자연치와 달리 완충기전 역할을 하는 치근막 구조 없이 지지골과 고정체의 직접적인 결합으로 교합 하중이 그대로 지지골에 전달되는 임플란트 구조에서 과하중에 의한 임플란트 고정체와 지지골 계면에서의 골유착 파괴가 주된 원인으로 들 수 있다[6-8].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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