ORIGINAL ARTICLE 하헌석 김창회 임영준 김명주서울대학교대학원치의학과치과보철학교실 임플랜트고정체의표면처리기술의발달에기인하여골유착의성공률이좋아지고있으며임플랜트를이용하는보철물의형태와임상술식도다양하게발전되고있다. 상악의임플랜트피개의치는아직표준화된치료법에대한의견이분분하다. 본연구는상악무치악의치료를위하여해부학적인요소와생역학적인요소를고려하여양측견치부또는소구치부위에 2 개의임플랜트를식립할때의응력분포를삼차원유한요소분석을이용하여관찰하고자하여다음과같은결론을얻었다. 1. 임플랜트를양측견치부위에식립한모형에서부하가가해지는우측의임플랜트의원심면에최대응력이집중되었다. 2. 임플랜트를양측제 2 소구치부위에식립한모형에서임플랜트주위의응력분포는부하지점의거리와상관없이고르게나타났다. 3. 치조골에발생하는응력분포의관찰결과, 임플랜트가양측제 2 소구치부위에식립된모형이양측견치부위에식립된모형보다고르게나타났다. 이상의결과로볼때, 상악피개의치를위한임플랜트식립위치는견치부위에서보다제 2 소구치부위가구강점막, 주위골과임플랜트에전달되는응력의분포에유리한것으로사료된다. ( 대한치과보철학회지 2008:46:193-200) 주요단어 : 상악임플랜트피개의치, 임플랜트식립위치, 응력, 유한요소법 서론 모든연령대에서무치악환자의비율은감소되고있으나 Douglass 등은 2020 년까지미국에서의의치시장은증가할것이라는보고를하였다. 1 이것은베이비붐세대로인한인구증가의결과라고할수있다. Mojon 등은유럽 (Finland, Sweden, UK) 에서의치시장은감소하는추세로, 특히스웨덴에서는지난 20 년간무치악환자의비율이 60% 감소하였다고보고하였다. 인구변화의영향으로유럽에서의의치시장은증가하지않을것이다. 2 한국의국민구강건강실태조사에따르면 2003 년노인 (65 세 ~74 세 ) 의치필요자율은 42.5% 였고, 2006 년조사에서는 35.3% 로나타났다. 가철성보철치료의필요성변화와함께무치악환자의보철치료는임플랜트치료가보편화됨에따라다양한치료방법이시도되어왔으며, 그중에서 2 개의임플랜트를식립한하악피개의치는최선의표 준치료법이라는성명이발표되었다. 3 상악무치악의경우는아직표준화된치료법에대한의견이분분하다. 무치악의치료를위한가철성의치나임플랜트보철치료는잔존골, 주위의근육, 결합조직과상피로이루어지는점막등에의해유지와지지가된다. 골조직은무치악환자의보철치료의기초와구조를제공하며, 골에부착된근육조직은의치외연의경계를결정한다. 4 임플랜트식립수술에서골의내적, 외적인형태는보철치료결과에영향을주는중요한요소라고할수있다. 무치악부위의골소주관찰에서상악은 cortical palatal vault 의외측에존재하고, 하악에서는악골전체의피질골판내측에존재하였다. 발치부위는 trabecular bone 으로채워져잔존치조제를형성하며, 환자의무치악기간동안재형성을거듭하여점진적인흡수성변화를지속한다. 잔존치조제의 38% 는 thin-knife edge 로관찰되었다. 상악의골흡수양상은구심성으로무치악치조정은두개 교신저자 : 김창회 110-749 서울특별시종로구연건동 28 서울대학교치과대학치과보철학교실 02-2072-2661: e-mail, silk1@snu.ac.kr 원고접수일 : 2008년 3월 24일 / 원고최종수정일 : 2008년 4월 14일 / 원고채택일 : 2008년 4월 18일 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호 193
저의외측에존재하고, 하악은원심성흡수양상을보이고무치악치조정은전치부의이융기 (mental protuberance) 와구치부의 mandibular base 의설측에관찰된다. 5 상악골의해부학적형태에따라전치부에임플랜트를식립하는경우, 교합평면에대하여전방경사를피할수없고생역학적인위험성이더욱증가하게되며, 상악의협측피질골판은교합하중을견딜만큼충분히두껍지않다. 6 게다가상악전치부의두꺼운저작점막은더욱긴 abutment 를사용하게하여 lever arm 의길이를증가시킨다. 7 구치부임플랜트식립의경우, 상악동의모양에따라임플랜트길이의제한을받게된다. 상악임플랜트피개의치의 optimal design 에대한논쟁은계속되고있으나, Meriscke-Stern 등은상악동거상술을피하기위해대부분소구치전방부에직경 4.1mm, 길이 10mm 이상의 4 개의임플랜트를식립하고 bar 로연결하는방법을추천하였다. 또한상악임플랜트피개의치에서 ball anchor 의사용은표준이아니며, 장기사용임시수복물의성격을갖는다고하였다. 이경우에구개부분의완전피개가필요하 다고하였다. 8 그러나, 해부학적인제한이나경제적인제한에의해다수의임플랜트수술을할수없는경우시술될수있는 2 개의임플랜트에의해유지되는상악임플랜트피개의치에대한기존의연구는많지않으며, 그에대한의견도다양하다. 이연구의목적은상악무치악환자의치료방법중의하나인임플랜트피개의치에서, 해부학적인요소와생역학적인요소를고려하여양측견치부또는소구치부위에 2 개의임플랜트를식립할때의응력분포를삼차원유한요소분석을이용하여관찰하고자하는것이다. 연구재료및방법 1. 유한요소모형의설계 2 개의 3 차원유한요소분석모형 (PAM-CRASH V2007, ESI Software, Paris, France) 을사용하였고, 각모형은상악골, 2 개의임플랜트고정체, ball attachment, 상악총의치로구성하였다. Fig. 1. Finite element 3-D model. 194 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호
Table I. Material properties Density [kg/mm 3 ] Young s modulus [Gpa] Poission s ratio Cortical bone 1.90E-06 14.0 0.3 Trabecular bone 1.00E-06 1.5 0.45 Mucosa 1.00E-06 0.003 0.45 Implant 4.50E-06 115.0 0.35 Abutment 4.50E-06 115.0 0.35 Abut. screw 4.50E-06 115.0 0.35 Overdenture 1.00E-06 2.0 0.35 O-ring retainer 7.90E-06 99.3 0.3 O-ring rubber 1.00E-04 0.014 0.49 Table II. The number of elements and nodes Type Nodes Elements N3 158,977 711,406 N5 155,278 689,624 1) 상악골모형피질골의두께는기저부, 치조정, 협, 설측모두 1.5mm 로설정하였고, 상악골의크기는한국인무치악의평균치인장경 49.19mm, 폭경 63.49mm 로설정하였다. 9 점막의두께는구개중앙부위 1.5mm, 치조정부위는 3.0mm 로설정하였다. 10 2) 임플랜트, ball attachment 모형과상악총의치직경 4.1mm, 길이 8mm ITI (Straumann, AG, Basel, Switzerland) internal type 의임플랜트고정체를양측견치부와제 2 소구치부에각각 2 개씩식립하였고, ball attachment 를연결하였다. 견치부위의임플랜트는치조골의외형에따라교합면에대해약 75 도의전방경사로식립하였고, 제 2 소구치부위의임플랜트는교합평면에대해수직으로식립하였다. 상악총의치는구개부전체를피개하는형태로제작하였다 (Fig. 1). 2. 모델링, 경계조건과재료의특성 상악골및임플랜트, ball attachment 의모델링을위해 HYPER-MESH (Altair Engineering Inc., Troy, MI, USA) 를사 용하였고, 상악골을모사하여만든기하형상데이터를이용하였으며, 각구성성분들의탄성률과 Poisson s ratio 등은선학들의연구에서사용한물성치를이용하였다 (Table I). 11-13 모델의구성을위하여거의동일한수준의 mesh 를사용하여 mesh 크기에의한오차를줄였으며, 4 절점 4 면체 (tetrahedron) element 를사용하였다 (Table II). 임플랜트주위의 element 는 0.2mm 크기로모델링하였고, 점막과피개의치에관련된부분은 0.8mm 크기의 element 를사용하였으며, 골은 2mm 정도로모델링하였다. 3. 하중조건 각모형에서좌측제 1 대구치의중심와에해당하는부위에수직방향으로 100N 의동적하중을 Sine 형상으로 180 msec 동안적용하였다. 4. 응력분석 본연구에서유한요소분석프로그램인 PAM-CRASH 2G version 2007 (ESI Software, Paris, France) 을이용하여하 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호 195
Fig. 2. Stress distribution of implants. Fig. 3. Stress distribution in the longitudinal aspect of implants. 196 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호
Fig. 4. Stress distribution of mucosa. Fig. 5. Stress distribution of bone. 는두모형모두비슷한양상의응력분포가관찰되었으며, 제 2 소구치부위에식립된임플랜트는좌우측모두에서비슷한양상의응력분포를관찰할수있었다. 2. 주위조직의응력분포 중을부여한경우에각모델의구성요소별최대유효응력 (Maximum equivalent stress) 을분석하였다. 치조골과전단응력의조합으로나타나는유효응력의분포를관찰하였다. 결과는전체응력의분포상태와최대응력집중부를식별하기위해등가응력을기준으로응력의크기에따라색도로표시하였다. 결과 Fig. 6. Stress distribution along alveolar bone. 1. 임플랜트의최대응력 부하지점과임플랜트의거리가먼견치부위에식립된모형 (N3) 이제 2 소구치부위에임플랜트가식립된모형 (N5) 보다최대응력이더욱집중되어관찰되었다 (Fig. 2, 3). 부하측의견치부위에식립된임플랜트의원심면에최대응력이관찰되었다. 부하지점의반대편임플랜트 피개의치하방의점막면에서의응력분포는두모형에서비슷한양상으로관찰되었다. 임플랜트가양측제 2 소구치에식립된모형에서는임플랜트주위점막에응력이집중되는것이관찰되었다 (Fig. 4). 그러나, 피질골표면에서의최대응력은양측견치부에임플랜트가식립된모형에서더욱뚜렷하게관찰되었다 (Fig. 5). 치조골의상부의응력분포에대한관찰결과, 임플랜트가견치부에식립된모형 (N3) 에서는부하지점에서거리가멀어질수록응력이점진적으로증가하였으나, 임플랜트가제 2 소구치부위에식립된모형 (N5) 에서는응력의크기변화가크지않았다 (Fig. 6). 고찰 임플랜트의표면처리기술의발전으로골유착성공률이높아지면서임플랜트를이용한보철치료방법이다양하게개발되었고, 상악임플랜트피개의치의제작에필요한임플랜트개수와사용하는어태치먼트종류에대한생각도많은변화가예상된다. 과거에상악임플랜트피개의치에서나타나는높은실패율은길이가짧거나표면처리를하지않은임플랜트의사용때문이라고할수있다. 반면에, 표면처리된임플랜트는골질이나쁜골에서도골 - 임플랜트접촉을증가시키는것으로증명되었다. 14 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호 197
이와같은골유착임플랜트보철물이성공하기위해서는생역학적인요인이간과될수없는데, 하악임플랜트피개의치의경우, 치료후발생하는합병증은골유착술식보다는하악피개의치의보철술식과제작기술에보다많이관련되며, 임플랜트식립위치, 생역학적인고려, 교합등과같은보철적요인이강조되었다. 15 상악임플랜트피개의치에서도응력의분포는임플랜트의수명과예후에직접적인영향을준다고할수있다. 임플랜트의응력동적분석은광탄성응력분석법, 스트레인게이지법, 유한요소분석법을이용하여수행되어왔다. 16 광탄성응력분석법은응력의위치와분포에대한양질의정보를제공하지만양적인정보에는제한이있다. 스트레인게이지법은게이지가있는곳의변형만을제공하며, 게이지크기에의한영향은미정인상태이다. 유한요소분석법은컴퓨터를이용하여가상모형을구성하고, 이모형을작은요소들로분할하여, 전체모형의응력, 변형, 변위등을계산하는수치해법의일종이다. 이방법은몇몇의실험조건을변화시키기가용이한장점이있고, 임상적으로실험하기어려운임의지점에서임플랜트주위의응력분포를측정할수있게한다. 17 하지만, 정량적으로완벽하게평가할수없는한계를갖는다. 본연구에서상악골의모형은김과신 9 의연구를바탕으로하여한국인에게가장많은분포를보이는 U 형 (65%) 으로평균치무치악장경은 49.19mm, 폭경은 63.49mm 로제작하였다. 임플랜트의식립위치는무치악상태에서피질골이많이존재하는견치융기부위와상악동하벽의피질골두께가가장두꺼운부위인제 2 소구치부위로선택하였다. 상악동하벽은약 0.5mm 두께의치밀골로둘러싸여있는것으로알려져있는데, 치근첨부위의관찰결과제 1 소구치부위에서가장얇았고제 2 소구치부위에서 0.55mm 로가장두꺼운경향을보였으며뒤쪽의제 1 대구치, 제 2 대구치부위로갈수록치밀골의두께는다시얇아지는양상이었으며, 치근분지부의관찰결과도비슷한양상이라고하였다. 18 치밀골의두께는임플랜트식립수술에서고정체의초기고정에중요한역할을한다. 19 또한, 상악 Kennedy Class II 국소의치에서지대치의위치에따른응력분포에대한유한요소분석연구에서유리단부위의레스트가제 2 소구치에위치한모형에서점막에분포되는최대응력이최소로나타났다. 이것은다른금속구조물에비해제 2 소구치에레스트가있는금속구조물에서수직변위가적은것과일치하는결과이다. 상악 Kennedy Class II 국소의치에서는다른부위에비해상대적으로제 2 소구치부위클래스프의교합면레스트가변형저항성이좋은것으로보인다고 하였다. 20 이러한연구결과를참조하여상악임플랜트피개의치에서도제 2 소구치부위가응력의분포에좋은결과를나타낼것이라고예측하였다. 실험결과에서임플랜트가제 2 소구치부위에식립된모형은견치부위에식립된모형보다부하지점과의거리가짧아모멘트가적으며, 응력분포에유리하다. 임플랜트의위치는주위점막과골에분포하는응력의감소에영향을미칠수있다. 점막과골에응력이감소되면응력은임플랜트와골사이의계면에더욱크게발생하는데, 이것은완압 (stress-breaking) 어태치먼트로조절할수있다. 사용하는어태치먼트의완압재료의탄성계수가감소하면전달되는응력도감소한다. 2 개의임플랜트를식립하고상악피개의치를제작하는경우사용되는어태치먼트는탄성계수가 15~400 MPa 인경우 1mm 의두께를, 탄성계수가 15~700 MPa 인경우 3mm 의두께를갖는재료가추천된다. 17 Bar 를이용하여임플랜트의연결고정을하지않는경우여러가지임상적인장점이있다. 임플랜트와어태치먼트가의치의치아배열을방해하지않아서심미성을증가시킬수있고, 구개부부피감의감소로발음이좋아질수있고, 의치의제작비용이감소되며, 어태치먼트의장착이쉬워진다. 또한, open tray 를이용하는힘든인상채득과정이필요없고, 어태치먼트의크기가작아서레진의치상의충분한두께확보가가능하여의치의내구성이증가된다. 유지관리와수리가용이해지고, 임플랜트의실패가발생해도보철물을계속유지할수있다. 구강위생관리가용이하며, 총의치장착시발생하는점진적인골소실과정은임플랜트의식립으로골흡수의진행속도를감소시킨다. 21 결론 본연구는 2 개의임플랜트를식립한상악피개의치에서임플랜트의위치에따른응력분포를 3 차원유한요소법을이용하여조사하였고, 다음과같은결론을내렸다. 1. 임플랜트를양측견치부위에식립한모형에서부하가가해지는우측의임플랜트의원심면에최대응력이집중되었다. 2. 임플랜트를양측제 2 소구치부위에식립한모형에서임플랜트주위의응력분포는부하지점의거리와상관없이고르게나타났다. 3. 치조골에발생하는응력분포의관찰결과, 임플랜트가양측제 2 소구치부위에식립된모형이양측견치부위에식립된모형보다고르게나타났다. 198 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호
이상의결과에서상악피개의치를위한임플랜트식립위치는견치부위에서보다제 2 소구치부위가구강점막, 주위골과임플랜트에전달되는응력의분포에유리한것으로사료된다. 참고문헌 1. Douglass CW, Shih A, Ostry L. Will there be a need for complete dentures in the United States in 2020. J Prosthet Dent 2002;87:5-8. 2. Mojon P, Thomason JM, Walls AW. The impact of falling rates of edentulism. Int J Prosthodont 2004;17:434-40. 3. The McGill consensus statement on overdentures. Int J Oral Maxillofac Implants. 2002;17:601-2. 4. Carr AB, McGiveny GP, Brown DT:Support for the distal extension denture base, in McCracken s Removable Partial Prosthodontics (ed 11). St. Louis, MO, Mosby, 2005;287-99. 5. Pietrokovski J, Starinsky R, Arensburg B, Kaffe I. Morphologic Characteristics of bony edentulous jaws. J Prosthodont 2007;16:141-7. 6. Rodriguez AM, Orenstein IH, Morris HF, Ochi S. Survival of various implant-supported prosthesis designs following 36 months of clinical function. Ann Periodont 2000;5:101-8. 7. Bergendal T, Engquist B. Implant-supported overdentures: a longitudinal prospective study. Int J Oral Maxillofac Implants 1998;13:253-62. 8. Meriske-Stern RD, Taylor TD, Belser U. Management of the edentulous patient. Clin Oral Impl Res 2000;11:108-25. 9. Kim HS, Shin SW. Three-dimensional analysis of the normal dentition and edentulous maxilla of Koreans. J Korean Acad Prosthodont 2005;43:191-203. 10. Kydd WL, Daly CH, Wheeler JB 3rd. The thickness measurement of masticatory mucosa in vivo. Int Dent J. 1971;21:430-41. 11. Eskitascioglu G, Usumez A, Sevimay M, Soykan E, Unsal E. The influence of occlusal loading location on stresses transferred to implant-supported prostheses and supporting bone: A three-dimensional finite element study. J Prosthet Dent 2004;91:144-50. 12. Akç a K, Ĩplikç ioğlu H. Finite element stress analysis of the effect of short implant usage in place of cantilever extensions in mandibular posterior edentulism. J Oral Rehabil 2002;29:350-6. 13. O Brien WJ. Dental materials and their selection. 3rd ed. Carol Srream, 2002, Quintessence Publishing. pp 326-31. 14. Lazzara RJ, Testori T, Trisi P, Porter S, Weinstein RL. Analysis of Osseotite and machined surfaces using implants with two opposing surfaces. Int J Periodontics Restorative Dent 1999;19:117-29. 15. Naert I, De Clercg M, Theuniers G, Schepers E. Overdentures supported by osseointegrated fixtures for edentulous mandible: A 2.5-years report. Int J Oral Maxillofac Implants 1988;3:191-6. 16. Clelland NL, Lee JK, Bimbenet OC, Brantly WA, A threedimensional finite element stress analysis of angled abutments for an implant place in the anterior maxilla. J Prosthodont 1995;4:98-100. 17. Tanino F, Hayakawa I, Hirano S, Minakuchi S. Finite element analysis of stress-breaking attachments on maxillary implant-retained overdentures. Int J Prosthondont 2007;20:193-8. 18. Kwak HH, Yoon HR, Hu KS, Kang MK, Park HD, Koh KS et al. Topography of the inferior wall of the maxillary sinus in Koreans. Korean J Phys Anthrop 2001;14:137-49. 19. Miyamoto I, Tsuboi Y, Wada E, Suwa H, Iizuka T. Influence of cortical bone thickness and implant length on implant stability at the time of surgery-clinical, prospective, biomechanical, and imaging study. Bone. 2005;37:776-80. 20. Wada S, Wakabayashi N, Tanaka T, Ohyama T. Influence of abutment selection in maxillary Kennedy Class II RPD on elastic stress distribution in oral mucosa: an FEM study. J Prosthodont. 2006;15:89-94. 21. Cavallaro JS Jr, Tarnow DP. Unsplinted implants retaining maxillary overdentures with partial palatal coverage: report of 5 consecutive cases. Int J Oral Maxillofac Implants. 2007;22:808-14. 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호 199
ORIGINAL ARTICLE FINITE ELEMENT STRESS ANALYSIS OF MAXILLARY TWO IMPLANTS-RETAINED OVERDENTURE ACCORDING TO POSITION OF IMPLANT FIXTURES Heon-Seok Ha, DDS, MSD, Chang-Whe Kim, DDS, MSD, PhD, Young-Jun Lim, DDS, MSD, PhD, Myung-Joo Kim, BS, DDS, MSD, PhD Department of Prosthodontics, Graduate School, Seoul National University Statement of problem: There have been a few studies about unsplinted implant retainted maxillary overdenture. Purpose: The purpose of this study was to examine the effect of different position of implant for 2 implants-retained maxillary overdenture. Materials and methods: Three-dimensional finite element models were used to reproduce an edentulous human maxilla with an implant-retained overdenture. Two implants in the canine tooth positions on both side and in the second premolar tooth positions on both side models were examined. Axial loads of 100 N were applied to the occlusal surface at the right first molar tooth positions. Maximum stress at the implant-bone interface and stress at the cortical bone surface just under the loading point were observed. Results and conclusion: Within the limits of this study, maximum stresses were concentrated around implant of canine position at loading side. The second premolar area was thought to be more favorable to distribution of stress on mucosa, alveolar bone and implants than canine area for maxillary overdenture. Key words: Maxillary unsplinted implant overdenture, Three-dimensional finite element analysis, Stress distribution Correponding Author: Chang-Whe Kim Department of Prosthodontics, College of Dentistry, Seoul National University 28-1 Yeongun-Dong, Chongno-Gu, Seoul, 110-749, Korea +82 2 2072 2661: e-mail, silk1@snu.ac.kr Received March 24, 2008: Last Revision April 14, 2008: Accepted April 18, 2008. 200 대한치과보철학회지 2008 년 46 권 2 호