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서론
상악 완전 무치악 환자에서 임플란트 피개의치 수복은 전통적인 총의치 수복에 비해 유지와 안정이 우수하여 환자의 저작 능력을 향상시키고, 심리적 안정을 주는 좋은 치료방법이다.1-3 또한, 다수의 임플란트를 식립하면 말굽형(U-shaped) 주연결장치를 이용하여 구개부위 피개를 최소화 할 수 있다.4 하지만, 골흡수 및 상악동 함기화로 인한 부족한 골량, 불량한 골질로 인해 상악 임플란트 피개의치는 하악 임플란트 피개의치에 비해 높은 실패율을 보인다.5-7 상악 임플란트 보철물의 성공률을 높이기 위해서는 해부학적 조건 외에도 적절한 임플란트의 수와 길이, 응력분산에 유리한 유지장치의 선택, 교합력과 비기능적 습관 등의 생역학적 관점에 대한 고려도 필요하다.8
임플란트 피개의치의 생역학적 안정성을 위해서는 모든 구성요소에 적절하게 응력이 분산되도록 설계해야 한다. 임플란트 주위골에 과도한 응력이 집중되면 임플란트와의 골유착이 파괴되며, 임플란트 상부 구조물이나 매식체에 응력이 집중되면 지대주의 나사 풀림이나 파절 또는 임플란트의 찢어짐 등이 일어날 수 있다.9,10 이에 Mericske-Stern 등4은 상악 임플란트 피개의치를 위해 다음과 같은 치료 지침을 제시하였다. 첫째, 임플란트는 가능한 많을수록 좋으며 최소 4개를 식립해야 한다. 둘째, 임플란트는 가능한 표준형인 직경 4.1 mm, 길이 10 mm 이상을 식립해야 한다. 셋째, 전체 악궁에 걸쳐 균등하게 분포해서 식립해야 하며 종종 상악동 거상술을 피하고자 상악동 전방부에 식립할 수 있다. 또한, 유지장치로는 응력분산을 위해 바(bar) 유지장치 사용을 추천하였다. 그러나, 상악 임플란트 피개의치에서 볼(ball) 유지장치는 추천되지 않으며, 사용 시 임시 수복의 성격을 띠며 이때 구개부분을 완전히 피개해야 한다고 하였다.
상악 임플란트 피개의치에서 응력 분산을 위한 유지장치 선택에 대해 많은 연구가 존재하지만 아직 논쟁 중이다. 여러 연구에서 볼 유지장치를 사용한 경우에 바 유지장치보다 더 큰 임플란트 주위 골 소실을 보였으며,3,11,12 임플란트를 견고하게 연결 고정하는 바 유지장치의 사용을 추천하였다.4,13 반대로 다른 광탄성 연구14,15와 유한요소분석 연구16에서는 분리된 볼 또는 Locator® 유지장치의 사용이 연결고정된 바 유지장치보다 임플란트와 임플란트 주위 골에 낮은 응력집중을 보였으며, 볼과 같이 완압 성분을 가진 유지장치는 의치에 가해지는 힘을 흡수하여 임플란트로 응력이 전달되는 것을 줄여준다고 하였다.17 하악 임플란트 피개의치에서 유지장치가 응력분포에 미치는 영향에 관해서는 많은 연구15,16,18가 진행되었으나 상악 피개의치의 유지장치 선택에 있어 지침이 될 수 있는 연구는 아직 부족하다.
또한, 상악 의치의 구개를 피개하지 않을 경우 미각, 촉각과 같은 구강감각과 발음, 저작 등의 구강 기능이 더욱 증진된다고 하였다.19-21 그러나 상악 임플란트 피개의치의 응력분포에서 구개 피개는 중요하다. Palmqvist 등22은 임플란트 피개의치의 장기적인 성공을 위해서는 구개를 피개하는 것이 중요하다고 했으며, Ochiai 등14은 광탄성 실험을 통해 구개를 피개하지 않는 경우 임플란트 주위 골에 응력이 더욱 집중됨을 보고하였다.
따라서 본 연구의 목적은 3차원 유한요소분석법을 통해 상악동 전방부에 4개의 임플란트를 식립하여 수복된 상악 임플란트 피개의치에서 유지장치의 종류, 구개 피개의 여부가 임플란트, 임플란트 주위 골 그리고 무치악 치조점막으로의 응력분포에 미치는 영향을 알아보고자 함이다.
연구 재료 및 방법
3차원 computer-aided design (CAD) 프로그램(CATIA 5.0, Dassault Systems®, Vélizy-Villacoublay, France)을 이용해 상악골, 임플란트, 유지장치 그리고 피개의치 모형을 설계하였다(Fig. 1 - 4).
상악은 한국인 무치악 악궁의 평균23을 참고해 장경 49.19 mm, 폭경 63.49 mm로 하였다(Fig. 2). 점막은 구개 중앙부위는 1.5 mm, 치조골 부위는 3 mm 두께로 설정하였으며24 점막 아래로 1.5 mm 두께의 피질골을 설정하고 나머지 부분은 해면골로 설계하였다(Fig. 1). 직경 4.0 mm, 길이 10 mm 임플란트(Superline, Dentium, Seoul, Korea) 4개를 상악동 전방부(양측 측절치와 견치 사이 그리고 제1소구치와 제2소구치 사이에 각각 위치시켰다(Fig. 2). 볼 유지장치는 임플란트와 동일 제조사의 미니볼 지대주(BAB352018, Dentium)를 이용하였다. 바 유지장치는 임플란트의 견고한 연결 고정을 위해 높이 2.5 mm, 두께 3 mm직육면체 모양의 밀드 바(milled bar)를 설계하였으며 피개의치의 움직임을 허용하기 위해 밀드 바와 피개의치 사이에 0.5 mm의 수직적 공간을 부여하였다(Fig. 3). 상악 피개의치는 구개를 피개하는 경우와 말굽형(u-shape design)과 같이 피개하지 않는 경우로 나누어 설계하였으며, 모두 금속구조물 없이 단일 아크릴 레진으로 구성하였다(Fig. 4).
유지장치 종류와 피개의치의 구개 피개 유무를 조합하여 다음과 같이 4개의 실험군을 구성하였다.
(1) Ball-F: 볼 유지장치를 사용하고 구개를 피개한 군
(2) Ball-P: 볼 유지장치를 사용하고 구개를 피개하지 않은 군
(3) Bar-F: 바 유지장치를 사용하고 구개를 피개한 군
(4) Bar-P: 바 유지장치를 사용하고 구개를 피개하지 않은 군
유한요소분석 프로그램(ANSYS Workbench 14, ANSYS Inc., Canonsburg, USA)을 사용하여 메싱(meshing) 작업과 응력분석을 시행하였다. 유한요소분석을 위해 각 가상모델은 약 60만개의 노드(node)와 약 40 만개의 엘레멘트(element)로 나누어졌다(Table 1). 임플란트와 볼 유지장치 구성성분의 물성치(elastic modulus와 poisson’s ratio)는 제조사로부터 제공받았으며, 다른 구성성분의 물성치는 선학들의 연구를 참고하였다(Table 2).17,18,25 상악의 모든 구성요소와 임플란트의 경계는 접착되었다고 설정하였으며 피개의치와 점막의 경계는 현실적인 재현을 위해 피개의치가 점막 위에서 마찰을 가지고 운동하는 마찰접촉조건(마찰계수 0.3)을 부여했다.26 고정조건으로 상악골 바닥면을 기준면으로 삼고 이 면을 모든 방향에 대해 고정시켰다. 마지막으로, 모든 재료가 등방성, 등질성 그리고 선형 탄성을 가지고 있다고 가정하였다. 하중 조건은 편측 저작을 가정하여 우측 제1대구치의 중심와에 수직방향으로 100 N의 정적하중을 가하였다. 유한요소분석 프로그램을 통해 각 실험군의 임플란트, 임플란트 주위 골 그리고 점막의 응력 분포를 관찰하였으며 최대 응력값을 기록하였다.
결과
임플란트, 임플란트 주위 골 그리고 점막의 응력분포 양상은 모든 실험군에서 비슷한 경향을 보였다. 모든 실험군의 각 구성요소에서 측정된 최대 응력값은 Table 3에 나타냈다. 임플란트에서는 부하측 최후방 임플란트 원심구개측 경부에서 최대 응력값을 보였고, 임플란트 주위 골에서는 부하측 최후방 임플란트 주위의 원심구개측 피질골에서 최대 응력값을 보였다. 또한, 점막에서는 부하측 최후방 치조제에서 최대 응력값을 보였다(Fig. 5 - 7).
고찰
일반적으로 임플란트와 관련된 응력 연구 방법으로는 전기저항 스트레인 게이지법, 광탄성 분석법, 유한요소분석법이 있다.27 본 연구에서 사용한 유한요소분석법은 컴퓨터 소프트웨어를 통해 모델을 설계하기 때문에 수정이 쉽고 구성요소에 다양한 물성과 이들 간의 관계에 다양한 조건을 부여할 수 있다. 뿐만 아니라 원하는 부위에 발생한 응력과 변위 등의 정보를 확인할 수 있다는 장점이 있다.16,17
하악 임플란트 피개의치 수복은 임플란트 수나 유지장치의 종류 등과 관계없이 높은 성공률을 보이나, 상악 임플란트 피개의치는 불리한 해부학적 특징으로 인해 높은 실패율을 보이고 치료방법에 대한 논쟁이 많다.5-7 Williams 등28은 상악 임플란트 피개의치의 적절한 유지와 지지를 위해서는 최소 4개의 임플란트가 필요하다고 하였다. 또한, Mericske-Stern 등4은 4개 이상의 임플란트를 전체 악궁에 걸쳐 균둥하게 분포하게 식립하고 이를 연결 고정하는 바 유지장치의 사용과 의치로 완전히 구개를 피개할 것을 추천하였다. 하지만 경우에 따라 상악동 거상술을 피해 상악동 전방부에 다수의 임플란트를 식립할 수 있다고 하였다.4 따라서 본 연구에서는 상악동 전방부에 4개의 임플란트를 식립하고 임플란트 피개의치를 제작했을 때를 가정해 유지장치 종류와 구개 피개 유무에 따른 응력분포를 3차원 유한요소 분석을 통해 알아보았다.
Ogata와 Satoh29는 의치 사용자의 최대 평균 저작력은 65 - 110 N이라고 하였기 때문에 이를 토대로 본 연구에서는 편측 저작의 상황을 가정하여 우측 제1대구치 중심와 부위에 100 N의 정적 하중을 가하였다.
모든 실험군에서 부하측 최후방 임플란트의 경부와 임플란트 주위 피질골에서 최대 응력값이 나타났다. 이는 상악과 하악에서 수행된 많은 유한요소분석 결과와 비슷한 경향을 보인다.16,17,25,26,30 먼저, 부하측 최후방 임플란트에 응력이 집중되는 이유는 캔틸레버를 가진 임플란트 고정성 보철물에 대한 유한요소분석 연구를 통해 추론할 수 있다.31 보철물의 캔틸레버 부분에 수직적 하중이 가해지면 상부구조물과 임플란트 복합체에 굽힘 모멘트가 발생하는데, 특히 치주인대 없이 골유착된 임플란트의 경우 하중 부위에 가까운 임플란트 원심부에 응력이 집중된다. 본 연구에서 임플란트는 상악동 전방부에 식립되어 있고 힘의 작용점이 제1대구치 부위이므로 피개의치의 구치부가 임플란트에 캔틸레버로 작용하여 부하측 최후방 임플란트의 경부에 응력이 집중된 것으로 생각된다. 또한, 최대 응력값이 임플란트 주위 피질골에서 나타난 이유는 임플란트에 전달된 저작력이 주위의 피질골과 해면골로 전달될 때 탄성계수가 큰 피질골이 더 많은 응력을 흡수하기 때문인 것으로 생각된다.32
본 연구에서 최대 응력값은 임플란트의 원심 구개측 부위에서 관찰되었다. 이는 하악 임플란트 피개의치에 관한 Hussein18과 Hong 등25의 연구와 비슷한 경향을 보인다. Hong 등은 하악의 임플란트 위치에 따른 응력분포에 관한 연구에서 임플란트 식립 위치가 소구치 부위에서 측절치 부위로 즉, 전방으로 이동할수록 최대 응력값이 나타나는 부위가 임플란트의 원심부에서 설측으로 이동함을 보고하였다. 본 연구에서는 임플란트 식립 위치를 상악동 전방부로 제한하였기에 최대 응력이 임플란트의 원심부가 아닌 원심구개측에서 나타난 것으로 생각된다.
모든 실험군에서 점막에서의 최대 응력값은 부하측 최후방 치조제 부위에서 발생하였다. 이는 임플란트와 거리가 멀수록 임플란트 지지보다는 조직지지 효과가 커지기 때문으로 보인다.
구개 피개 유무와 상관없이 볼 유지장치는 바 유지장치보다 임플란트와 임플란트 주위 골에서 더 낮은 최대 응력값을 보였으며, 반대로 점막에서는 더 큰 최대 응력값을 보였다. 이는 상악에서 수행된 광탄성 분석 연구와 하악에서 수행된 유한요소분석 연구와 비슷한 경향을 보인다.14,16 볼과 같은 탄성 유지장치는 구성요소의 완압을 통해 의치의 움직임을 허용하여 임플란트와 임플란트 주위 골로의 응력 집중을 감소시키지만, 상대적으로 탄성이 없는(rigid) 밀드 바 유지장치는 의치의 움직임이 제한되어 임플란트 및 임플란트 주위 골로 응력이 집중되는 것으로 생각된다.17 하지만, 유지장치 선택에 있어 다양한 상황이 고려되어야 한다. 완압 성분을 가진 유지장치의 사용은 의치의 움직임이 더 많이 발생하고, 저작력을 잔존치조제로 전달해 치조골의 흡수를 야기할 수도 있다. 또한, 볼과 같이 분리된 형태의 유지장치는 심한 골 흡수로 잔존 치조제의 높이가 낮아 의치의 안정성이 부족한 경우 의치에 과도한 측방력이 가해지면 다른 임플란트로 응력이 분산되지 않아 특정 임플란트에 응력이 집중될 수 있다.11,33
유지장치의 종류와 관계없이 구개를 피개하지 않는 경우가 피개한 경우보다 임플란트, 임플란트 주위 골 그리고 점막의 최대 응력값이 높았다. 이는 상악 임플란트 피개의치를 이용한 광탄성분석 연구14,27와 유한요소분석 연구30와 결과가 일치하는데, 이는 의치상 지지면적이 감소함에 따라 임플란트와 의치상 하부 점막으로 전달되는 응력이 증가되었기 때문이라고 생각한다. 구개를 피개하면 기능 시 점막에 의한 지지와 안정성이 향상되어 임플란트로의 과도한 응력 집중을 막을 수 있다.14,27,30 그러나, 대부분의 환자들은 불편감으로 인해 상악 의치의 구개 피개를 원하지 않으며34,35 Mericske-Stern 등4은 상악에 4 - 5개의 임플란트를 식립하고 바 유지장치로 견고하게 연결한 경우 구개를 피개하지 않는 말굽형 설계가 가능하다고 하였다.
본 연구에서 이용된 유한요소분석법은 응력이 발생하는 부위와 양을 시각화 할 수 있어 직관적으로 평가하기에 유리하지만, 점막과 골 등의 생역학과 구성요소의 물성 및 구조의 단순화 등은 실제 상황을 재현하지 못하는 한계를 가지고 있다. 또한, 실제 임상상황에서는 본 실험의 디자인대로 상악 전방부에 4개의 임플란트를 대칭적인 위치에 평행하게 식립하기 어렵다는 한계도 있다. 그리고 임상적으로 가능한 다른 임플란트 식립 위치와 다양한 유지장치를 활용한 피개의치 설계를 하여 구강 내에서 일어날 수 있는 다양한 응력 발생에 관한 추가적인 연구도 필요할 것으로 사료된다.
결론
상악 무치악 환자에서 상악동 전방부에 4개의 임플란트를 식립하여 수복된 피개의치에서 유지장치 종류와 구개 피개 유무에 따른 응력분포를 3차원 유한요소분석을 통해 알아보았으며 다음과 같은 연구 결과를 얻었다.
임플란트와 임플란트 주위 골에서 최대 응력값은 부하측 최후방 임플란트 경부와 주위 치밀골에서 관찰되었으며 그 위치는 원심구개측 이었다.
볼 유지장치를 사용하는 군이 바 유지장치 군보다 임플란트와 임플란트 주위 골에서 낮은 최대 응력값을 보였으며 반대로 점막에서는 높은 최대 응력값을 보였다.
유지장치 종류와 상관없이 구개를 피개하는 실험군은 피개하지 않는 실험군보다 임플란트, 임플란트 주위 골 그리고 점막 모두에서 낮은 최대 응력값을 보였다.
본 연구의 한계 내에서 상악동 전방부에 4개의 임플란트를 식립하여 수복된 피개의치에서 바 유지장치보다는 볼 유지장치를 사용하고 구개를 완전히 피개하는 경우 임플란트와 임플란트 주위 골의 응력분산에 효과적임을 알 수 있었다.
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