저작시 악안면골 및 두개골에 전달되는 응력 분포에 관한 유한요소 해석

Abstract

본 연구는 전악 교합시와 음식물 저작시에 악안면골, 두개골의 교합 응력 분포와 전달 양상을 분석하고 비교하고자 시행하였다. 상악골, 하악골, 안면골 및 두개골을 포함한 모델에서 3차원 유한요소 해석을 통해 전악 교합시의 악안면골, 두개골의 교합 응력을 측정하고, 구치부 편악 음식물 저작시의 악안면골, 두개골의 교합 응력을 측정하여, 이들의 교합 응력을 분석하고 비교 하였다. 실험 모델은 치아, 치조골, 상악골, 하악골, 안면골, 두부를 포함한 두개골을 컴퓨터전산화 단층 촬영하였고, 이를 DICOM에서 단면 영상을 얻은 후, Bionix Bodybuilder 3.0® (Cantibio Inc, Seoul, Korea) 를 이용하여 3D 모델링을 하였다. 제작된 유한요소 모델은 상악치아와 치주인대, 상악골, 안면골, 두개골에서의 요소수는 2,372,360개였고, 하악치아와 치주인대, 하악골에서의 요소수는 981,797개였으며, 모델의 물성치는 선학들의 연구에 근거하여 부여하였다. 전악 교합시 교합력의 재현은 음식물 없이 500N, 1000N, 1500N의 3가지 크기의 힘을 부여하여 적용하였고, 편측 구치부 음식물 저작시 저작력의 재현은 1소구치, 제2소구치, 제1 대구치, 제2 대구치에 10mm 두께의 음식물을 위치시키고 500N의 크기로 적용하였는데, 위치시킨 음식물의 물성치는 0.15MPa로 설정하여 실험하였다. 저작력은 하악골 하연 교근의 정지부에서 하악을 들어올리는 작용으로 시행하였다. 구속 조건은 모델의 두정부와 경추의 두 절점에서 3차원적으로 고정하였다. 응력의 크기는, 상악골 및 안면골, 두개저, 하악골에서 총 12부위에서 측정하였다. ABAQUS 6.10® (ABAQUS Inc. USA) 로 유한요소 해석을 하였고, 응력 분포와 응력 크기를 관찰 하였다. 응력의 분포 상태를 시각적으로 보기 위하여 응력의 크기에 따라 색도의 변화로 나타낸 응력 등고선을 이용하여 표시하였고, 응력은Von Mises 응력으로 나타내었다. 각각의 연구 해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다. 1.저작시 발생한 응력은 저작된 치아를 통해 치조골, 상악골, 하악골과 안면골로 확산되며, 두개골 및 하악 전체로 넓게 전파되는 양상을 보인다. 2.상악골, 안면골, 두개골에 비해 하악골에서 높은 응력이 발생하였다. 3.전악 교합시 상악골 및 안면골에는 응력의 분포가 대체로 균일하였고, 두개저에서는 접형골의 소익부위와 접형골의 대익의 후외측에 응력이 집중되었다. 4.전악 교합시 하악골에서는 하악의 관절돌기와 하악체 후연에 응력이 집중되었다. 5.음식물 저작시 상악골 및 안면골에는 관골측두골봉합 부위와 익구개봉합 부위에 응력이 집중되었고, 두개저에서는 접형골의 소익부위와 접형골의 대익의 후외측에 응력이 집중되었다. 6.음식물 저작시 하악골에서는 하악체와 하악체 하연에 응력이 집중되었다. 7.전악 교합시에는 교합 응력이 상악골이나 안면골에서는 효율적으로 전파되었으며, 음식물 저작시에는 저작이 되는 구치부 치아와 인접한 부위, 즉 관골, 측두골과 익구개 봉합 부위에서와 하악에서 구치부 하방의 하악체와 교근의 정지부에 응력이 집중되었다. 8.전악 교합시, 교합력 크기가 증가함에 따라 응력의 크기도 증가하였고, 높은 교합력에서 응력 증가의 폭은 더욱 커졌다.;The purpose of this study was to analyze and investigate the transfer and distribution of the occlusal stress of the maxillofacial complex and cranial bone in full mouth occlusion and food mastication. The results were obtained by measuring the occlusal stress of the maxillofacial complex and cranial bone in full mouth occlusion and food mastication of posterior tooth, using the 3-dimensional model of finite element analysis including maxilla, mandible, facial bone and cranial bone. This 3-dimensional model used in this analysis was constructed by using Bionix Bodybuilder 3.0® (Cantibio Inc, Seoul, Korea) based on the data obtained from 2-dimensional computed tomography including teeth, alveolar bone, maxilla, mandible and cranial bone. In this model of finite element analysis, the element number was 2,372,360 in maxillary teeth, periodontal ligament of maxillary teeth, maxillofacial complex and cranial bone and 981,797 in mandibular teeth, periodontal ligament of mandibular teeth and mandible. The material property of this model was given according to the researches of scholars in the past. The magnitude of occlusal force in full mouth occlusion without food engagement were 500N, 1000N, 1500N and the magnitude of masticating force in the unilateral posterior tooth with 10mm-thickness-food engagement on 1st premolar, 2nd premolar, 1st molar and 2nd molar was 500N. The material property of the food was 0.15MPa. The masticating force was applied to the upward and forward direction by lifting the lower border of mandible. The boundary conditions were the vertex of skull and the cervical vertebra. The stress was measured at 12 points of maxillofacial complex, cranial base and mandible. ABAQUS6.10® (ABAQUS Inc. USA) was used for analyzing the finite element analysis and the distribution and degree of the stress were measured. To identify the stress distribution, the stress contour showing various colors according to the degree of the stress was presented and the degree of stress was marked as von Mises stress. The conclusions of this study were as follow. 1.The stress occurred during mastication was transmitted through the masticating teeth to alveolar bone, maxillofacial complex and spread out cranial bone and mandible. 2.Mandible showed higher distribution of the stress than maxillofacial complex and cranial bone. 3.In full mouth occlusion, distribution of the stress was uniform in the maxillofacial complex. In cranial base, the stress was condensed in lesser wing and posterolateral area of greater wing of sphenoid bone. 4.In full mouth occlusion, the stress was condensed in condylar process and the posterior border of mandibular body in mandible. 5.In food mastication, the stress was condensed in zygomatico temporal suture and pterygopalatine suture area of maxillofacial complex and in the lesser wing and posterolateral area of greater wing of sphenoid bone in cranial base. 6.In food mastication, the stress was concentrated in mandibular body and the lower border of mandibular body in mandible. 7.In full mouth occlusion, the occlusal stress is transmitted efficiently to maxillofacial complex and mandible. In food mastication, the stress was concentrated in zygomatic bone, temporal bone and pterygopalatine suture which were located at the upper area of the posterior teeth of maxilla , in mandibular body which were located at the under area of the posterior tooth of mandible and in insertion area of masseter muscle. 8.In full mouth occlusion, when the magnitude of occlusal force increased, the degree of the stress increased. In high magnitude of occlusal force, the rate of increase of the stress grew gradually.