Analytical Framework for Predicting Structural and Mechanical Behaviors of Skulls during Clenching and Chewing

Abstract

이악물기(Clenching)와 씹기(Chewing)는 두개골과 치아의 가장 일상적인 운동이다. 본 연구에서는 이악물기와 씹기를 시뮬레이션 하기 위한 새로운 해석기법을 제안하고, 이러한 활동 중에 나타나는 전체 두개골 및 치아의 거동을 구조 역학적 관점에서 평가하고자 한다. 이에 따라, 전체 두개골의 유한요소모델링을 수행하였으며, 정상교합, 1/2 class II급 및 Full class II급 구치관계를 갖는 모델을 통해 치아손실과 교합관계가 두개골 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 씹기 시뮬레이션에 사탕, 당근, 육포의 음식물 모델을 적용하여, 음식물의 재료 특성에 따른 두개골 및 치아 거동을 평가하였다. 마지막으로, 교합면, 치근 등이 보다 정교하게 구현된 Tooth-PDL-bone complex 모델을 통하여 치아와 치주인대를 중점적으로 분석하였다. CT영상을 기반으로 치아, 피질골, 해면골, 치주인대, 악관절 디스크로 구성된 두개골 유한요소모델을 구현하였으며, 각 부위에 인체 물성치를 부여하였다. 변수해석 결과로부터 선정된 하중조건, 경계조건, 접촉조건 등을 적용하여, 이악물기 및 씹기 시뮬레이션이 수행되었다. 해석결과를 통해 저작력-하악골 변위 곡선, 교합면 접촉압력, 변형률/응력 분포 등의 두개골 및 치아 구조거동을 평가하였다. 또한, 기존 문헌에서 보고된 임상적 연구결과 및 복제 실험체로 수행된 실험결과와의 비교 분석으로부터 해석모델의 타당성을 입증하였다. 본 연구에서 제안하는 유한요소해석기법을 통하여 이악물기와 씹기 운동 중에 나타나는 두개골 및 치아의 구조 역학적 거동을 효과적으로 예측할 수 있으며, 이러한 연구결과는 임상치료 및 진단을 위한 수치적이고 이론적인 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.;Clenching and chewing are normal activities of skull and teeth, for which it is worthwhile to predict skull behaviors during these activities from structural and mechanical viewpoints. In this study, a new analytical framework is proposed to simulate clenching and chewing in more detail. Introduction of an effective FE modelling approach for clenching simulation on full skull is validated with experiment. The influences of tooth loss and occlusal relationship are investigated through skull models with different occlusions, normal occlusion, occlusions in 1/2 class II and full class II. By applying food bolus model for three types of foods, such as candy, carrot and jerky, FE analyses are performed to figure out the effects of food materials on skulls during chewing simulation. Finally, mechanical behaviors in focus on tooth and PDL levels are predicted in detail from tooth-PDL-bone complex model. Based on the CT images, skull model is established in consideration of teeth, cortical bone, cancellous bone, PDL and TMJ disks with corresponding human material properties. Parametric studies are conducted for prescribing loading and boundary conditions to replace jaw movements of clenching and chewing. Contact formulations are applied to interfaces of each part for structural connectivity. The validity of the FE simulations is proved with the previous clinical studies as well as the experiments conducted with replica specimens. Structural and mechanical behaviors of skull and teeth are evaluated from the analytical results, such as bite force-mandibular movement curves, occlusal contact pressures, and stress/strain distributions. The main conclusion is that the proposed analytical approaches may simulate clenching and chewing to be much closer to actual activities, and better predict structural and mechanical behaviors of skull and teeth from macroscopic perspectives.