Three dimensional finite element method for stress distribution on the length and diameter of orthodontic miniscrew and cortical bone thickness

The purpose of the present study is to evaluate the stress distribution on the length and diameter of the miniscrew and cortical bone width. Three dimensional finite element models were made of diameter 1.2mm, 1.6mm, 2.0mm and length 6.0mm, 8.0mm, 10.0mm, 12.0mm and cortical bone width 1.0mm. Also, another three dimensional finite element models were made of diameter 1.2mm, 1.6mm, 2.0mm and length 8.0mm and cortical bone width 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm, 2.5mm. Two-hundred grams horizontal force were applied on the center of the miniscrew head and at that stress distribution and its magnitude had been analyzed by ANSYS, which is three dimensional finite element analysis program. The obtained results were as follows : 1. The comparison of the maximum von-Mises stress in the miniscrew showed that as the diameter increases from 1.2mm to 2.0mm stress has been decreased, while on the same diameter stress was not changed regardless of the length change. 2. The comparison of the maximum von-Mises stress in the cortical and cancellous bone showed that as the diameter increases from 1.2mm to 2.0mm stress has been decreased, while on the same diameter stress was not changed regardless of the length change. 3. In the analysis of the stress distribution in the cortical and cancellous bone, the most of the stress had been absorbed in the cortical bone, and did not transmitted much to the cancellous bone. 4. In the analysis of the maximum von-Mises stress according to the cortical bone width, the same diameter of the miniscrew showed a constant stress value regardless of the cortical bone width change. The above results suggest that the maintenance of the miniscrew is more reliable on diameter than length of the miniscrew.

교정용 미니스크류 식립 시 스크류의 길이, 직경 및 피질골 두께에 따른 응력 분포에 관한 3차원 유한요소법적 연구

본 연구는 교정치료 시 고정원 보강을 위해 사용되는 교정용 미니스크류의 길이, 직경 및 피질골 두께에 따른 응력 분포 양상을 알아보기 위하여 시행되었다. 미니스크류의 길이와 직경 변화에 따른 응력 분포 양상을 관찰하기 위하여 식립되는 피질골의 두께를 1.0mm로 고정하고 미니스크류의 길이를 6.0mm, 8.0mm, 10.0mm, 12.0mm로, 직경을 1.2mm, 1.6mm, 2.0mm인 3차원 유한요소 모델을 제작하였다. 또한, 피질골의 두께 변화에 따른 응력 분포 양상을 관찰하기 위하여 미니 스크류의 길이를 8.0mm로 고정하고 직경은 1.2mm, 1.6mm, 2.0mm로, 피 질골의 두께는 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm, 2.5mm인 3차원 유한요소 모델을 제작하였다. 각각의 유한요소 모델의 미니스크류 head중심에 200gm의 수평력을 가하여 응력 분포 양상과 크기를 3차원 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 미니스크류 내부에서 나타나는 최대 응력값을 비교한 결과, 미니스크류의 직경이 1.2mm에서 2.0mm로 증가할수록 응력이 감소하였으며 같은 직경에서는 길이 증가에 상관없이 일정한 값을 유지하였다. 2. 피질골 및 해면골에 작용되는 최대 응력값을 비교한 결과, 미니스크류의 직경이 1.2mm에서 2.0mm로 증가할수록 응력이 감소하였으며 같은 직경에서는 길이 증가에 상관없이 일정한 값을 유지하였다. 3. 피질골 및 해면골에 작용되는 응력 분포를 관찰한 결과, 대부분의 응력이 피질골에서 흡수되었으며 ,해면골에 전달되는 응력값은 미미하였다. 4. 피질골 두께에 따른 최대 응력값을 비교한 결과, 같은 미니스크류의 직경에서는 피질골의 두께 증가에 상관없이 일정한 값을 유지하였다. 이상의 결과는 교정용 미니스크류의 유지에 길이보다는 직경이 더 크게 관여하는 것으로 나타나 미니스크류의 식립시 이에 대한 고려가 필요함을 시사하였다.