Effect of Bone Quality on Insertion Torque during Implant Placement; Finite Eelement Analysis

The aim of the study was to assess the influence of insertion torque of bone quality and to compare axial force, moment and von Mises stress using finite element analysis of plastoelastic property for bone stress and strain by dividing bone quality to its thickness of cortical bone, density of trabecular bone and existence of lower cortical bone when implant inserted to mandibular premolar region. The $Br{\aa}nemark$ MKIII. RP implant and cylindrical bone finite model were designed as cortical bone at upper border and trabecular bone below the cortical bone. 7 models were made according to thickness of cortical bone, density of trabecular bone and bicortical anchorage and von Mises stress, axial force and moment were compared by running time. Dividing the insertion time, it seemed 300msec that inferior border of implant flange impinged the upper border of bone, 550msec that implant flange placed in middle of upper border and 800msec that superior border of implant flange was at the same level as bone surface. The maximum axial force peak was at about 500msec, and maximum moment peak was at about 800msec. The correlation of von Mises stress distribution was seen at both peak level. The following findings were appeared by the study which compared the axial force by its each area. The axial force was measured highest when $Br{\aa}nemark$ MKIII implant flange inserts the cortical bone. And maximal moment was measured highest after axial force suddenly decreased when the flange impinged at upper border and the concentration of von Mises stress distribution was at the same site. When implant was placed, the axial force and moment was measured high as the cortical bone got thicker and the force concentrated at the cortical bone site. The influence of density in trabecular bone to axial force was less when cortical bone was 1.5 mm thick but it might be more affected when the thickness was 0.5 mm. The total axial force with bicortical anchorage, was similar when upper border thickness was the same. But at the lower border the axial force of bicortical model was higher than that of monocortical model. Within the limitation of this FEA study, the insertion torque was most affected by the thickness of cortical bone when it was placed the $Br{\aa}nemark$ MKIII implant in premolar region of mandible.

임플란트 식립 시 골질이 주입회전력에 미치는 영향에 관한 삼차원 유한요소 분석

임플란트 골유착의 성공과 임플란트 안정성에서 가장 중요한 것은 골의 양과 질이며 안정성을 평가하는 방법 중 하나인 주입회전력도 골질에 영향을 받는다. 임플란트를 식립할 때 모터에서 생긴 힘이 임플란트에 전달되면 임플란트는 회전력(moment)과 축력(axial force)을 갖게 되고 임플란트와 접촉한 골에서는 절삭과 압박 그리고 마찰이 일어나 응력이 생기는데 이 때 측정되는 주입회전력(insertion torque)은 골질에 따라 다양하게 나타난다. 본 연구에서는 임플란트를 하악 소구치 부위 골에 식립하는 것을 가정하여 골질을 치밀골의 두께와 망상골의 밀도 그리고 하방 치밀골 존재 시로 나누고, 골의 응력과 변위를 소탄성 범위의 유한요소법으로 분석하고 유효응력(von Mises stress)과 회전력 그리고 축력을 비교 연구하여 골질이 주입 회전력에 미치는 영향을 평가하였다. 임플란트($Br{\aa}nemark$ MKIII.RP, ${\phi}3.75{\times}10.0mm$, Nobel Biocare, $G{\ddot{o}}teborg$, Sweden) 와 원통형 골모형(${\phi}9.5{\times}12.0mm$)의 유한요소 모형을 설계하고 변수로 상부 치밀골의 두께(0.5 mm, 1.5 mm, 2.5 mm)와 치밀골 하부에 망상골의 밀도($0.85g/cm^3$, $1.11g/cm^3$, $1.25g/cm^3$) 그리고 골모형 하부에 1 mm 두께의 치밀골 유무에 따라 총 7개의 모형을 만들었으며, 임플란트가 식립될 때 발생하는 유효응력과 축력 그리고 회전력을 시간대 별로 비교하였다. 임플란트 플랜지 하연이 골의 상부를 파고드는 300 msec, 중간 정도 들어간 550 msec, 완전히 들어가 플랜지 상면이 골 표면과 일치한 800 msec로 나누어 관찰하였을 때 축력은 500 msec 전후에서, 회전력은 800 msec 전후에서 최대값를 보였으며 유효응력 분포는 서로 비슷하였다. 이 같은 실험 결과를 바탕으로 축력을 영역 별로 비교하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. $Br{\aa}nemark$ MKIII 임플란트는 플랜지가 골을 파고들 때 축력이 치밀 골에서 가장 높았고, 회전력은 플랜지가 골상부에 걸리어 축력이 급격히 감소한 이후에 최대 회전력을 보였으며, 이 때 유효응력 분포는 플랜지와 접촉하는 골 상부에 집중되었다. 2. 임플란트 식립 시 치밀골의 두께가 두꺼울수록 축력과 회전력이 높게 나타났으며 치밀골의 두께가 축력과 회전력에 가장 큰 영향을 주었다. 3. 치밀골의 두께가 1.5 mm 이상인 경우 망상 골의 밀도가 축력에 미치는 영향은 작았고, 치밀골의 두께가 0.5 mm인 경우 망상골의 밀도가 축력과 회전력에 영향이 있을 것으로 사료되었다. 4. 양측 피질골 존재 시 축력의 합은 상부 피질골의 두께가 같은 다른 경우와 비슷하였으나 부위별 촉력은 골하부에서 양측 피질골 모형이 가장 높았고, 회전력은 하방 피질골과 접촉할 때는 피질골 두께가 같은 다른 모형보다 다소 높으나 최대 회전력은 비슷하였다. 위 결과를 토대로 하악 소구치 부위에 $Br{\aa}nemark$ MKIII 임플란트 식립 시 골질과 관련된 요소 중에 치밀골의 두께가 주입회전력에 가장 큰 영향을 주며 망상골의 밀도를 높이는 술식도 일차적 안정성 증가에 유용할 것으로 사료되는 바이다.