유한요소분석을 이용한 심한 하악골 결손 환자에서의 골막하 임플란트 설계 최적화

Abstract

This study aimed to optimize the biomechanical design of customized subperiosteal implants for severely atrophic mandibles using finite element analysis (FEA), focusing on implant stress distribution under standardized loading conditions. A total of 16 implant models were generated by systematically varying five design parameters: implant style (bridge vs. single), thickness (1.0mm vs. 1.5mm), screw diameter (1.5mm vs. 2.0mm), screw length (3.0mm vs. 5.0mm), and the presence of wing extensions. A static occlusal load of 200N was applied at approximately 30 degrees to the occlusal surface, simulating masticatory force under oblique conditions, and von Mises stress distribution was analyzed. For each model, maximum and average stresses within the implant were extracted and compared using paired t-tests. Among all parameters, increasing implant thickness significantly reduced both maximum and average stress values (p < 0.01), indicating enhanced structural rigidity. Screw diameter also led to a statistically significant decrease in maximum stress (p = 0.0003), although it had minimal effect on average stress. Implant style (bridge type) showed higher peak stress levels (p = 0.014), but did not significantly affect average stress. Screw length and wing extensions demonstrated trends toward stress reduction but did not reach statistical significance (p > 0.05). Implant thickness and screw diameter are key factors for minimizing mechanical stress in subperiosteal implant designs. While other variables, such as screw length, wing presence, and implant style, may provide supplementary benefits, their influence is limited under static loading conditions. The use of FEA provides a robust framework for preclinical evaluation and optimization of patient-specific subperiosteal implants, especially in anatomically compromised cases.

본 연구는 중등도 이상의 하악골 위축 환자에서 적용 가능한 맞춤형 subperiosteal implant의 생체역학적 안정성을 향상시키기 위해, 설계 변수에 따른 응력 분포의 차이를 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 정량적으로 비교·분석하는 것을 목적으로 한다. 실제 환자의 하악골 CT 데이터를 기반으로 3차원 하악골 모델을 구축하고, 다양한 설계 조건을 반영한 총 16개의 subperiosteal implant 모델을 제작하였다. 설계 변수 는 임플란트의 스타일(single vs. bridge), 두께(1.0mm vs. 1.5mm), 스크류의 직경 (1.5mm vs. 2.0mm), 길이(3.0mm vs. 5.0mm), 그리고 Wing 유무로 구성하였다. 각 모델에 대해 ANSYS를 활용한 유한요소해석을 시행하였으며, implant 부위에 가 해지는 최대 및 평균 von Mises 응력을 산출하였다. 하중 조건은 교합면에 대해 약 30도 사선 방향으로 200N의 정적 하중을 적용하였다. 설계 변수별 응력 차이는 paired t-test를 통해 통계적으로 분석하였다. 총 16개 모델에서의 응력 분석 결과, 임플란트 두께와 스크류 직경은 최대 응력과 평균 응력을 유의하게 감소시키는 변수로 확인되었다(p < 0.01). 임플란트 스타일은 최대 응력에서 유의한 차이를 보였으나(p = 0.014), 평균 응력에서는 유의하지 않았 다. 스크류 길이와 Wing 유무는 유의한 차이를 보이지 않았다(p > 0.05). 특히 임플 란트 두께 증가 시 평균적으로 최대 응력은 약 236.2MPa, 평균 응력은 1.4MPa 감 소하였다. 본 연구는 다양한 설계 변수 중 임플란트 두께 및 스크류 직경이 응력 분산에 있어 중요한 영향을 미친다는 것을 정량적으로 입증하였다. 향후 subperiosteal implant 설계 시 이러한 변수들을 고려한 구조 최적화는 임플란트의 기계적 안정성과 장기적 성공률 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.