KR100357783B1 - 임플랜트의 안정성 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공진주파수를 분석하여 임플랜트의 안정성을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, PC로부터 임펄스 가진에 따른 디지털 파형을 발생시키고, 상기 디지털 파형을 D/A 컨버터에서 아날로그 파형의 전압으로 변환시키고, 상기 전압을 진동으로 변환시키고, 상기 진동이 임플랜트에 고정된 트랜스듀서(transducer)를 진동시켜 진폭 변화를 야기시키도록 하고, 상기 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키고, 상기 전기적 신호를 A/D 컨버터에서 디지털 신호로 변환시키고, 상기 디지털 신호를 가지고 PC에서 주파수 분석을 행한다.
이에 따르면, 균일한 측정치를 반복적으로 재현하는 것이 가능하고 안정된 측정 데이터를 빠른 시간 내에 처리할 수 있다.
Description
본 발명은 공진 주파수 분석에 의해 골내에 식립된 임플랜트의 안정성을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
골 지지성 골내 임플랜트는 두개 악안면, 치과 및 정형외과 영역에서 점차 사용이 증가되고 있다. 이러한 임플랜트는 식립 후 주위의 골과 밀접한 합치 (union)가 형성되는데, 이것을 골유착(osseointegration)이라고 한다. 임상적으로 임플랜트는 90 %의 높은 성공률을 보이지만 골질이 나쁘거나 조직이 손상된 곳, 예를 들어 방사선 치료 후의 임플랜트는 현저한 성공률 저하를 보인다.
생체 내에서 나사형 골내 임플랜트의 성공적인 골유착은 임플랜트의 표면 형상과 기하학적 형태, 식립한 매식체 주위의 골질과 양, 기능적 교합시 하중의 크기와 방향 등 많은 요인에 의해 좌우된다. 주위 골에 알맞은 임플랜트의 안정성은 식립 후 방해 받지 않는 치유와 골 형성을 위해 필수적이며, 임플랜트와 조직 계면에서 발생되는 저작과 기능시 하중 응력을 적절히 분산시켜 주기도 한다.
임플랜트의 안정성은 식립시 일차 안정성, 그리고 골 치유와 골 형성 결과에 따른 이차 안정성으로 구분할 수 있는데, 일차 안정성은 임플랜트 식립 부위의 골질과 골량, 임플랜트의 길이, 직경, 형태, 식립 방법 등에 따라 영향을 받는다. 이러한 임플랜트의 안정성과 골유착의 임상적 측정은 임플랜트의 성공 여부를 평가하는데 중요하다.
지금까지 임플랜트 식립시 초기 안정성은 경험적이고 주관적으로 측정되어 왔는데, 이를 객관적으로 수치화하여 평가하는 방법으로 페리오테스트(PeriotestR) (Siemens AG, Benshein, Germany)가 개발되었다. 이 방법은 치아 주위 치주 인대의 감폭 성향을 양적으로 측정하고 그것의 동요도를 수치로 나타내도록 설계된 것으로, 보철물을 장착하기 전 치유 기간이 더 필요한지의 여부를 결정하는데 도움을 줄 수 있었다. 그러나, 이 방법은 지대치에 대한 각도와 높이, 임플랜트와 로드 (rod) 사이의 거리에 민감하다는 단점이 있다.
따라서, 생체 내에서 임플랜트의 안정성을 정량적으로 측정하기 위한 가역적 실험법을 개발하기 위해, 메레디스 등은 특정 범위의 주파수를 고주파에서 저주파, 또는 저주파에서 고주파로 연속적으로 변화시킨 사인파(sine wave)를 일정한 진폭으로 가진하는 공진 주파수 분석 장치를 개발하였다(Meredith N., Alleyne D., 및Cawley P.: Quantitative determination of the stability of the implant-tissue interface using resonance frequency analysis,Clin. Oral. Impl. Res 7: 261, 1996). 이 방법은 지대주 또는 지대치에 부착된 작은 변환기를 이용하여 공진 주파수를 측정하게 되는데, 공진 주파수는 임플랜트-조직 계면의 견고도와 유효 지대주 길이에 영향을 받고, 식립 시기의 골질, 치유 기간 동안의 골 견고도의 변화, 임플랜트 주위 변연골 높이의 변화를 반영하며, 임플랜트 식립 후의 안정성 변화 측정을 가능하게 해준다고 보고하였다. 그러나, 실험에 이용한 사인파는 전원 노이즈나 외부 노이즈에 매우 민감하기 때문에, 외부 노이즈를 제거하기 위해 여러 번의 평균을 취하게 되므로 시간이 많이 걸리면서도 측정 데이터가 불안정하다는 단점을 갖는다.
이 밖에, 임플랜트의 안정성과 골유착을 측정하기 위한 가역적인 임상적 방법에는 타진 반응(percussion), 방사선 검사(radiographic), 덴탈 파인 테스터 (dental fine tester), 역 토오크 시험(reverse torque testing) 등이 있는데, 술자 간의 시술 방법과 적용에 따른 차이 때문에 표준화가 어려운 실정이다. 비가역적인 방법으로는 조직 형태 계측학적 분석, 삽입 토크(insertion torque)와 제거 토크(removal torque)의 측정 등이 있다.
이처럼, 골내 임플랜트의 안정성을 측정하는 종래의 방법들은 매우 민감하고 측정치가 불안정하다는 문제가 있는데, 매식체 식립시 초기 안정성과 기능시 임플랜트의 상태를 모니터링하고 정량적으로 정확하게 측정할 수 있다면, 임플랜트의 디자인을 각각의 환자에게 가장 적합하도록 개량이 가능하고 임플랜트의 실패율을줄일 수 있을 것이다.
본 발명에서는 생체 내에서 임플랜트의 안정성을 정량적으로 측정하기 위한 비파괴적 방법으로서, 물성체의 고유 진동수를 측정하는 종래의 공진 주파수 측정 장치가 갖는 단점을 극복하여, 균일한 측정치를 반복적으로 재현하는 것이 가능하고 안정된 측정 데이터를 빠른 시간 내에 처리할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 임플랜트 안정성 측정 방법은, PC로부터 임펄스 가진에 따른 디지털 파형을 발생시키고; 상기 디지털 파형을 D/A 컨버터에서 아날로그 파형의 전압으로 변환시키고; 상기 전압을 진동으로 변환시키고; 상기 진동이 임플랜트에 고정된 트랜스듀서(transducer)를 진동시켜 진폭 변화를 야기시키도록 하고; 상기 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키고; 상기 전기적 신호를 A/D 컨버터에서 디지털 신호로 변환시키고; 그리고 상기 디지털 신호를 가지고 PC에서 주파수 분석을 행하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 임플랜트 안정성 측정 장치는, 임펄스 가진에 따른 디지털 파형을 발생시키고, 디지털 신호를 입력 받아 주파수 분석을 행하는 수단; 상기 디지털 파형을 아날로그 파형의 전압으로 변환시키거나, 전기적 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AD/DA 컨버터; 상기 컨버터로부터의 아날로그 파형의 전압을 진동으로 변환시키거나, 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키는 수단; 및 임플랜트에 고정되어 상기 수단으로부터의 진동에 의해 진폭 변화를일으키는 트랜스듀서를 포함한다.
본 발명의 장치에 사용되는 트랜스듀서(transducer)는 지대주와 연결이 용이하도록 캔틸레버 빔(cantilever beam)의 형태를 변형, 응용하여 제작하는 것이 바람직하다. 캔틸레버 빔은 진동학 분야에서 일반적으로 알려져 있는 기계적 진동 모델 중의 하나인데, 트랜스듀서는 그 형태를 응용하여 물성체의 특성을 잘 나타낼 수 있도록 폭 5 ㎜, 높이 10 ㎜, 두께 0.5∼2.0 ㎜ 크기로 제작되는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 임플랜트의 안정성 측정장치를 나타낸 블럭도,
도 2는 도 1에 있어서 트랜스듀서의 형태를 모식적으로 나타낸 것,
도 3는 동일한 길이의 임플랜트를 핫멜트 접착 수지에 노출량이 동일하도록 식립한 경우 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프,
도 4는 임플랜트를 에폭시 수지에 식립한 경우 노출량과 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 도 4a는 트랜스듀서의 두께가 0.5 ㎜인 경우, 도 4b는 트랜스듀서의 두께가 1.0 ㎜인 경우, 도 4c는 트랜스듀서의 두께가 2.0 ㎜인 경우이고.
도 5는 임플랜트의 노출 길이를 0∼8 ㎜로 변화시킬 때 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 도 5a는 PL-2에 식립한 경우, 도 5b는 에폭시 수지에 식립한 경우이고,
도 6은 임플랜트를 식립한 재료의 강직도와 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 도 6a는 트랜스듀서의 두께가 0.5 ㎜인 경우, 도 6b는 트랜스듀서의 두께가 1.0 ㎜인 경우이고,
도 7은 임플랜트를 골 시편에 식립한 경우 지대주의 길이와 측정 방향에 따른 공진 주파수를 나타낸 그래프,
도 8은 임플랜트를 골 시편에 식립한 경우 지대주의 길이와 측정 방향에 따른 페리오테스트 값(PTV)을 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: PC 2: D/A 컨버터
3: 제1증폭기 4: 피에조 세라믹소자
5: 트랜스듀서 6: 제2증폭기
7: A/D 컨버터
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 임플랜트 안정성 측정장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 퍼스널 컴퓨터(PC,1), 디지탈/아날로그(D/A) 컨버터(2), 제1증폭기(3), 피에조 세라믹 소자(Piezo ceramic element, 4), 트랜스듀서(5), 제2증폭기(6) 및 아날로그/디지탈(A/D) 컨버터(7)로 이루어진다. 도 1에 있어서 트랜스듀서(5)의 형태를 모식적으로 나타낸 사시도는 도 2에 나타난 바와 같다.
본 발명의 장치에서, 컨버터(2,7)로부터의 전기적 신호를 진동으로 변환시키거나, 진동을 전기적 신호로 변환시키는 수단은 피에조 세라믹 소자(4)인 것이 바람직하다. 피에조 세라믹 소자(4)는 전기적 신호를 주었을 때 그것을 물리적 신호인 진동으로 바꾸거나, 물리적 신호인 진동이 들어왔을 때 전기적 신호인 전하로 바꾸는 특성을 갖는 세라믹 물질이다.
D/A 혹은 A/D 컨버터(2,7)에서는 소프트웨어(Data Acquisition Driver Software)를 이용하여 PC(1)에서 발생한 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하거나, 제2증폭기(6)에서 발생한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 역할을 한다.
본 발명의 장치에 사용되는 트랜스듀서(5)는 티타늄 재질로 하는 것이 바람직한데, 트랜스듀서(5)의 재질로 스테인레스 강을 쓸 경우에는 진동수가 너무 올라가서 A/D 전환을 하기 어려운 영역으로 가버릴 수가 있어 실험을 위해서는 고가의 장비가 필요하게 된다는 문제가 있고, 알루미늄을 쓰면 형상 제작이 어렵고 진동 특성에 비선형성이 강하여 예측이 불가능하다는 단점이 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 임플랜트의 안정성 측정 장치의 원리를 보면, 먼저 PC(1)가 가진 방법을 선택하여 디지털 파형을 발생시키고 이를 D/A 컨버터(2)로 보내는데, D/A 컨버터(2)에서는 디지털 파형을 아날로그 파형의 전압으로 변환시킨다. 다음에, 제1증폭기(3)를 통해 전압을 증폭시키고, 증폭된 전압을 피에조 세라믹 소자(4)로 보낸다. 피에조 세라믹 소자(4)는 전기적 신호를 진동으로 바꿔서 그 진동이 가진을 하게 되고, 가진된 상태에서 진동이 트랜스듀서(5)를 흔들게 된다. 트랜스듀서(5)의 주변 환경에 따른 특정한 반응으로서 진동의 진폭 변화가 야기되고, 진폭 변화가 된 진동은 다시 피에조 세라믹 소자(4)가 감지해서 진동을 전기적 신호로 바꾼다. 전기적 신호는전하 (charge)이기 때문에 이를 전압(voltage)으로 바꾸기 위해 전하 증폭기(charge amplifier)인 제2증폭기(6)로 입력된다. 전압으로 바뀐 신호는 A/D 컨버터(7)를 통해서 디지털 신호로 바뀌게 되고, 이 디지털 신호를 PC(1)가 인식해서 주파수 분석 또는 진폭을 추출하게 된다.
가진 방법으로는, 큰 물체(집이나 교량)에 대해서는 가진기 또는 충격계 (impact machine)가 이용되지만, 2∼3 m 이내의 작은 물체에 대해서는 다음 중 어느 한 가지가 이용되는데, 본 발명의 장치에서는 임펄스(임팩트) 방식이 바람직하게 사용된다. 이하, 가진 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
(1) 사인 스위프(sine sweep)
특정 범위의 주파수를 고주파로부터 저주파 또는 저주파로부터 고주파로 연속적으로 주파수를 변화시킨 사인파를 일정한 진폭으로 가진하는 것으로, 그 응답으로는 각각의 가진 주파수에 대하여 진동 고유 응답으로서 진폭 변화를 일으키게 되고 그 진폭 변화를 측정하여 주파수 응답으로 사용한다. 장점은 한 주파수에 대하여 가진 파워를 가장 크게 낼 수 있다는 점이고, 단점은 전원 노이즈나 외부 노이즈에 매우 민감하기 때문에 외부 노이즈를 제거시키기 위하여 여러 번의 평균을 취하게 되므로 시간이 많이 걸리게 된다는 점이다.
(2) 백색 잡음(white noise)
모든 주파수 성분을 갖는 잡음을 발생시켜 진동의 신호원으로 사용하는데, 그 응답으로는 각 주파수에 해당하는 진폭 변화를 일으킨 백색 잡음이 된다. 처리는 측정된 백색 잡음을 FFT(Fast Fourier Transform)를 통하여 주파수 데이터로 변환시키는 것이다. 장점은 짧은 시간에 다양한 주파수를 가진할 수 있다는 점이고, 단점은 FFT로 처리하는 과정이 시간이 걸리고 가진하는 백색 잡음의 주파수 성분이 일정치 않기 때문에 측정 평균 횟수를 (사인파에 비해서는 적지만) 많이 취해야 한다는 것이다.
(3) 임펄스(임팩트)
가진원은 폭이 매우 적은 펄스 신호를 사용하는데, 임팩트 펄스 신호는 주파수로 변환시키면 완전하게 평탄한 주파수 특성을 얻을 수 있다. 또한 펄스 신호 하나를 보내면 전 주파수로 가진되며, 그 응답은 임펄스 반응으로 트랜스듀서와 그 주변 환경을 모두 포함한다. 임펄스 반응을 가지고 주파수 변환을 시키게 되면 트랜스듀서 및 주변 환경의 물성체 특성을 정확히 분석할 수 있다. 장점은 주변 노이즈에 매우 강하기 때문에 측정치가 정확하다는 것으로, 관측된 데이터가 다른 가진 방법 중에서 가장 뛰어나지만 많은 파워를 낼 수 없어 파워 앰프가 반드시 필요하다는 점과 임펄스 방식을 사용하기 위한 프로그래밍이 까다롭다는 단점을 갖는다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 다음의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐, 본 발명이 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예: 장치의 제작 및 예비 실험
트랜스듀서(5)는 CP Grade Ⅱ 티타늄(Dynamet Specialty Metal Products, USA) 재질로 캔틸레버 빔의 형태를 응용, 폭 5 ㎜, 높이 10 ㎜, 그리고 두께는 각각 0.5, 1.0 및 2.0 ㎜를 갖는 지그(zig)를 밀링 기계(HASEGAWA-HPF, Hasegawa Machine Works, LTD, JAPAN)를 이용하여 정밀 선반 가공한 후, 티타늄 지그 두께의 정확성 검증을 위해 검사를 시행하였다(Profile Projector V-12A, Nikon Co., JAPAN).
티타늄 지그의 상부와 동일한 크기(폭 5 ㎜, 높이 10 ㎜)로 가공된 피에조 세라믹 소자(4)를 도전성 접착제(Metech (Silver Epoxy) Conductive Adhesive 6090 A B, Electronic Mateirals Technology, Penn., USA)를 이용하여 티타늄 지그의 상부 앞뒤면에 접착하였다. 제조 회사의 지시에 따라 실온에서 24 시간의 접착제 소성 기간을 거친 후 티타늄 지그와 피에조 세라믹 소자 간의 비전도성 테스트를 시행하였다.
AD/DA 컨버터(2,7)는 NI-DAQ Version 6.51(National Instruments, TX., USA)을 이용하여 사인 스위프, 백색 잡음, 임펄스 방식을 모두 채택할 수 있도록 프로그래밍하여 20,000 ㎐ 내에서 주파수 분석이 가능하도록 하였다.
완성된 트랜스듀서(5)의 두께 차이에 따른 공명 주파수 영역을 분석하여 효과적이고 안정된 측정치 영역을 재현할 수 있도록 하였다. 즉, 예비실험으로서 캔틸레버 빔에 임펄스 기법으로 가진하여 물성의 변화에 따른 진동 모드와 그에 따른 주파수를 측정하였다. 그 결과, 두께 0.5 ㎜의 트랜스듀서에서는 진동 모드가 약하게 변화하였고 주파수 영역이 5,000 ㎐ 미만에 분포하는 양상을 보였으며, 두께 1.0 ㎜의 트랜스듀서에서는 진동 모드가 확연히 변화하였고 주파수 영역이 5,000∼ 10,000 ㎐ 사이에 분포하는 양상을 보였고, 두께 2.0 ㎜의 트랜스듀서에서는 진동 모드가 심하게 변화하였고 주파수 영역이 10,000 ㎐ 이상의 영역에 분포하는 양상을 보였다. 따라서, 본 발명의 공진 주파수 측정 장치에는 두께 1.0 ㎜의 트랜스듀서(5)를 사용하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 제작된 본 발명의 공진 주파수 분석 장치의 자체 안정성을 검증하기 위하여, 생체외 실험에서는 인체의 골 경도와 유사한 물성치를 갖는 에폭시 수지 시편과 신선한 우늑골 시편에 임플랜트를 식립하여 공진 주파수 측정후 데이터를 분석하고, 측정치의 검증을 위해 페리오테스트를 이용한 측정치와 비교 분석하였다. 또한 생체내 실험에서는 뉴질랜드산 가토의 경골에 임플랜트를 식립하여 공진 주파수를 측정하였다.
효과 시험예
(1) 실험 재료
임플랜트로는 전체가 선반 가공되어 평활한 표면을 갖는 CP Grade Ⅱ 티타늄 나사형 임플랜트(C.P. Titanum Machined Screw Implant)로 AVANA Implant(Soo Min Co., 한국)를 사용하였다.
임플랜트 포매 재료로는 에폭시 수지 JRA-323(정도화성(주), 한국), 포토엘라스틱 디비젼 에폭시 수지(PL-2)(Measurement Group Inc. N.C., USA), 및 핫멜트 접착제(EVA 접착 수지)(오성산업(주), 한국)를 사용하였다.
골 시편으로는 신선한 우늑골을 폭경 10∼15 ㎜, 길이 60∼70 ㎜로 시편을 제작하고 임플랜트 식립 부위의 피질골 두께가 2∼3 ㎜가 되도록 조절한 것을 사용하였다.
지대주(abutment)는 CP Grade Ⅱ 티타늄(Dynamet Specialty Metal Products, USA) 재질로 제작하였고, 유효 지대주 길이에 따른 공진 주파수의 변화량을 측정하기 위해 그 길이 차이를 실제 임상에서 사용되고 있는 3, 4, 5.5, 7, 8.5, 10 ㎜로 조건을 부여하였으며, 트랜스듀서의 연결이 가능하도록 지대주 나사 상부의 형태를변형하였다.
다음 실험에서는 나선형 골유착 티타늄 임플랜트와 지대주를 연결한 상부에 트랜스듀서를 장착하여 공진 주파수를 측정하였다. 측정된 공진 주파수는 임플랜트 계면에서의 강직도(stiffness)의 변화와 그것에 대항하는 감퇴(damping) 측정치와의 관계를 나타내고 입력된 힘에 대한 출력 응답의 비율을 측정하여 진동수 응답 곡선을 그려낼 수 있다. 다른 실험 조건으로는 지대주의 길이 차이를 실제 임상에서 사용되고 있는 3.0, 4.0, 5.5, 7.0, 8.5, 10.0 ㎜로 조건을 부여하여 노출된 길이(effective length)에 따른 공진 주파수의 변화량을 측정한다.
(2) 생체외(in vitro) 실험
① 에폭시 수지 시편
공진 주파수 분석을 시행하는데 정확한 동일 실험 조건 부여를 위해 트랜스듀서와 지대주를 20 N·㎝로 임플랜트에 고정하였고(Dynamometrical Contra Angle Torque Driver, Anthogyr Co., France 사용), 각 지대주에 대해 10 회씩 측정하였다.
공진 주파수 분석 장치의 검증을 위한 실험 시편은 각 3 종류의 포매 재료를 이용하고, 5 가지의 다른 실험 조건을 부여하도록 실험 시편을 제작하였다.
직경 3.75 ㎜, 길이 13.0 ㎜의 평활한 표면을 갖는 나사형 임플랜트를 노출량이 동일하게 포매하기 위해 알루미늄 소재를 이용하여 금속 주형을 선반 가공하여 제작하였다. 공진 주파수 분석 장치의 성능 검증과 측정치에 대한 정확성과 일정성을 검증하기 위해 동일한 크기의 임플랜트 9 개를 상부의 노출량이 동일하도록핫멜트 접착제(EVA 접착 수지)(오성산업(주), 한국)에 포매하였다.
또한 가로 40 ㎜, 세로 10 ㎜, 높이 30 ㎜ 금속 시편을 선반 가공하여 제작한 후 시편 제작시 필요한 실리콘 몰드(Extrudi Polyvinylsilixane Impression Material, KERR Co., US)를 제작하여, 포토엘라스틱 디비젼 에폭시 수지(PL-2) (Measurement Group Inc. N.C., USA)를 제작하였다. PL-2는 인체의 피질 골 경도와 유사한 물성치를 갖는다. 완성된 블록에 통상의 방법에 따른 천공을 시행한 후, 지름 3.75 ㎜, 길이 13.0 ㎜의 나사형 임플랜트 9 개를 0∼8 ㎜가 각각 노출되도록 식립하여 10회씩 측정하였다.
다른 시편에서는 각기 길이가 다른 임플랜트(지름 3.75 ㎜, 길이 7.0, 8.5, 10.0, 11.5, 13.0, 15.0, 18.0, 20.0 ㎜)를 역시 통상의 방법에 따라 천공을 시행한 후 식립하여 10 회씩 측정하였다.
임플랜트의 길이에 따른 차이를 측정하기 위해 길이 7.0, 8.5, 10.0, 11.5, 13.0, 15.0, 18.0, 20.0 ㎜인 나사형 임플랜트를 선반 가공된 알루미늄 금속 주형에 고정시킨 후 에폭시 수지 JRA-323(정도화성(주), 한국)에 포매하여 공진 주파수를 각 10 회씩 측정하였다.
또한, 임상에서 문제가 되는 임플랜트의 노출량에 따른 안정성 평가를 위해 지름 3.75 ㎜, 길이 13.0 ㎜의 나사형 임플랜트 9 개를 0∼8 ㎜가 각각 노출되도록 주형을 제작하여 에폭시 수지 JRA-323(정도화성(주), 한국)에 포매하여 공진 주파수를 각 10 회씩 측정하였다.
② 동물뼈 시편
신선한 우늑골을 피질 골 두께 2∼3 ㎜, 폭경 10∼15 ㎜, 길이 60∼70 ㎜의 조건에 맞도록 10 개의 시편을 제작하였다. 각 시편들은 골 조직의 영 계수 (Young's modulus) 감소를 2 % 이내로 하기 위하여 50 % 에탄올/식염수 용액에 담가두었다. 23 ℃ 실온에서 3 시간 동안 유지하였으며, 수분을 유지하기 위해 식염수를 적신 거즈로 덮어두었다. 인체에서 피질 골이 얇은 상악 구치부의 골질을 재현하기 위하여 식립 부위의 피질골을 균일하게 1.0 ㎜ 남기고 삭제하였다.
임플랜트 식립 부위는 제조 회사의 지시와 표준화된 수술 방법에 따라 우늑골에 천공하였다. 각 시편당 임플랜트(Soo Min, 한국) 1 개씩, 총 10 개의 임플랜트를 식립하여 트랜스듀서를 수직, 수평 방향으로 장착하여 공진 주파수를 10 회씩 측정하였다.
비교를 위해 페리오테스트(Siemens AG, Bensheim, Germany)에 의한 측정을 시행하였다. 페리오테스트 값(PTV)의 측정은 임플랜트 식립시 골 시편 상부에서 4 ㎜ 상방 지점의 장착 마운트(fixture mount)에서 시행하였으며, 장치의 핸드피스를 수평으로 유지하였고 손잡이는 장착 마운트에 수직으로, 4 ㎜ 이상 떨어지지 않도록 하였으며, 각각의 임플랜트에 대하여 같은 높이에서 수직, 수평 두 방향으로 3 회 반복 시행하였다. 측정값이 ±1 이상 벗어나지 않는 경우 그 값의 평균값을 얻었고 그렇지 않은 경우에는 반복 측정하였다.
(3) 생체내(in vivo) 실험
실험 동물로는 분리된 장소에서 표준 식이로 사육한 체중 4 ㎏ 이상의 성숙한 뉴질랜드산 가토 16 마리를 사용하였다. 가토의 경골에 지름 3.75 ㎜, 길이 10㎜의 나사형 임플랜트 16 개를 마리당 1 개씩 식립 후 트랜스듀서를 수직, 수평 방향으로 장착하여 각 3 회씩 측정하였다. 시간의 경과에 따른 골융합 결과 공진 주파수의 변화를 측정하기 위해 식립 즉시, 4 주, 8 주, 12 주, 16 주에 각각 식립된 부위를 절개하여 공진 주파수를 측정하였다.
(4) 통계 처리
본 실험 결과의 통계 처리는 윈도우용 SPSS V8.0(SPSS Inc., USA)를 사용하였다. 각 측정값들이 정규 분포를 이루는지 조사하기 위하여 K-S 테스트를 시행하였고, 조건에 따른 각 군의 유의성(p<0.01, p<0.05)을 조사하기 위하여 테스트 (one-way ANOVA test와 Correlation test)를 시행하였다.
(5) 실험 결과
핫멜트에 식립한 동일한 길이의 임플랜트에서는 공진 주파수 측정시 균일한 측정치를 보여주었으며, 지대주의 길이가 증가함에 따라 유의성 있는 차이를 보였고(p<0.01), 트랜스듀서의 두께가 0.5, 1.0, 2.0 ㎜로 증가함에 따라 공진 주파수는 유의성 있게 증가되었다(p<0.01).
도 3은 동일한 길이의 임플랜트를 핫멜트 접착 수지에 노출량이 동일하도록 식립한 경우 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 지대주의 길이가 증가함에 따라 공진 주파수가 유의성 있게 증가되는 것을 보여준다.
PL-2와 에폭시 수지에 노출량을 다르게 식립한 임플랜트의 공진 주파수를 측정한 경우에는, 노출량이 감소되고 지대주 길이가 감소될수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가되었다(p<0.01).
물성 차이에 따른 비교에서는 트랜스듀서의 두께가 증가할수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가하였고(p<0.01), 임플랜트가 식립된 재료의 강도가 증가하고 지대주의 길이가 감소할수록 공진 주파수는 유의성 있게 증가하였다(p<0.05).
도 4는 임플랜트를 에폭시 수지에 식립한 경우 노출량과 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 도 4a는 트랜스듀서의 두께가 0.5 ㎜인 경우, 도 4b는 트랜스듀서의 두께가 1.0 ㎜인 경우, 도 4c는 트랜스듀서의 두께가 2.0 ㎜인 경우이다. 여기에서 보면, 노출량이 감소되고 지대주 길이가 감소될수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가되며, 또한 트랜스듀서의 두께가 0.5, 1.0, 2.0 ㎜로 증가함에 따라 공진 주파수가 유의성 있게 증가되는 것을 알 수 있다.
도 5는 임플랜트의 노출 길이를 0∼8 ㎜로 변화시킬 때 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 도 5a는 PL-2에 식립한 경우이고, 도 5b는 에폭시 수지에 식립한 경우이다. 여기에서 보면, 노출량이 감소되고 지대주 길이가 감소될수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가되며, 식립된 재료의 강도가 증가할수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가되는 것을 알 수 있다.
도 6은 임플랜트를 식립한 재료의 강직도와 지대주의 길이에 따른 공진 주파수 측정치를 나타낸 그래프로, 도 6a는 트랜스듀서의 두께가 0.5 ㎜인 경우이고, 도 6b는 트랜스듀서의 두께가 1.0 ㎜인 경우이다. 여기에서 보면, 임플랜트가 식립된 재료의 강도가 증가하고 지대주의 길이가 감소할수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가되며, 트랜스듀서의 두께가 증가할수록 공진 주파수가 유의성 있게 증가되는 것을 알 수 있다.
골 시편에서 공진 주파수와 페리오테스트 측정시, 지대주의 길이가 증가함에 따라 두 가지 측정치 모두 유의성 있는 차이를 보였고, 각각의 측정 방향에 따른 비교에서는 유의성 있는 차이가 보이지 않았다(p<0.05).
도 7은 임플랜트를 골 시편에 식립한 경우 지대주의 길이와 측정 방향에 따른 공진 주파수를 나타낸 그래프로, 지대주의 길이가 증가함에 따라 공진 주파수가 유의성 있게 감소하고, 측정 방향에 따른 유의성 있는 차이는 없음을 보여준다.
도 8은 임플랜트를 골 시편에 식립한 경우 지대주의 길이와 측정 방향에 따른 페리오테스트 값(PTV)을 나타낸 그래프로, 지대주의 길이가 증가함에 따라 PTV 값이 유의성 있게 증가하고, 측정 방향에 따른 유의성 있는 차이는 없음을 보여준다.
가토의 생체 실험에서는 동일한 길이의 임플랜트에 대하여 공진 주파수는 일정한 양상을 보였으며 4주∼8주간을 제외한 시간의 경과에 따라 공진 주파수가 유의성 있게 증가되었다(p<0.05).
표 1은 시간 경과에 따른 공진 주파수 시험 결과를 나타낸 것으로, 시간의 경과에 따라 공진 주파수가 유의성 있게 증가한 것을 보여준다.
| 기간 | N | 공진 주파수 (㎐), Subset for alpha=0.05 | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| 0 주4 주8 주12 주16 주Sig. | 1616161616 | 5884.97921.000 | 6315.95836434.17710.457 | 6642.03131.000 | 6981.51041.000 |
이상의 실험 결과에서 보듯이, 본 발명에 따른 공진 주파수 측정 방법 및 장치에 의하면 균일한 측정치를 반복적으로 재현 가능하게 얻을 수 있으며, 이와 같이 얻어진 공진 주파수에 의해 임플랜트의 안정성을 측정할 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 임플랜트의 안정성을 측정하기 위한 공진 주파수 측정 방법 및 장치에 따르면, 균일한 측정치를 반복적으로 재현하는 것이 가능하고 안정된 측정 데이터를 빠른 시간 내에 처리할 수 있다. 이에 따라, 임플랜트의 안정성과 골유착 측정을 정량적으로 표준화시키고 측정 데이터의 신뢰성을 보완할 수 있으며, 이같은 임플랜트의 안정성 측정값을 기초로 하여 임플랜트 디자인을 각각의 환자에게 가장 적합하도록 개량할 수 있고 임플랜트의 실패율을 줄일 수 있다.
Claims (7)
- PC로부터 임펄스 가진에 따른 디지털 파형을 발생시키고;상기 디지털 파형을 D/A 컨버터에서 아날로그 파형의 전압으로 변환시키고;상기 전압을 진동으로 변환시키고;상기 진동이 임플랜트에 고정된 트랜스듀서(transducer)를 진동시켜 진폭 변화를 야기시키도록 하고;상기 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키고;상기 전기적 신호를 A/D 컨버터에서 디지털 신호로 변환시키고; 그리고상기 디지털 신호를 가지고 PC에서 주파수 분석을 행하는 단계를 포함하는, 임플랜트의 안정성 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서, 전압을 진동으로 변환시키거나, 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키는 단계는 피에조 세라믹 소자(Piezo ceramic element)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 임펄스 가진에 따른 디지털 파형을 발생시키고, 디지털 신호를 입력 받아 주파수 분석을 행하는 수단;상기 디지털 파형을 아날로그 파형의 전압으로 변환시키거나, 전기적 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AD/DA 컨버터;상기 컨버터로부터의 아날로그 파형의 전압을 진동으로 변환시키거나, 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키는 수단; 및임플랜트에 고정되어 상기 수단으로부터의 진동에 의해 진폭 변화를 일으키는 트랜스듀서를 포함하는 임플랜트의 안정성 측정 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 트랜스듀서가 티타늄 재질로 되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 트랜스듀서가 캔틸레버 빔(cantilever beam)의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 트랜스듀서의 두께가 1.0 ㎜인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 컨버터로부터의 아날로그 파형의 전압을 진동으로 변환시키거나, 진폭 변화된 진동을 전기적 신호로 변환시키는 수단이 피에조 세라믹 소자인 것을 특징으로 하는 장치.
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