유한요소법에 근거한 의치 설계란?｜부분 틀니를 지지하는 치아에 가해지는 힘을 생각하는 설계

유한요소법에 근거한 의치 설계란?

유한요소법에 근거한 의치 설계는 빈 대학교에서 보철학 교수를 지낸 루돌프 슬라비체크 교수가 유한요소법의 해석을 바탕으로 고안한 부분 틀니 설계의 사고방식입니다.

부분 틀니를 지지하는 치아에 가능한 한 생리적인 방향과 크기의 힘만 가해지도록 틀니의 형태를 정합니다.

부분 틀니는 남아 있는 치아에 틀니를 고정하는 부분(유지 장치)을 걸어서 사용합니다.

유지 장치가 걸려 있는 치아를 지대치라고 부릅니다.

유한요소법은 일반적으로 컴퓨터상에 만든 형태의 모델에 힘의 조건을 주어, 내부에 생기는 힘(응력)이나 변형(변형률)을 계산하는 방법입니다.

형태를 작은 요소로 나누어 계산하기 때문에 ‘유한요소법’이라고 불립니다.

치과에서도 치아나 틀니에 가해지는 힘을 조사하는 연구에 사용되고 있습니다.

본원에서는 교수의 해석을 바탕으로 한 이 설계의 사고방식에 따라 한 분 한 분의 부분 틀니를 설계합니다.

원장이 이 사고방식을 교수에게서 직접 배운 것은 2000년의 일입니다.

본원에서는 교합(치아의 맞물림)은 사토 사다오 교수의 사고방식을, 틀니의 설계는 슬라비체크 교수의 사고방식을 바탕으로 하고 있습니다(오스트리아 그나톨로지).

금색 금속 프레임과 고리가 달린 위쪽 부분 틀니 — 금속 프레임을 사용한 부분 틀니

유한요소법에 근거한 의치 설계의 원리

부분 틀니는 물면 가라앉으며 회전한다

부분 틀니 중 어금니를 잃은 곳 등을 보충하는 부분은 잇몸 위에 얹혀 있습니다.

물면 이 부분은 잇몸을 눌러 가라앉습니다.

이때 틀니는 지지하는 치아 부근을 축으로 하여 회전하듯이 움직입니다.

사진에서는 앞쪽의 지지하는 치아 부근을 가로로 지나는 선이 회전축이고, 뒤쪽 인공치 부분이 잇몸 쪽으로 가라앉습니다.

투명한 모형 위의 위쪽 부분 틀니. 앞쪽의 지지하는 치아 부근을 가로지르는 선에 “회전축”, 뒤쪽 인공치 부분을 향하는 2개의 화살표에 “침하”라고 적혀 있다 — 물었을 때의 틀니 회전축과 침하

지지하는 치아에 가해지는 3가지 힘

틀니가 회전하듯이 움직이면 지지하는 치아(지대치)에는 다음 3가지 힘이 가해집니다.

힘	치아에 가해지는 방향	원장의 생각
부상력	치아를 끌어올리는 방향	작은 힘이라도 생리적이지 않다
경사력	치아를 기울이는 방향	일정한 범위라면 생리적
압하력	치아를 뿌리 쪽으로 누르는 방향	일정한 범위라면 생리적

치아 뿌리 주위에는 치주인대라는 얇은 조직이 있어, 치아에 가해지는 압력을 감지하는 센서(기계수용기)의 역할을 하고 있습니다.

원장은 치아가 뿌리 방향으로 눌릴 때 몸은 반사 작용으로 그 힘에 대응할 수 있다고 생각합니다.

한편 치아를 끌어올리는 부상력은 틀니가 생기고 나서 비로소 치아가 받게 된 힘으로, 몸에는 아직 이에 대응하는 반사의 형태가 만들어져 있지 않다고 원장은 설명합니다.

그래서 부상력은 없애거나 가능한 한 작게 하는 것을 목표로 설계합니다.

교수는 이러한 힘이 가해지는 방식을 물리학적으로 해석하여, 실제 틀니 설계에 사용할 수 있는 형태로 만들었습니다.

치아와 잇몸은 가라앉는 방식이 다르다

부분 틀니는 남아 있는 치아와 치아가 없는 곳의 잇몸 양쪽으로 지지합니다.

원장의 설명에 따르면 물었을 때 잇몸의 움직임은 치아 움직임의 10배 정도입니다.

일반적으로 어금니가 없는 곳을 보충하는 부분 틀니에서는 지지하는 치아와 잇몸이 가라앉는 방식이 다르기 때문에, 단단한 금속 프레임을 통해 치아가 없는 곳 바로 옆의 지지하는 치아에 뒤쪽으로 기울이는 듯한 큰 힘이 가해질 수 있다고 알려져 있습니다.

본원에서는 이 가라앉는 방식의 차이를 프레임이나 어태치먼트의 설계로 분담시킵니다.

모형 위의 금색 어태치먼트(확대) — 틀니와 치아를 연결하는 어태치먼트(모형 위)

프레임 안에서 단단한 곳과 움직이는 곳을 나눈다

부분 틀니의 금속 프레임. 가운데 고리 모양 부분이 빨간 원으로 둘러싸여 있고, 좌우 인공치 부분에 노란 화살표가 그려져 있다 — 전체를 단단하게 하는 부분(빨간 원)과 움직이는 부분(노란 화살표)

틀니의 뼈대에 해당하는 금속 부분(프레임)은 모든 곳을 같은 강성으로 만드는 것은 아닙니다.

사진의 빨간 원 부분은 프레임으로서 전체에 높은 강성을 갖게 하는 곳입니다.

이곳을 단단하게 함으로써 노란 화살표로 표시한 움직이는 부분의 움직임을 일정하게 합니다.

씹을 때마다 틀니가 같은 움직임을 함으로써 입에서 뇌로 전달되는 정보도 일정해진다고 원장은 생각합니다.

단면의 형태로 휘는 방식을 바꾼다

단면의 형태에 따른 휘는 방식의 차이를 나타낸 그림. 납작한 판은 힘을 받으면 휘고, 반원 모양의 막대는 잘 휘지 않는다 — 단면의 형태에 따른 휘는 방식의 차이(위: 납작한 단면, 아래: 반원 모양의 단면)

같은 금속이라도 단면의 형태에 따라 휘는 방식이 달라집니다.

단면이 납작한 부분은 힘이 가해지면 휩니다.

단면이 반원 모양인 부분은 잘 휘지 않고 힘을 그대로 전달합니다.

그래서 압력이 가해지기 쉬운 치아에 대해서는 단면이 납작한 부분으로 압력을 덜어 주는 구조를 만듭니다.

반대로 힘을 확실하게 전달하고 싶은 곳에는 단면이 반원 모양인 프레임을 사용하여 변형을 막습니다.

좌우를 잇는 프레임의 역할

좌우를 잇는 금속 프레임에는 틀니에 필요한 기능을 모아서 갖게 합니다.

일반적으로 부분 틀니에서는 틀니가 빠지는 것을 억제하는 기능을 ‘유지’, 틀니가 옆으로 흔들리는 것을 억제하는 기능을 ‘파지’라고 부릅니다.

아래쪽 틀니에서 좌우를 잇는 부품(설측 바)은 틀니 중에서도 특히 강성이 필요한 부품입니다.

백금가금과 코발트크롬으로 관처럼 속이 빈 구조로 만들어 전체의 강성을 높인 것도 있습니다(백금가금).

사진: 좌우를 잇는 프레임

백금가금과 코발트크롬으로 만든, 속이 빈 설측 바(확대) — 속이 빈 설측 바(확대)

본원이 유한요소법에 근거한 의치 설계를 도입하는 이유

지지하는 치아에 가해지는 힘을 조절하고 싶기 때문에

원장은 부분 틀니 설계에서는 지지하는 치아에 가해지는 힘을 제어하는 것을 빼놓을 수 없다고 생각합니다.

어태치먼트 등 틀니와 치아를 잇는 부분의 설계는 남아 있는 치아나 그 주위 조직에 직접 힘이 가해지기 때문에 특히 중요합니다.

치주인대에 생리적인 힘을 전달하고 싶기 때문에

치주인대는 압력을 감지하는 센서입니다.

원장은 이곳에 어떤 힘이 전달되는지가 틀니의 긴 경과를 좌우한다고 생각합니다.

낮의 기능과 잠자는 동안의 이갈이를 모두 고려하기 때문에

본원에서는 프레임이나 인공치의 세세한 형태를 낮의 기능과 밤의 기능 양쪽을 고려하여 마무리합니다.

낮에는 씹기, 삼키기, 말하기와 같은 기능을 몸에 무리 없이 할 수 있도록 합니다.

밤에는 잠자는 동안의 이갈이를 생리적인 범위로 유지할 수 있도록 씹는 면과 턱관절의 움직임이 조화를 이루는 형태로 만듭니다.

원장 자신이 설계의 사고방식을 고쳐 왔기 때문에

원장은 1991년 무렵 지지하는 치아에 힘이 가해지는 방식을 모두 고정하여 틀니를 지지하는 형식(리지드 서포트)을 중심으로 틀니를 만들었습니다.

그 후 치주인대를 ‘감각 수용기’로 파악하는 슬라비체크 교수의 사고방식을 받아들여 설계의 사고방식을 고쳤습니다.

원장은 설계의 좋고 나쁨은 4~5년과 같은 짧은 기간으로는 판단할 수 없고, 많은 틀니의 긴 경과를 보고 판단하는 것이라고 생각합니다.

한 번 만들면 끝이 아니라 과학의 진보에 맞추어 장치도 재검토해 나가야 한다고도 생각합니다.

본원에서의 실제

부분 틀니 설계에서 고려하는 것

본원에서는 부분 틀니를 설계할 때 주로 다음과 같은 것을 고려합니다.

검사 기록: 남아 있는 치아, 잇몸(점막), 골격, 턱의 움직임(분할 모형 · 점막 기록 · 세팔로 분석 · Cadiax)
물었을 때 틀니가 어떻게 가라앉고 어디를 축으로 회전하는지
지지하는 치아에 가해지는 힘의 방향과 크기. 그에 맞춘 유지 장치나 어태치먼트의 위치와 형태
프레임 안에서 단단하게 하는 곳과 움직이게 하는 곳. 단면의 형태
끼우고 빼는 방향과 물었을 때 힘이 전달되는 방향(평행 밀링)

형태로 만들고 확인한다

설계한 형태는 왁스로 만들고, 주조하여 금속으로 바꿉니다(왁스업 · 주조).

임시 의치에도 최종 틀니와 같은 구조를 갖게 하여 사용해 보시면서 확인합니다(임시 치아 · 임시 의치).

넣은 뒤에도 경과를 확인하고 필요에 따라 조정이나 수리를 합니다.

사용하는 금속의 종류가 바뀌어도 설계의 사고방식은 바뀌지 않습니다.

사진: 이 사고방식으로 설계한 부분 틀니

금속 프레임을 사용한 부분 틀니를 비스듬히 위에서 본 모습 — 부분 틀니(금속 프레임)

금속 프레임이 들어간 위쪽 틀니를 옆에서 본 모습 — 위쪽 틀니(금속 프레임)

금색 금속 프레임에 인공치가 달린 부분 틀니 — 부분 틀니(금속 프레임)

앞뒤에 치아가 남아 있는 곳을 보충하는 틀니

앞뒤에 치아가 남아 있는 곳을 보충하는 부분 틀니의 금속 프레임 — 중간의 치아를 보충하는 부분 틀니의 프레임

앞과 뒤에 치아가 남아 있는 곳을 보충하는 부분 틀니는 물면 자연치와 마찬가지로 뿌리 방향으로 가라앉습니다.

이때 남아 있는 치아에도 뿌리 방향으로 힘이 전달되도록 어태치먼트의 면을 밀링으로 다듬습니다.

인공치 2개를 지지하는 부분 틀니의 금속 프레임 — 부분 틀니의 금속 프레임

위아래 치열이 크게 어긋나 있을 때

위쪽 부분 틀니의 금속 프레임. 오른쪽 어금니 부분에 초록 원과 빨간 원이 그려져 있다 — 빨간 원 = 위쪽 치열의 범위, 초록 원 = 아래쪽 치열의 범위

위아래 치열이 옆으로 크게 어긋나 있으면 교합의 세로 방향 지지를 얻기 어려워집니다.

그런 경우 금속 프레임을 위턱의 안쪽(구개 쪽)으로 연장하여, 아래쪽 치아를 받아 주는 교합의 받침으로 삼는 설계가 있습니다.

사진의 빨간 원은 원래 위쪽 치열이 있는 범위, 초록 원은 아래쪽 치열이 있는 범위입니다.

부분 틀니 금속 프레임의 일부. 초록색 화살표가 그려져 있다 — 금속 프레임(초록 화살표)

앞으로의 변화에 대비하여

금속 프레임과 인공치로 된 아래쪽 부분 틀니. 인공치 중 1개는 나중에 추가한 것 — 아래쪽 부분 틀니(1개는 나중에 추가한 인공치)

나이가 들면서 나중에 보존할 수 없게 되는 치아가 생기는 경우가 있습니다.

그럴 때는 틀니에 인공치를 추가하는 수리를 검토합니다.

그래서 나중에 수리할 수 있는 소재와 구조로 틀니를 만들어 둡니다.

수리에는 원내의 레이저 용접을 사용합니다.

치료 기간 · 횟수 · 비용 · 위험성에 대하여 → 요금표

유한요소법에 근거한 의치 설계로 할 수 있는 것 · 할 수 없는 것

유한요소법에 근거한 의치 설계로 할 수 있는 것

물었을 때 틀니가 어떻게 가라앉고 어디를 축으로 회전하는지를 고려하여, 지지하는 치아에 가해지는 힘의 방향과 크기를 조절한다
지지하는 치아를 끌어올리는 힘(부상력)을 없애거나 가능한 한 작게 하는 것을 목표로 한다
치아와 잇몸이 가라앉는 방식의 차이를 프레임이나 어태치먼트의 설계로 분담시킨다
프레임 안에서 단단한 곳과 움직이는 곳을 나누고, 단면의 형태로 휘는 방식을 바꾼다
사용하는 금속이 바뀌어도 같은 사고방식으로 설계한다

할 수 없는 것 · 본원에서 보완하는 방법

할 수 없는 것	본원에서 보완하는 방법
설계만으로 틀니의 이후 경과를 약속하는 것	넣은 뒤에도 경과를 확인하고 조정이나 수리를 한다(틀니 페이지 ‘오래 사용하기 위해’)
지지하는 치아 자체의 질환(충치 · 치주 질환 등)을 치료하는 것	남아 있는 치아의 치료를 치료 계획에 포함한다(치주 질환 페이지)
한 사람 한 사람의 잇몸 두께나 성질을 계산만으로 아는 것	점막 기록
교합의 위치나 인공치의 각도를 정하는 것	Cadiax · 세팔로 분석 · 인공치 배열
나중에 치아를 잃는 등 입안의 변화를 멈추는 것	나중에 수리할 수 있는 소재와 구조로 만든다(레이저 용접)

일반적으로 유한요소법의 해석은 몸의 조직을 어느 정도 단순화한 모델로 계산하기 때문에, 실제 몸속의 힘과는 차이가 생기는 경우가 있다고 알려져 있습니다.

잇몸의 두께나 점성 등은 해석 모델에 거의 포함되어 있지 않다고도 지적되고 있습니다.

자주 묻는 질문

지대치란 무엇입니까?

부분 틀니를 고정하는 부분(유지 장치)이 걸려 있는 치아를 말합니다.

부분 틀니는 이 치아와 치아가 없는 곳의 잇몸으로 지지됩니다.

본원에서는 지대치에 가해지는 힘의 방향과 크기를 고려하여 설계합니다.

금속의 종류에 따라 설계가 달라집니까?

설계의 사고방식은 사용하는 금속의 종류와 관계없이 같습니다.

그런 다음 필요한 형태나 강성에 맞추어 소재를 선택합니다.

틀니를 만든 뒤에 남아 있는 치아를 잃으면 어떻게 됩니까?

상태에 따라서는 틀니에 인공치를 추가하는 수리를 검토합니다.

본원에서는 나중에 수리할 수 있는 소재와 구조로 틀니를 만들고, 수리에는 원내의 레이저 용접을 사용합니다.

수리가 가능한지 여부는 그때의 틀니와 입안의 상태에 따라 다릅니다.

이 설계의 틀니는 얼마나 사용할 수 있습니까?

틀니를 사용할 수 있는 기간에는 개인차가 있어 약속드릴 수 없습니다.

본원에서는 만든 틀니의 경과를 기록하여 확인하고, 조정이나 수리를 계속합니다.

원장은 설계의 좋고 나쁨은 긴 경과를 보고 판단하는 것이라고 생각합니다.

참고한 자료

일반적인 설명(유한요소법이란 무엇인가, 부분 틀니에서 일반적으로 힘이 가해지는 방식, 유지와 파지라는 말의 의미)에는 다음의 공개 자료를 참고했습니다. 본원의 방법은 원장의 게시글 · 설명에 따른 것입니다.

상담 · 문의

의료법인사단 기바카이 요시미 치과의원
〒194-0001 일본 도쿄도 마치다시 쓰쿠시노 1-29-1 스퀘어2 302호(3층)
TEL 042-795-1359　FAX 042-795-1398
진료일: 월 · 화 · 목 · 금 10:00–13:00 / 14:30–18:00

첫 진료는 검사와 진단을 하는 초진 상담(보험 적용 외 진료, 30분~1시간)으로 시작합니다. 다른 치과에서 받은 진단에 대한 상담도 이 시간 안에서 받습니다.

씹을 수 없거나 증상이 심한 등 긴급한 경우에는 전화(042-795-1359)로 상담해 주십시오.

유한요소법에 근거한 의치 설계