Effects of in vitro experiment conditions on the resonance frequency analysis results

실험실 온도 및 습도 조건이

공진 주파수 분석결과에 미치는 영향

차민상*, 박찬진, 조리라, 이양진 강릉대학교 치과대학 보철학교실

Effects of in vitro experiment conditions on the resonance frequency analysis results

Abstract

Min-Sang Cha*, Chan-Jin Park, Lee-Ra Cho, Yang-Jin Yi

Department of Prosthodontics, College of Dentistry, Kangnung National University

The aim of this study was to investigate the effects of changes of in vitro temperatures and humidity on the resonance frequency(RF) measurements.

Each 12 fixtures were installed into the two types of bovine rib bones with 2-mm thick superior cortical bone and no superior cortical bone. After installation, RF measurements were done after 0, 15, 30, 45 and 60 minutes in the 4。C , 23。C and 37。C wet conditions. Measurements were also made in the 23。C air during 24 hours. On the basis of the results of the above experiments, a total of other 120 fixtures with different lengths were installed into the prepared bovine rib bone varying the effective implant length and RF values were acquired. The results were analyzed statistically at the 95%

significant level. Resonance frequency measured at 23。C was stable at any conditions. Thus, this result could be used as a criterion on setting in vitro conditions.

Key words: implant, in vitro conditions, resonance frequency analysis

* 본 연구는 과학기술부 Biochallenge 사업 및 (주)MediSciTec의 지원에 의하여 수행되었음

서 론

치과 임플랜트의 골유착에 있어서 임상적인 안 정성 측정은 식립시부터 장기간의 성공 여부 를 평가하는데 중요하다. 임플랜트의 안정성 은 식립시의 일차 안정성과 골치유 및 골형성의 결과로 나타나는 이차 안정성으로 구분 할 수 있다. 일차 안정성 은 임플랜트 식립부위의 골질과 골량, 임플랜트의 구조, 식립시 사용된 기술 등의 영향을 받으며, 이것과 관련된 두가지 주된 요인으로는 골-임플랜트 접촉의 양, 임플랜 트-조직 계면에서 압축응력의 역할이 있다.

¹⁾

이러한 임플랜트의 안정성을 측정하는, 타진, 방사선 사 진, Periotest (Simens AG, Germany), Dental Fine Tester (Kyocera, Japan), 식립시 절삭력 측정 등의 비 파괴적인 방법 중 객관적으로 수치화되어 평가 할 수 있 는 방법의 하나가 Schulte가 개발한 Periotest 이다.

¹⁾

^2,3)

임상에서 쓰기에 간편하고, 비파괴적이면서, 더 정확한 반복 측정을 위한 공진 주파수 분석법이 Meredith 등에 의해 개발되었다.

⁴⁾

⁵⁾

공진 주파수 분석법에 영향을 미치는 요인들에 대해 Meredith 등

⁶⁾

계면의 견고도의 증가에 비례하며, 변환기의 디자인 자체 에 영향을 받으며, 유효 지대주 길이(effective implant length), 즉 고정체 길이와 지대주 길이의 합에 반비례한 다고 하였다.

¹⁾

¹¹⁾

지금까지의 공진 주파수 분석법을 이용한 임플랜트의 일 차안정성,

^7-9)

^10-14,19)

^16-18,20)

¹⁴⁾

⁷⁾

⁸⁾

Ⅳ 임플랜트는 다른 디자인의 임플랜트와 달리 제4형 골 질에서도 높은 일차 안정성을 보인다고 하였다. Nkenke 등

⁹⁾

Huang 등

¹⁰⁾

¹¹⁾

¹²⁾

I

가능성이 높은 것을 나타낸다고 하였는데 이것은 공진 주 파수 분석법을 통해 임플랜트의 실패를 미리 예측할 수 있는 가능성을 의미하는 것이다. Rasmusson 등

¹⁷⁾

¹⁸⁾

¹⁶⁾

²⁰⁾

이와같은 다양한 임상적 적용 결과치의 해석을 위하여 동 물 뼈 등을 이용한 실험실에서의 모의 실험

^5,6,9,21)

법,

^23-26)

²²⁾

²⁷⁾

상태 변화를 유발할 수 있는 실험실 측정 환경이 공진 주 파수 분석법에 미치는 영향에 대해 아직 보고된 바가 없 어, 본 연구에선 측정 시 변화될 수 요인인 온도와 습도 조건이 어떤 영향을 미치는가를 알아보고, 이를 통해 결 정된 조건에서 임상 측정 시와 유사하리라 생각되는 실험 을 통해 임상에서의 결과를 확인하고자 하였다.

연구 재료 및 방법

가급적 횡단면에서의 전체적인 외형과 해면골의 골소주 양상이 유사한 우늑골을 선택하여, 피질골 군은 우늑골을 삭제해 임플랜트 식립예정인 부위의 피질골 두께가 2 mm가 되도록, 폭이 6 mm 이상이 되도록 하고(그림 1), 해면골 군은 피질골과 해면골의 일부를 제거해 임플랜트 가 식립예정인 부위의 해면골을 노출시키고 해면골의 폭 이 6 mm이상이 되도록 하였다(그림 2). 피질골 군과 해 면골 군은 각각 피질골이 뚜렷한 하악골과 피질골이 거의 없는 상악골을 재현하기 위한 것이다. 냉동 보관된 골편 들을 자가중합형 트레이용 레진(Quicky resin , Nissin Co., Kyoto, Japan)을 이용하여 마운팅하였다. 이때 중 합시 발생하는 열에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위해 중합열 발생 전에 즉시 냉동 보관하여 냉동상태에서 중합 이 일어나게 하였다.

냉동 보관되어 있던 피질골 군 블록 4개, 해면골 군 블록 4개를 실온의 생리식염수에 3시간동안 담궈 해동시킨 후, 각 블록당 1 cm 간격으로 세지점에 통법에 따라 골 천공을 시행하였는데 최종 드릴(drill)의 직경은 3.15 mm 였으며, 피질골 군의 경우엔 탭핑(tapping)을 시행 하였으나 해면골 군에 있어서는 시행하지 않았다. 여기에 길이 10 mm, 직경 3.75 mm의 거친 표면을 갖는 순수 티타늄(gradeⅢ) 셀프-태핑(self-tapping) 임플랜트 (Neoplant , Neobiotech, Seoul, Korea)(그림 3)를 스 테인리스 스틸을 절삭하여 제작한 포지션닝 스탑 (positioning stop)(그림 4)을 이용해 식립 깊이(8.5 mm)가 일정하게 임플랜트의 칼라(collar) 하방 경계까 지 식립하였다. 결과적으로, 각 블록당 3개의 임플랜트가 식립되었으며, 4개의 피질골 군 블록과 4개의 해면골 군 블록에 각 군당 총 12개씩의 임플랜트를 식립하였다.

온도 조건의 영향을 알아보기 위하여 미리 온도가 설정된

II

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

^TM

Fig. 5.

Fig. 6.

냉장실과 항온수조의 생리식염수에 임플랜트가 식립된 블록들이 잠기도록 위치시키고, 블록의 온도가 설정한 온 도에 도달하도록 하기 위해 1시간 경과한 다음 15분 간 격으로 4회에 걸쳐 공진 주파수 측정을 시행하였다. 각 온도 조건은 4。C, 23。C, 37。C로서 온도 조건의 형성을 위해 23。C와 37。C의 경우엔 항온 수조인 WB- 10E(JEIO TECH, Seoul, Korea)를, 4。C는 4。C로 일 정하게 온도가 유지되는 냉장실을 이용하였으며, 공진 주 파수 측정시에는 Osstell

^TM

습도 조건의 영향을 알아보기 위해 앞에서 사용된 임플랜 트가 식립된 블록을 생리식염수가 들어 있는 23。C 항온 수조에서 앞에서와 같은 이유로 1시간 위치시킨 다음 23。C의 공기 중으로 옮긴 후부터 0시간, 1시간, 3시간, 6시간, 12시간, 24시간 경과시의 공진 주파수 측정을 시 행하였다.

냉동 보관되어 있던 피질골 군 블록 12개, 해면골 군 블 록 12개를 실온의 생리식염수에 3시간 동안 담궈 해동시 킨 후, 각 블록당 1cm 간격으로 5 지점에 통법에 따라 골 천공을 시행하고, 여기에 길이 8.5 mm, 10 mm, 11.5 mm, 13 mm, 15 mm 임플랜트를 각 블록당 1개씩 포 지션닝 스탑(positioning stop)을 이용해 식립 깊이(7 mm)가 일정하고 유효 지대주 길이가 각각 0.8 mm, 2.3 mm, 3.8 mm, 5.3 mm, 7.3 mm가 되도록 식립하 였다. 생리식염수가 들어 있는 23。C 항온수조에서 블록 의 온도가 설정한 온도에 도달하도록 하기 위해 1시간 경 과한 다음 골 블록들이 생리식염수에 잠겨있는 상태에서 각 임플랜트의 공진 주파수 측정을 시행하였다. 모든 공 진 주파수 측정시 우늑골 장축방향에 수직으로 변환기를

위치시켰으며, 2회 측정하여 평균치를 구하였다(표 1).

통계분석 시에는 Windows용 SPSS V10.0(SPSS Inc., USA)을 사용하여 95% 신뢰수준으로 반복 측정 분산분 석(repeated measure ANOVA)과 일원 분산분석(one- way ANOVA)을 시행하여 통계적 유의성을 확인하였으 며, 유의성 있는 차이가 있는 경우 Scheffe법으로 사후 검정을 시행하였다 (p<0.05).

연구 성적

각 실험 조건에 대한 임플랜트의 안정성을 공진주파수 분 석을 통해 검사하였다. 각각의 조건에 대한 측정치는 1에 서 100사이의 ISQ (Implant Stability Quotient)수치 로 기록되었다.

1. 습한 상태에서 온도 변화에 따른 피질 골 군 임플랜트의 안정성

피질골 군의 경우 습한 상태에서 4。C와 37。C에서의 ISQ수치 사이에는 유의성있는 차이가 있었으나 (p<0.05), 나머지 경우(4。C와 23。C, 23。C와 37。C)에 는 차이가 없었다 (p>0.05). 즉, 23。C에서의 ISQ수치는 4。C, 37。C와 차이가 없었다 (p>0.05). 같은 시간대와 비교시 온도가 낮을 수록 ISQ수치가 큰 양상을 보였다 (표 2).

2. 습한 상태에서 온도 변화에 따른 해면 골 군 임플랜트의 안정성

피질골 군과 달리 해면골 군에서는 모든 경우에서 습한

III

Table. 1.

Product Trade name Manufacturer

Fixture Neoplant Neobiotech, Seoul, Korea

Resonance frequency analyzer Osstell Intergration Diagnotics Ltd., Göteborg, Sweden

Water bath WB-10E Jeio Tech Co., Seoul, Korea

Self-curing resin Quicky resin Nissin Co., Kyoto, Japan

4** 12 80.55±3.16 81.36±3.19 80.86±3.60 81.00±3.37 80.50±3.45 0.021 23 12 79.08±3.04 78.46±3.03 78.42±3.22 78.29±2.69 78.04±3.01

37** 12 77.21±2.45 78.00±2.80 77.17±2.37 76.83±2.86 77.21±2.44

* Repeated Measure ANOVA (between subject effects)

** denotes that difference of each mean were statistically significant (p<0.05) by Scheffe's post-hoc test Table. 2.

Temperature(。C) N Time(min)

P-value*

0 15 30 45 60

4 12 70.41±3.91 70.51±3.72 70.77±3.81 70.59±3.75 70.68±4.36

23 12 69.88±2.52 69.38±2.89 69.51±3.11 69.17±2.42 69.33±2.63 >0.05 37 12 68.83±2.25 68.29±2.84 68.33±2.53 68.04±2.64 68.13±2.93

* Repeated Measure ANOVA (between subject effects)

Table. 3.

Temperature(。C) N Time(min)

P-value*

0 15 30 45 60

Table. 4.

Time(hr) N Mean ISQ ± SD P-value*

0 12 76.14 ± 3.12

1 12 75.25 ± 2.61

3 12 74.58 ± 3.29 >0.05

6 12 74.25 ± 2.33

12 12 74.17 ± 2.92

24 12 74.75 ± 3.09

* Repeated Measure ANOVA (between subject effects)

Table. 5.

Time(hr) N Mean ISQ ± SD P-value*

0 12 69.55 ± 2.91

1 12 68.71 ± 3.47

3 12 68.33 ± 3.52 >0.05

6 12 68.33 ± 3.55

12 12 68.58 ± 2.48

24 12 68.08 ± 3.62

* Repeated Measure ANOVA (between subject effects)

Table. 6.

Time(hr) N Mean ISQ ± SD P-value*

0.8 12 80.27 ± 2.69

2.3 12 74.92 ± 1.56

3.8 12 68.33 ± 1.72 <0.05

5.3 12 62.50 ± 3.02

7.3 12 56.42 ± 2.39

* one-way ANOVA

7.3 12 56.42

5.3 12 62.50

3.8 12 68.33

2.3 12 74.92

0.8 12 80.27

sig 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

Table. 7.

EIL(mm) N Subset for alpha=.05

0.8 2.3 3.8 5.3 7.3

7.3 12 44.92

5.3 12 50.42

3.8 12 56.00

2.3 12 62.25

0.8 12 67.36

sig 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

Table. 9.

EIL(mm) N Subset for alpha=.05

0.8 2.3 3.8 5.3 7.3

Table. 8.

EIL(mm) N Mean ISQ ± SD P-value*

0.8 12 67.36 ± 2.54

2.3 12 62.25 ± 2.56

3.8 12 56.00 ± 2.98 <0.05

5.3 12 50.42 ± 4.70

7.3 12 44.92 ± 4.80

* one-way ANOVA

상태에서 온도 차이에 따른 ISQ값의 차이는 없었다 (p>0.05). 그러나, 피질골 군처럼 같은 시간대와 비교시 온도가 낮을 수록 ISQ수치가 큰 양상을 보였다(표 3).

3. 건조 상태에 따른 임플랜트의 안정성

피질골 군과 해면골 군 모두에서 24시간까지의 건조에 의한 ISQ수치는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았 다 (p>0.05)(표 4, 5).

4. 유효 지대주 길이에 따른 임플랜트의 안정성

피질골 군 과 해면골 군 모두에서 유효 지대주 길이에 따 른 ISQ 수치의 차이를 보였으며, 유효 지대주 길이가 증 가함에 따라 ISQ 수치가 감소 하였다 (p<0.05)(표 6, 7, 8, 9).

고찰 및 결론

임플랜트의 일차 안정성은 주로 생역학적인 요인들에 의 해 결정되며, 이후의 임플랜트 안정성인 이차 안정성은 주로 생물학적인 요인들에 의해 결정된다. 좋은 일차 안 정성은 임플랜트의 미세동요를 감소시켜 골-임플랜트 계 면에서 섬유성 조직이 형성될 가능성을 줄이므로 임플랜 트의 일차 안정성은 성공적인 골유착을 위한 필수적인 요 소로 생각될 수 있다.

¹⁵⁾

측정시 변환기의 방향을 우늑골 장축방향에 수직으로 위 치시키고 측정하고 수평방향에서는 측정하지 않았는데, 이것은 Meredith 등

¹³⁾

3.75 mm 직경의 임플랜트 식립을 위해 적절한 협설 골 폭인 6 mm 이상을 확보하기 위해 연구에 사용된 우늑골 을 연마하여 골폭을 확보하였으며, 상악골과 하악골의 재 현과 피질골 유무의 영향을 알아보기 위해 피질골이 존재 하는 피질골 군과 피질골과 해면골을 제거해 해면골이 노 출된 해면골 군으로 설정해 실험하였다.

표 2의 결과를 보면 습한 상태에서 피질골이 존재하는 경 우 온도조건이 ISQ값에 영향을 미쳤으므로 실험실 조건 에서 실험 시 온도 조건을 고려해야 한다고 생각되며,실 온을 나타내기 위해 설정한 23。C에서의 측정치가 나머 지 온도 조건(4。C와 37。C)과 유의성 있는 차이를 보이 지 않았으므로 실온(23。C)에서의 실험실 공진 주파수 측 정치는 임상(37。C)에서의 측정시와 유사하리라 생각된 다.

표 4, 5의 결과를 보면 건조 조건의 실험에서 피질골 군 과 해면골 군 모두 24시간까지 시간 변화에 따라 ISQ값 이 유의성 있는 차이를 보이지 않았는데 이것은 실온을 나타내기 위해 설정한 23。C에서 대기중에 노출시켜 건 조상태에서 공진 주파수 분석을 시행하더라도 적어도 24 시간까지는 영향이 없음을 나타내는 것이다. 이 실험의 한계 내에서 보았을 때 23。C는 습한 상태에서, 골의 종 류(피질골 군, 해면골 군)와 24시간까지의 건조 등의 조 건에 의해 영향을 받지 않는 온도 조건으로 생각되며, 이 조건에서 변연 골 흡수를 재현하기 위해 길이가 다양한 임플랜트를 사용해 식립깊이를 7 mm로 일정하게 하고, 임플랜트의 노출 높이를 0.8 mm, 2.3 mm, 3.8 mm, 5.3 mm, 7.3 mm로 달리한 본 실험의 결과(표 6, 7, 8, 9)는 Meredith 등

¹⁾

IV

이 증가에 따라 공진 주파수 측정치가 유의성 있게 감소 하였으며, 이것을 통해 임상에서의 변연골 흡수 평가를 실험실 모형에서도 재현 가능하리라 생각된다.

본 실험에서 사용한 공진 주파수 분석법은 여러 방식중 steady state mode를 사용하는 것으로, 가청영역대의 주파수를 일정한 간격으로 공진시켜 최대로 공진하는 것 을 측정하여 그 값을 표시하는 방법으로 견고한 매질에 있을수록 더 높은 주파수에서 공진이 일어나므로 매질과 그 연결부위의 견고도를 측정할 수 있으며, 변환기의 디 자인이 같다면 매질과 연결부위의 견고도 요인에 의해 측 정치가 영향을 받게 된다.

⁵⁾

²¹⁾

탄성 성질을 나타내는 골의 탄성 계수는 골의 계층적 구 조 수준에 따라 다르게 측정되며,

²³⁾

²⁴⁾

²⁵⁾

²⁶⁾

²⁷⁾

골의 탄성 계수가 증가한다고 하였다.

²²⁾

건조 시에는 골의 탄성 계수가 증가하므로,

²⁷⁾

에 의한 공진 주파수 측정치에 대한 영향은 없었다. 본 실험에선 24시간까지만 공진 주파수 측정을 하고 그 후 로는 측정을 하지 않았지만, 72시간 정도 건조 시 골의 변형과 갈라짐으로 인해 임플랜트와 골 사이의 계면이 느 슨해지는 현상을 관찰할 수 있었다. 이것에 비추어 보면 24시간까지는 골의 변화로 인해 계면의 견고성은 감소하 지만 매질인 골의 탄성 계수 증가가 이것을 보상하였을 것으로 생각된다.

표 2, 3의 결과를 보면 습한 상태에서 실험 시에는 계면 의 영향보다는 주로 온도 감소에 의한 골의 탄성 계수 증 가로 인해 측정치가 증가하는 경향을 보였을 것으로 사료 되며, 해면골 군과 달리 피질골 군 내에서는 4。C 측정치 가 37。C보다 유의성 있게 큰 값을 보였는데, 이 결과는 Friberg 등

¹⁴⁾

본 연구에선 우늑골을 이용해 생체내의 상황을 재현하려 하였으나, 개체나 부위 같은 요인 등에 의해 다양한 생체 내의 골 조건을 정확하게 재현할 수 없다는 한계점이 있 어 생체와 좀 더 가까운 실험 모형 설정이 필요하리라 생 각되며, 공진 주파수 분석에 영향을 줄 수 있는 다른 요 인들에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것이라 사료된 다.

결론적으로 본 연구의 결과에 의하면 23。C의 온도와 24 시간이내의 건조 조건에서 실험실에서의 공진주파수 분 석치는 안정적인 값을 보였으며, 이것은 실험실 측정 조 건 설정에 있어서 하나의 기준이 될 수 있다고 생각된다.

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교신저자 : 박찬진

주소 : 강원도 강릉시 강릉대학로 120 강릉대학교 치과대학