Oral Biol Res 2024; 48(1): 1-6  https://doi.org/10.21851/obr.48.01.202403.1
Accuracy of implant installation using screw hole position analysis
Sun-Haeng Lee1† , Ha-Rim Lee1† , and Gyeong-Je Lee2*
1Ph.D. Student, Department of Prosthodontics, School of Dentistry, Chosun University, Gwangju, Republic of Korea
2Professor, Department of Prosthodontics, School of Dentistry, Chosun University, Gwangju, Republic of Korea
Correspondence to: Gyeong-Je Lee, Department of Prosthodontics, School of Dentistry, Chosun University, 303 Pilmun-daero, Dong-gu, Gwangju 61452, Republic of Korea.
Tel: +82-62-220-3827, Fax: +82-62-232-7776, E-mail: lkj1998@chosun.ac.kr
These authors contributed equally to this work.
Received: August 17, 2023; Revised: September 26, 2023; Accepted: November 17, 2023; Published online: March 31, 2024.
© Oral Biology Research. All rights reserved.

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted noncommercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
Dental implants are accepted as an effective treatment tools; however, they have a biomechanically disadvantageous structure compared with natural teeth. To compensate for the structural limitations of dental implants, occlusal must be considered to minimize the stress applied to the implants. This study aimed to verify whether the basic biomechanical principle that stress should be applied along the long axis of the implant fixture could be appropriately applied to actual implant clinical treatment. To evaluate whether the major axis of the implant is located at the center of the occlusion surface, the location of the screw hole was analyzed using the image of the stereolithographic file formed during the digital laboratory process, and the accuracy of implant placement was confirmed indirectly. The study included 261 patients and 392 implant cases. By tooth type, the numbers of samples were 57 in the first premolar, 66 in the second premolar, 152 in the first molar, and 117 in the second molar. The location of the screw hole was analyzed by dividing the occlusion surface of the implant crown into nine grids of the same size based on the outermost boundary. Consequently, the accuracy of implant placement tended to decrease from the premolar to the molar, upper jaw to the lower jaw, and left to right.
Keywords: Dental implants; Dental occlusion; Dental prosthesis
Introduction

치과용 임플란트의 사용으로 무치악 치조제에 대한 치료가 이전에 비해 훨씬 더 간편하고 효과적으로 변모하였고, 대한민국의 경우 65세 이상 고령인구에 대한 임플란트 국민건강보험 적용으로 매우 일반적인 치료로 인정되고 있다. 임플란트의 성공을 위해 고정체의 형태, 표면처리 방식, 직경, 길이 등의 고정체 식립을 위해 수술적 고려사항뿐 아니라 임플란트 보철수복 시 보철물 재질, 연결방식, 유지관리에 용이한 형태 등의 수술적 고려사항도 있다[1,2]. 그 중 임플란트 보철에 가해지는 교합력의 절대적 크기, 임플란트에 의해 지지되는 캔틸레버의 길이, 교합력이 가해지는 방향 등 임플란트의 교합의 성패는 보철물의 성패에 절대적인 영향을 미치는 요소이다[3,4]. 자연치에 비해 임플란트는 치주인대가 결여되어 있어 임플란트 보철에서의 교합의 중요성은 더욱 크다고 볼 수 있다[5]. 치과진료 영역에서의 디지털 치의학 기술의 적용에 따라 정확한 임플란트 식립을 위한 임플란트 가이드 수술이 활발하게 시행되고 있으며, 이에 따라 임플란트 식립의 정확도가 비약적으로 향상되었다. 그뿐 아니라 보철수복의 시간이 단축되었으며 그 과정도 간편해졌다. 기공과정도 디지털화됨에 따라 computer aided design (CAD)상에서 보철물의 형태가 디자인되어 수술 전 미리 제작된 보철물을 이용한 즉시 부하 등의 임플란트 시술의 극적인 발전을 이루게 되었다[6,7]. 임플란트의 상부보철물 연결방식은 크게 나사 유지형과 시멘트 유지형으로 크게 나뉜다. 나사 유지형의 경우 시멘트를 제거할 필요가 없어 잉여시멘트를 남기지 않고, 악간거리가 부족한 경우에 사용이 용이하고, 필요 시 착탈이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 상부보철물 교합면의 중앙에 스크류 홀이 형성되어 교합접촉 부여에 불리하다. 그에 반해 시멘트 유지형의 경우 스크류 홀이 없으므로 교합접촉의 부여가 용이하고, 심미성이 양호한 장점이 있으나, 임플란트 보철물의 탈락을 예측할 수 없다는 단점이 있다[8,9]. 기존의 기공과정에서는 시멘트 유지형 임플란트 상부보철물의 경우 스크류 홀의 위치를 파악하기 어려웠으나 본 연구에서는 디지털 기공과정에서 생성된 stereolithographic (STL) 파일을 활용하여 나사 유지형과 시멘트 유지형 임플란트 모두에서 상부 보철물 상에 표시되는 스크류 홀의 위치는 분석함으로써 간접적으로 구치부 임플란트의 전반적인 식립의 정확성을 비교하고자 하였다.

Materials and Methods

2010년 1월부터 2020년 4월까지 조선대학교 치과병원을 내원한 환자 중 임플란트 치료를 시행 받은 환자를 대상으로 연구를 시행하였다. 본 연구는 조선대학교치과병원 기관생명윤리위원회(Institutional Review Board, IRB)의 심의를 거쳐 승인 후 시행되었다(승인번호 CUDHIRB 2101 004). 구치부 임플란트 보철의 기공과정 상의 CAD 과정에서 발생된 STL 파일을 이용하여 조사를 진행하였다.

실험대상 및 분석항목

본 연구의 실험대상에 포함된 환자는 총 261명이고 치아의 개수는 총 392개(제1소구치 57개, 제2소구치 66개, 제1대구치 152개, 제2대구치 117개)였다. 상악과 하악에 따른 표본의 개수는 상악 206개, 하악 186개였다. 악궁의 좌우에 따른 표본의 개수는 좌측 악궁 207개, 우측 악궁 185개였다(Table 1). 본 연구의 실험대상의 선정기준은 만 18세 이상의 성인인 경우, 소구치와 대구치 부위에 임플란트 지지 고정성 의치로 치료를 받은 환자 그리고 Angle’s class 1에 해당하는 정상교합 환자로 하였다. 제외기준은 만 18세 미만의 소아 및 청소년, 전치부 임플란트, 임플란트 피개의치, 임플란트 하이브리드 보철, 임플란트 연관 국소의치의 지대치, 정상적인 해부학적 치관의 형태를 재현할 수 없는 경우, 완전무치악의 임플란트 그리고 Angle’s class 2 또는 3에 해당하는 부정교합 환자로 하였다.

Subject’s number of this study

Variable Number
Tooth type
1st premolar 57
2nd premolar 66
1st molar 152
2nd molar 117
Position of arch
Maxilla 206
Mandible 186
Position in arch
Left 207
Right 185
Total 392


이상의 실험대상의 총 392개 임플란트를 대상으로 치아의 종류에 따른 식립의 정확도(제1소구치, 제2소구치, 제1대구치, 제2대구치), 악궁의 위치에 따른 식립의 정확도(상악, 하악), 그리고 악궁에서의 위치에 따른 식립의 정확도(좌측, 우측)가 측정되었다.

스크류 홀의 위치 측정

임플란트 보철물의 디지털 기공과정의 CAD 프로그램(DentalCAD; exocad GmbH, Darmstadt, Germany)을 이용하여 임플란트 상부 보철물을 디자인하고, CAD 프로그램상에서 형성된 교합면의 STL 파일을 이미지로 캡쳐하고, 이를 프리젠테이션 프로그램(PowerPoint; Microsoft, Redmond, WA, USA)을 이용하여 교합면 상의 나사 구멍의 외측 반경을 따라 균등한 크기로 4등분하고, 그 중앙을 스크류 홀의 위치로 설정하였다. 임플란트 스크류 홀의 위치를 결정한 후 교합면을 9등분하는 격자를 협측 최외방선과 구개측 또는 설측의 최외방선, 근심측 최외방선 및 원심측 최외방선을 기준으로 하여 형성하였다. 임플란트 보철물의 외형 및 스크류 홀의 위치를 정확히 파악하기 위해 캡쳐한 STL 파일의 이미지는 흑백으로 변환하여 계측되었으며, 계측을 위한 각 기준은 그룹으로 지정하여 기준점이 변하더라도 각 격자의 크기가 균등하도록 설정하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Processing process of stereolithographic file for location analysis of screw holes. (A) Capture of implant prosthesis occlusion surface manufactured using CAD (DentalCAD; exocad GmbH, Darmstadt, Germany) program. (B) Indication of screw hole center. A quadrant was formed along the outer diameter of the screw hole (blue dotted line), and its center was set to the position of the screw hole (blue dot). (C) The formation of a grid dividing the occlusal surface into nine equal parts. The grid was formed based on the outermost line of buccal, palatal (lingual), mesial and distal boundary of occlusal surface (red dotted line).

임플란트 교합면 상 형성된 격자를 9개의 구획으로 나누어 각각의 구획을 스크류 홀의 위치의 양호도에 따라 zone A, zone B, zone C로 나누어 등급을 부여하였다. 그중 zone A는 9개의 구획 중 교합면의 중앙에 스크류 홀이 위치하는 경우로 교합면의 중앙과 임플란트 고정체의 장축이 일치하여 임플란트에 최소의 굽힘력이 작용되는 가장 바람직한 형태의 스크류 홀의 위치를 나타낸다. Zone B는 교합면의 근심 중앙, 원심 중앙 그리고 기능교두 부위를 나타내며, 상악의 경우 중심 구획에 대해 구개측, 하악의 경우 중심 구획에 대해 협측에 위치하는 구획을 의미한다. Zone C의 경우는 가장 불리한 경우로 중심구획에 대해 대각선 위치에 있는 근심, 원심, 협측, 설측 선각 부위 및 비기능교두 부위를 의미한다(Fig. 2).

Fig. 2. Classification of grids by screw hole position. Zone A: center of occlusal surface (blue colored grid), Zone B: mesial/distal grids from center grid and grid on functional cusp (yellow colored grid), Zone C: grids on the line angle area and grid on non-functional cusp (red colored grid).

연구 방법 및 통계

본 연구에서 각 집단에 대한 등분산성 검정을 위해 F-test를 시행하였으며, 등분산성을 가정한 집단 간의 비교를 위해 t-test를 시행하였다. 본 연구의 통계분석을 위해 SPSS v.29.0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA) 프로그램을 이용하였으며, 모든 통계적 유의수준은 95% 신뢰구간으로 설정하였다.

Results

치아의 종류에 따른 식립의 정확도

치아의 종류에 따른 구치부 임플란트의 교합면 상 스크류 홀의 위치는 대체로 구치부 임플란트 교합면의 중심인 zone A에 위치하는 경향을 보였다. 가이드를 사용하지 않은 group A의 총 392개의 표본 중 제1소구치에서 스크류 홀이 zone A에 위치하는 경우는 총 57개의 표본 중 35회(61.4%), zone B와 zone C에 나타나는 경우는 모두 11회(19.3%)였다. 제2소구치의 경우는 zone A에 스크류 홀이 위치하는 경우는 총 66개의 표본 중 42회(63.6%)였고, zone B와 zone C에 나타나는 경우는 각각 14회(21.2%)와 10회(15.2%)였다. 제1대구치의 경우 총 152개의 표본 중 zone A에서 89회(58.6%), zone B에서 35회(23%), zone C에서 28회(18.4%)였다. 그리고 제2대구치에서도 총 117개의 표본 중 zone A에 위치하는 경우가 64회(54.7%)로 가장 빈번했으며, zone B와 zone C에 위치하는 경우는 각각 32회(27.4%)와 21회(17.9%)였다(Table 2). 치아별로는 소구치에서 대구치로 갈수록 zone A의 비율이 대체적으로 낮아지는 경향을 보였다. Zone A의 비율은 제2소구치의 정확도가 가장 높았고(63.6%), 제1소구치(61.4%), 제1대구치(58.6%), 제2대구치(54.7%)의 순으로 낮아졌다.

Number and ratio of screw holes located in each zone according to the tooth type

1st premolar 2nd premolar 1st molar 2nd molar Total
Zone A 35 42 89 64 230
Zone B 11 14 35 32 92
Zone C 11 10 28 21 70
Total 57 66 152 117 392
Ratio of zone A 0.614 0.636 0.586 0.547 0.587
Ratio of zone B 0.193 0.212 0.230 0.274 0.235
Ratio of zone C 0.193 0.152 0.184 0.179 0.178


악궁에 따른 식립의 정확도

상악에서의 치아 표본은 총 206개였으며, 그중 109회(52.9%)가 zone A, 61회(29.6%)가 zone B, 36회(17.5%)가 zone C에 스크류 홀이 위치하였다. 하악의 경우 상악보다 표본 개수가 더 적음에도 불구하고 중심부인 zone A의 빈도수가 높은 것으로 보아 하악이 상악보다 정확성이 높다는 것을 알 수 있다(p<0.05). Zone A가 나타나는 비율 또한 하악이 65.1%, 상악이 52.9%로 상악보다 하악에서 20%가량 높다는 것을 파악할 수 있다(Table 3).

Number and ratio of screw holes located in each zone according to the position of arch (maxilla and mandible)

Maxilla Mandible
Zone A 109 121
Zone B 61 31
Zone C 36 34
Total 206 186
Ratio of zone A 0.529 0.651
Ratio of zone B 0.296 0.167
Ratio of zone C 0.175 0.183


악궁에서의 위치에 따른 식립의 정확도

좌우 악궁 별 비교에서 스크류 홀이 교합면의 중심인 zone A에 위치하는 비율이 좌측 63.8%, 우측 53%로 좌측 악궁에서 보다 정확한 식립이 이뤄졌고 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 좌측 악궁에서는 총 207개의 치아 중 스크류 홀이 zone A에 위치하는 경우는 132회(63.8%), zone B는 40회(19.3%), zone C는 35회(16.9%)였다. 우측 악궁의 경우 총 185개의 치아 중 zone A에 위치하는 경우는 98회(53%), zone B는 52회(28.1%), zone C는 35회(18.9%)였다(Table 4).

Number and ratio of screw holes located in each zone according to the position at each arch (left and right)

Left Right
Zone A 132 98
Zone B 40 52
Zone C 35 35
Total 207 185
Ratio of zone A 0.638 0.530
Ratio of zone B 0.193 0.281
Ratio of zone C 0.169 0.189

Discussion

1980년대 초반부터 본격적으로 사용되기 시작한 임플란트의 장기간에 걸친 예후 관찰 결과 대부분 임상적으로 만족할 만한 성과를 보이기는 하지만 일부의 경우는 다양한 합병증을 보이고 있으므로 임플란트의 장기적인 유지관리에 대한 중요성도 함께 강조되고 있다[10]. Liaw 등[10]은 치과용 임플란트의 합병증을 유발하는 요소를 잘못된 위치가 경사로 식립된 임플란트, 구치부 지지의 상실, 불량한 임플란트 주위골 그리고 비기능적 습관 등에 의한 생체-기계적인 과하중(biomechnical overload)과 세균에 의한 감염 등에 의한다고 보고한 바 있다. 이 중 잘못된 위치나 경사로 식립된 임플란트에 의한 과하중은 임플란트 고정체와 지대주 간의 미세동요나 과하중에 의한 임플란트 주변골의 흡수를 야기하여 결과적으로 임플란트의 실패를 야기하게 된다[10]. 게다가 임플란트 보철에 가해지는 교합력의 크기, 방향, 작용축이 잘못된 경우 임플란트 보철 나사의 잦은 풀림이나 파절, 의도치 않은 시멘트 유지형 보철물의 탈락 등의 보철적 합병증도 야기되게 된다[11]. 따라서 응력에 의한 임플란트의 합병증을 최소화하기 위해서는 임플란트에 가해지는 응력 자체를 감소시키는 방법이 요구된다[12]. 임플란트 하중 시 응력분포에 관한 많은 연구가 있었는데 임플란트 고정체의 장축 방향으로 하중이 가해진 경우 응력이 압축응력 형태로 나타났던 반면, 수평력이 가해진 경우 인장력이나 전단력의 형태로 응력분포가 나타났다. 따라서 임플란트에 유해한 응력의 발생을 방지하기 위해서는 수평방향의 벡터 성분을 갖는 기여 요소에 대한 제거가 필요하다[13].

본 연구에서는 구치부 임플란트 교합면 상에 존재하는 스크류 홀의 위치를 파악하여 식립의 정확성을 간접적으로 확인하고자 하였다. 본 연구의 결과에서 가이드를 사용하지 않고 임플란트를 식립한 표본에서 치아 종류에 따른 임플란트 식립의 정확도를 파악한 결과 소구치에서 대구치로 갈수록 전반적인 식립의 정확도가 낮아짐을 확인하였다. 이는 후방으로 갈수록 골량이 부족하고, 시야 및 기구 접근성이 떨어지고, 환자의 개구량이 부족하고, Spee 만곡과 Wilson 만곡 등 만곡이 부여된 정상 해부학적 특성에 기인한 것으로 여겨진다. 또한 본 연구의 결과는 구치부 임플란트 식립의 성공률이 후방의 구치로 갈수록 낮아진다는 Jung 등[14]의 연구와 근관치료 후 근관치료의 성공률이 후방의 구치로 갈수록 낮아진다는 Kim과 Shin [15]의 연구와 일치하는 결과를 얻었다. Kim 등[16]은 half-guided implant surgery와 full-guided implant surgery에서의 임플란트 식립의 정확성을 조사한 연구에서 상·하악 모두 후방의 치아에서 임플란트 식립의 정확도가 감소하는 것으로 보고하였다. 그러나 근심에서 원심으로 갈수록 임플란트를 비롯한 여타의 치과 치료의 정확도 변화에 관한 논문은 거의 없는 실정으로 이에 대한 추가연구가 필요할 것으로 보인다. 본 연구의 결과에서 제2소구치의 식립 정확도가 제1소구치의 식립의 정확도보다 낮은 것으로 나타났다. 이는 하악의 임플란트 식립 시 하악 제1소구치와 제2소구치의 근단부 근처에 존재하는 이공(mental foramen)과 신경의 만곡에 대한 술자의 조심스러운 접근이 원인인 것으로 추정된다[17]. 또한 하악 제1소구치의 경우 교합면의 독특한 형태적 특성으로 인해 발생한 계측의 오차도 있었을 것으로 평가되므로 이에 대한 추가연구가 필요할 것으로 보인다.

악궁에 따른 임플란트 식립의 정확도가 상악 임플란트 식립이 하악 임플란트 식립보다 낮게 나타났다. 상악의 임플란트 식립을 위해서는 시야 및 기구의 접근을 위해서 치과용 진료대를 앙와위(supine position)로 조절하여 술자 및 보조자가 상체를 뒤튼 상태에서 진료를 진행하여야 한다. 일반적으로 상악에 대한 치아의 삭제나 근관, 수복 치료를 하는 등의 작은 부위의 시술 시 거울을 이용한 간접시야를 이용하는 경우가 많다. 본 연구에서와 같은 임플란트 수술 상황에서 간접시야를 활용할 수 없게 되면 술자는 시야 확보를 위해 자세를 불안정한 상태로 변형시키게 되어 이것이 임플란트 수술의 변수로 작용할 가능성이 있다. 특히, 상악 제2대구치의 경우 다른 치아와 달리 원심경사를 보이는 치아로 치아삭제나 근관치료 시 많은 어려움이 있는 치아이며, 임플란트 식립 시에도 높은 난이도를 보이는 치아이다[16]. 따라서 이처럼 시야 및 기구접근이 어려운 경우일수록 가이드의 사용을 통해 임플란트 식립의 정확도를 높일 필요성이 있다.

좌우 악궁별 비교에서 스크류 홀이 교합면의 중심인 zone A에 위치하는 비율이 좌측 악궁에서 보다 높게 나타났다. 이는 좌측이 술자와 가까운 수술 부위로 시야확보 및 기구 접근이 양호했기 때문으로 평가되었다. 또한 우측의 경우 보조자의 석션이나 견인에 의한 시야 확보나 기구 접근의 제한이 있었을 것으로 추정된다. 술자의 자세에 의해 임플란트 식립의 정확도가 변화될 수 있다는 연구는 거의 찾아볼 수 없으나 치과의사의 올바른 진료 자세에 관한 몇몇 연구가 이뤄졌다[18]. 치과의사는 직업적인 특성상 만성적인 근골격계 질환에 시달리게 된다. 양질의 치과 진료서비스를 제공함에 있어서 우선 술자의 건강이 중요하며, 진료 중의 술자의 올바른 자세는 모든 근육들이 긴장되지 않고, 균형을 잘 이루고 있고, 중립적인 위치(neutral position)에 있어야 한다[18]. 많은 연구에서 이런 중립적이고 안정적인 자세의 유지를 위해 루페의 사용을 권장하기도 한다[19,20].

비록 이전의 선행연구는 없으나, 본 연구에 사용된 표본은 모두 오른 손을 사용하는 술자에 의해 이루어졌는데, 수술 부위의 좌우 위치가 임플란트 교합면에 존재하는 스크류 홀의 위치에 통계적으로 유의미한 차이를 보인 것은 주목해야 할 것이며, 앞으로 관련 연구가 후속되어야 할 것으로 생각된다. 본 연구에서는 임플란트 고정체의 장축을 따라 응력이 가해져야 한다는 생역학적인 기본원리가 실제 임플란트 임상에 적절하게 적용되고 있는지 검증하고자 하였다. 이에 임플란트 식립의 정확도를 디지털 기공과정에서 형성된 STL 파일의 이미지를 이용하여 교합면의 중심에 임플란트 장축이 위치하는지 스크류 홀의 위치를 통해 간접적으로 확인하였다.

첫째, 소구치에서 대구치로 갈수록 임플란트 식립의 정확도는 낮았다. 둘째, 하악에 비해 상악의 임플란트 식립의 정확도가 낮았다. 셋째, 좌측에 비해 우측의 임플란트 식립의 정확도가 낮았다.

Funding

이 논문은 2023학년도 조선대학교 학술연구비의 지원을 받아 연구되었음.

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no competing interests.

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