インプラントの位置と角度が異なる2インプラント下顎オーバーデンチャーの応力とひずみパターン。3次元有限要素解析による検討

Stress and strain patterns of 2-implant mandibular overdentures with different positions and angulations of implants: A 3D finite element analysis study.

抄録

問題提起:

2インプラント下顎骨オーバーデンチャーは下顎無歯顎の治療法として普及しているが，最適なインプラント位置・角度やその応力・ひずみパターンに関する情報は不足している．

STATEMENT OF PROBLEM: The 2-implant mandibular overdenture is a popular treatment for the edentulous mandible, but information on optimum implant positions and/or angulations and their stress and strain patterns is lacking.

目的:

この有限要素解析研究の目的は，インプラントの位置や角度を変えた2インプラント下顎オーバーデンチャーにおいて，片側および両側荷重下での応力および歪み分布パターンを評価することである．

PURPOSE: The purpose of this finite element analysis study was to evaluate stress and strain distribution patterns in 2-implant mandibular overdentures with different positions and angulations of implants under unilateral and bilateral loading.

材料および方法:

コーンビームCT（CBCT）ベースの下顎3次元モデルおよび口腔内スキャニングベースの義歯3次元モデルをMimicsソフトウェアプログラムで作成した．また，Solidworks を用いて，薄型オーバーデンチャーアタッチメント（LOCATOR）を装着した標準サイズのインプラントの 3D モデルを作製しました．下顎の3Dモデルに2本のインプラントを挿入し，3Maticsソフトウェアプログラムで，正中線から5，10，15，20mmの異なる位置と，0-5，0-10，0-15，5-5，10-10，15-15度（10mmの距離で）の異なる遠位角でインプラントを配置しました．また，ANSYSを用いて第一大臼歯に片側および両側に100 Nの垂直荷重を加え，最大von Mises応力とひずみ値を記録した．

MATERIAL AND METHODS: A cone beam computed tomography (CBCT)-based, 3-dimensional (3D) model of the mandible and an intraoral scanning-based 3D model of the denture were developed in the Mimics software program. A 3D model of a standard-sized implant with a low-profile overdenture attachment (LOCATOR) was developed in the Solidworks software program. Two implants were inserted in the 3D model of the mandible, with implants placed at different positions, 5, 10, 15, and 20 mm from the midline, and different distal angulations, 0-5, 0-10, 0-15, 5-5, 10-10, and 15-15 degrees (at 10-mm distance), in the 3Matics software program. Unilateral and bilateral vertical loads of 100 N were applied on the first molars in the ANSYS software program to record maximum von Mises stresses and strain values.

結果:

インプラントの応力は20mmの距離で最大となり（片側荷重4.18MPa，両側荷重4.2MPa），5mm，10mm，15mmの距離では，距離が長くなるほど応力は増加し，2.46MPa以下となった．インプラントの応力は15-15°の角度で最大となった（片側荷重で0.93 MPa、両側荷重で0.92 MPa）。これより低い角度の場合、インプラントの応力は0.05～0.87MPaの範囲であった。0-5度、0-10度、0-15度の角度では、応力と歪みに特定の傾向は認められなかったが、片側荷重では5-5度、10-10度、15-15度の角度で増加傾向が観察された。両側荷重では、6つの角度すべてにおいて、インプラントと下顎骨の応力とひずみの変化は無視できる程度であった。

RESULTS: The stresses in the implants were maximum when placed at a 20-mm distance (4.18 MPa under unilateral and 4.2 MPa under bilateral loading), while for the implants placed at 5 mm, 10 mm, and 15 mm, the indicated stresses were less than 2.46 MPa following an increasing trend with an increase in the distance. The stresses in the implants were maximum when placed at 15-15-degree angulations (0.93 under unilateral and 0.92 MPa under bilateral loading). For lower angulations, the stresses on the implants ranged from 0.05 to 0.87 MPa. No specific trend was observed in stresses and strains with 0-5-, 0-10-, and 0-15-degree angulations, but an increasing trend was observed with 5-5-, 10-10-, and 15-15-degree angulations under unilateral loading. Under bilateral loading, the stresses and strains on the implants and the mandible showed negligible variations across all 6 angulations.

結論:

インプラントの最背面位置（20mm）は，いずれの荷重条件においても，インプラントと下顎骨に最も高い応力とひずみを示した．15～15度の角度で埋入したインプラントが最も高い応力を示した．角度の小さいインプラントでは、応力とひずみは同程度であった。

CONCLUSIONS: The most posterior position of implants (20 mm) exhibited the highest stresses and strains on the implants and the mandible under both loading conditions. Implants placed with 15-15-degree angulations exhibited the highest stresses. Stresses and strains were similar in implants with lower angulations.