새로운 치아 근관 형성 자동화 시뮬레이션에서 전동 Ni-Ti 파일의 회전 속도와 삽입 속도가 수직력과 토크에 미치는 영향

서 론

1990년대 전동 Ni-Ti 파일의 도입은 근관 치료의 패러다임을 바꾸었다. Ni-Ti 파일은 stainless-steel 파일과 달리 초탄성과 형상기억효과를 갖고 있어 모터로 회전이 가능하다. 이로 인해 치료 전반에 걸쳐 시간적 효율성이 향상되었지만, 원치 않는 수직힘과 토크가 발생하여 파일이 파절되거나 transportation 등을 유발할 수 있다(1-7). 전통적으로 전동 Ni-Ti 파일의 기계적 특성을 평가할 때는 굽힘, 비틀림 파절, 회전 피로 파절 저항성을 측정하였다(8-10). 그러나 이 값들로 만곡 근관에서 발생하는 현상들(ledge, zip, transportation, strip perforation, and file fracture)을 완벽하게 설명하지 못 한다(11, 12). 반면, 근관 형성 중에 발생하는 힘/토크를 직접 비교한다면 임상적으로 보다 유용한 정보를 얻을 수 있다(13).

근관 형성 과정에서 Ni-Ti 파일은 근관을 따라 회전하면서 전진하기에, 파일의 회전 속도와 삽입 속도가 근관 형성 효율에 영향을 미친다고 유추할 수 있다(14, 15). 이 때 파일의 회전 속도와 삽입 속도는 상호 작용하여, 치아의 장축 방향으로 수직힘(압축/인장력)을 발생시킨다. 대표적인 예인 screw-in force는 pecking motion 시 치근단 방향으로 발생하는 수직힘(인장력)이다. 이 수직힘이 발생할 경우, 전동 Ni-Ti 파일이 치근단 쪽으로 당겨지며, 설정된 근관장을 넘어가는 과도한 근관 성형을 유발할 수 있다(16). 또한 전동 Ni-Ti 파일은 회전을 하기 때문에 회전 속도와 토크는 밀접한 상관 관계가 존재한다(14). 회전하는 파일이 근관을 삭제할 때 근관벽과 마찰이 발생하게 되는데, 근관 협착도가 높거나 삽입 속도가 빨라지면 마찰력이 증가할 것이다. 여기서 마찰 토크가 발생하기 때문에 삽입 속도와 토크 역시 상관 관계가 존재할 것으로 유추할 수 있다(15).

파일 제조업체는 각 파일마다 권장하는 회전 속도를 제공하지만, 전동 Ni-Ti 파일의 회전 속도와 삽입 속도를 함께 변화시키는 경우, 근관 형성 효율에 미치는 영향을 밝혀낸 연구는 전무하다. 또한, 기존 연구들 간에도 pecking motion을 재현하는 방법과 삽입 속도 값이 통일되지 않고 다양하다(17-26). 일반적으로 pecking motion 시 파일의 하방/상방 운동의 방향전환은 이동 거리(17, 18) 혹은 이동 시간(20, 24, 25, 26)을 기준으로 하지만 그 값이 통일되지 않았으며, 삽입 속도 역시 1.04 mm/s(19)부터 5.4 mm/min(21)까지 다양했다. 삽입 속도마다 파일에 발생하는 힘과 토크가 다르다면, 근관 형성 효율이 달라질 수 있으며, 이는 기존의 연구들에서 제시한 결과값에 대한 재평가가 필요할 수 있음을 시사한다. 뿐만 아니라, 임상에서 pecking motion은 파일 끝단에서 수직적으로 발생하는 압축/인장력 및 회전 시 근관에 파일이 끼어 발생하는 토크를 느끼며 수행한다는 점을 고려하면, 수직힘과 토크가 파일의 하방/상방 운동 방향전환의 기준이 되는 것이 합리적이다. 단, 수직힘과 토크는 근관 형성중에 실시간으로 변화하기 때문에 파일 방향전환의 기준으로 사용하려면, 자동화된 feedback controlling system이 요구된다.

따라서 본 연구의 목적은, 임상적 pecking motion을 가장 유사하게 재현하기 위해, 수직힘과 토크를 기준으로 하며 negative feedback mechanism으로 작동하는 automatic root canal shaping simulation (근관 형상 자동화 모사) 방법을 개발하고, 이를 이용해 회전 속도와 삽입 속도의 변화가 성형 시간, 수직힘(압축력), screw-in force (인장력) 및 토크에 미치는 영향을 확인하는데 있다.

재료 및 방법

1. 실험 재료

실험의 표준화 및 규격화를 위해 근관 형성에 사용한 인공 근관 블록은 J-shape Endo training resin block(Dentsply Sirona, Johnson City, TN, USA)이다. 본 연구에 사용한 2종의 전동 Ni-Ti 파일은 ProTaper Gold S2와 ProTaper Gold F1 (Dentsply Sirona)이다(Table 1).

Table 1.

Rotary Ni-Ti files used in this study

2. 근관 형성 자동화 모사(automatic root canal shaping simulation) 시스템의 구성 및 작동 원리

연구에 사용한 자동 근관 형성 장치(U-Mechanics Analyser, IB Systems, Seoul)의 구조는 Figure 1과 같다. 하부의 load cell과 토크 센서는 근관 형성 시 인공 근관 블록에 작용하는 수직힘(압축/인장력)과 토크를 측정할 수 있다. 센서 상부에는 인공 근관 블록을 고정할 수 있는 척이 연결되어 있다. 장비의 상부에 연결된 척은 step 모터와 lead screw에 의해 수직 상하 운동이 가능하며, 또 다른 step 모터에 의해 시계방향으로 200, 300, 500 rpm으로 회전 운동이 가능하다. 여기에는 전동 Ni-Ti 파일을 고정할 수 있다. Graphic User Interface (GUI)로 파일의 상하, 좌우 회전 운동을 조절할 수 있으며, 측정된 힘과 토크는 컴퓨터에 저장된다.

Figure 1.

System configuration of the U-Mechanics Analyser.

새로운 근관 형성 자동화 모사 시스템은 자동화된 왕복운동으로, Ni-Ti 파일이 하방 운동하며 근관을 성형 시, 수직힘이나 토크가 설정된 한계치보다 높아질 경우, negative feedback mechanism을 통해 상방 운동(1 mm)하여 수직력과 토크를 해소한 뒤, 다시 자동으로 하방 운동을 진행하는 프로세스이다. 이를 통해 임상에서 근관 형성 시 임상가가 사용하는 pecking motion을 기계적으로 모사할 수 있다 (Figure 2).

Figure 2.

(a) Block diagram of the force and torque controller with a negative feedback mechanism, (b) working principle of the automatic root canal shaping simulation, (c) vertical position vs. time with a vertical force and torque limit.

결 과

1. 회전 속도 300 rpm에서 삽입 속도의 변화에 따른 근관 형성 시간, 수직힘 및 토크의 측정

ProTaper Gold S2 (PTG S2)와 ProTaper Gold F1 (PTG F1)을 이용하여 인공 근관 형성 시, 회전 및 삽입 속도가 성형 시간, 수직힘 및 토크에 미치는 영향을 Table 2, 3 및 Figure 3에 표시하였다. Two-way Anova 결과, 회전 속도와 삽입 속도는 유의미한 상호작용을 하며(p<0.05), 근관 형성 시간, 최대 수직힘(압축력), 최대 screw-in force (인장력), 최대 토크에 영향을 미쳤다(p<0.05).

Table 2.

The effect of rotation and insertion speeds of PTG S2 on shaping time, initial vertical force, maximum screw-in force, maximum vertical load, and maximum torque during automatic root canal shaping simulation(n=10)

Table 3.

The effect of rotation and insertion speeds of PTG F1 on shaping time, initial vertical force, maximum screw-in force, maximum vertical load, and maximum torque during automatic root canal shaping simulation(n=10)

Figure 3.

Comparison of shaping time, maximum vertical load, maximum screw-in force, and maximum torque of PTG S2 and PTG F1 with various rotation and insertion speeds.

제조사에서 권장하는 300 rpm의 경우, 두 파일 모두, 삽입 속도가 빠를수록 근관 형성 시간은 짧아지고, 최대 수직힘(압축력)은 커지며, 최대 screw-in force (인장력)는 작아지고, 최대 토크는 커지는 경향을 보였다. 근관 형성 시 최초로 발생하는 수직힘의 경우, 삽입 속도에 따라 달랐다. 두 파일 모두 0.25 mm/s에서는 인장력이 발생했으나 수직힘(압축력)은 발생하지 않았다. 1.0 mm/s에서는 압축력이 발생했다. PTG S2의 경우, 1.0 mm/s에서 screw-in force (인장력)가 발생하지 않았다.

고 찰

본 연구에서는, 수직힘과 토크를 기준으로 negative feedback mechanism으로 작동하는 새로운 근관 형성 자동화 모사(automatic root canal shaping simulation) 시스템을 개발하고, 이를 이용하여 전동 Ni-Ti 파일의 다양한 회전 및 삽입 속도가 근관 형성 시간, 수직힘 및 토크에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.

기존 연구들에서 사용한 근관 형성 시스템과의 차별점은, 임상적 pecking motion을 실제와 흡사하게 재현했다는 점이다. 만곡 및 협착 근관에서 전동 Ni-Ti 파일을 사용하는 경우, 임상가들은 근관 내에서 발생하는 압축 및 인장력과 토크를 감지할 수 있다. 이 때, 과도한 수직힘이나 돌림힘이라고 판단되면, 하방 운동 중인 파일을 상방 운동하면서 그 힘을 해소하고 점진적으로 근단부를 향해 파일을 전진한다. 반면, 기존 연구들은 하방/상방 운동 방향 전환의 기준으로 미리 정해진 파일의 이동 거리 및 이동 시간을 사용했다는 점에서, 임상적 근관 형성을 재현했다고 판단하기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 근관 형성 중 발생하는 수직힘과 토크를 기준으로 negative feedback mechanism으로 작동하는 새로운 시스템을 개발했고, 두 종의 파일에 적용해 본 결과, 설정된 근관장까지 임상적 pecking motion과 유사한 근관 성형이 가능했다. 이는 오늘날의 반자율주행 차량에 사용되는 자동 조향, 안전 거리 유지 및 속도 제어 시스템과 작동 방식이 유사하다. 인공지능과 로봇공학이 발전함에 따라 추후 치과의사를 보조하는 자동 근관 형성 장비도 개발될 수 있으며, 본 연구에서 개발한 새로운 근관 형성 자동화 모사 방법은 그러한 시스템의 기초가 될 수 있다.

본 연구에서 사용한 PTG S2와 PTG F1의 권장 회전 속도는 300 rpm으로, 빠른 회전 속도인 500 rpm과 느린 회전 속도인 200 rpm으로 회전 속도를 변화시켰다. 기존 문헌 상에서 삽입 속도는 최대 약 1.0 mm/s (17, 18, 19, 20, 24, 25)에서 최소 0.09 mm/s (5.4 mm/min) (21) 범위이기에 본 연구에서는 0.25, 0.5, 1.0 mm/s로 삽입 속도를 변화시켰다. 실험결과에 따르면, 전동 Ni-Ti 파일의 회전 속도와 삽입 속도 모두 근관 형성 시간, 수직힘(압축력), screw-in force (인장력), 토크에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 300 그리고 500 rpm에서 삽입 속도를 변화시킨 경우, 회전 속도가 빠를수록, 그리고 삽입 속도가 빠를수록 삭제력이 증가하기에 근관 형성 시간이 짧아지는 경향을 보인다. 회전 속도가 느릴수록, 그리고 삽입 속도가 빠를수록 최대 수직힘(압축력)은 커지는 경향을, 최대 screw-in force (인장력)는 작아지는 경향을, 최대 토크는 커지는 경향을 보였다. 이는 통상적으로 해석 가능한 결과이다. 회전 속도가 느리면 삭제 속도가 느리기 때문에, 삭제 속도보다 빠른 파일의 하방 운동에 의해 수직힘(압축력)이 발생한다. 이 경우 하방 운동 중 인장력을 의미하는 screw-in force는 절대값이 작아지게 된다. 회전 삭제력이 작기 때문에 마찰 토크는 크게 측정될 수 있다. 삽입 속도가 빠르다는 것은, 파일을 근관 내로 의도적으로 미는 현상을 의미하기에, 수직힘(압축력)과 마찰 토크가 크게 발생한다. 압축력이 크게 발생할수록 screw-in force (인장력)는 절대값이 작아지게 된다. 여기서 screw-in force를 측정하는 방법을 Figure 4에서 설명하였다. Figure 4는 시간에 따른 파일의 위치와 수직힘을 표시한 그래프이다. 이 그래프에서 인장력은 음의 값으로 표시된다. 이 중 파일의 상방 운동 시 측정되는 인장력은 screw-in force로 해석할 수 없다. 파일이 상방 운동하며 인공 레진블락과의 마찰력에 의해 load cell을 상방으로 당겨서 발생하는 힘이기 때문이다. Screw-in force는 치근단 방향으로 발생하는 수직힘(인장력)이기에, 파일의 하방 운동 시 발생하는 인장력으로 측정되어야 한다.

Figure 4.

Representative graphs of time vs. vertical force and position. The maximum screw-in force were displayed on the graphs. The screw-in force could occur during downward movement (indicated by the blue line), and appeared as a negative value. The upward movement was indicated by the red line in gray shade.

200 rpm에서 삽입 속도를 변화시킨 경우, 삽입 속도가 빠를수록 수직힘(압축력)은 커지며 screw-in force (인장력)는 감소하는 것을 확인하였다. 반면, 1.0 mm/s에서는 두 파일 모두 근관 형성 시간이 가장 길었으며(p<0.05), 토크가 가장 낮게 측정되었고(p<0.05), screw-in force가 측정되지 않았다. 이는 삽입 속도에 비해 파일의 회전 속도가 상대적으로 매우 느리기 때문으로 유추된다. 회전 속도가 느리기에 회전 삭제 속도는 작다. 이 때 파일이 빠른 삽입 속도로 과도하게 하방 운동하게 되면서, 수직힘이 설정값(500 gmf)을 초과하여 negative feedback이 작동하게 되었다. 그 결과 전체 근관장 성형을 위한 파일의 pecking motion 횟수가 증가하였기 때문에 근관 형성 시간이 길게 측정되었다. 한 번의 왕복 운동으로 충분한 근관 삭제가 이뤄지지 못 했기 때문에, 회전 삭제 시 발생하는 토크는 작게 측정되었다. 이처럼 회전 삭제 속도가 작은 경우 삽입 속도가 빠르면 screw-in force는 발생하지 않을 수 있다. 파일의 삽입 속도가 빨라 설정값을 초과하는 수직힘이 발생하여 negative feedback이 작동하면, 충분한 근관 삭제가 발생하기 전에 파일이 상방 운동을 할 수 있으며, 이 경우 screw-in force가 발생하지 않을 수 있기 때문이다(Figure 4).

근관 형성 시 최초로 발생하는 수직힘의 경우, 회전 속도가 빠르면(500 rpm) 인장력이, 회전 속도가 느리면(200 rpm) 압축력이 최초로 측정되었다. 300 rpm에서는 삽입 속도가 느리면(0.25 mm/s) 인장력이, 빠르면(1.0 mm/s) 압축력이 측정되었다. 회전에 의한 삭제 속도가 삽입 속도보다 크면 인장력이 발생하고, 회전에 의한 삭제 속도보다 삽입 속도가 빠르면 압축력이 발생하기 때문이다(Figure 5). 이렇듯, 회전 속도와 삽입 속도는 근관 형성과 관련하여 분명한 영향을 준다는 점을 확인할 수 있었다.

Figure 5.

Schematic diagram of the relevance among rotation speed, rotation shaping speed, and insertion speed of a rotary Ni-Ti file. When rotation shaping speed is greater than insertion speed, screw-in force occurs. When insertion speed is greater than rotation shaping speed, vertical load occurs.

본 연구결과를 토대로 향후 다음과 같은 추가적인 연구가 가능하다. 첫째로, 기존 연구들과 동일한 Ni-Ti 파일을 사용하며, 기존 연구에서 사용한 근관 형성 방법과 feedback을 적용하여 새로 개발한 근관 형성 자동화 모사 방법을 사용했을 때 결과를 비교할 수 있다. 이 경우, 기존 연구 결과값에 대한 재평가가 가능하다. 둘째로, 임상 근관 형성을 더욱 유사하게 재현하는 연구가 가능하다. 본 연구에서는 삽입 속도를 최대 1.0 mm/s로 제한했지만, 실제 근관 치료 중에는 더 빠른 삽입 속도로 진행하는 경우도 흔히 있다. 전동 Ni-Ti 파일의 경우도, 제조사 별로 순차적으로 사용하는 파일 시퀀스가 존재한다. 이를 적용하면, 임상적 근관 형성을 보다 근접하게 모사할 수 있다. 이 경우, 근관 중심 변위율(cerntering ratio)을 측정할 수 있으며 ledge, zip, transportation, strip perforation 가능성을 유추할 수 있다.

결 론

본 연구에서 개발한 근관 형성 자동화 모사 시스템은 수직힘과 토크를 기준으로 negative feedback mechanism으로 작동하여, 임상적 pecking motion을 재현할 수 있었다. 동일한 회전 속도에서 삽입 속도가 빠를수록 근관 형성 시간은 짧아지고, 최대 수직힘(압축력)은 커지며, 최대 screw-in force (인장력)는 작아지고, 최대 토크는 커지는 경향을 보였다. 동일한 삽입 속도에서 회전 속도가 빠를수록 근관 형성 시간은 짧아지고, 최대 수직힘은 작아지고, 최대 screw-in force는 커지며, 최대 토크는 작아지는 경향을 보였다.

Acknowledgments

이 논문은 서울대학교치과병원 원내연구과제 연구비 지원에 의해 이루어진 것임 (과제번호 02-2025-0817).

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