Analysis of prognostic factors for mandibular reconstruction plate fracture using finite element analysis = 유한요소 분석을 이용한 하악 재건 금속판 파절의 예후인자 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Introduction
Mandibular discontinuity, often resulting from tumor resection, presents a significant reconstructive challenge. While osteocutaneous free flaps can offer functional and biological advantages, their use is limited by donor site morbidity and surgical complexity. As an alternative, reconstruction plates (R-plates) have been widely adopted due to their procedural simplicity and reduced operative time despite complications such as plate fracture, screw loosening, and plate exposure, such complications can be exacerbated by factors like occlusal force, radiotherapy, and mandibular defect type. Recently, 3D-customized R-plates have emerged to address these issues by enhancing fitness and mechanical strength, but clinical evidence is limited.
This study investigates fracture patterns and risk factors in patients with conventional R-plates and evaluates stress distribution of conventional R-plate and custom plate design through finite element analysis (FEA), ultimately aiming to propose an optimized 3D-customized plate design.

Materials and Method
In the retrospective clinical analysis, clinical records of patients who underwent mandibular reconstruction with R-plates to evaluate complications and associated risk factors. Eligible patients were selected based on specific inclusion and exclusion criteria, and data including surgical timing, defect type, plate survival, complications, remaining teeth, concomitant flap, defect size and radiotherapy were statistically analyzed.
In the FEA, mandibular models were created using patient CT data, with tumor ablation simulated to reflect post-surgical anatomy. Models were categorized by defect type and number of fixation screws, the presence or absence of coronoidectomy, and custom plate design (flat or grid-mesh). R-plates and screws were designed based on a commercial system using SolidWorks 2016® (Dassault Systèmes Simulia Corp., Johnston, RI, USA). FEA was conducted under static load conditions with applied muscle and occlusal forces. Boundary conditions were set to reflect realistic mandibular constraints. Contact between the plate and bone was defined using surface friction interactions, while connections between plate, screws, and bone were modeled using tie constraints.

Results
A total of 44 patients (30 males, 14 females; mean age 60.2 years) was included. The most common defect type was L-type (58.3%), and the overall complication rate was 54.35%, with plate fracture occurring in 27.2% of cases. Most fractures were observed near the mandibular angle, particularly in L-type defects. Kaplan–Meier survival analysis showed significantly higher R-plate survival in patients with fewer than 10 remaining mandibular teeth (p = 0.04). Additionally, the survival rate of the R-plate was significantly lower in cases where the mandibular defect size was 80 mm or less (p = 0.002).
FEA revealed L- and CL-type defects to experience the highest von Mises stresses, particularly near the screw hole closest to the defect. Central defects (C, LCL) showed lower overall stress. Models with fewer screw fixations (e.g., 3-hole) exhibited significantly higher peak stress values than 5-hole fixations. Coronoidectomy resulted in broader stress distribution and increased both maximum and minimum stress values, especially in the mandibular angle region. Custom plate designs demonstrated similar stress patterns to the conventional R-plate, but with higher stress magnitudes; the grid-mesh type plate (custom design 2L) exhibited localized stress peaks near screw holes.

Discussion and conclusion
Survival of R-plate affected by both defect type and size, number of remaining mandibular Among the defect types analyzed, L- and CL-types exhibited the highest stress patterns, with the L-type showing the highest peak stress. A greater number of fixation screws improved stress dispersion, while the overall arrangement of screws played a substantial role in stress concentration. The biomechanical impact of coronoidectomy, which eliminates the influence of the temporalis muscle on the mandible, varied by defect type; in L-type defects, it unexpectedly resulted in increased stress levels. A plate design with a wider width is advantageous for increasing the overall strength of the metal plate; however, it tended to show higher maximum stress and a greater stress distribution compared to the conventional design.
In addition, the grid mesh-type R-plate design (custom design 2L) increased stress concentration was observed around the screw holes, resulting in a significant increase in maximum stress and indicating less mechanical benefit than expected.

국문 초록 (Abstract)

서론
악성 종양 절제 등으로 인한 연속성이 파괴된 하악골의 재건은 외과의의 결정을 어렵게 하는 상황이다. 비골피판이나 장골동맥피판과 같은 자가골 피판은 저작 기능 회복과 생체 적합성 면에서 장점을 가지지만, 공여부 합병증이나 수술의 복잡성 때문에 재건의 선택지로 제한이 있었다. 이에 비해 재건금속판을 이용한 재건은 수술 시간이 짧고 술식이 비교적 간단해 여러 상황에 사용되어져 왔다. 그러나 금속성 이물질인 금속판의 특성상 피로 파절, 나사 풀림, 금속판 노출과 같은 다양한 합병증이 동반될 수 있다. 이를 보완하기 위해 해부학적으로 정밀하게 제작된 3D 환자 맞춤형 재건금속판이 제안되어 여러 방식의 디자인으로 환자에게 적용되고 있다. 하지만 어떠한 디자인이 합병증을 줄이는데 적절한지, 이에 대한 임상적 근거나 합병증 관련 연구는 아직 부족한 실정이다.
본 연구에서는 기존 전통적인 재건금속판 사용 환자들의 파절 양상과 파절에 영향을 주는 위험요인을 분석하고, 그 결과를 바탕으로 3D 모델을 디자인하여 유한요소분석(FEA)을 시행하고자 한다. 이를 통해 금속판 및 고정나사에 가해지는 응력 분포를 평가하여 재건금속판을 통한 재건시에 외과의가 고려해야 할 임상적인 요인을 분석하고 환자 맞춤형 금속판을 디자인할 때 유의할 사항들을 제언하고자 한다.

재료 및 방법
후향적 임상분석에서는 R-plate를 이용하여 하악 재건술을 받은 환자들의 임상 기록을 후향적으로 분석하여 합병증 및 관련 위험인자를 평가하였다. 대상 환자는 명확한 포함 및 제외 기준에 따라 선정하였으며, 수술 시기, 결손 유형, 플레이트 생존율, 합병증, 잔존 치아, 재건 시 동반된 피판, 하악 결손부의 크기, 방사선 치료 여부 등의 임상 자료를 통계적으로 분석하였다.
R-plate 유한요소분석에서는 환자의 CT 데이터를 이용하여 하악 모델을 제작하고, 종양 절제 후의 해부학적 구조를 반영하여 결손을 모사하였다. 모델은 결손 유형, 고정 스크류 개수, 관상돌기 절제 유무, 플레이트 디자인(평면형, 1 또는 격자-메시형, 2)에 따라 분류하였다. R-plate와 스크류는 상용 시스템을 기반으로 SolidWorks 2016® (Dassault Systèmes Simulia Corp., Johnston, RI, USA)을 사용해 설계하였고, 유한요소해석은 정적 하중 조건에서 저작근 및 교합력을 적용하여 수행하였다. 경계 조건은 실제 하악의 제약 조건을 반영하여 양측 과두에 설정하였으며, 플레이트와 골간의 접촉은 표면 마찰 상호작용으로, 플레이트-나사-골간의 연결은 tie 조건으로 모델링하였다.

결과
총 44명의 환자(남성 30명, 여성 14명; 평균 연령 60.2세)가 포함되었다. 가장 흔한 결손 유형은 L-type (58.3%) 이었으며, 전체 합병증 발생률은 54.35%로 나타났다. 플레이트 파절은 27.2%에서 발생하였고, 대부분 하악각 부위, 특히 L-type 결손에서 관찰되었다. Kaplan–Meier 생존 분석 결과, 잔존 하악 치아가 10개 미만인 환자에서 R-plate의 생존율이 유의하게 높았다(p = 0.04). 또한 하악 결손부의 크기가 80mm 이하인 경우에서 R-plate의 생존율이 유의하게 낮게 나타났다 (p = 0.002).
FEA 결과, L-type 및 CL-type 결손에서 결손에 가장 가까운 나사 구멍 부위에 최고 von Mises 응력이 집중되었다. 중앙 결손(C, LCL)에서는 전체적인 응력 수준이 낮았다. 나사 고정 개수가 적은 모델(예: 3홀)은 5홀 고정에 비해 유의하게 더 높은 최대 응력값을 보였다. 관상돌기 절제술을 시행한 경우, 응력 분포가 넓어지고 하악각 부위에서 최대 및 최소 응력값이 모두 증가하였다. 맞춤형 플레이트 디자인은 기존 R-plate와 유사한 응력 분포를 보였으나, 응력 크기는 더 높았으며, 격자-메시형(맞춤형 디자인 2L) 플레이트는 나사 구멍 주변에 국소적인 응력 집중이 관찰되었다.

고찰 및 결론
R-plate의 생존은 결손의 유형과 크기, 잔존 하악 치아의 수 모두에 영향을 받았다. 분석된 결손 유형 중 L-type과 CL-type에서 가장 높은 응력 양상이 나타났으며, L-type에서 최고 응력치가 관찰되었다. 고정 나사의 개수가 많을수록 응력 분산이 개선되었으며, 전체적인 나사 배열 역시 응력 집중에 중요한 역할을 하였다. 관상돌기 절제술로 인해 측두근의 하악골에 대한 영향이 사라지면서, 그 생역학적 영향은 결손 유형에 따라 달랐고, L-type 결손에서는 오히려 응력 수준이 증가하는 결과를 보였다. 플레이트의 폭이 넓은 디자인은 전반적인 금속판의 강도를 높이는 것에는 유리하지만 최고 응력 및 응력 분포에서 기존에 비해 크기가 증가하는 경향을 보였다. 또한 격자 메시형 R-plate 디자인(맞춤형 디자인 2L)에서는 나사 구멍 부위에 응력 집중이 증가하여 최고 응력에서는 상당한 증가를 보였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 6
• II.1 Plate survival analysis 6
• II.1.1 Study cohort 6
• II.1.2 Statistical analysis 8
• II.2 Finite element analysis for R-plate 8
• II.2.1 3D modeling 8
• II.2.2 Optimizing mandibular modeling and tumor ablation simulation 8
• II.2.3. Modeling of R-plate and screws 9
• II.2.4 Conditions of FEA 10
• Ⅲ. Results 14
• III.1 Plate survival analysis 14
• III.1.1 Patient demographics 14
• III.1.2 Plate survival and risk factors 15
• III.2 Finite element analysis for R-plate 16
• Ⅳ. Discussion 22
• Ⅴ. Conclusion 33
• Abbreviations 35
• References 36
• Tables 42
• Figures and Figure Legends 49
• Abstract in Korean 67