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Methodenartikel

Ein Finite-Elemente-Ansatz zur Bestimmung des Widerstandszentrums von Maxillary Teeth

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DOI:

10.3791/60746

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8. April 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Orthodontics, University of Connecticut Health, 2Private Practice, Miami, FL, 3Department of Biomedical Engineering, University of Connecticut, 4Department of Mechanical Engineering, University of Connecticut

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Diese Studie skizziert die notwendigen Werkzeuge für die Verwendung von niedrig dosierten dreidimensionalen Kegelstrahl-basierten Patientenbildern der Maxilla und der Kieferzähne, um Finite-Elemente-Modelle zu erhalten. Diese Patientenmodelle werden dann verwendet, um die CRES aller Kieferzähne genau zu lokalisieren.

Zusammenfassung

Das Zentrum des Widerstands (CRES) gilt als grundlegender Bezugspunkt für vorhersehbare Zahnbewegungen. Die Methoden zur Schätzung der CRES der Zähne reichen von traditionellen radiographischen und physikalischen Messungen bis hin zu In-vitro-Analysen an Modellen oder Kadaverproben. Techniken mit Finite-Elemente-Analyse von hochdosierten Mikro-CT-Scans von Modellen und Einzelzähnen haben viel Versprechen gezeigt, aber mit neueren, niedrig dosierten und niedrig auflösenden Kegelstrahltomographie (CBCT)-Bildern wurde wenig getan. Auch die CRES für nur wenige ausgewählte Zähne (d. h. maxilläre zentrale Schneidezähne, Vordere und erste Molaren) wurden beschrieben; der Rest wurde weitgehend ignoriert. Es ist auch notwendig, die Methodik der Bestimmung des CRES im Detail zu beschreiben, damit es leicht zu replizieren und aufzubauen ist.

Diese Studie verwendete routinemäßige CBCT-Patientenbilder für die Entwicklung von Werkzeugen und einen Workflow, um Finite-Elemente-Modelle für die Lokalisierung der CRES von Kieferzähnen zu erhalten. Die CBCT-Volumenbilder wurden manipuliert, um dreidimensionale (3D) biologische Strukturen zu extrahieren, die für die Bestimmung der CRES der Kieferzähne durch Segmentierung relevant sind. Die segmentierten Objekte wurden gereinigt und in ein virtuelles Netz aus Tetraeder (tet4) Dreiecken mit einer maximalen Kantenlänge von 1 mm mit 3matic Software umgewandelt. Die Modelle wurden weiter in ein Volumennetz aus Tetraedern mit einer maximalen Kantenlänge von 1 mm für die Finite-Elemente-Analyse umgewandelt. Die Engineering-Software Abaqus wurde verwendet, um die Modelle vorzuverarbeiten, um eine Baugruppe zu erstellen und Materialeigenschaften, Interaktionsbedingungen, Randbedingungen und Lastanwendungen festzulegen. Die Belastungen simulierten bei der Analyse die Belastungen und Belastungen des Systems und halfen bei der Lokalisierung des CRES. Diese Studie ist der erste Schritt zur genauen Vorhersage der Zahnbewegung.

Einleitung

Das Zentrum des Widerstands (CRES) eines Zahnes oder Zahnsegments ist analog zum Massenmittelpunkt eines freien Körpers. Es ist ein Begriff, der aus dem Bereich der Mechanik von starren Körpern entlehnt ist. Wenn eine einzelne Kraft am CRESangewendet wird, erfolgt die Übersetzung des Zahnes in Richtung der Einwirkungslinie der Kraft1,2. Die Position des CRES hängt nicht nur von der Anatomie und den Eigenschaften des Zahnes ab, sondern auch von seiner Umgebung (z.B. Parodontalband, umgebender Knochen, angrenzende Zähne). Der Zahn ist ein zurückhaltender Körper, so dass seine CRES ähnlich dem Zentrum der Masse eines freien Körpers. Bei der Manipulation von Geräten betrachten die meisten Kieferorthopäden die Beziehung des Kraftvektors zum CRES eines Zahnes oder einer Gruppe von Zähnen. In der Tat wird die Frage bestimmt, ob ein Objekt Kipp- oder Körperbewegungen anzeigt, wenn es einer einzigen Kraft vorgelegt wird, hauptsächlich durch die Position des CRES des Objekts und den Abstand zwischen dem Kraftvektor und dem CRES. Wenn dies genau vorhergesagt werden kann, werden die Behandlungsergebnisse erheblich verbessert. So kann eine genaue Schätzung von CRES die Effizienz der kieferorthopädischen Zahnbewegung erheblich verbessern.

Seit Jahrzehnten beschäftigt sich das kieferorthopädische Feld mit der Forschung über die Lage der CRES eines bestimmten Zahnes, Segments oder Bogens1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Diese Studien sind jedoch in vielerlei Hinsicht begrenzt. Die meisten Studien haben die CRES für nur wenige Zähne bestimmt, wobei die Mehrheit ausgelassen wurde. So wurden beispielsweise der maxilläre Zentralschneidemittelund und das Maxillary Schneidesegment recht ausführlich bewertet. Auf der anderen Seite gibt es nur wenige Studien über den Oberkiefer und zuerst Molaren und keine für die restlichen Zähne. Außerdem haben viele dieser Studien die Position des CRES auf der Grundlage generischer anatomischer Daten für Zähne, Messungen aus zweidimensionalen (2D) Röntgenaufnahmen und Berechnungen auf 2D-Zeichnungen8bestimmt. Darüber hinaus verwendet ein Teil der aktuellen Literatur generische Modelle oder dreidimensionale (3D) Scans von dentiformischen Modellen anstelle von menschlichen Daten4,8. Da sich die Kieferorthopädie in die 3D-Technologie für die Planung von Zahnbewegungen verlagert, ist es entscheidend, dieses Konzept zu überdenken, um ein wissenschaftliches 3D-Verständnis der Zahnbewegung zu entwickeln.

Mit dem technologischen Fortschritt, der zu einer erhöhten Rechenleistung und Modellierungsfähigkeit führt, hat die Fähigkeit, komplexere Modelle zu erstellen und zu studieren, zugenommen. Die Einführung von Computertomographie-Scanning und Kegelstrahl-Computertomographie (CBCT)-Scanning hat Modelle und Berechnungen aus der 2D-Welt in 3D geschoben. Gleichzeitige Erhöhungen der Rechenleistung und Softwarekomplexität haben es Forschern ermöglicht, 3D-Röntgenaufnahmen zu verwenden, um genaue anatomische Modelle für den Einsatz in fortschrittlicher Software zu extrahieren, um die Zähne, Knochen, Parodontalbänder (PDL) und verschiedene andere Strukturen7,,8,,9,,10,13,14,,15zu segmentieren. Diese segmentierten Strukturen können in ein virtuelles Netz umgewandelt werden, um die Reaktion eines Systems zu berechnen, wenn eine bestimmte Kraft oder Verschiebung darauf angewendet wird.

Diese Studie schlägt eine spezifische, reproduzierbare Methodik vor, die verwendet werden kann, um hypothetische kieferorthopädische Kraftsysteme zu untersuchen, die auf Modellen angewendet werden, die aus CBCT-Bildern von lebenden Patienten abgeleitet sind. Bei der Verwendung dieser Methode können die Forscher dann die CRES verschiedener Zähne abschätzen und die biologische Morphologie von Zahnstrukturen wie Zahnanatomie, Anzahl der Wurzeln und deren Ausrichtung im 3D-Raum, Massenverteilung und Struktur parodontaler Anhänge berücksichtigen. Eine allgemeine Übersicht dieses Prozesses ist in Abbildung 1dargestellt. Damit soll der Leser an dem logischen Prozess der Erstellung von 3D-Zahnmodellen zur Lokalisierung des CRESausgerichtet werden.

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Protokoll

Für die Bewertung der CBCT-Bände, die in der Abteilung für Mund- und Gesichtsbehandlung archiviert sind (IRB-Nr. 17-071S-2), wurde eine Ausnahmegenehmigung für das institutionelle Prüfungsgremium erwirkt.

1. Volumenauswahl und Kriterien

  1. Erwerben Sie ein CBCT-Bild von Kopf und Gesicht16.
  2. Untersuchen Sie das Bild auf Zahnausrichtung, fehlende Zähne, Voxelgröße, Sichtfeld und Gesamtqualität des Bildes.
  3. Stellen Sie sicher, dass die Voxelgröße nicht größer als 350 mm (0,35 mm) ist.

2. Segmentierung von Zähnen und Knochen

  1. Laden Sie die unformatierten DICOM-Dateien des CBCT-Images in die Mimics-Software für die Segmentierung (Abbildung 2). Klicken Sie auf Bild > Zuschneiden von Projekt. Schneiden Sie das Bild zu, um nur die Kiefer- und Kieferzähne einzuschließen.
    HINWEIS: Das Sichtfeld sollte groß genug sein, um die Kiefer- und Kieferzähne zu erfassen. Stellen Sie sicher, dass das Bild die Zahnkronen, den harten Gaumen bis zum Nasenboden, Kieferhöhlen, Gesichtsoberflächen der Kieferzähne und die hintere Ausdehnung des harten Gaumens und der Kieferhaut enthält.
  2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Registerkarte für Maske und erstellen Sie eine neue Maske für das Bild. Benennen Sie die Maske in UL1, UL2, ..., UL7 für die linke Seite und UR1, UR2, ..., UR7 für die rechte Seite, basierend auf dem Zahn von Interesse um.
  3. Identifizieren Sie den Zahn von Interesse auf dem maskierten CBCT-Bild (siehe Ansichten). Verwenden Sie das Werkzeug Maske löschen, um die Maske zu löschen. Die Software kann möglicherweise nicht zwischen Zähnen und Knochen unterscheiden, da die Grauwerte der beiden ähnlich sind.
    HINWEIS: Das Schwellenwerkzeug in Mimics ist nicht in der Lage, Zähne und Knochen getrennt zu segmentieren. Daher ist eine andere Methode für die Segmentierung erforderlich.
  4. Klicken Sie auf das Werkzeug Mehrfach-Slice-Bearbeitung (Strg + M). Wählen Sie die Ansicht (Axial, Coronaloder Sagittal). Markieren Sie manuell (d. h. zeichnen) einige der Slices, wie es für notwendig erachtet wird.
    HINWEIS: Durch das Hervorheben weiterer Slices wird der Struktur mehr Details hinzugefügt.
  5. Klicken Sie auf das Werkzeug Interpolieren, um das Volumen für die übersprungenen Slices aufzufüllen und anzuwenden.
  6. Generieren Sie das 3D-Volumen für den Zahn, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Maske klicken und die Option zum Berechnen des 3D-Volumens auswählen.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 2.2-2.6 für jeden Zahn des Oberkieferbogens.
  8. Wählen Sie alle 3D-Kieferzähne, UL7-UR7. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, um Glättenauszuwählen. Legen Sie den Glättungsfaktor auf 0,4 und die Iterationen auf 4 fest.
  9. Um die Kieferknochen mit der rechten Maustaste zu segmentieren, klicken Sie auf die Registerkarte für Maske. Erstellen Sie eine neue Maske für das Bild.
  10. Wählen Sie im Dropdown-Menü für vordefinierte Schwellenwertsätze Benutzerdefinierteaus. Passen Sie den Schwellenwert so an, dass er den vollständigen Oberkieferknochen enthält. Achten Sie darauf, das Kontrollkästchen Löcher füllen zu aktivieren, bevor Sie den Schwellenwert anwenden.
    HINWEIS: Kleine Löcher von 1 mm im Kortikalknochen sind akzeptabel, da sie in späteren Stadien leicht entfernt werden können.
  11. Klicken Sie auf das Dynamic Region Growing Tool, um die großen Löcher zu füllen, die in der Maske sichtbar sind. Wählen Sie zusätzlich zum Feld Mehrere Ebenen die Kopf-/Knochenmaske als Ziel für das Werkzeug aus. Verwenden Sie 50 für die Werte Min und 150 für Max. Halten Sie die Control-Taste gedrückt, während Sie auf die Bereiche des kortikalen Knochens klicken, die in der Maske nicht hervorgehoben wurden.
  12. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Kieferknochenmaske für die Funktion Glatte Maske. Wiederholen Sie diesen Schritt 3x für beste Ergebnisse.
  13. Generieren Sie das 3D-Volumen für die Maxilla, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Maske klicken und die Option zum Berechnen des 3D-Volumens auswählen.
  14. Wählen Sie den 3D-Kieferknochen aus. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, um die Glättung auszuwählen. Legen Sie den Glättungsfaktor auf 0,4 und die Iterationen auf 4 fest.
  15. Wählen Sie den 3D-Oberkieferknochen aus und klicken Sie mit der rechten Maustaste, um Wrapauszuwählen. Stellen Sie 0,2 mm für das kleinste Detail und 1 mm für den Lückenschlussabstand ein. Aktivieren Sie die Option Dünne Wände schützen. Drücken Sie Ok.
  16. Benennen Sie den 3D-Kieferknochen "Maxilla" um.

3. Reinigung und Vernetzung

  1. Wählen Sie die 3D-Objekte und kopieren Sie (Strg + C).
  2. Öffnen Sie die 3matic-Software, und fügen Sie (Strg + V) die ausgewählten 3D-Objekte ein. Sie werden im Objektbaum und Arbeitsbereich von 3matic als 3D-Struktur angezeigt (Abbildung 3).
  3. Klicken Sie in der Symbolleiste auf die Registerkarte Fix, und verwenden Sie die Option Glätten. Wählen Sie im Feld Vorgänge die gewünschten 3D-Objekte oder Entitäten aus, und wenden Sie die Standardparameter an.
  4. Klicken Sie in der Symbolleiste auf die Registerkarte Fertig stellen, und verwenden Sie die Option Lokale Glättung. Wählen Sie unter dem Feld Operationen die gewünschten 3D-Objekte oder Entitäten aus. Verwenden Sie den Cursor, um die gewünschten Bereiche manuell zu glätten.
  5. Duplizieren Sie die Zähne. Wählen Sie in der Objektstruktur alle Zähne aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Duplizierenaus.
  6. Wählen Sie Alle duplizierten Zähneaus , gruppieren Sie sich, und benennen Sie den Ordner "Gruppe 1". Das Original-Set dient als Schlusszähne für die Analyse.
  7. Klicken Sie für die duplizierten Zähne in Gruppe 1 auf das Kurvenmodul und die Option Kurve erstellen. Zeichnen Sie manuell eine Kurve um die Zementoenamel-Kreuzung (CEJ) für alle doppelten Zähne.
  8. Wählen Sie die Elemente Kurve, Konturund Rahmen unter der Option Glatte Kurve aus.
  9. Trennen Sie die Kronen- und Wurzelflächen in ihre eigenen Teile, indem Sie die Option Flächen nach Kurven teilen auswählen und mit der linken Maustaste auf das auszuwählende 3D-Objekt klicken.
  10. Generieren Sie die PDL aus der Wurzelstruktur des Zahnes, indem Sie den Zahn in Wurzel und Krone am CEJ teilen.
    1. Duplizieren Sie die 3D-Objekte aus Gruppe 1 (generiert in Schritt 3.6) als Gruppe 2. Klicken Sie für Gruppe 2 im Feld Objektbaum auf das Objekt. Löschen Sie aus der Oberflächenliste die Kronenoberfläche. Führen Sie diesen Schritt für alle Objekte in Gruppe 2 aus.
    2. Für Gruppe 2 klicken Sie auf DesignModul > Hohl. Wenden Sie die gewünschten Parameter an (Tabelle 1).
    3. Klicken Sie auf das Fix-Modul > Fix Wizard. Klicken Sie auf die einzelnen Teile, aktualisieren Sie und folgen Sie den vorgegebenen Anweisungen.
    4. Wiederholen Sie Schritt 3.10.3 für alle Teile. Benennen Sie alle Teile der Gruppe 2 in "UL1_PDL" in "UL7_PDL" und "UR1_PDL" in "UR7_PDL" um.
  11. Klicken Sie in Gruppe 1 aus dem Feld Objektbaum auf Objekt. Löschen Sie die Stammfläche aus der Oberflächenliste.
  12. Wählen Sie die Option Loch normal ausfüllen aus, und wählen Sie die Kontur aus. Klicken Sie auf Bad Contour und Bewerben. Der gesamte Raum wird gefüllt.
  13. Wählen Sie das Designmodul > Lokaler Versatz aus, und wählen Sie die gesamte Kronenoberfläche aus. Aktivieren Sie die folgenden Optionen: Richtung (wählen Sie extern), Versatzabstand (wählen Sie 0,5) und Verringern der Entfernung (wählen Sie 2.0). Bewerben Sie sich.
  14. Wiederholen Sie Schritt 3.13.
  15. Wiederholen Sie die Schritte 3.11-3.14 für jeden Zahn des Oberkieferbogens.
  16. Remesh (Abbildung 3)
    1. Klicken Sie auf das Remesh-Modul > Nicht-Verteilerbauung erstellen > Hauptentität > Maxilla aus der Objektstruktur. Wählen Sie das schneidende Element für alle Objekte aus 3.4 (Originalzähne) aus, und wählen Sie Anwendenaus.
    2. Klicken Sie auf das Remesh-Modul. Teilen Sie die nicht-manniffaltige Baugruppe auf.
    3. Wiederholen Sie die Schritte 3.16.1-3.16.2 mit einer sich schneidenden Entität als alle Objekte aus Gruppe 1 und Anwenden.
    4. Wählen Sie optional nur bei Bedarf das Modul fertig stellen > Trimmen > Entität > Maxilla. Wählen Sie die überschüssige Struktur (d. h. Rauschen) und Applyaus.
    5. Klicken Sie auf das Fix-Modul > Fix-Assistent > Maxilla > Aktualisieren. Folgen Sie den Anweisungen.
    6. Wiederholen Sie Schritt 3.16.1 mit einer sich schneidenden Entität als alle Objekte aus Gruppe 2 und Anwenden.
    7. Klicken Sie auf das Remesh-Modul > Adaptives Remesh. Wählen Sie alle sich schneidenden Entitäten aus 3.16.6 und Applyaus.
    8. Klicken Sie auf das Remesh-Modul > Nicht-Verteiler-Baugruppe spalten.
    9. Klicken Sie auf das Modul "Remesh Module& gt; Nicht-Manniffaltigkeit erstellen> Hauptentität > Einzelobjekt (PDL) aus Gruppe 2 aus der Objektstruktur. Wählen Sie Schnittentität > Entsprechendes Objekt aus Schritt 3.4 auswählen (entsprechend diesem Zahntyp) und Anwendenaus.
    10. Klicken Sie auf Modul neu vernetzen > Adaptives Remesh. Wählen Sie das sich schneidende Element aus 3.16.9 und Applyaus.
    11. Klicken Sie auf Remesh-Modul > Nicht-Verteiler-Baugruppe teilen.
    12. Wiederholen Sie die Schritte 3.16.9-3.16.11 für jeden Zahn.
  17. Klicken Sie auf das Remesh-Modul > Qualitätserhaltung reduzieren Dreiecke. Wählen Sie in der Objektstruktur alle Entitäten (z. B. Zähne, PDLs und Maxilla) und Anwendenaus.
  18. Klicken Sie auf Modul neu vernetzen > Volume-Netz erstellen > Entität auswählen. Wählen Sie Netzparameter.
  19. Wiederholen Sie Schritt 3.18 für alle Entitäten (z. B. Zähne, PDLs und Maxilla).
  20. Exportieren Sie manuell die Eingabedateien (.inp) von 3Matic nach Abaqus (Abbildung 4).

4. Finite-Elemente-Analyse

HINWEIS: Alle benutzerdefinierten Python-Skripte finden Sie in den ergänzenden Anhängen. Sie wurden mit der Makro-Manager-Funktion in Abaqus generiert.

  1. Vorverarbeitungseinrichtung
    1. Öffnen Sie Abaqus und wählen Sie Standardmodell. Klicken Sie auf Datei > Arbeitsverzeichnis festlegen > Speicherort für Dateispeicherung auswählen.
    2. Klicken Sie auf Datei > Skript ausführen, und wählen Sie Model_setup_Part1.py aus.
    3. Geben Sie im Modellverzeichnis den Dateipfad an, um .inp-Dateien auf Abaqus zu laden.
    4. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > Teile > Maxilla > Oberflächen.
    5. Benennen Sie die Fläche im Dialogfeld "UL1 _socket".
    6. Wählen Sie unter Region der Oberfläche nach Winkelaus. Fügen Sie "15" als Winkel hinzu.
    7. Stellen Sie sicher, dass alle Bereiche des Sockets ausgewählt sind. Drücken Sie Fertig, wenn Sie fertig sind.
    8. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.4-4.1.7 für die einzelnen Buchsen.
    9. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > Teile. Wählen Sie dann UL1 > Oberflächenaus. Benennen Sie die Oberfläche "UL1".
    10. Wählen Sie unter Region der Oberfläche auswählen für "Individuell". Wählen Sie den Zahn auf dem Bildschirm aus und drücken Sie Fertig.
    11. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.9-4.1.10 für alle Zähne.
    12. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > Teile. Wählen Sie dann UL1_PDL > Flächenaus. Benennen Sie die Oberfläche "UL1_PDL_inner".
    13. Wählen Sie unter Region der Oberfläche nach Winkelaus. Fügen Sie "15" als Winkel hinzu.
      HINWEIS: Wenn während der letzten Simulation ein Fehler gefunden wird, reduzieren Sie den Winkel, und wählen Sie die Oberfläche erneut aus.
    14. Stellen Sie sicher, dass die gesamte innere Oberfläche der PDL ausgewählt ist. Drücken Sie Fertig, wenn Sie fertig sind.
    15. Wählen Sie UL1_PDL > Flächen. Benennen Sie die Oberfläche "UL1_PDL_outer".
    16. Wählen Sie unter Region der Oberfläche nach Winkelaus. Fügen Sie "15" als Winkel hinzu.
      HINWEIS: Wenn während der letzten Simulation ein Fehler gefunden wird, reduzieren Sie den Winkel, und wählen Sie die Oberfläche erneut aus.
    17. Stellen Sie sicher, dass die gesamte äußere Oberfläche der PDL ausgewählt ist. Drücken Sie Fertig, wenn Sie fertig sind.
    18. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.13-4.1.19 für alle PDLs.
    19. Klicken Sie auf Datei > Skript ausführen und wählen Sie Model_setup_Part2.py
    20. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > BCs. Name BC_all, und wählen Sie dann Schritt als Initialaus. Wählen Sie unter Kategorie "Mechanisch" und unter "Typen ausgewählter Schritte" "Verschiebung/Rotation" aus. Drücken Sie Continue.
    21. Wählen Sie unter Regionen für die Randbedingung auswählen nach Winkelaus. Fügen Sie "15" als Winkel hinzu. Aktivieren Sie Set erstellen. Wählen Sie einzelne Buchsen für die 14 Zähne aus. Drücken Sie Fertig.
      HINWEIS: Dies half, sofortige Zahnbewegungen zu simulieren.
    22. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > Montage > Sets > Set erstellen. Benennen Sie den Satz "U1_y_force".
    23. Wählen Sie unter Wählen Sie die Knoten für das Set Einzelnaus.
      ANMERKUNG: Eine eine Newton-konzentrierte Kraft wurde auf einen zufällig ausgewählten Zahnknoten entweder in positiver Y-Richtung (Simulation einer Distalisierungskraft) oder in positiver Z-Richtung (Simulation einer aufdringlichen Kraft) angewendet.
    24. Wählen Sie einen Knoten in der Mitte der Krone auf der bukkalen Oberfläche des oberen zentralen Schneidezähnes (U1) und drücken Sie Fertig.
    25. Klicken Sie auf Sets > Set erstellen. Benennen Sie den Satz "U1_z_force".
    26. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.23-4.1.24.
    27. Wiederholen Sie die Schritte 4.1.22-4.1.26 für alle Zähne.
      HINWEIS: Bevor ein Satz für einen bestimmten Zahn wie in 4.1.25 generiert wird, gehen Sie zu Instanz > Lebenslauf für diesen Zahn.
  2. Modelleinrichtung
    1. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > Baugruppe > Instanzen. Wählen Sie Alle Instanzen aus, und klicken Sie auf Fortsetzen.
    2. Klicken Sie auf Extras > Abfrage > Punkt/Knoten. Wählen Sie einen Knoten in der Mitte eines zufällig ausgewählten zentralen Schneidezähnes aus, und drücken Sie Fertig.
    3. Kopieren Sie unter der Befehlszentrale am unteren Rand der Seite die X-, Y- und Z-Koordinaten des knotens, der in Schritt 4.2.2 ausgewählt wurde.
    4. Wählen Sie unter der vertikalen Werkzeugleiste Instanz übersetzen aus, und wählen Sie die gesamte Baugruppe (d. h. alle Instanzen) auf dem Bildschirm aus. Drücken Sie Fertig.
    5. Fügen Sie im Feld Startpunkt für den Übersetzungsvektor die kopierten Koordinaten in Schritt 4.2.3 ein, oder geben Sie die X-, Y- und Z-Werte ein. Klicken Sie auf Enter.
    6. Geben Sie unter Endpunkt für den Übersetzungsvektor oder Geben Sie X,Y,Zein: geben Sie die Koordinaten "0.0", "0.0" und "0.0" ein. Klicken Sie auf Enter.
    7. Drücken Sie für Position der Instanz Ok.
    8. Klicken Sie auf Extras > Abfragen > Punkt/Knoten und wählen Sie einen Knoten direkt über der Mittellinie der mittleren Schneidezähne aus. Geben Sie Fertigein.
    9. Kopieren Sie unter der Befehlszentrale am unteren Rand der Seite die X-, Y- und Z-Koordinaten des knotens, der in Schritt 4.2.8 ausgewählt wurde.
    10. Wählen Sie unter der vertikalen Werkzeugleiste Instanz übersetzen aus, und wählen Sie die gesamte Baugruppe (d. h. alle Instanzen) auf dem Bildschirm aus. Geben Sie Fertigein.
    11. Fügen Sie die kopierten Koordinaten in das Feld Wählen Sie einen Startpunkt für den Übersetzungsvektor ein - oder geben Sie das Feld X,Y,Z ein. Klicken Sie auf Enter.
    12. Unter Endpunkt für den Übersetzungsvektor auswählen - oder X,Y,Z eingeben: Fügen Sie die Koordinaten als kopiert in Schritt 4.2.9 ein. Ändern Sie die X-Koordinate in 0,0. Klicken Sie auf Enter.
    13. Drücken Sie für Position der Instanz Ok.
    14. Klicken Sie auf Datei > Skript ausführen und wählen Sie Model_setup_Part3.py. Einfügen oder Ändern von Materialeigenschaften.
    15. Klicken Sie auf Modelle > Simulation > Materialien und klicken Sie auf Knochen/PDL/Zahn. Fügen Sie gewebespezifische Eigenschaften ein.
    16. Klicken Sie auf Datei > Skript ausführen und wählen Sie Functions.pyaus.
  3. Verarbeitung des Modells
    1. Klicken Sie auf Datei > Skript ausführen und wählen Sie Job_submission.py.
      HINWEIS: Im Auftragsmodul richtet der Benutzer eine oder mehrere Aktionen für das Modell ein, und im Job-Manager wird die Modellanalyse gestartet, der Fortschritt wird angezeigt, und der Abschluss wird notiert.
    2. Geben Sie im Dialogfeld Alle unterdrückendie Seiten (L oder R) der Zähne basierend auf Abhängigkeiten ein (Unter Modelle > Simulation > Einschränkungen). Drücken Sie Ok.
    3. Geben Sie im Dialogfeld "Job Submission" ein, um die Analyse für die angegebenen Zähne/Zähne auszuführen. Drücken Sie Ok.
    4. Geben Sie im Dialogfeld "Richtungen für die Analyse" "Y" ein, um die Anwendung von Force anzugeben. Drücken Sie Ok.
  4. Nachbearbeitung für C RES-Schätzung
    1. Wählen Sie Datei > Skript ausführen > Bulk_process.py.
    2. Geben Sie im Dialogfeld "Mehrere Aufträge analysieren" für die angegebenen Zähne/Zähne ein. Drücken Sie Ok.
    3. Geben Sie im Dialogfeld "Richtungen für die Analyse" "Y" ein, um die Kraftanwendung anzugeben. Drücken Sie Ok.
    4. Geben Sie im Dialogfeld Get Input die spezifische Zahnnummer wie beschrieben mit dem Namen Instanzen ein (z. B. UL1 oder UL5 usw.). Drücken Sie Ok.
    5. Überprüfen Sie die Koordinaten für die Force About Point und Estimated Location im Befehlsfeld. Wenn sie nicht ähnlich sind, wiederholen Sie die Schritte 4.3.1-4.4.4.
      HINWEIS: Nachdem die Aufträge für jeden Schritt ausgeführt wurden, wurde ein benutzerdefinierter Algorithmus, der in Python erstellt wurde, innerhalb der Abaqus-Schnittstelle ausgeführt, um das Reaktionskraftsystem und die nachfolgenden Momente zu analysieren, die als Ergebnis einer Lastanwendung erstellt wurden. Der Algorithmus schlägt automatisch eine neue Knotenposition vor, um die Last so anzuwenden, dass innerhalb des Kraftsystems ein Moment nahe Null erzeugt wird. Dies wird in einem iterativen Prozess fortgesetzt, bis die Knotenposition, die einen Moment erstellt, der dem Nullpunkt am nächsten kommt, wenn eine Kraft durch sie angewendet wird, gefunden oder geschätzt wird. Der Algorithmus wird im Abschnitt Diskussion ausführlich beschrieben.

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Ergebnisse

Um die Segmentierung und manuelle Gliederung, wie im Abschnitt Prozeduren (Schritt 2) beschrieben, zu überprüfen, wurde aus einem trockenen Schädel ein oberillares erstes Molaren extrahiert und ein CBCT-Bild aufgenommen. Die Bildverarbeitungs- und Bearbeitungssoftware Mimics wurde verwendet, um den Zahn wie in Schritt 2 beschrieben manuell zu skizzieren. Anschließend wurde die Vernetzung durchgeführt, die segmentierten Modelle mit 3matic-Software gereinigt und zur Analyse nach Abaqus impo...

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Diskussion

Diese Studie zeigt eine Reihe von Werkzeugen, um einen konsistenten Workflow für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) von Modellen von Kieferzähnen aus CBCT-Bildern von Patienten abgeleitet zu etablieren, um ihre CRESzu bestimmen. Für den Arzt wäre eine klare und unkomplizierte Karte der CRES der Kieferzähne ein unschätzbares klinisches Werkzeug, um Zahnbewegungen zu planen und Nebenwirkungen vorherzusagen. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wurde 197317in der zahnbiomechanischen...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Die Autoren möchten den Charles Burstone Foundation Award für die Unterstützung des Projekts würdigen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
3-matic softwareMaterialise, Leuven, Belgien.Reinigung und Vernetzung
Abaqus/CAE-Software, Version 2017Dassault Systè mes Simulia Corp., Johnston, RI, USA.der Finite-Elemente-Analyse
, Version 17.0Materialise, Leuven, Belgien.Segmentierung von Zähnen und Knochen
Software zur Nachahmung

Referenzen

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