Modelo de Análisis de Elementos Finitos para Evaluar los Patrones de Expansión a partir de la Expansión Palatina Rápida Asistida Quirúrgicamente

Summary

Se creó un conjunto de nuevos modelos de elementos finitos de expansión palatina rápida asistida quirúrgicamente (SARPE) que podrían realizar una cantidad clínicamente requerida de activación del expansor con varios ángulos de osteotomía bucal para un análisis más detallado de los patrones de expansión de los hemimaxilares en las tres dimensiones.

Abstract

Se introdujo la expansión palatina rápida asistida quirúrgicamente (SARPE) para liberar la resistencia ósea y facilitar la expansión esquelética en pacientes esqueléticamente maduros. Sin embargo, se ha descrito una expansión asimétrica entre los lados izquierdo y derecho en el 7,52% de todos los pacientes con SARPE, de los cuales el 12,90% tuvo que someterse a una segunda cirugía para su corrección. Las etiologías que conducen a la expansión asimétrica siguen sin estar claras. El análisis de elementos finitos se ha utilizado para evaluar el estrés asociado con SARPE en las estructuras maxilofaciales. Sin embargo, como una colisión del hueso en los sitios de osteotomía de LeFort I ocurre solo después de una cierta cantidad de expansión, la mayoría de los modelos existentes no representan realmente la distribución de la fuerza, dado que la cantidad de expansión de estos modelos existentes rara vez excede 1 mm. Por lo tanto, existe la necesidad de crear un nuevo modelo de elementos finitos de SARPE que pueda realizar una cantidad clínicamente requerida de activación del expansor para un análisis más detallado de los patrones de expansión de los hemimaxilares en las tres dimensiones. Un modelo de cráneo tridimensional (3D) de tomografía computarizada de haz cónico (CBCT) se importó a Mimics y se convirtió en entidades matemáticas para segmentar el complejo maxilar, los primeros premolares maxilares y los primeros molares maxilares. Estas estructuras se transfirieron a Geomagic para el alisado de la superficie y la creación de huesos esponjosos y ligamentos periodontales. A continuación, se conservó la mitad derecha del complejo maxilar y se reflejó para crear un modelo perfectamente simétrico en SolidWorks. Se construyó un expansor de Haas y se colocó en los primeros premolares y primeros molares maxilares. El análisis de elementos finitos de varias combinaciones de osteotomías bucales en diferentes ángulos con un aclaramiento de 1 mm se realizó en Ansys. Se realizó una prueba de convergencia hasta alcanzar la cantidad deseada de expansión en ambos lados (al menos 6 mm en total). Este estudio sienta las bases para evaluar cómo la angulación de la osteotomía bucal influye en los patrones de expansión de SARPE.

Introduction

La expansión rápida palatina asistida quirúrgicamente (SARPE) es una técnica comúnmente utilizada para la expansión transversal de la estructura ósea maxilar y el arco dental en pacientes esqueléticamente maduros¹. La cirugía consiste en una osteotomía de LeFort I, una corticotomía mediopalatina y, opcionalmente, la liberación de la fisura pterigoideo-maxilar². Sin embargo, se han descrito patrones de expansión no deseados de la SARPE, como la expansión desigual entre los hemimaxilares izquierdo y derecho³ y la inclinación/rotación bucal⁴ de la apófisis dentoalveolar, lo que podría conducir al fracaso de la SARPE y, a veces, incluso requerir cirugías adicionales para su corrección⁵. Estudios previos han indicado que la variación en las osteotomías circunmaxilares puede desempeñar un papel importante en el patrón de expansión post-SARPE^2,3, ya que las colisiones entre los bloques óseos en los sitios de osteotomía de Le Fort I pueden contribuir a la fuerza de resistencia desigual de la expansión lateral de los hemimaxilares y a la rotación de los hemimaxilares con los bordes alveolares por debajo del corte moviéndose hacia adentro mientras que el proceso dentoalveolar^se expande ^{3, 4}. Por lo tanto, es necesario investigar los efectos de las diferentes direcciones de la osteotomía, especialmente la osteotomía bucal, en los patrones de expansión post-SARPE.

Se han establecido varios modelos de análisis de elementos finitos (FEA) para evaluar la distribución de fuerzas durante SARPE. Sin embargo, la cantidad de expansión establecida en estos modelos está limitada a hasta 1 mm, que está muy por debajo de la cantidad clínica requerida 6,7,8,9,10,11,12. La expansión inadecuada de los modelos FEA puede dar lugar a predicciones erróneas de los resultados posteriores a la SARPE. Más específicamente, la colisión entre los huesos en el sitio de la osteotomía, según lo informado por Chamberland y Proffit⁴, puede no demostrarse si el expansor no se gira adecuadamente, lo que puede no reflejar la verdadera realidad clínica. Con la cantidad limitada de expansión incorporada en los modelos anteriores, las evaluaciones de resultados de estos modelos se centraron en el análisis de estrés. Sin embargo, el análisis de estrés de FEA en odontología generalmente se realiza bajo carga estática con las propiedades mecánicas de los materiales configuradas como isotrópicas y linealmente elásticas, lo que restringe aún más la relevancia clínica de los estudios de FEA¹³.

Además, la mayoría de estos estudios no consideraron el espesor del instrumento quirúrgico en el sitio de la osteotomía 6,7,8,10,11,12^, a menudo estableciendo la fricción a cero en los cortes como parte de las condiciones de contorno. Sin embargo, esta configuración simplifica demasiado los contactos entre los tejidos duros y blandos. Puede afectar significativamente la distribución de la fuerza y el patrón de expansión resultante de los hemimaxilares.

Sin embargo, no hay literatura disponible que haya investigado el efecto de la osteotomía en la asimetría post-SARPE utilizando modelos de análisis de elementos finitos (FEA). Todos los estudios actuales emplearon modelos con patrones de osteotomía simétricos 6,7,8,9,10,11,12,14^, que no reflejan la realidad de la práctica clínica donde las osteotomías pueden diferir en cada lado del cráneo. La falta de literatura que examine el efecto de las osteotomías asimétricas en la asimetría post-SARPE representa una brecha de conocimiento significativa que debe abordarse.

Por lo tanto, el objetivo de este estudio es desarrollar un nuevo modelo FEA de SARPE que pueda imitar realmente las condiciones clínicas, incluida la cantidad de expansión y la brecha de osteotomía, e investigar los patrones de expansión de los hemimaxilares en las tres dimensiones con varios diseños de osteotomía. Este enfoque proporcionaría información valiosa sobre la mecánica subyacente a los patrones de expansión posteriores a la SARPE y serviría como una herramienta útil para los médicos en la planificación y ejecución de los procedimientos de la SARPE.

Protocol

Este estudio utilizó una imagen CBCT preexistente, no identificada y previa al tratamiento de un paciente que tenía SARPE como parte de los planes de tratamiento. El estudio se realizó de acuerdo con la Declaración de Helsinki y fue aprobado por el Comité de Revisión Institucional (protocolo #853608).

1. Adquisición de muestras y segmentación dental

1. Adquiera una imagen CBCT humana de la cabeza en una posición natural de la cabeza que incluya el complejo maxilar del paciente, incluido el hueso basal maxilar, el hueso alveolar maxilar y la dentición maxilar.
2. Importe los archivos CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) en el software Mimics.
   1. Cree un nuevo proyecto (Ctrl + N), seleccione todas las imágenes DICOM y haga clic en Siguiente y Convertir.
   2. Defina la dirección del modelo (A: anterior, P: posterior, T: superior, B: inferior, L: izquierda, R: derecha) y haga clic en Aceptar.
3. Segmente la lima en complejo maxilar, primeros premolares maxilares y primeros molares maxilares.
   1. Haga clic en Umbral, seleccione un umbral adecuado para segmentar los huesos y haga clic en Aplicar.
   2. Cree nuevas máscaras y haga clic en Editar máscaras, utilizando Dibujar y borrar para segmentar el complejo maxilar, los primeros premolares maxilares y los primeros molares maxilares del paciente.
4. Exporte los objetivos como archivos de estereolitografía (STL).
   1. Haga clic con el botón derecho en las máscaras y seleccione Calcular 3D para generar objetos 3D.
   2. Haga clic con el botón derecho en los objetos 3D, seleccione STL+, elija los objetos solicitados y presione Agregar y finalizar para crear archivos STL.

2. Alisado de la superficie y creación de hueso esponjoso y espacio del ligamento periodontal

1. Importe los archivos STL en el software Geomagic.
   1. Haga clic en Archivo > Abrir, seleccione los archivos STL y, a continuación, pulse Abrir.
   2. Seleccione Milímetros para los datos de la ventana emergente Unidades y haga clic en Aceptar.
2. Alisar la superficie del complejo maxilar, los primeros premolares maxilares y los primeros molares maxilares.
   1. Haga clic en Polígonos > Eliminar picos, haga clic y arrastre el nivel de suavizado cerca de Bajo, haga clic en Aplicar y Aceptar.
   2. Haga clic en Polígonos > Relajar polígonos, haga clic y arrastre el nivel de suavizado cerca de Mín., haga clic en Aplicar y en Aceptar.
   3. Haga clic en Polígonos > Reparar intersecciones, elija Relajar/Limpiar en la ventana Modo , haga clic en Aplicar y en Aceptar.
3. Modifique la superficie del modelo en una región continua y cerrada.
   1. Haga clic y arrastre la superficie nítida y presione Suprimir para crear un agujero.
   2. Haga clic en Polígonos > Rellenar agujeros, utilice Relleno, Rellenar parcialmente, Crear puentes en la ventana Método de relleno para rellenar los agujeros, haga clic en Aplicar y en Aceptar.
4. Convierta la superficie 2D en un modelo sólido 3D y expórtelo como un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD).
   1. Haga clic en Editar > Fase > Fase de forma, seleccione Editar curvas de nivel para crear un boceto de las curvas de nivel de la superficie y, a continuación, haga clic en Aceptar.
   2. Haga clic en Dibujar diseño de parche y dibuje mallas cuadriláteras para cubrir todas las superficies y, a continuación, haga clic en Aceptar.
   3. Haga clic en Construir cuadrículas, defina una resolución adecuada y haga clic en Aceptar para generar una malla más fina.
   4. Haga clic en Ajustar superficies, haga clic en Aplicar y en Aceptar para construir un modelo sólido 3D.
   5. Haga clic en Archivo > Guardar como para exportar el modelo 3D y guardarlo en un archivo IGES (llamado Maxilla).
5. Cree el hueso esponjoso reduciendo el volumen del complejo maxilar en 1 mm de la superficie alveolar bucal. Crea espacio de ligamento periodontal expandiendo el contorno de las raíces en 0,2 mm.
   1. Haga clic en Fase de polígono, elija Eliminar en la ventana Curvas de nivel , seleccione Conservar en la ventana Diseño de parche y, a continuación, pulse OK para convertir el modelo sólido 3D en una superficie 2D.
   2. Haga clic en Polígonos > Desplazamiento, introduzca -1 mm y 0,2 mm en el panel Distancia para el hueso esponjoso y el ligamento periodontal y, a continuación, haga clic en Aplicar y Aceptar.
   3. Haga clic en Editar > Fase > Fase de forma, seleccione Restaurar diseño de parche y pulse Aceptar.
   4. Haga clic en Construir cuadrículas, defina una resolución adecuada y haga clic en Aceptar para generar una malla más fina.
   5. Haga clic en Ajustar superficies, haga clic en Aplicar y en Aceptar para construir un modelo sólido 3D.
   6. Haga clic en Archivo > Guardar como para exportar el modelo 3D y guardarlo en archivos IGES (denominados CB y PL).

3. Construir un modelo anatómico simétrico del maxilar

1. Importe los archivos CAD en SolidWorks.
   1. Haga clic en Archivo > Abrir, seleccione el archivo Maxilar y presione Abrir para importar el archivo CAD.
   2. Haga clic en Archivo > Guardar para guardar el archivo en el formato de pieza .
2. Construye el hueso esponjoso por debajo del plano palatino (PP).
   1. Haga clic en Insertar > pieza, seleccione el archivo CB y pulse Abrir para importar el archivo CAD.
   2. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano palatal y haga clic en Aceptar para crear un plano de corte.
   3. Haga clic en Insertar > operaciones > Dividir, elija el plano palatal en Herramientas de recorte y haga clic en Cortar pieza para crear una vista preliminar de corte.
   4. Marque las casillas de verificación en los Cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar el hueso esponjoso.
   5. Haga clic en el hueso esponjoso sobre el plano palatino, haga clic con el botón derecho y presione Eliminar en la sección Cuerpo .
3. Construir el ligamento periodontal de los primeros premolares maxilares y primeros molares maxilares.
   1. Haga clic en Insertar > pieza, seleccione el archivo PL y pulse Abrir para importar el archivo CAD.
   2. Haga clic en Insertar > entidades > intersección y elija Maxilar y PL en la ventana Selecciones .
   3. Seleccione Crear ambos en la ventana Selecciones , elija la parte del ligamento periodontal en la Lista de regiones y, a continuación, haga clic en Aceptar para generar el ligamento.
4. Realice un plano de corte mediopalatino desde la espina nasal anterior (SNA) hasta la espina nasal posterior (SNP) y conserve la mitad derecha del complejo maxilar.
   1. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano mediopalatal y haga clic en Aceptar para crear un plano de corte.
   2. Haga clic en Insertar > operaciones > Dividir, elija el plano palatal en Herramientas de recorte y haga clic en Cortar pieza para crear una vista preliminar de corte.
   3. Marque las casillas de verificación en los Cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar el complejo maxilar.
   4. Haga clic en la mitad izquierda del complejo maxilar, haga clic con el botón derecho y presione Eliminar en la sección Cuerpo .
5. Refleja la mitad derecha del complejo maxilar y crea una mitad izquierda idéntica.
   1. Haga clic en Insertar > patrón/simetría > simetría y elija el plano mediopalatal en Cara/plano simétrica.
   2. Elija todo el complejo semimaxilar derecho en Cuerpos para reflejar y haga clic en Aceptar para generar la mitad izquierda del complejo maxilar.

4. Cree un expansor Haas y una banda a los primeros premolares y primeros molares maxilares

1. Construye la banda premolar y la banda molar.
   1. Haga clic en Insertar > pieza, seleccione el archivo PL y pulse Abrir para importar el archivo CAD.
   2. Haga clic en Insertar > Entidades > Dividir, elija los dientes en el archivo PL y establezca una Escala uniforme de 1,05. Haga clic en Aceptar para generar bandas de 0,5 mm de grosor.
   3. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano oclusal y haga clic en Aceptar para crear un plano de referencia.
   4. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija el plano oclusal y defina una distancia de desplazamiento de 1,5 mm. Haga clic en Aceptar para crear el primer plano de corte.
   5. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija el plano oclusal y defina una distancia de desfase de 4,0 mm. Haga clic en Aceptar para crear el segundo plano de corte.
   6. Haga clic en Insertar > operaciones > División y elija el primer y segundo plano en Herramientas de recorte y los dientes en Cuerpos de destino. Haga clic en Cortar cuerpos para crear una vista preliminar de corte.
   7. Marque las casillas de verificación en los cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar los dientes.
   8. Haga clic en la banda situada encima del primer plano y debajo del segundo plano, haga clic con el botón derecho y pulse Suprimir en la sección Cuerpo .
2. Construye la placa acrílica.
   1. Haga clic en Insertar > plano de > geometría de referencia, elija tres puntos característicos en el plano del paladar duro y haga clic en Aceptar para crear un plano de boceto.
   2. Haga clic en Insertar boceto >, dibuje una placa acrílica, consulte el expansor de Haas y haga clic en Salir boceto.
   3. Haga clic en Insertar > saliente/base > Extrusión, elija el boceto de la placa acrílica, establezca 5 mm de profundidad y haga clic en Aceptar.
   4. Haga clic en Insertar > características > Flex y doble la placa acrílica para que se ajuste a la anatomía del paladar.
   5. Haga clic en Insertar > operaciones > empalme/redondeo y filete los bordes afilados de la placa acrílica en un radio de 1 mm.
3. Construye los brazos expansores.
   1. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos de la banda y haga clic en Aceptar para crear un plano de boceto (denominado P1).
   2. Haga clic en Insertar boceto >, dibuje un círculo de 2 mm de diámetro y haga clic en Salir boceto (denominado C1).
   3. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en la placa acrílica y haga clic en Aceptar para crear un plano de boceto (denominado P2).
   4. Haga clic en Insertar boceto >, dibuje un círculo de 2 mm de diámetro y haga clic en Salir boceto (denominado C2).
   5. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija el plano P2 y defina una distancia de desfase de 6 mm. Haga clic en Aceptar en un plano de boceto.
   6. Haga clic en Insertar > boceto, dibuje un círculo de 2 mm de diámetro y haga clic en Salir del boceto (denominado C3).
   7. Haga clic en Insertar > saliente/base > Loft y elija el boceto C1, C2 y C3 en la ventana Perfiles .
   8. Seleccione la banda y la placa acrílica en la ventana Ámbito de entidad , marque Resultado de la combinación en la ventana Opciones y haga clic en Aceptar.

5. Diseña la osteotomía

1. Cree un plano de 1 mm de espesor, equivalente al diámetro de una fresa utilizada habitualmente por el cirujano, desde la esquina de la abertura piriforme (Alar) hacia la cresta infracigomática (IZC) a varios grados del plano horizontal.
   1. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano de osteotomía (0°, 10°, 20° o 30° con respecto al plano horizontal) y haga clic en Aceptar para crear el plano (denominado O1).
   2. Haga clic en Insertar > plano de > geometría de referencia, elija el plano de osteotomía y establezca una distancia de desplazamiento de 1,0 mm. Haga clic en Aceptar para crear un plano de corte inferior (denominado O2).
   3. Haga clic en Insertar > operaciones > Dividir, elija el plano O1 y O2 en Herramientas de recorte y haga clic en Cortar parte para crear una vista preliminar de corte.
   4. Marque las casillas de verificación en los Cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar el complejo maxilar.
   5. Haga clic en el cuerpo entre los planos O1 y O2, haga clic con el botón derecho y presione Eliminar en la sección Cuerpo .
2. Exporte modelos con diferentes ángulos de osteotomía bucal en Parasolid Model Part File (X_T) para su análisis.
   1. Haga clic en Archivo > Guardar como y elija Parasolid (x_t) en la lista Tipo de archivo .
   2. Haga clic en Guardar para exportar los modelos para el software de análisis de elementos finitos.

6. Análisis de elementos finitos

1. Importe y configure los parámetros de material del modelo complejo maxilar en el software Ansys.
   1. Haga clic y arrastre la estructura estática en la caja de herramientas para crear un espacio de trabajo de análisis.
   2. Haga doble clic en los datos de ingeniería y establezca el módulo de Young y la relación de Poisson de todos los materiales en Propiedades. Las propiedades de los materiales de las diferentes estructuras^12,15,16 se enumeran en la Tabla 1.
   3. Haga doble clic en Geometría, haga clic en Archivo > Importar archivo de geometría externo y, a continuación, haga clic en Generar para importar el modelo complejo maxilar.
   4. Haga clic en Crear > booleano y genere el hueso cortical y el ligamento periodontal mediante un booleano con el hueso esponjoso y los dientes.
2. Configure el modelo de análisis de elementos finitos.
   1. Haga doble clic en el modelo y, a continuación, haga clic en Geometría para seleccionar las propiedades del material para cada pieza.
   2. Haga clic con el botón derecho en Malla y haga clic en Generar malla para crear los elementos en el modelo.
   3. Haga clic en Conexiones y asigne la parte blanda/pequeña en Cuerpos de contacto y la parte rígida/grande en Cuerpos de destino.
   4. Asigne el tipo de contacto y el coeficiente de fricción en Definición. Las propiedades de conexión de las diferentes partes¹⁷ se enumeran en la Tabla 2.
   5. Haga clic con el botón derecho en Conexiones, haga clic en Insertar > resorte para conectar las partes superior e inferior del plano de osteotomía. Ajuste los resortes a 1 mm de largo con una constante de resorte k = 60 N / mm y coloque un resorte en cada nodo de la rejilla.
3. Establezca una fuerza clínicamente aceptable a lo largo del eje x (perpendicular a la línea media) en la placa acrílica en varias combinaciones de osteotomías.
   1. Haga clic con el botón derecho en Estructural estático, haga clic en Insertar > soporte fijo y establezca la estructura en el plano palatal inamovible.
   2. Haga clic con el botón derecho en Estructura estática, haga clic en Insertar fuerza > y establezca una fuerza de 150 N para aplicar en la placa acrílica con una dirección alejada de la línea medial.
   3. Haga clic con el botón derecho en Solución y, a continuación, haga clic en Insertar > deformación > Total para supervisar la deformación de la expansión.
4. Realice una prueba de convergencia hasta que se logren expansiones en ambos lados.
   1. Haga clic en Resolver en las barras de herramientas y espere hasta que el nivel de Forzar convergencia alcance el Criterio de fuerza.
   2. Haga clic en Deformación total para mostrar los resultados de la expansión.
5. Mida los desplazamientos de los puntos de referencia anatómicos en las tres dimensiones como resultado de la expansión. Sugiera los siguientes puntos de referencia que se utilizarán para evaluar el patrón de expansión:
   Ángulo de la línea mesioincisal del incisivo central maxilar (U1).
   Punta de la cúspide bucal del primer premolar maxilar (U4).
   Punta de la cúspide mesiobucal del primer molar maxilar (U6).
   Esquina lateroinferior de la abertura piriforme (Alar).
   Cresta infracigomática (IZC).
   Punto medio del expansor.

Results

El modelo de demostración utilizó la imagen CBCT de una mujer de 47 años con deficiencia maxilar. En el modelo generado, se conserva la estructura anatómica de la cavidad nasal, el seno maxilar y el espacio del ligamento periodontal para los dientes anclados al expansor (primer premolar y primer molar) (Figura 1).

Para simular el procedimiento quirúrgico con precisión, el tabique nasal, las paredes laterales de la cavidad nasal y la fisura pterigomaxilar se separa...

Discussion

La dirección de la osteotomía bucal en la SARPE puede ser un corte horizontal desde la abertura nasal antes de descender en el área del contrafuerte maxilar o un corte en rampa desde el borde piriforme hacia el contrafuerte correspondiente al primer molar maxilar, como lo describe Betts². De cualquier manera, la osteotomía se extiende muy por debajo de la apófisis cigomática del maxilar. Sin embargo, la mayoría de los estudios actuales de FEA sobre SARPE utilizan un corte horizontal que se extiend...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ansys	Ansys	Versión 2019	Ansys es un software para el análisis de elementos finitos que puede resolver modelos complicados basados en ecuaciones diferenciales. A través de este software se analizaron los resultados de expansión de los diferentes ángulos de osteotomía bucal.
Geomagic Studio	3D Systems	Versión 10	Geomagic Studio es un software de ingeniería inversa que puede generar modelos digitales basados en puntos de escaneo físicos. Este estudio construyó el hueso esponjoso y los ligamentos periodontales a través de este software.
Mimics	Materialise	Version 16	Mimics es un software de ingeniería médico basado en imágenes 3D que convierte de manera eficiente las imágenes de TC en un modelo 3D. En este estudio se reconstruyó un complejo maxilar a través de las imágenes DICOM del paciente.
SolidWorks	Dassault Systè mes	Versión 2018	SolidWorks es un software de diseño asistido por computadora para que diseñadores e ingenieros creen modelos 3D. En este estudio se diseñó y dibujó un expansor de Haas a través de este software.