Articolo metodologico

Sistema con verticale V-curve forza: una valutazione 3D In Vitro di archi rettangolari elastici e rigidi

DOI:

10.3791/57339

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24 luglio 2018

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1Division of Orthodontics, University of Connecticut Health, 2Private Practice, 3Department of Orthodontics, University of Melbourne, 4Department of Orthodontics, University of Nebraska Medical Center, 5Department of Craniofacial Sciences, University of Connecticut Health, 6Biomedical Engineering, University of Hartford, 7Department of Mechanical Engineering, College of Engineering and Engineering Technology, Northern Illinois University

In questo articolo

Sommario

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Il metodo qui presentato è progettato per costruire e validare un in vitro modello 3D in grado di misurare la forza del sistema generato da dispositivi diversi con V-curve tra due staffe. Ulteriori obiettivi sono per confrontare questo sistema di forza con diversi tipi di archi e ai modelli precedenti.

Abstract

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Una corretta comprensione del sistema forza creato da vari apparecchi ortodontici può rendere il trattamento dei pazienti efficiente e prevedibile. Riducendo gli apparecchi complicati multi-staffa ad un semplice sistema di due-staffa ai fini della valutazione del sistema di forza sarà il primo passo in questa direzione. Tuttavia, gran parte della biomeccanica ortodontica a questo proposito è limitata agli studi sperimentali 2D, modellazione/analisi computerizzata o estrapolazione teorica dei modelli esistenti. L'obiettivo del presente protocollo è quello di progettare, costruire e validare un in vitro modello 3D in grado di misurare le forze e momenti generati da un arco con un V-bend messo tra due parentesi. Ulteriori obiettivi sono per confrontare la forza del sistema generato da diversi tipi di dispositivi tra di loro e ai modelli precedenti. Per questo scopo, è stato simulato un apparecchio di 2 x 4 che rappresenta un molare e un incisivo. Un tester di filo ortodontico (OWT) è costruito che consiste di due trasduttori di forza multi-asse o celle di carico (nanosensori) a cui sono collegate le staffe ortodontiche. Le celle di carico sono in grado di misurare la forza del sistema in tutti i tre piani dello spazio. Due tipi di archi, in acciaio inox e beta-titanio di tre diverse dimensioni (0.016 x 0,022, 0,017 x 0.025 e 0,019 x 0,025 pollici), sono testati. Ogni filo riceve un singolo verticale V-bend sistematicamente collocato in una posizione specifica con un angolo predefinito. V-curve simili vengono replicate su diversi dispositivi in 11 diverse aree tra gli allegati di molare e incisivo. Questa è la prima volta in vitro è stato effettuato un tentativo di simulare un apparecchio ortodontico che utilizzano V-si piega su diversi dispositivi.

Introduzione

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Un aspetto importante del trattamento ortodontico clinico è la conoscenza del sistema forza prodotta dagli apparecchi multibrackets. Una chiara comprensione dei principi biomeccanici sottostanti può aiutare a fornire risultati prevedibili e ridurre al minimo i potenziali effetti collaterali1. Anni recenti hanno visto una tendenza ad abbandonare immissione curve in archi di costruzione più attivazione con staffa posizione e design; Tuttavia, il trattamento ortodontico completo richiede ancora collocamento di curve in archi. Curve, quando sono immessi in diverse tipologie e dimensioni di archi, possono creare una vasta gamma di sistemi di forza adatto a diversi tipi di movimento del dente. Anche se i sistemi di forza possono diventare abbastanza complessi quando i denti multipli sono considerati, un utile punto di partenza può coinvolgere un semplice sistema di due-staffa.

Ad oggi, V-piegatura meccanica principalmente è stati analizzati nel secondo ordine solo, utilizzando modelli matematici1,2,3,4,5 e/o analisi/simulazioni basate su computer 6. questo ha dato una conoscenza di base del sistema forza coinvolto nell'interazione secondo ordine dei fili arco con staffe adiacente (Figura 1). Tuttavia, questi metodi di impongono determinate condizioni al contorno per eseguire simulazioni che potrebbero non valere in situazioni cliniche reali e potrebbero verificarsi deviazioni. Recentemente, è stato proposto un nuovo modello in vitro che coinvolgono i trasduttori di forza per misurare tre tridimensionale (3D) le forze e momenti create valutando non solo di secondo ordine interazioni archwire-staffa ma anche nel terzo ordine7. Tuttavia, non è stato valutato l'effetto di diversi tipi di archi sulla forza del sistema alle varie posizioni di piegatura lungo la campata di molare archwire incisivo. Inoltre, lo studio ha coinvolto solo valutazione dei dispositivi ortodontici elastico, che non sono il primario archi sul quale dente si verifica il movimento. Pertanto, lo scopo di questo studio era di valutare la forza del sistema creato dalla collocazione di un V-bend alle posizioni differenti in rettangolare in acciaio inox e beta-titanio archi in un 3D impostare che coinvolgono le staffe di molare e incisivo. I clinici devono conoscere il sistema della forza applicato sulla dentatura quando una specifica combinazione di combinazione staffa archwire viene utilizzato per risolvere una malocclusione.

La tecnica descritta è stata sviluppata per studiare il sistema ortodontico forza in tutti i tre piani dello spazio, che imita la realtà clinica. Deve essere capito che è estremamente difficile misurare la forza del sistema clinicamente; Pertanto, tali misure devono essere effettuate in vitro. Si presume che il sistema di forza creato da un V-bend in laboratorio sarebbe simile se replicato nella bocca del paziente. Un flusso di lavoro è stato creato per valutare come l'allestimento sperimentale deve essere configurato (Figura 2).

Il filo ortodontico tester (OWT) è un prodotto innovativo sviluppato da divisione di ortodonzia in collaborazione con la bioingegneria & biodinamica Laboratory, UConn salute, Farmington, CT, Stati Uniti (Figura 3). È progettato per simulare con precisione la disposizione dei denti maxillary all'interno della bocca e alcune condizioni intra-orale mentre fornendo misurazioni della forza del sistema creato in tutti e tre i piani dello spazio. I principali componenti meccanici del OWT sono un dispositivo di acquisizione dati (DAQ), sensori di forza/coppia nano, sensori di umidità, sensori di temperatura e un personal computer. L'apparato di test viene posizionato in un contenitore di vetro con controlli di temperatura/umidità. Questo consente per la simulazione parziale dell'ambiente intraorale. Il DAQ funge da interfaccia per i tre sensori: sensore di umidità, sensore di forza/momento, termistore e apparato di test con i sensori situati su una piattaforma (Figura 3). Questi sono legati a un programma software. Il software è una piattaforma e un ambiente di sviluppo per la programmazione visuale e viene utilizzato per controllare diversi tipi di hardware. È stato scelto per automatizzare il tester di filo ortodontico.

Una serie di pioli di alluminio sono disposti sull'apparecchiatura di test per rappresentare i denti dell'arcata dentaria mascellare. Due delle spine che rappresentano l'incisivo centrale di destra e il primo molare di destra sono collegati alle celle di carico/sensori (S1 e S2). Una cella di carico è un dispositivo meccanico che consente di misurare le forze ed i momenti applicati in tutti i tre piani (x-y-z): FxFye Fz; e Mx, M,ye M.z. I pioli sono sistematicamente posizionati per creare una forma ad arco dentale. Ogni piolo è separata da altra da una misura precisamente registrata che viene calcolata utilizzando larghezze di dente medio come osservato nei pazienti sottoposti a trattamento ortodontico. La forma scelta per l'esperimento è una forma di arco 'ovoidale' creata da un modello standardizzato.

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Protocollo

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1. organizzazione sperimentale

  1. Contrassegnare la posizione esatta per il posizionamento di tubi molari e incisivo staffe sui picchetti di alluminio della OWT utilizzando un personalizzato 'jig'.
  2. Standard di Bond auto-ortodontici con materiale composito. Fotopolimerizzare per 40 secondi.
  3. Inserire un 0,021 x 0,025 pollici in acciaio inox (SS) 'ovoidale' mascellare archwire negli slot staffa.
  4. Posizionare l'apparecchio difficile nella camera di vetro.
  5. Verifica per qualsiasi attivazione involontaria archwire. Qualsiasi attivazione del archwire creerà automaticamente un sistema di forze, che verrà visualizzato sullo schermo del computer.
  6. Se qualsiasi attivazione archwire è osservata, riposizionare le staffe. Ripetere i passaggi da 1.2-1.5.

2. fabbricazione di usare un Template (Figura 4)

  1. Posizionare un archwire (0.021 x 0.025 SS) nell'apparecchiatura di collaudo.
  2. Utilizzare un pennarello indelebile per indicare quanto segue: 1) la linea mediana, 2) un punto immediatamente distale alla staffa incisivo (I) e 3) un punto immediatamente mesiale al tubo molare (M). Fare lo stesso per l'arto controlaterale del filo ortodontico. Questo è l'arco di modello.
  3. Trasferire il archwire con i punti segnati in una carta millimetrata.
  4. Effettuare una precisa replica del archwire sul foglio grafico.
    Nota: Questa carta millimetrata può essere utilizzata per determinare la posizione della curva V-per tutti i dispositivi del campione.
  5. Calcolare il perimetro del segmento di arco (L) da I a M.
  6. Ora, mark 11 punti da I a M. Ogni punto è una futura posizione di V-bend.
    1. Etichettare ogni punto da0 a10.
    2. Assicurarsi che ogni posizione di piegatura è separato dagli altri da una pari quantità.
  7. Ottenere un rapporto/numero univoco per ogni posizione di piegatura calcolando un / L per ogni posizione.

3. collocazione del V-si piega

  1. Prendere un nuovo archwire dal campione.
  2. Posizionarlo sul foglio modello archwire/grafico e trasferire una delle posizioni di undici piegatura bilateralmente al filo ortodontico.
  3. Utilizzare una pinza archwire rettangolare o una pinza filo di luce per rendere simmetriche V-curve ad entrambe le posizioni.
  4. Posizionare il filo ortodontico su una piattaforma di lastra/piatto di vetro e verificare la misura dell'angolo fatto dalle due estremità dell'arco con un goniometro.
  5. Regolare le estremità se necessario in modo da creare un angolo di 150°.
  6. Ripetere i passaggi da 3.1 al 3.5 per tutti i dispositivi del campione.

4. misurare la forza del sistema (figure 5 e 6)

  1. Aprire il programma software per la registrazione di dati (Vedi Tabella materiali).
  2. Creare una nuova cartella per i dati deve essere salvato in.
  3. Fare clic su 'Esegui' per avviare il software. Il programma visualizzerà ciascuna delle tre forze e momento di tre valori in ogni sensore in tempo reale.
  4. Attendere circa 10-15 secondi per le fluttuazioni nel software per interrompere la registrazione dei dati. Garantire che le linee del grafico sul software per tutti i componenti dello spettacolo sistema forza una linea 'piatta'.
    Nota: tutte le sei misurazioni presso ogni sensore mostrerà valori trascurabili (forces < 1 g e momenti < 10 g mm).
  5. Rimuovere delicatamente apparato test dalla piattaforma. Con una pinza di Weingart per infilare un archwire i tubi molari.
  6. Aprire la porta della staffa dell'incisivo con uno scaler parodontale.
  7. Sollevare la parte anteriore dell'arco e inserirla nello slot della staffa. Assicurarsi che la linea mediana del archwire coincide con la linea mediana dell'apparato di test.
  8. Restituire l'apparecchio difficile alla piattaforma e chiudere la porta della camera di vetro.
  9. Impostare la temperatura a 37 ° C. Attendere un minuto per la temperatura della camera vetro regolare.
  10. Fare clic sul pulsante 'avvia salvataggio' sul software e consentire al software di salvataggio/trasferimento dati per almeno 10 secondi. Fare clic sul pulsante 'avvia salvataggio' nuovamente per terminare il trasferimento dei dati, quindi fare clic su 'stop'.
    Nota: Ogni ciclo di misura genera 100 letture durante il periodo di 10 secondi per ogni componente (Fx, Fy, Fz, Mx, M,ye Mz).
  11. Vai al documento contenente i dati salvati e copia/esportare il set di dati di un foglio di calcolo di analisi dati personalizzati progettati (Vedi Tabella supplementare). Scegliere il corretto numero di posizione di V-bend e il campione di filo specifico per inserire i dati.
  12. Ripetere i passaggi da 4.3 a 4.11 per le 10 archi di tale posizione di piegatura specifico.
  13. Ora, copiare i mezzi calcolati e le deviazioni standard per i dispositivi ad un calcolo separato per creare una rappresentazione grafica dei dati.
  14. Ripetere i passaggi da 4.2 a 4,13 per tutti i tipi di archi e posizioni di piegatura.
    Nota: I dispositivi includono, in acciaio inossidabile (SS) e Beta-titanio (ß-Ti), con le seguenti dimensioni: 0.016 x 0,022, 0,017 x 0,025 pollici e 0,019 x 0,025 pollici.

5. errore valutazione

  1. Eseguire il software come descritto ai punti 4.1-4.4
  2. Rimuovere apparato test dalla piattaforma.
  3. Ottenere un filo di SS 0,021 x 0,025 pollici lunghezza diritta. Utilizzando una pinza di filo di luce, piegare un'estremità del filo in un piccolo gancio. Inserire l'estremità libera dell'arco del tubo molare dal lato distale.
  4. Posizionare l'apparecchio difficile indietro sulla piattaforma.
  5. Attaccare un peso noto (50 g) al gancio. È consigliabile lasciarlo oscillare liberamente nel piano verticale rimuovendo qualsiasi tipo di interferenza. Chiudere la porta della camera di vetro.
  6. Seguire i passaggi 4.10-4.11.
  7. Ripetere i passaggi da 5.1-5.6 per la staffa dell'incisivo.
  8. Immettere i valori di Fz per le staffe e il Mx per tubo molare come 'valore misurato'.
  9. Ora applicare le equazioni di equilibrio (Vedi Testo supplementare) per calcolare il 'valore atteso'.

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Risultati

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La forza totale e totale momento vissuto da ogni sensore al centro della piastra sensori sono rappresentati da loro tre componenti ortogonali: FxFye Fz che rappresenta le forze lungo l'asse x, asse y e asse z, rispettivamente; e Mx, M,ye Mz che rappresenta i momenti intorno all'asse stesso. Le misurazioni iniziali presso i sensori vengono convertite matematicamente i valori di forza e momento esperti dalla staffa (

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Discussione

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Dispositivi ortodontici sono stati studiati in vari modi8,9,10,11. Essi inoltre sono stati valutati per le varie proprietà meccaniche, ma raramente sono stati analizzati per determinare la forza del sistema che hanno intenzione di creare12,13,14,15. Prove di flessione...

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Dichiarazioni

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori si desidera ringraziare tutti i colleghi che hanno reso questo lavoro possibile, soprattutto d. ssa Aditya Chhibber e Ravindra Nanda. Gli autori vorrei ringraziare la biodinamica & laboratorio di Bioingegneria presso UCONN salute per i servizi offerti durante lo sviluppo di questo progetto.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Forza/Coppia  Sensori/TrasduttoriNano17 F/T Sensori,  ATI Industrial Automation, Apex, NC, USAParte della serie OWT
CHS Umidità Unità sensore  TDK CorporationParte dei sensori di temperatura OWT
(Murata NTSDXH103FPB30 termistore) Murata Manufacturing Co., LtdParte di OWT
LabVIEW 7.1.Banco di Ingegneria della Strumentazione Virtuale da Laboratorio, Versione 7.1Programma
Software Brackets Autoleganti Serie Empower, ortodonzia americana.Brackets ortodontici
Archi in acciaio inossidabileUltimate Wireforms, Inc. a Bristol, CTArchi
Archi in beta-titanio UltimateWireforms, Inc. a Bristol, CTArchi Dispositivo
acquisizione dati (DAQ)National Instruments (NI) USB 6210Parte dell'OWT
Ortho Form III (modello Archform)3M Oral Care, St. Paul, MN, USAPinza ad arco ovoidale
WeingartHu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, ILPinza ortodontica
Pinza a filo leggeroHu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, ILPinza ortodontica
di

Riferimenti

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  1. Burstone, C. J., Koenig, H. A. Force systems from an ideal arch. Am J Orthod. 65 (3), 270-289 (1974).
  2. Koenig, H. A., Burstone, C. J. Force systems from an ideal arch: Large deflection considerations. Angle Orthod. 59 (1), 11-16 (1989).
  3. Burstone, C. J., Koenig, H. A. Creative wire bending: The force system from step and V bends. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 93 (1), 59-67 (1988).
  4. Ronay, F., Kleinert, W., Melsen, B., Burstone, C. J. Force system developed by V bends in an elastic orthodontic wire. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 96 (4), 295-301 (1989).
  5. Demange, C. Equilibrium situations in bend force systems. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 98 (4), 333-339 (1990).
  6. Isaacson, R. J., Lindauer, S. J., Conley, P. Responses of 3-dimensional arch wires to vertical V bends: Comparisons with existing 2-dimensional data in the lateral view. Semin Orthod. 1 (1), 57-63 (1995).
  7. Upadhyay, M., Shah, R., Peterson, D., Takafumi, A., Yadav, S., Agarwal, S. Force system generated by elastic archwires with vertical V bends: A three-dimensional analysis. Eur J Orthod. 39 (2), 202-208 (2017).
  8. Gurgel, J. A., Kerr, S., Powers, J. M., LeCrone, V. Force-deflection properties of superelastic nickel-titanium archwires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 120 (4), 378-382 (2001).
  9. Gurgel, J. A., Kerr, S., Powers, J. M., Pinzan, A. Torsional properties of commercial nickel-titanium wires during activation and deactivation. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 120 (1), 76-79 (2001).
  10. Hazel, R. J., Rohan, G. J., West, V. C. Force relaxation in orthodontic arch wires. Am J Orthod. 86 (5), 396-402 (1984).
  11. Lundgren, D., Owman-Moll, P., Kurol, J., Martensson, B. Accuracy of orthodontic force and tooth movement measurements. Br J Orthod. 23 (3), 241-248 (1996).
  12. Goldberg, A. J., Burstone, C. J. An evaluation of beta titanium alloys for use in orthodontic appliances. J Dent Res. 58 (2), 593-600 (1979).
  13. Kusy, R. P., Whitley, J. Q. Thermal and mechanical characteristics of stainless steel, titanium-molybdenum, and nickel titanium archwires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 131 (2), 229-237 (2007).
  14. Kapila, S., Sachdeva, R. Mechanical properties and clinical applications of orthodontic wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 96 (2), 100-109 (1989).
  15. Verstrynge, A., Humbeeck, J. V., Willems, G. In-vitro evaluation of the material characteristics of stainless steel and beta-titanium orthodontic wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 130 (4), 460-470 (2006).
  16. Tominaga, J. Y., Tanaka, M., Koga, Y., Gonzales, C., Kobayashi, M., Yoshida, N. Optimal loading conditions for controlled movement of anterior teeth in sliding mechanics. Angle. 79 (6), 1102-1107 (2009).
  17. Cattaneo, P. M., Dalstra, M., Melsen, B. The finite element method: A tool to study orthodontic tooth movement. J Dent Res. 84 (5), 428-433 (2005).
  18. Fotos, P. G., Spyrakos, C. C., Bernard, D. O. Orthodontic forces generated by a simulated archwire appliance evaluated by the finite element method. Angle Orthod. 60 (4), 277-282 (1990).
  19. Geramy, A. Alveolar bone resorption and the center of resistance modification (3-D analysis by means of the finite element method. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 117 (4), 399-405 (2000).

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