Artykuł metodologiczny

System siłowy z pionowymi łukami w kształcie litery V: ocena 3D in vitro elastycznych i sztywnych prostokątnych łuków

DOI:

10.3791/57339

⸱

24 lipca 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Przedstawiona tutaj metoda ma na celu skonstruowanie i walidację modelu 3D in vitro zdolnego do pomiaru układu siły generowanego przez różne łuki z łukami w kształcie litery V umieszczonymi między dwoma nawiasami. Dodatkowym celem jest porównanie tego układu sił z różnymi typami łuków oraz z poprzednimi modelami.

Streszczenie

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

Właściwe zrozumienie systemu siły wytwarzanego przez różne aparaty ortodontyczne może sprawić, że leczenie pacjentów będzie skuteczne i przewidywalne. Pierwszym krokiem w tym kierunku będzie zredukowanie skomplikowanych aparatów wielowspornikowych do prostego systemu dwuwspornikowego w celu oceny systemu sił. Jednak znaczna część biomechaniki ortodontycznej w tym zakresie ogranicza się do badań eksperymentalnych 2D, modelowania/analizy komputerowej lub teoretycznej ekstrapolacji istniejących modeli. Celem tego protokołu jest zaprojektowanie, skonstruowanie i walidacja modelu 3D in vitro zdolnego do pomiaru sił i momentów generowanych przez łuk z zagięciem w kształcie litery V umieszczonym między dwoma nawiasami. Dodatkowym celem jest porównanie układu sił generowanych przez różne typy łuków między sobą i z poprzednimi modelami. W tym celu zasymulowano aparat 2 x 4 reprezentujący ząb trzonowy i siekacz. Ortodontyczny tester drutowy (OWT) jest zbudowany z dwóch wieloosiowych przetworników siły lub ogniw obciążnikowych (nanoczujników), do których przymocowane są zamki ortodontyczne. Ogniwa obciążnikowe są w stanie mierzyć układ sił we wszystkich trzech płaszczyznach przestrzeni. Testowane są dwa rodzaje łuków, stal nierdzewna i beta-tytan o trzech różnych rozmiarach (0.016 x 0.022 cala, 0.017 x 0.025 cala i 0.019 x 0.025 cala). Każdy drut otrzymuje pojedyncze pionowe zagięcie w kształcie litery V, systematycznie umieszczane w określonej pozycji z predefiniowanym kątem. Podobne zagięcia w kształcie litery V są replikowane na różnych łukach w 11 różnych miejscach między przyczepami trzonowca i siekaczy. Po raz pierwszy podjęto próbę symulacji aparatu ortodontycznego in vitro z wykorzystaniem zgięć w kształcie litery V na różnych łukach.

Wprowadzenie

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

Ważnym aspektem klinicznego leczenia ortodontycznego jest znajomość układu siły wytwarzanej przez aparaty wielozamkowe. Dokładne zrozumienie podstawowych zasad biomechaniki może pomóc w uzyskaniu przewidywalnych wyników i zminimalizowaniu potencjalnych skutków ubocznych1. W ostatnich latach obserwuje się tendencję do odchodzenia od umieszczania zagięć w łukach poprzez budowanie większej aktywacji z położeniem i konstrukcją wspornika; Jednak kompleksowe leczenie ortodontyczne nadal wymaga umieszczenia zagięć w łukach. Zagięcia, po umieszczeniu w różnych typach i rozmiarach łuków, mogą tworzyć szeroką gamę układów sił odpowiednich dla różnych rodzajów ruchu zębów. Chociaż układy siły mogą stać się dość złożone, gdy weźmie się pod uwagę wiele zębów, pomocnym punktem wyjścia może być prosty system dwuzamkowy.

Do tej pory mechanika wygięcia w kształcie litery V była analizowana głównie w drugiej kolejności, z wykorzystaniem modeli matematycznych1,2,3,4,5 i/lub komputerowa analiza/symulacje6. Pozwoliło to na uzyskanie podstawowej wiedzy na temat układu sił biorącego udział w oddziaływaniu drugiego rzędu drutów łukowych z sąsiednimi zamkami (ilustracja 1). Jednak metody te narzucają pewne warunki brzegowe w celu przeprowadzenia symulacji, które mogą nie być prawdziwe w rzeczywistych sytuacjach klinicznych i mogą wystąpić odchylenia. Niedawno zaproponowano nowy model in vitro z udziałem przetworników siły do pomiaru trójwymiarowych (3D) sił i momentów powstałych poprzez ocenę nie tylko oddziaływań łuk-wspornik drugiego rzędu, ale także w trzecim rzędzie7. Nie oceniano jednak wpływu różnych typów łuków na układ sił w różnych pozycjach zgięcia wzdłuż rozpiętości drutu łukowego siekacza. Badanie obejmowało jedynie ocenę elastycznych łuków ortodontycznych, które nie są głównymi łukami, na których zachodzi ruch zębów. Dlatego celem tego badania była ocena układu sił powstałego w wyniku umieszczenia łuku w kształcie litery V w różnych miejscach w prostokątnych łukach ze stali nierdzewnej i beta-tytanu w układzie 3D obejmującym zamki trzonowe i siekacze. Lekarze muszą znać system sił wywieranych na uzębienie, gdy do naprawienia wady zgryzu stosuje się określoną kombinację zamków łukowych.

Opisana technika została opracowana do badania ortodontycznego systemu siły we wszystkich trzech płaszczyznach przestrzeni, naśladując rzeczywistość kliniczną. Należy rozumieć, że niezwykle trudno jest klinicznie zmierzyć układ siły; W związku z tym takie pomiary muszą być przeprowadzane in vitro. Zakłada się, że układ sił wytworzony przez zgięcie w kształcie litery V w laboratorium byłby podobny, gdyby został odtworzony w jamie ustnej pacjenta. Stworzono przepływ pracy, aby ocenić, w jaki sposób należy skonfigurować konfigurację eksperymentalną (rysunek 2).

Tester drutu ortodontycznego (OWT) jest innowacyjnym produktem opracowanym przez Division of Orthodontics we współpracy z Laboratorium Bioinżynierii i Biodynamiki, UConn Health, Farmington, CT, USA (Rysunek 3). Został zaprojektowany tak, aby dokładnie naśladować ułożenie zębów szczęki w jamie ustnej i niektóre warunki wewnątrzustne, zapewniając jednocześnie pomiary układu sił powstałego we wszystkich trzech płaszczyznach przestrzeni. Głównymi elementami mechanicznymi OWT są urządzenie do akwizycji danych (DAQ), nano czujniki siły/momentu obrotowego, czujniki wilgotności, czujniki temperatury i komputer osobisty. Aparatura badawcza jest umieszczona w szklanej obudowie z regulatorem temperatury/wilgotności. Pozwala to na częściową symulację środowiska wewnątrzustnego. DAQ służy jako interfejs dla trzech czujników: czujnika wilgotności, czujnika siły/momentu, termistora oraz aparatury testującej z czujnikami umieszczonymi na platformie (ilustracja 3). Są one powiązane z oprogramowaniem. Oprogramowanie jest platformą i środowiskiem programistycznym do programowania wizualnego i służy do sterowania różnymi typami sprzętu. Został wybrany do automatyzacji testera drutu ortodontycznego.

Na aparaturze testowej umieszczono szereg aluminiowych kołków, które reprezentują zęby łuku zębowego szczęki. Dwa kołki reprezentujące prawy siekacz centralny i prawy pierwszy trzonowiec są podłączone do czujników/ogniw obciążnikowych (S1 i S2). Ogniwo obciążnikowe to urządzenie mechaniczne, które może mierzyć przyłożone do niego siły i momenty we wszystkich trzech płaszczyznach (x-y-z): Fx,F y i Fz; oraz Mx,M y i Mz. Kołki są systematycznie ustawiane, aby stworzyć formę łuku zębowego. Każdy kołek jest oddzielony od siebie za pomocą precyzyjnie zarejestrowanego pomiaru, który jest obliczany na podstawie średnich szerokości zębów obserwowanych u pacjentów poddawanych leczeniu ortodontycznemu. Kształt wybrany do eksperymentu to "jajowata" forma łuku utworzona ze znormalizowanego szablonu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Konfiguracja eksperymentalna

  1. Zaznacz dokładną pozycję umieszczenia rurek trzonowych i zamków siekaczy na aluminiowych kołkach OWT za pomocą niestandardowego "przyrządu".
  2. Standardowe zamki samoligaturujące należy połączyć z materiałem kompozytowym. Utwardzaj światłem przez 40 sekund.
  3. Włóż "jajowaty" łuk szczękowy ze stali nierdzewnej (SS) o wymiarach 0,021 x 0,025 cala do szczelin zamka.
  4. Umieścić aparaturę badawczą w szklanej komorze.
  5. Sprawdź, czy nie ma niezamierzonej aktywacji łuku. Każda aktywacja łuku automatycznie utworzy system siły, który zostanie wyświetlony na ekranie komputera.
  6. Zmień położenie wsporników, jeśli zaobserwowano aktywację łuku. Powtórz kroki 1.2-1.5.

2. Wykonanie szablonu Archwire (Rysunek 4)

  1. Umieść łuk (0,021 x 0,025 SS) w aparacie badawczym.
  2. Użyj markera permanentnego, aby wskazać następujące elementy: 1) linię środkową, 2) punkt bezpośrednio dystalny do wspornika siekacza (I) i 3) punkt bezpośrednio mezjalny do rurki trzonowej (M). Zrób to samo dla przeciwległej strony łuku. To jest drut łukowy szablonu.
  3. Przenieś łuk z zaznaczonymi punktami na papier milimetrowy.
  4. Wykonaj dokładną replikę łuku na papierze milimetrowym.
    UWAGA: Ten papier milimetrowy może być użyty do określenia położenia zgięcia w kształcie litery V dla wszystkich łuków próbki.
  5. Oblicz obwód odcinka drutu łukowego (L) od I do M.
  6. Teraz zaznacz 11 punktów od I do M. Każdy punkt jest przyszłą pozycją zgięcia w kształcie litery V.
    1. Oznacz każdy punkt od0 do10.
    2. Upewnij się, że każda pozycja zgięcia jest oddzielona od drugiej równą ilością.
  7. Uzyskaj unikalną liczbę/współczynnik dla każdej pozycji gięcia, obliczając a/L dla każdej pozycji.

3. Rozmieszczenie łuków V-bend

  1. Weź nowy łuk z próbki.
  2. Umieść go na szablonie łuku/papieru milimetrowego i przenieś jedną z jedenastu pozycji zgięcia obustronnie na łuk.
  3. Użyj prostokątnych szczypiec łukowych lub szczypiec do drutu lekkiego, aby wykonać symetryczne zagięcia w kształcie litery V w obu pozycjach.
  4. Umieść łuk na szklanej płycie/płaskiej platformie i sprawdź pomiar kąta wykonanego przez dwa końce łuku za pomocą kątomierza.
  5. W razie potrzeby wyreguluj końce, aby uzyskać kąt 150°.
  6. Powtórz kroki od 3.1 do 3.5 dla wszystkich łuków próbki.

4. Pomiar układu siły (rysunki 5 i 6)

  1. Otwórz program do rejestracji danych (patrz Tabela materiałów).
  2. Utwórz nowy folder, w którym zostaną zapisane dane.
  3. Kliknij "uruchom", aby uruchomić oprogramowanie. Program wyświetli każdą z trzech sił i wartości trzech momentów na każdym czujniku w czasie rzeczywistym.
  4. Poczekaj około 10-15 sekund, aż wahania w oprogramowaniu do rejestrowania danych ustaną. Upewnij się, że linie wykresu w oprogramowaniu dla wszystkich elementów układu sił pokazują "płaską" linię.
    UWAGA: wszystkie sześć pomiarów na każdym czujniku pokaże znikome wartości (siły < 1 g i momenty < 10 g mm).
  5. Delikatnie zdejmij "aparaturę testującą" z platformy. Użyj szczypiec Weingart, aby włożyć łuk do rurek trzonowych.
  6. Otwórz drzwi zamka siekacza za pomocą skalera periodontologicznego.
  7. Podnieś przednią część łuku i włóż go do szczeliny wspornika. Upewnij się, że linia środkowa łuku pokrywa się z linią środkową aparatury testowej.
  8. Umieść aparaturę badawczą z powrotem na platformie i zamknij drzwi szklanej komory.
  9. Ustaw temperaturę na 37 °C. Odczekaj minutę, aż temperatura szklanej komory się dostosuje.
  10. Kliknij przycisk "rozpocznij zapisywanie" w oprogramowaniu i pozwól oprogramowaniu na zapisywanie/przesyłanie danych przez co najmniej 10 sekund. Kliknij ponownie przycisk "rozpocznij zapisywanie", aby zakończyć przesyłanie danych, a następnie kliknij "zatrzymaj".
    UWAGA: Każdy cykl pomiarowy generuje 100 odczytów w ciągu 10 sekund dla każdego komponentu (Fx, Fy, Fz, Mx,M y i Mz).
  11. Przejdź do dokumentu zawierającego zapisane dane i skopiuj/wyeksportuj zestaw danych do specjalnie zaprojektowanego arkusza kalkulacyjnego analizy danych (patrz Tabela uzupełniająca). Wybierz prawidłowy numer pozycji gięcia w kształcie litery V i konkretną próbkę drutu, aby wstawić dane.
  12. Powtórz kroki od 4.3 do 4.11 dla 10 łuków w tej konkretnej pozycji zgięcia.
  13. Teraz skopiuj obliczone średnie i odchylenia standardowe dla łuków do osobnego arkusza kalkulacyjnego, aby utworzyć graficzną reprezentację danych.
  14. Powtórz kroki od 4.2 do 4.13 dla wszystkich pozycji gięcia i typów łuków.
    UWAGA: Łuki obejmują stal nierdzewną (SS) i beta-tytan (ß-Ti) o następujących rozmiarach: 0.016 x 0.022 cala, 0.017 x 0.025 cala i 0.019 x 0.025 cala.

5. Ocena błędu

  1. Uruchom komputer/oprogramowanie zgodnie z opisem w krokach 4.1-4.4
  2. Usuń "aparaturę testującą" z platformy.
  3. Uzyskaj prosty drut SS o wymiarach 0,021 x 0,025 cala. Za pomocą szczypiec do drutu lekkiego zegnij jeden koniec drutu w mały haczyk. Włóż wolny koniec łuku do rurki trzonowej od strony dystalnej.
  4. Umieść aparaturę testującą z powrotem na platformie.
  5. Przymocuj znaną wagę (50 g) do haka. Pozwól mu swobodnie zwisać w płaszczyźnie pionowej, usuwając wszelkiego rodzaju zakłócenia. Zamknij drzwi szklanej komory.
  6. Wykonaj kroki 4.10-4.11.
  7. Powtórz kroki 5.1-5.6 dla wspornika siekacza.
  8. Wprowadź wartości Fz dla obu nawiasów kwadratowych i Mx dla rurki trzonowej jako "wartość zmierzona".
  9. Teraz zastosuj równania równowagi (patrz tekst uzupełniający), aby obliczyć "wartość oczekiwaną".

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Całkowita siła i całkowity moment doświadczane przez każdy czujnik w środku płytki czujnika są reprezentowane przez ich trzy ortogonalne składowe: Fx,F y i Fz reprezentują siły wzdłuż odpowiednio osi x, osi y i osi z; oraz Mx,M y i Mz reprezentujące momenty wokół tych samych osi. Początkowe pomiary na czujnikach są przeliczane matematycznie na wartości siły i momentu doświadczane przez wspornik (Rysunek ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Łuki ortodontyczne były badane na różne sposoby 8,9,10,11. Zostały one również ocenione pod kątem różnych właściwości mechanicznych, ale rzadko były analizowane w celu określenia układu sił, który zamierzają stworzyć 12,13,14,15. Trzypunktowe testy zginania są popular...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Autorzy chcieliby podziękować wszystkim kolegom, którzy umożliwili tę pracę, szczególnie dr Aditya Chhibber i Ravindra Nanda. Autorzy pragną podziękować Laboratorium Biodynamiki i Bioinżynierii w UCONN Health za udogodnienia zapewnione podczas realizacji tego projektu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Siła/Moment obrotowy  Czujniki/PrzetwornikiNano17 F/T Sensors,  ATI Industrial Automation, Apex, NC, USACzęść serii OWT
CHS Wilgotność  Moduły optyczne  TDK CorporationCzęść czujników temperatury OWT
(termistor Murata NTSDXH103FPB30) Murata Manufacturing Co., LtdCzęść OWT
LabVIEW 7.1. Laboratoryjny stół inżynierii oprzyrządowania wirtualnego, wersja 7.1Program
oprogramowania Wsporniki samoligaturujące Seria Empower, Amerykańska Ortodoncja.Zamki ortodontyczne
Łuki ze stali nierdzewnejUltimate Wireforms, Inc. w Bristolu, CT
Archwires Łuki beta-tytanoweUltimate Wireforms, Inc. w Bristolu, CTArchwires
Urządzenie do akwizycji danych (DAQ)National Instruments (NI) USB 6210Część OWT
Ortho Form III (szablon Archform)3M Oral Care, St. Paul, MN, USAForma łuku jajowatego
Szczypce WeingartHu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, ILSzczypce ortodontyczne
Szczypce do drutu świetlnegoHu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, ILSzczypce ortodontyczne

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Testowanie drut w ortodontycznychsystem si V bendtr jwymiarowy model in vitrowieloosiowe przetworniki si ydruty ortodontyczne ze stali nierdzewnejdruty ortodontyczne z beta tytanutester drut w ortodontycznychpomiar momentu si yinterakcja drutu z zamkiemanaliza pozycji V bend

Powiązane artykuły