Model Analizy Elementów Skończonych do oceny wzorców ekspansji z chirurgicznie wspomaganej szybkiej ekspansji podniebiennej
20 października 2023
Zestaw nowatorskich modeli elementów skończonych chirurgicznie wspomaganej szybkiej ekspansji podniebienia (SARPE), które mogłyby wykonać klinicznie wymaganą ilość aktywacji ekspandera przy różnych kątach osteotomii policzkowej, został stworzony do dalszej analizy wzorców ekspansji półszczęki we wszystkich trzech wymiarach.
SARPE jest powszechnie stosowany do rozszerzania szczęki u pacjentów dojrzałych szkieletowo. Zgłaszano jednak asymetryczną ekspansję o nieznanej etiologii. Badanie to ma na celu opracowanie nowatorskiego modelu MES SARPE, który może naprawdę naśladować warunki kliniczne, a także zbadanie wzorców ekspansji połowiczki we wszystkich trzech wymiarach.
Analiza metodą elementów skończonych jest stosowana w stomatologii i bioinżynierii, aby umożliwić symulację operacji in vitro, takich jak SARPE. W tym badaniu wykorzystano cztery programy do skonfigurowania modelu MES i przewidywania wzorca ekspansji. Najtrudniejszą częścią, którą łączy większość wcześniejszych badań, jest symulacja sił w miejscu gojenia się rany na powierzchni osteotomii.
Aby to osiągnąć, w naszym badaniu pilotażowym ustawiono sprężyny, które są uważane za nowatorski projekt dla SARPE MES. Ten ujednolicony model elementów skupił się na wzorcu ekspansji, tworząc bardziej realistyczną symulację SARPE poprzez tworzenie luk w osteotomii i włączenie doświadczenia. Ma on znaczny potencjał jako narzędzie kliniczne do budowania marki i kierowania procedurami SARPE.
Nasza interdyscyplinarna grupa będzie pilnie pracować nad opracowaniem najnowocześniejszych modeli 3D, które mogą dostarczyć cennych informacji na temat spersonalizowanych strategii leczenia w celu analizy i poprawy ortognatycznej techniki chirurgicznej poprzez wykorzystanie podejścia wspomaganego inżynierią oraz w celu poprawy komunikacji i współpracy między ortodontami a chirurgami szczękowo-twarzowymi za pomocą systemu obrazowania 3D wspomaganego inżynierią. Aby rozpocząć, uruchom oprogramowanie SolidWorks, aby utworzyć płaszczyznę o grubości jednego milimetra od otworu gruszkowatego w kierunku grzbietu infrajarzmowego. Teraz otwórz menu Wstaw, a następnie kliknij opcje Geometria odniesienia i płaszczyzna.
Na płaszczyźnie osteotomii wybierz trzy punkty charakterystyczne i kliknij przycisk OK, aby utworzyć płaszczyznę O1. Przejdź ponownie do płaszczyzny, klikając opcję Wstaw i odnośnik geometrii. Tym razem wybierz płaszczyznę osteotomii i ustaw odległość przesunięcia o jeden milimetr.
Kliknij przycisk OK, aby utworzyć dolną płaszczyznę cięcia oznaczoną O2. Teraz przejdź do opcji Podziel, wybierając Wstaw, a następnie Funkcje i wybierz płaszczyzny O1 i O2 w Narzędziach do przycinania. Wybierz obiekty docelowe i naciśnij przycisk Wytnij bryły, aby utworzyć podgląd cięcia. Następnie zaznacz pola wyboru w sekcji Ciała wynikowe i naciśnij OK, aby oddzielić kompleks szczękowy.
Następnie kliknij na ciało między płaszczyznami O1 i O2. Kliknij prawym przyciskiem myszy i naciśnij Delete w sekcji Treść. Aby wyeksportować modele z różnymi kątami osteotomii policzkowej, najpierw kliknij Plik, następnie Zapisz jako i wybierz Parasolid XT z listy typów plików.
Na koniec kliknij przycisk Zapisz, aby wyeksportować modele do oprogramowania do analizy metodą elementów skończonych. W zademonstrowanej analizie wykorzystano obraz tomografii komputerowej wiązki stożkowej 47-letniej kobiety z niewydolnością szczęki w celu wygenerowania modelu. W celu dokładnej symulacji chirurgicznej oddzielono przegrodę nosową, boczne ściany jamy nosowej i szczelinę skrzydłowo-szczękową.
Aby rozpocząć, uruchom oprogramowanie Ansys, aby zaimportować parametry materiałowe modelu zespolonego szczęki do oprogramowania. Następnie kliknij i przeciągnij element Statyczna konstrukcja w przyborniku, aby utworzyć obszar roboczy analizy. Kliknij dwukrotnie Dane inżynierskie, a następnie Liniowa sprężystość w obszarze Przybornik i ustaw moduł Younga oraz współczynnik Poissona dla wszystkich materiałów w Właściwościach.
Teraz kliknij dwukrotnie Geometria, a następnie Plik. Następnie wybierz opcję Importuj zewnętrzny plik geometrii i kliknij przycisk Generuj, aby zaimportować złożony model szczęki. Następnie kliknij Utwórz, a następnie Boolean i wygeneruj więzadło korowe i przyzębia z kością gąbczastą i zębami.
Aby skonfigurować model analizy metodą elementów skończonych, kliknij dwukrotnie model, a następnie wybierz opcję Geometria, aby określić właściwości materiału dla każdej części. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy Siatka i naciśnij Generuj siatkę, aby zbudować elementy modelu. Teraz kliknij Połączenia i przypisz miękką lub małą część w Obiektach kontaktowych oraz sztywną lub dużą część w Obiektach docelowych.
Następnie przypisz typ kontaktu i współczynnik tarcia w Definicji. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy pozycję Połączenia i wybierz polecenie Wstaw. Następnie naciśnij Sprężyna, aby połączyć górną i dolną część płaszczyzny osteotomii.
Ustaw sprężyny na długość jednego milimetra ze stałą sprężystości k ustawioną na 60 niutonów na milimetr. Umieść jedną sprężynę w każdym węźle siatki. Po ustawieniu klinicznie akceptowalnej siły wzdłuż osi x, kliknij prawym przyciskiem myszy opcję Statyczna konstrukcja.
Naciśnij Insert, a następnie Fixed Support (Stała podpora), aby ustawić strukturę na płaszczyźnie podniebiennej jako nieruchomą. Aby przyłożyć siłę do płyty akrylowej z dala od linii nośnika, kliknij Static Structural, a następnie Insert i ustaw siłę na 150 niutonów. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy Rozwiązanie, a następnie Wstaw, Deformacja i Suma, aby monitorować deformację rozszerzalności.
Na koniec, aby przeprowadzić test zbieżności, wybierz Rozwiąż na paskach narzędzi i poczekaj, aż poziom zbieżności siły osiągnie kryterium siły. Następnie kliknij Informacje o rozwiązaniu, a następnie Całkowite odkształcenie, aby wyświetlić wyniki rozszerzenia. W zademonstrowanym modelu wykorzystano obraz tomografii komputerowej wiązki stożkowej 47-letniej kobiety z niewydolnością szczęki w celu stworzenia modelu.
W celu dokładnej symulacji chirurgicznej oddzielono przegrodę morską, boczne ściany jamy nosowej i szczelinę skrzydłowo-szczękową. Wstępny test przeprowadzony zarówno po lewej, jak i prawej stronie modelu z symetrycznymi cięciami o zerowym stopniu wykazał, że siła 150 niutonów powodowała ponad osiem milimetrów rozszerzalności. Dodatkowo zbudowano różne kąty, aby naśladować różne stany kliniczne.
Prawe i lewe rozszerzenia były widoczne jako kolorowa mapa przed i po modelach szczęki.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie opracowuje nowy model analizy elementów skończonych (FEA) dla chirurgicznie wspomaganej szybkiej ekspansji podniebienia (SARPE), aby lepiej zrozumieć wzorce ekspansji półpodniebienia. Model ma na celu dokładne symulowanie warunków klinicznych i badanie wpływu różnych kątów osteotomii policzkowej.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Ortodoncja
- Inżynieria biomedyczna
- Analiza elementów skończonych
Tło
- SARPE jest stosowany do ekspansji szczęki u pacjentów z dojrzałą strukturą kostną.
- Zgłoszono asymetryczną ekspansję, ale jej przyczyny nie są jasne.
- Analiza elementów skończonych pozwala na symulację procedur chirurgicznych in vitro.
- Poprzednie badania miały trudności z symulacją sił w miejscu gojenia rany.
Cel badania
- Opracowanie nowego modelu FEA SARPE.
- Dokładne naśladowanie warunków klinicznych.
- Badanie trójwymiarowych wzorców ekspansji półpodniebienia.
Zastosowane metody
- Opracowanie modelu elementów skończonych za pomocą czterech narzędzi programistycznych.
- Symulacja różnych kątów osteotomii policzkowej.
- Analiza wzorców ekspansji w trzech wymiarach.
- Ocena sił na powierzchni osteotomii podczas gojenia.
Główne wyniki
- Model FEA z powodzeniem naśladował warunki kliniczne.
- Analizowano wzorce ekspansji we wszystkich trzech wymiarach.
- Uzyskano wgląd w asymetryczną ekspansję.
- Model może pomóc w zrozumieniu mechaniki SARPE.
Wnioski
- Nowy model FEA zapewnia lepsze zrozumienie SARPE.
- Może pomóc przewidzieć wzorce ekspansji i poprawić wyniki kliniczne.
- Przyszłe badania mogą wykorzystywać ten model do dalszych badań.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Finite element analysis (FEA) models that accurately simulate surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE) address a critical gap in predicting asymmetric skeletal responses in mature patients. This capability enhances predictive confidence at the intersection of surgical planning and device design, supporting risk-adjusted decisions in translational craniofacial research. The approach enables more reliable evaluation of expansion mechanics, directly informing cross-disciplinary R&D and device optimization.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables mechanistic interrogation of bone and tissue response to SARPE forces in silico.
- Supports biological de-risking by clarifying the impact of osteotomy angulation on expansion symmetry.
- Facilitates predictive modeling for device-tissue interactions, informing target validation in craniofacial interventions.
Screening & Assay Development
- Provides a validated 3D model for simulating and standardizing expansion protocols across variable anatomical conditions.
- Enables reproducible, quantitative assessment of expansion patterns under controlled force application.
- Supports screening of device configurations and surgical parameters for optimal biomechanical outcomes.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in silico expansion patterns with clinical imaging data for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement of surgical techniques and device designs based on predictive modeling.
- Facilitates cross-functional collaboration between engineering, surgical, and orthodontic teams for preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
This FEA modeling approach integrates from early discovery through preclinical device and surgical workflow optimization, supporting iterative hypothesis testing and translational research.
- Discovery Biology: Clarifies force distribution and expansion mechanics at osteotomy sites, reducing mechanistic ambiguity.
- Screening: Delivers standardized, reproducible simulation outputs for comparative evaluation of surgical variables.
- Analytics: Provides quantitative deformation and stress readouts to inform decision-making.
- Translational Research: Bridges in silico predictions with clinical imaging and outcomes for preclinical alignment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable modeling framework adaptable to diverse craniofacial expansion scenarios.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in expansion outcomes and reduces biological uncertainty.
- Operational Value: Standardizes simulation protocols and supports scalable, reproducible analyses.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for device and surgical innovation, improving capital allocation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of craniofacial device and procedural candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in FEA software, craniofacial anatomy, and surgical simulation.
- Demands access to high-resolution imaging (CBCT) and advanced modeling platforms (Mimics, Geomagic, SolidWorks, Ansys).
- Necessitates cross-team standardization of model parameters and force application protocols.
- Adaptation across patient-specific anatomical models may require additional segmentation and validation steps.
- Model accuracy is contingent on realistic material properties and convergence testing as demonstrated.
