Artigo de método

Forçar o sistema com V-curvas verticais: uma avaliação 3D In Vitro de arcos retangulares elásticas e rígidas

DOI:

10.3791/57339

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24 de julho de 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

Neste artigo

Resumo

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

O método apresentado aqui é projetado para construir e validar um em vitro modelo 3D capaz de medir o sistema de força gerado por diferentes arcos com V-curvas colocados entre dois suportes. Objectivos adicionais são para comparar com este sistema de força com diferentes tipos de arcos e de modelos anteriores.

Resumo

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Uma compreensão adequada do sistema de força criada por vários aparelhos ortodônticos pode fazer tratamento de pacientes, eficiente e previsível. Reduzir os complicados aparelhos de suporte multi para um simples sistema de dois-suporte para efeitos de avaliação do sistema de força será o primeiro passo nesta direção. No entanto, grande parte a biomecânica ortodôntica a este respeito limita-se aos estudos experimentais 2D, modelagem e análise de computador ou extrapolação teórica dos modelos existentes. O objetivo do presente protocolo é projetar, construir e validar um em vitro modelo 3D capaz de medir as forças e momentos gerados por um fio com uma curva V colocado entre dois suportes. Objectivos adicionais são para comparar o sistema de força gerado por diferentes tipos de arcos entre si e para os modelos anteriores. Para este efeito, um aparelho de 2 x 4 representando um molar e um incisivo tem sido simulado. Um testador de fio ortodôntico (nada) é construído, consistindo de dois transdutores de força multi-eixo ou células de carga (nanosensors) para que os brackets ortodônticos estão conectados. As células de carga são capazes de medir o sistema de força em todos os três planos do espaço. Dois tipos de arcos, aço inoxidável e de três tamanhos diferentes (0.016 x 0,022 polegadas, 0,017 x 0.025 polegadas e 0,019 x 0,025 polegadas), beta-titânio são testados. Cada fio recebe um único vertical V-bend sistematicamente colocado em uma posição específica com um ângulo predefinido. V-curvas semelhantes são replicadas em diferentes arcos em 11 locais diferentes entre os incisivos e molares anexos. Esta é a primeira vez que uma tentativa foi feita em vitro para simular um aparelho ortodôntico utilizando V-dobras em arcos são diferentes.

Introdução

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Um aspecto importante do tratamento ortodôntico clínico é o conhecimento do sistema de força produzido pelos aparelhos multibracket. Uma compreensão clara dos princípios biomecânicos subjacentes pode ajudar a entregar resultados previsíveis e minimizar potenciais efeitos colaterais1. Nos últimos anos têm visto uma tendência longe de colocação dobras em arcos, através da construção de ativação mais com a posição do suporte e design; no entanto, abrangente tratamento ortodôntico ainda requer a colocação de curvas em arcos. Curvas, quando colocado em diferentes tipos e tamanhos de arcos, podem criar uma grande variedade de sistemas de força adequados para diferentes tipos de movimento do dente. Embora os sistemas de força podem se tornar bastante complexos quando vários dentes são considerados, um ponto de partida útil pode envolver um sistema de suporte de dois simples.

Até à data, V-curva mecânica principalmente foram analisadas na segunda ordem somente, utilizando modelos matemáticos1,2,3,4,5 e/ou análise/simulações computadorizadas 6. isso rendeu uma compreensão básica do sistema de força envolvida na segunda interação ordem dos fios arcos com suportes adjacentes (Figura 1). No entanto, estes métodos impõem certas condições de contorno para executar simulações que não podem permanecer truenos em situações clínicas reais e desvios que possam ocorrer. Recentemente, um novo em vitro modelo envolvendo transdutores de força foi proposto para medir três dimensões (3D) forças e momentos criados avaliando-se não só segundo ordem mas também interações arco-suporte na terceira ordem7. No entanto, o efeito de diferentes tipos de arcos, sobre o sistema de força em várias posições curva a extensão do arco molar incisivo não foi avaliado. Além disso, o estudo envolveu apenas avaliação dos arcos ortodônticos elásticos, que não são os arcos primários na qual dente movimento ocorre. Portanto, o objetivo deste estudo foi avaliar o sistema de força criado pela colocação de um V-bend em diferentes locais em inox retangular e arcos são beta-titânio em um 3D configurar envolvendo os suportes de incisivos e molares. Os clínicos precisam saber o sistema de força aplicado sobre a dentição quando uma combinação específica de combinação de suporte de arco é usado para corrigir uma má oclusão.

A técnica descrita foi desenvolvida para estudar o sistema de força ortodôntica em todos os três planos do espaço, imitando a realidade clínica. É para ser entendido que é extremamente difícil de medir o força sistema clinicamente; Portanto, tais as medições devem ser realizadas em vitro. Presume-se que o sistema de força criado por um V-bend em laboratório seria semelhante se replicado na boca do paciente. Um fluxo de trabalho foi criado para avaliar como o experimental instituído tem de ser configurado (Figura 2).

O testador de fio ortodôntico (nada) é um produto inovador, desenvolvido pela divisão de Ortodontia em colaboração com a bioengenharia & laboratório de Biodinâmica, UConn saúde, Farmington, CT, EUA (Figura 3). Ele é projetado para imitar com precisão o arranjo dos dentes maxilares dentro da boca e algumas condições intra orais proporcionando medições do sistema de força criado em todos os três planos do espaço. Os principais componentes mecânicos do nada são um dispositivo de aquisição de dados (DAQ), sensores de força/Torque de nano, sensores de umidade, sensores de temperatura e um computador pessoal. O aparelho de teste é colocado em um compartimento de vidro com controles de temperatura/umidade. Isto permite a simulação parcial do ambiente intra-oral. O DAQ serve como interface para os três sensores: sensor de umidade, sensor de força/momento, termistor e o aparelho de teste com os sensores situados em uma plataforma (Figura 3). Estas são ligadas a um programa de software. O software é uma plataforma e um ambiente de desenvolvimento para programação visual e é usado para controlar diferentes tipos de hardware. Ele foi escolhido para automatizar o testador de fios ortodônticos.

Uma série de pinos de alumínio estão dispostas sobre o aparelho de teste para representar os dentes da arcada dentária maxilar. Dois dos pegs representando o incisivo central direita e direita primeiro molar são conectadas a células de sensores de carga (S1 e S2). Uma célula de carga é um dispositivo mecânico que pode medir as forças e momentos aplicados a ele em todos os três planos (x-y-z): Fxe FyFz; e MxMye Mz. Os pegs são sistematicamente posicionados para criar um formulário de arco dentário. Cada pino é separado do outro por uma medição gravada precisamente que é calculada usando a média dente larguras, como observado em pacientes submetidos a tratamento ortodôntico. A forma escolhida para a experiência é uma forma de arco 'ovoide' criada a partir de um modelo padronizado.

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Protocolo

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1. experimental Setup

  1. Marca a posição exata para a colocação de tubos molares e incisivo suportes sobre os pinos de alumínio do nada usando um jig' personalizado'.
  2. Ligação padrão Self ligating suportes com material compósito. Fotopolimerização por 40 segundos.
  3. Inserir um 0.021 x 0.025 polegadas aço inoxidável (SS) 'ovoide' arco maxilar nas ranhuras do suporte.
  4. Coloca o aparelho de teste na câmara de vidro.
  5. Verifique se há qualquer ativação do arco não intencionais. Qualquer ativação do arco criará automaticamente um sistema de força, que será exibido na tela do computador.
  6. Reposicione os suportes se for observada qualquer ativação do arco. Repita as etapas de 1.2-1.5.

2. fabricação de um modelo de arco (Figura 4)

  1. Coloque um fio (0.021 x 0.025 SS) no aparelho de teste.
  2. Use um marcador permanente para indicar o seguinte: 1) da linha mediana, 2) um ponto imediatamente distal ao suporte de incisivos (I) e 3) um ponto imediatamente mesial do tubo molar (M). Faça o mesmo para o lado contralateral do arco. Este é o fio de arco de modelo.
  3. Transferi o arco com os pontos marcados para um papel milimetrado.
  4. Fazer uma réplica exacta do arco sobre o papel milimetrado.
    Nota: Este papel de gráfico pode ser usado para determinar a posição da curva-V para todos os arcos da amostra.
  5. Calcule o perímetro do segmento de arco fio (L) do a M.
  6. Agora, marca 11 pontos do a M. Cada ponto é uma posição de V-curva futura.
    1. Etiquete cada ponto de um0 a10.
    2. Certifique-se de que cada posição de curvatura é separadoda do outro por uma quantidade igual.
  7. Obter uma única número/proporção para cada posição de curvatura calculando um / L para cada posição.

3. colocação de V-curvas

  1. Tome um novo arco da amostra.
  2. Coloque-o sobre o papel do arco/gráfico modelo e transferir uma das posições onze curva bilateralmente para o arco.
  3. Use um alicate de arco retangular ou um alicate de fio de luz para fazer o V-curvas simétricas em ambas as posições.
  4. Coloque o arco em uma plataforma de laje/plano de vidro e verificar a medição do ângulo feita pelas duas extremidades do arco com um transferidor.
  5. Ajuste as extremidades se necessário para que seja criado um ângulo de 150°.
  6. Repita as etapas de 3.1 a 3.5 para todos os arcos da amostra.

4. o sistema de força (figuras 5 e 6) de medição

  1. Abra o programa de software para gravação de dados (consulte a Tabela de materiais).
  2. Crie uma nova pasta para os dados a ser salvo em.
  3. Clique em 'Executar' para iniciar o software. O programa irá exibir cada uma das três forças e momento de três valores para cada sensor em tempo real.
  4. Espere por aproximadamente 10-15 segundos para as flutuações nos dados, software para parar gravação. Garantir que as linhas do gráfico sobre o software para todos os componentes do programa de sistema de força uma linha 'flat'.
    Nota: todas as seis medições para cada sensor irão mostrar valores insignificantes (forças 10g < < 1 g e momentos mm).
  5. Remova cuidadosamente o aparelho' teste' da plataforma. Use um alicate de Weingart para inserir os tubos molares com um arco.
  6. Abra a porta do suporte do incisivo com uma sonda periodontal.
  7. Levantar a parte anterior do arco e inseri-lo na ranhura do suporte. Certifique-se que o arco à sua mediana coincide com a linha do aparelho de teste.
  8. Retornar o aparelho de teste para a plataforma e feche a porta da câmara de vidro.
  9. Definir a temperatura a 37 ° C. Aguarde um minuto para a temperatura da câmara de vidro para ajustar.
  10. Clique no botão 'Iniciar salvar' no software e permitir que o software salvar/transferência de dados pelo menos 10 segundos. Clique no botão 'Iniciar salvar' novamente para terminar a transferência de dados e, em seguida, clique em 'parar'.
    Nota: Cada ciclo de medição gera 100 leituras sobre o período de 10 segundos para cada componente (FxFy, Fz, M,x, Mye Mz).
  11. Vá para o documento que contém os dados salvos e cópia/exportação o conjunto de dados para uma planilha de análise de dados personalizados projetados (ver Quadro suplementar). Escolha o número correto de posição V-curva e a amostra de fio específico para inserir os dados.
  12. Repita as etapas de 4.3 para 4.11 para os arcos 10 são dessa posição de curvatura específica.
  13. Agora, copie o calculado médias e desvios-padrão para os arcos para uma planilha separada para criar uma representação gráfica dos dados.
  14. Repita as etapas de 4.2 a 4.13 para todos os tipos de arcos e posições de curva.
    Nota: Os arcos são incluem, aço inoxidável (SS) e Beta-titânio (ß-Ti), com os seguintes tamanhos: 0.016 x 0,022, 0,017 x 0.025 polegadas e 0,019 x 0,025 polegadas.

5. erro avaliação

  1. Executar o computador/software conforme descrito nas etapas 4.1-4.4
  2. Remova o aparelho' teste' da plataforma.
  3. Obter um fio de SS de 0.021 x 0.025 polegadas de comprimento em linha reta. Usando um alicate de fio de luz, dobre uma ponta do fio em um pequeno gancho. Insira a extremidade livre do arco molar do lado distal.
  4. Coloque o aparelho de teste volta na plataforma.
  5. Anexe um peso conhecido (50 g) para o gancho. Deixá-lo cair livremente no plano vertical, removendo qualquer tipo de interferência. Feche a porta da câmara de vidro.
  6. Siga os passos 4.10-4.11.
  7. Repita as etapas 5.1-5.6 para o suporte de incisivo.
  8. Insira os valores de Fz para o Mx e suportes para o tubo molar como 'valor medido'.
  9. Agora, aplicam-se as equações de equilíbrio (ver Texto complementar) para calcular o valor' esperado'.

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Resultados

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A força total e o momento total experimentada por cada sensor no centro da placa de sensor são representados por seus três componentes ortogonais: Fxe FyFz , que representam as forças ao longo do eixo x eixo y, z e, respectivamente; e MxMye Mz , que representam os momentos em torno dos eixos mesmos. As medidas iniciais para os sensores são convertidas matematicamente os valores de força e momento experimentado pelo suporte ...

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Discussão

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

Arcos ortodônticos têm sido estudados em várias maneiras8,9,10,11. Eles também foram avaliados por diversas propriedades mecânicas, mas eles raramente foram analisados para determinar o sistema de força que eles vão criar12,13,14,15. Testes de flexão de três pontos sã...

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Divulgações

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

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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

Os autores gostaria de agradecer a todos os colegas que tornaram este trabalho possível, especialmente os Drs Aditya Chhibber e Ravindra Nanda. Os autores gostaria de agradecer a biodinâmica & laboratório de bioengenharia em saúde UCONN para as instalações fornecidas durante o desenvolvimento deste projeto.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Força/Torque  Sensores/TransdutoresNano17 F/T Sensores,  ATI Industrial Automation, Apex, NC, USAParte da série OWT
CHS Umidade  Unidades de Sensor  TDK CorporationParte dos sensores de temperatura OWT
(termistor Murata NTSDXH103FPB30) Murata Manufacturing Co., LtdParte do OWT
LabVIEW 7.1. Laboratório Virtual Instrumentação Engineering Workbench, Versão 7.1Programa de Software
Autoligating brackets Série Empower, Ortodontia Americana.Brackets Ortodônticos
Arcos de aço inoxidávelUltimate Wireforms, Inc. em Bristol, CTArchwires
Arcos de Beta-TitânioUltimate Wireforms, Inc. em Bristol, CTArchwires
Dispositivo de aquisição de dados (DAQ)National Instruments (NI) USB 6210Parte do OWT
Ortho Form III (modelo Archform)3M Oral Care, St. Paul, MN, USAAlicate Weingart em forma de arco
ovóideHu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, ILAlicate ortodôntico
Alicate de fio leveHu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, ILAlicate ortodôntico

Referências

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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).
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