Модель анализа методом конечных элементов для оценки паттернов расширения при хирургическом быстром расширении неба
20 октября 2023 г.
Для дальнейшего анализа паттернов расширения полушарий во всех трех измерениях был создан набор новых конечно-элементных моделей хирургически ассистированного быстрого расширения неба (SARPE), которые могут выполнять клинически необходимую активацию экспандера с различными углами буккальной остеотомии.
SARPE обычно используется для расширения верхней челюсти у пациентов с незрелым скелетом. Тем не менее, сообщалось об асимметричном расширении с неизвестной этиологией. Это исследование направлено на разработку новой модели МКЭ SARPE, которая может по-настоящему имитировать клинические состояния, и изучить паттерны расширения полушария верхней челюсти во всех трех измерениях.
Конечно-элементный анализ используется в стоматологии и биоинженерии для моделирования операций in vitro, таких как SARPE. В этом исследовании было использовано четыре программного обеспечения для настройки модели МКЭ и прогнозирования характера расширения. Самая сложная часть, с которой связывают большинство предыдущих исследований, заключается в моделировании сил в месте заживления раны на поверхности остеотомии.
Для достижения этой цели в нашем пилотном исследовании были установлены пружины, которые считаются новой конструкцией для SARPE FEA. Эта унифицированная элементная модель была сосредоточена на моделях пациентов, что сделало ее более реалистичной симуляцией SARPE за счет создания зазоров при остеотомии и включения опыта. Он обладает значительным потенциалом в качестве клинического инструмента для брендинга и его руководства процедурами SARPE.
Наша междисциплинарная группа будет усердно работать над разработкой передовых 3D-моделей, которые могут предоставить ценную информацию о персонализированных стратегиях лечения для анализа и улучшения ортогнатической хирургической техники с использованием инженерного подхода, а также для улучшения коммуникации и сотрудничества между ортодонтами и челюстно-лицевыми хирургами с помощью системы 3D-визуализации с инженерной поддержкой.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В этом исследовании разработана новая модель конечных элементов (FEA) для хирургически ассоциированного быстрого расширения верхней челюсти (SARPE) для лучшего понимания моделей расширения получелюсти. Модель нацелена на точное моделирование клинических условий и исследование влияния различных углов буккальной остеотомии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Ортодонтия
- Биоинженерия
- Анализ конечных элементов
Бэкграунд
- SARPE используется для расширения верхней челюсти у пациентов со зрелым скелетом.
- Асимметричное расширение было зарегистрировано, но его причины неясны.
- Анализ конечных элементов позволяет проводить in vitro моделирование хирургических процедур.
- Прежние исследования сталкивались с трудностями в моделировании сил на месте заживления раны.
Цель исследования
- Разработать новую модель FEA для SARPE.
- Точно моделировать клинические условия.
- Исследовать трехмерные модели расширения получелюсти.
Использованные методы
- Разработка модели конечных элементов с использованием четырех инструментов программного обеспечения.
- Моделирование различных углов буккальной остеотомии.
- Анализ моделей расширения в трех измерениях.
- Оценка сил на поверхности остеотомии во время заживления.
Основные результаты
- Модель FEA успешно моделировала клиническое состояние.
- Модели расширения были анализированы во всех трех измерениях.
- Получены представления об асимметричном расширении.
- Модель может помочь в понимании механизмов SARPE.
Выводы
- Новая модель FEA обеспечивает лучшее понимание SARPE.
- Она может помочь предсказать модели расширения и улучшить клинический результат.
- Будущие исследования могут использовать эту модель для дальнейших исследований.
Часто задаваемые вопросы
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.
