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 данном исследовании разработана новая модель анализа методом конечных элементов (МКЭ) для хирургически wspomagaемого быстрого расширения верхней челюсти (SARPE), призванная более детально изучить характер расширения получелюстей. Модель направлена на точное моделирование клинических условий и исследование влияния различных углов щечной остеотомии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Ортодонтия
- Биоинженерия
- Метод конечных элементов
Теоретические основы
- SARPE используется для расширения верхней челюсти у пациентов с завершенным скелетным ростом.
- В литературе описаны случаи асимметричного расширения, однако причины этого явления остаются неясными.
- Метод конечных элементов позволяет проводить симуляцию хирургических процедур in vitro.
- В предыдущих исследованиях возникали сложности с моделированием сил в области заживления раны.
Цель исследования
- Разработать новую модель МКЭ для SARPE.
- Точно имитировать клинические условия.
- Исследовать паттерны трехмерного расширения гемимаксิลлы.
Используемые методы
- Разработка модели конечных элементов с использованием четырех программных инструментов.
- Моделирование различных углов щечной остеотомии.
- Анализ паттернов расширения в трех измерениях.
- Оценка сил на поверхности остеотомии в процессе заживления.
Основные результаты
- Модель МКЭ успешно имитировала клинические условия.
- Характер расширения анализировался во всех трех измерениях.
- Были получены данные об асимметричном расширении.
- Модель может помочь в понимании механики SARPE.
Выводы
- Новая модель МКЭ обеспечивает лучшее понимание процесса SARPE.
- Она может помочь в прогнозировании характера расширения и улучшении клинических результатов.
- Будущие исследования могут опираться на данную модель для дальнейшего изучения.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Модели анализа методом конечных элементов (FEA), которые точно симулируют хирургически созданное быстрое расширение верхней челюсти (SARPE), восполняют критический пробел в прогнозировании асимметричного скелетного ответа у взрослых пациентов. Эта возможность повышает точность прогнозов на стыке хирургического планирования и разработки устройств, поддерживая принятие решений с учетом рисков в трансляционных исследованиях краниофациальной области. Данный подход позволяет более надежно оценивать механику расширения, что напрямую способствует междисциплинарным исследованиям, разработкам и оптимизации устройств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет проводить механистический анализ реакции костной ткани и окружающих тканей на силы SARPE in silico.
- Способствует снижению биологических рисков за счет уточнения влияния угла остеотомии на симметрию расширения.
- Облегчает предиктивное моделирование взаимодействий между устройством и тканями, что позволяет обосновать валидацию целей при краниофациальных вмешательствах.
Скрининг и разработка анализа
- Предоставляет валидированную 3D-модель для симуляции и стандартизации протоколов расширения при различных анатомических условиях.
- Обеспечивает воспроизводимую количественную оценку паттернов расширения при контролируемом приложении силы.
- Позволяет проводить скрининг конфигураций устройств и хирургических параметров для достижения оптимальных биомеханических результатов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет паттерны расширения in silico с данными клинической визуализации для обеспечения трансляционной непрерывности.
- Позволяет осуществлять риск-ориентированное развитие хирургических методик и конструкций устройств на основе прогностического моделирования.
- Способствует многофункциональному взаимодействию между инженерными, хирургическими и ортодонтическими группами для доклинической валидации.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный подход к моделированию методом конечных элементов (МКЭ) охватывает все этапы: от ранних стадий поиска до доклинической оптимизации устройств и хирургических рабочих процессов, обеспечивая итерационную проверку гипотез и трансляционные исследования.
- Фундаментальная биология: позволяет уточнить распределение сил и механику расширения в местах остеотомии, снижая неопределенность механизмов процесса.
- Скрининг: обеспечивает стандартизированные, воспроизводимые результаты моделирования для сравнительной оценки хирургических переменных.
- Аналитика: предоставляет количественные показатели деформации и напряжения для обоснования принятия решений.
- Трансляционные исследования: связывает прогнозы in silico с данными клинической визуализации и результатами лечения для предварительного согласования на доклиническом этапе.
- Корпоративное повторное использование: создает многократную архитектуру моделирования, адаптируемую к различным сценариям расширения челюстно-лицевой области.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую уверенность в результатах расширения и снижает биологическую неопределенность.
- Операционная ценность: стандартизирует протоколы моделирования и поддерживает масштабируемый, воспроизводимый анализ.
- Стратегическая ценность: служит основанием для принятия решений о целесообразности разработки новых устройств и хирургических инноваций, оптимизируя распределение капитала.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритезацию кандидатов на установку краниофациальных устройств и проведение процедур с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области программного обеспечения для МКЭ, краниофациальной анатомии и хирургического моделирования.
- Необходим доступ к изображениям высокого разрешения (КЛКТ) и современным платформам для моделирования (Mimics, Geomagic, SolidWorks, Ansys).
- Требуется межкомандная стандартизация параметров моделей и протоколов приложения силы.
- Адаптация для анатомических моделей конкретных пациентов может потребовать дополнительных этапов сегментации и валидации.
- Точность модели зависит от реалистичных свойств материалов и проведения тестов на сходимость, как показано в работе.
