Summary
Un ensemble de nouveaux modèles d’éléments finis d’expansion palatine rapide assistée chirurgicalement (SARPE) qui pourraient effectuer une quantité cliniquement requise d’activation de l’expanseur avec différents angles d’ostéotomie buccale a été créé pour une analyse plus approfondie des modèles d’expansion des hémimaxillaires dans les trois dimensions.
Abstract
L’expansion palatine rapide assistée chirurgicalement (SARPE) a été introduite pour libérer la résistance osseuse afin de faciliter l’expansion squelettique chez les patients squelettiquement matures. Cependant, une expansion asymétrique entre les côtés gauche et droit a été rapportée chez 7,52 % de tous les patients atteints de SARPE, dont 12,90 % ont dû subir une deuxième intervention chirurgicale pour la correction. Les étiologies conduisant à l’expansion asymétrique restent floues. L’analyse par éléments finis a été utilisée pour évaluer la contrainte associée à la SARPE dans les structures maxillo-faciales. Cependant, comme une collision de l’os au niveau des sites d’ostéotomie LeFort I ne se produit qu’après un certain degré d’expansion, la plupart des modèles existants ne représentent pas vraiment la distribution de la force, étant donné que la quantité d’expansion de ces modèles existants dépasse rarement 1 mm. Par conséquent, il est nécessaire de créer un nouveau modèle d’éléments finis de SARPE qui pourrait effectuer une quantité cliniquement requise d’activation de l’expanseur pour une analyse plus approfondie des modèles d’expansion des hémimaxillaires dans les trois dimensions. Un modèle de crâne tridimensionnel (3D) issu de la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) a été importé dans Mimics et converti en entités mathématiques pour segmenter le complexe maxillaire, les premières prémolaires maxillaires et les premières molaires maxillaires. Ces structures ont été transférées dans Geomagic pour le lissage de surface et la création d’os spongieux et de ligaments parodontaux. La moitié droite du complexe maxillaire a ensuite été conservée et mise en miroir pour créer un modèle parfaitement symétrique dans SolidWorks. Un expanseur Haas a été construit et bagué aux premières prémolaires maxillaires et aux premières molaires. Une analyse par éléments finis de diverses combinaisons d’ostéotomies buccales à différents angles avec un dégagement de 1 mm a été réalisée dans Ansys. Un essai de convergence a été effectué jusqu’à ce que la quantité souhaitée de dilatation des deux côtés (au moins 6 mm au total) soit atteinte. Cette étude jette les bases de l’évaluation de l’influence de l’angulation de l’ostéotomie buccale sur les modèles d’expansion de la SARPE.
Introduction
L’expansion palatine rapide assistée chirurgicalement (SARPE) est une technique couramment utilisée pour l’expansion transversale de la structure osseuse maxillaire et de l’arcade dentaire chez les patients squelettiquement matures1. La chirurgie implique une ostéotomie LeFort I, une corticotomie mi-palatine et, éventuellement, la libération de la fissure ptérygoïde-maxillaire2. Cependant, des schémas d’expansion indésirables de SARPE, tels qu’une expansion inégale entre les hémimaxillaires gauche et droit3 et un basculement/rotation buccale de l’apophyse dento-alvéolaire4, ont été rapportés, ce qui pourrait entraîner l’échec de SARPE, et parfois, même nécessiter des chirurgies supplémentaires pour la correction5. Des études antérieures ont indiqué que la variation des ostéotomies circum-maxillaires peut jouer un rôle important dans le schéma d’expansion post-SARPE2,3, car les collisions entre les blocs osseux aux sites d’ostéotomie de Le Fort I peuvent contribuer à la force de résistance inégale de l’expansion latérale des hémimaxillaires et à la rotation des hémimaxillaires, les bords alvéolaires sous la coupe se déplaçant vers l’intérieur tandis que le processus dento-alvéolaire se dilate 3, 4. Le Par conséquent, il est nécessaire d’étudier les effets des différentes directions de l’ostéotomie, en particulier l’ostéotomie buccale, sur les schémas d’expansion post-SARPE.
Plusieurs modèles d’analyse par éléments finis (FEA) ont été mis en place pour évaluer la distribution des forces au cours de la SARPE. Cependant, la quantité d’expansion définie dans ces modèles est limitée à 1 mm, ce qui est bien inférieur à la quantité clinique requise 6,7,8,9,10,11,12. Une expansion inadéquate des modèles d’analyse par éléments finis peut conduire à des prédictions erronées des résultats post-SARPE. Plus précisément, la collision entre les os au site d’ostéotomie, telle que rapportée par Chamberland et Proffit4, peut ne pas être démontrée si l’expanseur n’est pas tourné adéquatement, ce qui peut ne pas refléter la réalité clinique réelle. Compte tenu de la quantité limitée d’expansion intégrée dans les modèles précédents, les évaluations des résultats de ces modèles se sont concentrées sur l’analyse des contraintes. Cependant, l’analyse des contraintes de l’analyse par éléments finis en dentisterie est généralement effectuée sous une charge statique avec les propriétés mécaniques des matériaux définies comme isotropes et linéairement élastiques, ce qui limite encore la pertinence clinique des études d’analyse par éléments finis13.
De plus, la plupart de ces études n’ont pas pris en compte l’épaisseur de l’instrument chirurgical au site d’ostéotomie 6,7,8,10,11,12, ce qui a souvent réduit à zéro le frottement au niveau des coupes dans le cadre des conditions aux limites. Cependant, ce réglage simplifie à l’excès les contacts entre les tissus durs et mous. Cela peut avoir un impact significatif sur la distribution de la force et le modèle d’expansion des hémimaxillaires qui en résulte.
Néanmoins, aucune littérature disponible n’a étudié l’effet de l’ostéotomie sur l’asymétrie post-SARPE à l’aide de modèles d’analyse par éléments finis (FEA). Toutes les études actuelles ont utilisé des modèles avec des modèles d’ostéotomie symétriques 6,7,8,9,10,11,12,14, qui ne reflètent pas la réalité de la pratique clinique où les ostéotomies peuvent différer de chaque côté du crâne. Le manque de littérature examinant l’effet des ostéotomies asymétriques sur l’asymétrie post-SARPE représente une lacune importante dans les connaissances qui doit être comblée.
Par conséquent, l’objectif de cette étude est de développer un nouveau modèle FEA de SARPE qui peut vraiment imiter les conditions cliniques, y compris la quantité d’expansion et l’écart d’ostéotomie, et d’étudier les modèles d’expansion des hémimaxillaires dans les trois dimensions avec différentes conceptions de l’ostéotomie. Une telle approche fournirait des informations précieuses sur les mécanismes sous-jacents aux modèles d’expansion post-SARPE et servirait d’outil utile aux cliniciens dans la planification et l’exécution des procédures SARPE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Cette étude a utilisé une image CBCT préexistante, anonymisée et pré-traitement d’un patient atteint de SARPE dans le cadre des plans de traitement. L’étude a été menée conformément à la Déclaration d’Helsinki et approuvée par l’Institutional Review Board (protocole #853608).
1. Acquisition d’échantillons et segmentation des dents
- Acquérir une image CBCT humaine de la tête dans une position naturelle de la tête qui comprend le complexe maxillaire du patient, y compris l’os basal maxillaire, l’os alvéolaire maxillaire et la dentition maxillaire.
- Importez les fichiers CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) dans le logiciel Mimics.
- Créer un nouveau projet (Ctrl + N), sélectionnez toutes les images DICOM, puis cliquez sur Suivant et Convertir.
- Définissez la direction du modèle (A : antérieur, P : postérieur, T : haut, B : bas, L : gauche, R : droite) et cliquez sur OK.
- Segmentez le fichier en complexe maxillaire, premières prémolaires maxillaires et premières molaires maxillaires.
- Cliquez sur Seuillage, sélectionnez un seuil approprié pour segmenter les structures, puis cliquez sur Appliquer.
- Créez de nouveaux masques et cliquez sur Modifier les masques, à l’aide des touches Dessiner et Effacer pour segmenter le complexe maxillaire, les premières prémolaires maxillaires et les premières molaires maxillaires du patient.
- Exportez les cibles sous forme de fichiers de stéréolithographie (STL).
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur les masques et sélectionnez Calculer 3D pour générer des objets 3D.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur les objets 3D, sélectionnez STL+, choisissez les objets demandés et appuyez sur Ajouter et terminer pour créer des fichiers STL.
2. Lissage de surface et création d’os spongieux et d’espace ligamentaire parodontal
- Importez les fichiers STL dans le logiciel Geomagic.
- Cliquez sur Fichier > Ouvrir, sélectionnez les fichiers STL, puis appuyez sur Ouvrir.
- Choisissez Millimètres pour les données dans la fenêtre contextuelle Unités , puis cliquez sur OK.
- Lisser la surface du complexe maxillaire, des premières prémolaires maxillaires et des premières molaires maxillaires.
- Cliquez sur Polygones > Supprimer les pointes, cliquez sur le niveau de lissage et faites-le glisser près de Faible, cliquez sur Appliquer, puis sur OK.
- Cliquez sur Polygones > Relâcher les polygones, cliquez sur le niveau de lissage à côté de Min, puis sur Appliquer, puis sur OK.
- Cliquez sur Polygones > Réparer les intersections, choisissez Relax/Clean (Relâcher/Nettoyer ) dans la fenêtre Mode (Mode ), cliquez sur Apply ( Appliquer), puis sur OK.
- Modifiez la surface du modèle en une région continue et fermée.
- Cliquez sur la surface vive et faites-la glisser, puis appuyez sur la touche Suppr pour créer un trou.
- Cliquez sur Polygones > Remplir les trous, utilisez Remplissage, Remplissage partiel, Créer des ponts dans la fenêtre Méthode de remplissage pour remplir les trous, cliquez sur Appliquer, puis sur OK.
- Convertissez la surface 2D en modèle solide 3D et exportez-la sous forme de fichier de conception assistée par ordinateur (CAO).
- Cliquez sur Modifier > phase > phase de forme, sélectionnez Modifier les contours pour esquisser les contours de la surface, puis cliquez sur OK.
- Cliquez sur Dessiner la disposition de patch et dessinez des maillages quadrilatères pour couvrir toutes les surfaces, puis cliquez sur OK.
- Cliquez sur Construire des grilles, définissez une résolution appropriée, puis cliquez sur OK pour générer un maillage plus fin.
- Cliquez sur Ajuster les surfaces, cliquez sur Appliquer, puis sur OK pour construire un modèle solide 3D.
- Cliquez sur Fichier > Enregistrer sous pour exporter le modèle 3D et l’enregistrer dans un fichier IGES (nommé Maxilla).
- Créer l’os spongieux en réduisant le volume du complexe maxillaire de 1 mm à partir de la surface alvéolaire buccale. Créez de l’espace ligamentaire parodontal en élargissant le contour des racines de 0,2 mm.
- Cliquez sur Phase polygonale, choisissez Supprimer dans la fenêtre Lignes de contour , sélectionnez Conserver dans la fenêtre Disposition du patch , puis appuyez sur OK pour convertir le modèle solide 3D en surface 2D.
- Cliquez sur Polygones > Décalage, entrez -1 mm et 0,2 mm dans le panneau Distance pour l’os spongieux et le ligament parodontal, puis cliquez sur Appliquer et OK.
- Cliquez sur Modifier > phase > phase de forme, sélectionnez Restaurer la disposition du patch et appuyez sur OK.
- Cliquez sur Construire des grilles, définissez une résolution appropriée, puis cliquez sur OK pour générer un maillage plus fin.
- Cliquez sur Ajuster les surfaces, cliquez sur Appliquer, puis sur OK pour construire un modèle solide 3D.
- Cliquez sur Fichier > Enregistrer sous pour exporter le modèle 3D et l’enregistrer dans des fichiers IGES (nommés CB et PL).
3. Construire un modèle anatomique symétrique du maxillaire
- Importez les fichiers CAO dans SolidWorks.
- Cliquez sur Fichier > Ouvrir, sélectionnez le fichier Maxilla, puis appuyez sur Ouvrir pour importer le fichier CAO.
- Cliquez sur Fichier > Enregistrer pour enregistrer le fichier au format Pièce .
- Construisez l’os spongieux sous le plan palatin (PP).
- Cliquez sur Insérer > pièce, sélectionnez le fichier CB et appuyez sur Ouvrir pour importer le fichier CAO.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez trois points caractéristiques du terrain sur le plan palatal, puis cliquez sur OK pour créer un plan de coupe.
- Cliquez sur Insérer > fonctions > fractionner, choisissez le plan palatal dans Outils d’ajustement, puis cliquez sur Couper la pièce pour créer un aperçu de coupe.
- Cochez les cases dans les corps résultants, puis cliquez sur OK pour séparer la structure spongieuse.
- Cliquez sur l’os spongieux au-dessus du plan palat, cliquez avec le bouton droit de la souris et appuyez sur Supprimer dans la section Corps .
- Construire le ligament parodontal des premières prémolaires maxillaires et des premières molaires maxillaires.
- Cliquez sur Insérer > pièce, sélectionnez le fichier PL et appuyez sur Ouvrir pour importer le fichier CAO.
- Cliquez sur Insert > Features > Intersect (Insérer des entités Intersecter), puis sélectionnez Maxillla (Maxilla) et PL (PL) dans la fenêtre Selections (Sélections ).
- Sélectionnez Créer les deux dans la fenêtre Sélections , choisissez la partie du ligament parodontal dans la liste des régions, puis cliquez sur OK pour générer le ligament.
- Effectuez un plan de coupe médio-palatine de l’épine nasale antérieure (SNA) à l’épine nasale postérieure (SNP) et conservez la moitié droite du complexe maxillaire.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez trois points caractéristiques du terrain sur le plan médio-palatal, puis cliquez sur OK pour créer un plan de coupe.
- Cliquez sur Insérer > fonctions > fractionner, choisissez le plan palatal dans les outils d’ajustement, puis cliquez sur Couper la pièce pour créer un aperçu de coupe.
- Cochez les cases dans les corps résultants, puis cliquez sur OK pour séparer le complexe maxillaire.
- Cliquez sur la moitié gauche du complexe maxillaire, cliquez avec le bouton droit de la souris et appuyez sur Supprimer dans la section Corps .
- Mettez en miroir la moitié droite du complexe maxillaire et créez une moitié gauche identique.
- Cliquez sur Insérer > motif/miroir > miroir, puis choisissez le plan médio-palatal dans Face/Plan miroir.
- Choisissez tout le complexe demi-maxillaire droit dans Corps à refléter, puis cliquez sur OK pour générer la moitié gauche du complexe maxillaire.
4. Créez un extenseur Haas et une bande sur les premières prémolaires maxillaires et les premières molaires
- Construisez la bande prémolaire et la bande molaire.
- Cliquez sur Insérer > pièce, sélectionnez le fichier PL et appuyez sur Ouvrir pour importer le fichier CAO.
- Cliquez sur Insérer > entités > fractionnement, choisissez les dents dans le fichier PL et définissez une mise à l’échelle uniforme de 1,05. Cliquez sur OK pour générer des bandes de 0,5 mm d’épaisseur.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez trois points caractéristiques du terrain sur le plan occlusal, puis cliquez sur OK pour créer un plan de référence.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez le plan occlusal et définissez une distance de décalage de 1,5 mm. Cliquez sur OK pour créer le premier plan de coupe.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez le plan occlusal et définissez une distance de décalage de 4,0 mm. Cliquez sur OK pour créer le deuxième plan de coupe.
- Cliquez sur Insérer > fonctions > fractionner, puis choisissez le premier et le deuxième plan dans Outils d’ajustement et les dents dans Corps cibles. Cliquez sur Couper les corps pour créer un aperçu de coupe.
- Cochez les cases dans les corps résultants, puis cliquez sur OK pour séparer les dents.
- Cliquez sur la bande au-dessus du premier plan et au-dessous du deuxième plan, cliquez avec le bouton droit de la souris et appuyez sur Supprimer dans la section Corps .
- Construisez la plaque acrylique.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez trois points caractéristiques sur le plan du palais dur, puis cliquez sur OK pour créer un plan d’esquisse.
- Cliquez sur Insérer > esquisse, dessinez une plaque acrylique en vous référant à l’expanseur Haas, puis cliquez sur Quitter l’esquisse.
- Cliquez sur Insérer > bossage/base > extrude, choisissez l’esquisse de la plaque acrylique, définissez 5 mm de profondeur, puis cliquez sur OK.
- Cliquez sur Insérer > Caractéristiques > Flex et pliez la plaque acrylique pour l’adapter à l’anatomie du palais.
- Cliquez sur Insérer > Caractéristiques > congé/rond et raccorder les arêtes vives de la plaque acrylique dans un rayon de 1 mm.
- Construisez les bras d’expansion.
- Cliquez sur Insert > Reference Geometry > Plane (Insérer géométrie de référence), choisissez trois points caractéristiques du terrain sur la bande, puis cliquez sur OK pour créer un plan d’esquisse (nommé P1).
- Cliquez sur Insérer > esquisse, tracez un cercle de 2 mm de diamètre, puis cliquez sur Quitter l’esquisse (nommé C1).
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez trois points caractéristiques du terrain sur la plaque acrylique, puis cliquez sur OK pour créer un plan d’esquisse (nommé P2).
- Cliquez sur Insérer > esquisse, tracez un cercle de 2 mm de diamètre, puis cliquez sur Quitter l’esquisse (nommé C2).
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez le plan P2 et définissez une distance de décalage de 6 mm. Cliquez sur OK pour un plan d’esquisse.
- Cliquez sur Insérer > esquisse, tracez un cercle de 2 mm de diamètre, puis cliquez sur Quitter l’esquisse (nommé C3).
- Cliquez sur Insérer > bossage/base > lissage, puis choisissez l’esquisse C1, C2 et C3 dans la fenêtre Profils .
- Sélectionnez le canal et la plaque acrylique dans la fenêtre Feature Scope (Étendue de l’entité), cochez la case Merge Result (Résultat de la fusion) dans la fenêtre Options , puis cliquez sur OK.
5. Concevoir l’ostéotomie
- Créez un plan de 1 mm d’épaisseur, équivalent au diamètre d’une fraise habituellement utilisée par le chirurgien, à partir du coin de l’ouverture piriforme (Alar) vers la crête infra zygomatique (IZC) à différents degrés du plan horizontal.
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez trois points caractéristiques sur le plan d’ostéotomie (0°, 10°, 20° ou 30° par rapport au plan horizontal), puis cliquez sur OK pour créer le plan (nommé O1).
- Cliquez sur Insérer > géométrie de référence > plan, choisissez le plan d’ostéotomie et définissez une distance de décalage de 1,0 mm. Cliquez sur OK pour créer un plan de coupe inférieur (nommé O2).
- Cliquez sur Insérer > fonctions > fractionner, choisissez le plan O1 et O2 dans les outils d’ajustement, puis cliquez sur Couper la pièce pour créer un aperçu de coupe.
- Cochez les cases dans les corps résultants, puis cliquez sur OK pour séparer le complexe maxillaire.
- Cliquez sur le corps entre les plans O1 et O2, cliquez avec le bouton droit de la souris et appuyez sur Suppr dans la section Corps .
- Exportez des modèles avec différents angles d’ostéotomie buccale dans le fichier pièce de modèle Parasolid (X_T) pour analyse.
- Cliquez sur Fichier > Enregistrer sous, puis choisissez Parasolide (x_t) dans la liste Type de fichier .
- Cliquez sur Enregistrer pour exporter les modèles pour le logiciel d’analyse par éléments finis.
6. Analyse par éléments finis
- Importez et définissez les paramètres de matériau du modèle complexe maxillaire dans le logiciel Ansys.
- Cliquez sur la structure statique dans la boîte à outils et faites-la glisser pour créer un espace de travail d’analyse.
- Double-cliquez sur les données d’ingénierie et définissez le module de Young et le coefficient de Poisson de tous les matériaux dans Propriétés. Les propriétés des matériaux des différentes structures12,15,16 sont énumérées dans le tableau 1.
- Double-cliquez sur Géométrie, cliquez sur Fichier > Importer un fichier de géométrie externe, puis cliquez sur Générer pour importer le modèle complexe maxillaire.
- Cliquez sur Créer > booléen et générez l’os cortical et le ligament parodontal par booléen avec l’os spongieux et les dents.
- Configurez le modèle d’analyse par éléments finis.
- Double-cliquez sur le modèle, puis cliquez sur Géométrie pour sélectionner les propriétés du matériau pour chaque pièce.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Maillage, puis sur Générer un maillage pour créer les éléments du modèle.
- Cliquez sur Connexions et affectez la partie souple/petite dans Corps de contact et la partie rigide/grande dans Corps cibles.
- Affectez le type de contact et le coefficient de frottement dans Définition. Les propriétés d’assemblage des différentes pièces17 sont énumérées dans le tableau 2.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Connexions, puis cliquez sur Insérer > ressort pour connecter les parties supérieure et inférieure du plan d’ostéotomie. Réglez les ressorts sur 1 mm de long avec une constante de ressort k = 60 N/mm et placez un ressort à chaque nœud de la grille.
- Définir une force cliniquement acceptable le long de l’axe des x (perpendiculaire à la ligne médiane) sur la plaque acrylique sur diverses combinaisons d’ostéotomies.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Structure statique, cliquez sur Insérer > Support fixe et définissez la structure sur le plan palatin immobile.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Structure statique, cliquez sur Insérer > force et définissez une force de 150 N à appliquer sur la plaque acrylique en l’éloignant de la ligne médiane.
- Cliquez avec le bouton droit de la souris sur Solution, puis cliquez sur Insérer > Déformation > Total pour surveiller la déformation de l’expansion.
- Effectuez un test de convergence jusqu’à ce que les expansions des deux côtés soient atteintes.
- Cliquez sur Résoudre dans les barres d’outils, puis attendez que le niveau Force Convergence atteigne le critère Force.
- Cliquez sur Déformation totale pour afficher les résultats de l’expansion.
- Mesurez les déplacements des repères anatomiques dans les trois dimensions en tant que résultats de l’expansion. Suggérez les points de repère suivants à utiliser pour évaluer le modèle d’expansion :
Angle de la ligne mésioincisive de l’incisive centrale maxillaire (U1).
Pointe de la cuspide buccale de la première prémolaire maxillaire (U4).
Pointe de la cuspide mésiobuccique de la première molaire maxillaire (U6).
Coin latéro-inférieur de l’ouverture piriforme (Alar).
Crête infra-zygomatique (IZC).
Point médian de l’expandeur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Le modèle de démonstration a utilisé l’image CBCT d’une femme de 47 ans présentant une déficience maxillaire. Dans le modèle généré, la structure anatomique de la cavité nasale, du sinus maxillaire et de l’espace ligamentaire parodontal pour les dents ancrées à l’expansion (première prémolaire et première molaire) est préservée (Figure 1).
Pour simuler l’intervention chirurgicale avec précision, la cloison nasale, les parois latérales de la cavité nasale et la fissure ptérygomaxillaire ont été séparées du corps maxillaire dans toutes les simulations. De plus, un plan, représentant l’ostéotomie buccale lors de la chirurgie, a été créé à une épaisseur de 1 mm. Le plan partait de l’angle de l’ouverture piriforme (Alar) et s’étendait vers l’arrière jusqu’à la fissure ptérygomaxillaire (PMF) (Figure 2A-D).
Un essai préliminaire a été effectué sur le modèle avec des coupes symétriques de zéro degré sur les côtés gauche et droit (figure 2E), qui a montré qu’une force de 150 N entraînait une dilatation de plus de 8 mm au niveau de l’expanseur (figure 2F), dépassant la quantité de dilatation observée dans la plupart des publications. Ce résultat a été jugé approprié car il se situe dans la plage d’expansion la plus souvent nécessaire pour les patients atteints de SARPE. De plus, une variété d’angles peuvent être construits dans l’ostéotomie pour imiter différentes conditions cliniques (Figure 3).
Contrairement à la plupart des études par éléments finis qui se concentraient sur la contrainte de von Mises et sa relation avec la rupture ou la limite d’élasticité du matériau, le modèle actuel a été mené pour aider les cliniciens à prévoir l’ampleur et le modèle d’expansion après le SARPE. Par conséquent, le changement des hémi-maxillaires gauche et droit pourrait être directement visualisé par la carte de couleurs (représentant la quantité de mouvement total en 3D) et la superposition de modèles maxillaires avant (gris) et après expansion (couleur) (Figure 2E). De plus, le déplacement des repères anatomiques (tel que mentionné à l’étape 6.5.) dans les trois dimensions était le résultat cible à analyser plus en détail (Figure 2F).
Figure 1 : Le modèle construit préservant la structure anatomique. (A,B) Les vues frontale (A) et occlusale (B) du modèle construit. (C,D) La section coronale du modèle construit au niveau de la première prémolaire maxillaire (C), qui représente la structure anatomique observée dans le CBCT au niveau de la même lame coronale (D). (E,F) La section coronale du modèle construit au niveau de la première molaire maxillaire (E), qui représente la structure anatomique observée dans le CBCT au niveau de la même lame coronale (F). Veuillez noter la préservation de la cavité nasale, du sinus maxillaire et de l’espace ligamentaire parodontal pour les dents d’ancrage expansives (première prémolaire et première molaire) dans le modèle construit. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Simulation de l’expansion maxillaire avec des coupes d’ostéotomie symétriques de LeFort I de degré zéro des deux côtés. (A-D) Les vues frontale (A), postérieure (B), droite (C) et gauche (D) du modèle construit avec des coupes d’ostéotomie LeFort I à zéro degré des deux côtés. (E) L’expansion observée dans la vue occlusale du modèle après l’application d’une force de 150 N. La palette de couleurs montre la quantité totale de déplacement (en millimètre) en 3D. De plus, la superposition de modèles maxillaires avant (gris) et après expansion (couleur) a pu être effectuée. (F) Le déplacement des repères anatomiques (comme mentionné à l’étape 6.5 et illustré à la figure 1) dans les trois dimensions a pu être généré. Axe X : dimension horizontale ; Une valeur positive signifie un mouvement latéral et une valeur négative signifie un mouvement médial. Axe Y : dimension sagittale ; Une valeur positive signifie un mouvement antérieur et une valeur négative signifie un mouvement postérieur. Axe Z : dimension verticale ; Une valeur positive signifie un mouvement inférieur et une valeur négative signifie un mouvement supérieur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Ostéotomies sous différents angles sur le modèle actuel. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Structure | Module de Young (MPa) | Coefficient de Poisson |
| Os cortical | 1,37 × 104 | 0.3 |
| Os spongieux | 1.37 × 103 | 0.3 |
| Prémolaires et molaires | 2,60 × 104 | 0.3 |
| Ligament parodontal | 5.00 × 101 | 0.49 |
| Acier inoxydable (expanseur) | 2.10 × 105 | 0.35 |
Tableau 1 : Les paramètres du matériau pour chaque structure.
| Type | Contact/Cible |
| Collé | (1) Os spongieux/os cortical |
| (2) Molaire et prémolaire/expanseur | |
| (3) Ligament parodontal/molaire et prémolaire | |
| Frottement (coefficient de frottement [μ] = 0,2) | (1) Cortical/corticale supérieure |
| (2) Os cortical/molaire et prémolaire | |
| Frottement (coefficient de frottement [μ] = 0,1) | (1) Cloison corticale/nasale |
| (2) Ligament parodontal/os cortical | |
| (3) Ligament parodontal/Os spongieux | |
| Rugueux | (1) Os cortical/Extenseur |
| (2) Os spongieux/Expandeur |
Tableau 2 : Les types de connexion de chaque structure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
La direction de l’ostéotomie buccale dans SARPE peut être soit une coupe horizontale à partir de l’ouverture nasale avant de descendre dans la zone du contrefort maxillaire, soit une coupe en rampe du bord piriforme vers le contrefort correspondant à la première molaire maxillaire, comme décrit par Betts2. Quoi qu’il en soit, l’ostéotomie s’étend bien en dessous de l’apophyse zygomatique du maxillaire. Cependant, la plupart des études FEA actuelles sur SARPE utilisent une coupe horizontale s’étendant vers l’arrière au même niveau que le bord piriforme 6,7,12,14. Cela s’écarte de ce qui est habituellement effectué cliniquement et modifie les conditions de l’analyse par eff, telles que le centre de masse des hémimaxillaires et la direction et la zone de contact de l’ostéotomie. Étant donné que la force d’expansion ne traverse pas toujours le centre de masse, la rotation des hémimaxillaires est inévitable pendant l’analyse par éléments finis. Cependant, dans le scénario clinique, une collision au niveau de la ligne d’ostéotomie peut se produire et le centre de rotation résultant peut changer par la suite. Par conséquent, pour obtenir un résultat cliniquement applicable, il est impératif que l’ostéotomie dans l’EFF imite le schéma chirurgical pratiqué dans la vie réelle. Le modèle introduit dans la présente étude permet aux chercheurs de construire l’ostéotomie sous différents angles (figure 3) pour représenter véritablement ce qui est fait cliniquement.
La différence essentielle entre cette étude et la littérature antérieure est qu’au lieu de permettre aux deux surfaces de l’ostéotomie de se contacter à un frottement nul, le modèle actuel a introduit une modification en incluant l’épaisseur du plan d’ostéotomie, ce qui est souvent négligé dans la littérature actuelle 6,7,8,10,11,12 . Des recherches antérieures n’ont pas tenu compte de l’espace formé par une scie piézoélectrique ou une fraise chirurgicale lors de l’ostéotomie, un oubli critique car il affecte la liberté des hémimaxillaires ainsi que le pivotement ou la rotation des hémimaxillaires en cas de collision osseuse. De plus, il ne tient pas compte des effets potentiels de résistance ou d’amortissement qui peuvent résulter de la formation de callosités osseuses ou de tissu ostéoïde lors de la cicatrisation initiale18. La conception introduite dans la présente étude aborde ce problème en introduisant un espace de 1 mm d’épaisseur entre le crâne et les hémimaxillaires pour refléter la largeur de la fraise chirurgicale utilisée dans l’institut des auteurs. Pour simuler davantage les forces exercées par le tissu cicatrisant, des ressorts (1 mm de long, constante de ressort k = 60 N/mm) ont été mis en œuvre pour lier et suspendre les hémimaxillae aux nœuds de la grille, ainsi que pour simuler la résistance des tissus mous au niveau de l’espace d’ostéotomie, appliquant ainsi une compression et une tension pendant l’expansion. Cette approche offre des avantages significatifs dans la génération d’un modèle d’analyse par éléments finis cliniquement pertinent. Il convient de noter que l’épaisseur de l’espace doit être ajustée en fonction des instruments chirurgicaux utilisés lorsque les futurs groupes de recherche prévoient d’adopter ce modèle pour l’analyse des données. La conception des ressorts devra également être ajustée en conséquence.
Enfin, presque toutes les études d’analyse par éléments finis disponibles sur le SARPE souffrent d’une activation insuffisante au niveau de l’expanseur. La SARPE est presque toujours réalisée chez les patients nécessitant au moins 5 mm d’expansion maxillaire2. Le modèle d’expansion, qui peut être affecté par une collision au site de l’ostéotomie, dépend de la quantité d’activation au niveau de l’expanseur. L’expansion de 1 mm dans la plupart des études FEA 6,8,9,11,12, qui n’entraîne qu’un déplacement transversal de 0,5 mm de chaque côté, est insuffisante pour représenter cliniquement les effets de quantités d’activation plus importantes. Pour surmonter cette limitation, un test préliminaire a été effectué pour déterminer une force qui dilaterait adéquatement les hémimaxillaires dans un modèle symétrique, la force résultante se situant dans la gamme des niveaux de force clinique des expanseurs maxillaires rapides19, ce qui a prouvé la pertinence clinique de ce modèle. Cette force a ensuite été utilisée pour l’activation dans tous les sous-ensembles ultérieurs, fournissant d’excellentes informations sur l’expansion clinique du maxillaire au cours de SARPE.
Il existe des limites inhérentes à cette étude qui doivent être reconnues. La principale limitation est l’absence de résistance des tissus mous environnants. Ceux-ci comprenaient la résistance de la région pharyngée, le palais étiré et la pression de la joue et de la lèvre. La résistance au niveau des tissus mous postérieurs ne doit pas être négligée. Cliniquement, un schéma d’expansion en forme d’éventail est généralement observé, même chez les patients qui ont subi une libération de la fissure ptérygomaxillaire, indiquant une forte résistance des tissus mous postérieurs20. Cependant, il est difficile de prendre en compte la résistance des tissus mous dans une analyse par éléments finis, car la résistance change au fur et à mesure que les tissus sont déformés au cours de l’expansion active21. Une autre limitation était l’absence de vis de vérin dans l’expanseur. La barre métallique rigide dans la vis de vérin lie les deux hémimaxillaires en une seule unité, ce qui pourrait diminuer la liberté de rotation des hémimaxillaires. Enfin, notre conception peut ne pas être indiquée dans certains cas particuliers, tels que les patients présentant une fente palatine ou d’autres déformations craniofaciales qui provoquent une asymétrie maxillaire importante ou toute maladie systémique pouvant affecter le module de Young de l’os du patient.
Néanmoins, les méthodes présentées dans cette étude ont introduit plusieurs modifications, notamment des améliorations dans l’angulation de l’ostéotomie buccale, l’espace au site d’ostéotomie, qui reflète l’épaisseur de l’instrument chirurgical, et la quantité d’activation au niveau de l’expanseur, ce qui pourrait produire un ensemble de modèles FEA plus pertinents sur le plan clinique qui ressemblent étroitement aux procédures chirurgicales de SARPE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Acknowledgments
Cette étude a été financée par l’American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (pour C.L.), l’American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (pour C.L.), le prix Joseph et Josephine Rabinowitz de l’École de médecine dentaire de l’Université de Pennsylvanie pour l’excellence en recherche (pour C.L.), la bourse pilote J. Henry O’Hern Jr. du Département d’orthodontie, École de médecine dentaire de l’Université de Pennsylvanie (pour C.L.) et la Young Research Grant de l’International Orthodontic Foundation (pour C.L.).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ansys | Ansys | Version 2019 | Ansys is a software for finite element analysis that can solve complicated models based on differential equations. The expansion results of different buccal osteotomy angles were analyzed through this software. |
| Geomagic Studio | 3D Systems | Version 10 | Geomagic Studio is a software for reverse engineering that can generate digital models based on physical scanning points. This study built cancellous bone and periodontal ligaments through this software. |
| Mimics | Materialise | Version 16 | Mimics is a medical 3D image-based engineering software that efficiently converts CT images to a 3D model. This study reconstructed a maxilla complex through the patient's DICOM images. |
| SolidWorks | Dassault Systèmes | Version 2018 | SolidWorks is a computer-aided design software for designers and engineers to create 3D models. A Haas expander was designed and drawn through this software in this study. |
References
- Mommaerts, M. Y. Transpalatal distraction as a method of maxillary expansion. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 37 (4), 268-272 (1999).
- Betts, N. J., Vanarsdall, R. L., Barber, H. D., Higgins-Barber, K., Fonseca, R. J. Diagnosis and treatment of transverse maxillary deficiency. The International Journal of Adult Orthodontics and Orthognathic Surgery. 10 (2), 75-96 (1995).
- Lin, J. H., et al. Asymmetric maxillary expansion introduced by surgically assisted rapid palatal expansion: A systematic review. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 80 (12), 1902-1911 (2022).
- Chamberland, S., Proffit, W. R. Short-term and long-term stability of surgically assisted rapid palatal expansion revisited. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 815-822 (2011).
- Verlinden, C. R., Gooris, P. G., Becking, A. G. Complications in transpalatal distraction osteogenesis: a retrospective clinical study. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 69 (3), 899-905 (2011).
- de Assis, D. S., et al. Finite element analysis of stress distribution in anchor teeth in surgically assisted rapid palatal expansion. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 42 (9), 1093-1099 (2013).
- Han, U. A., Kim, Y., Park, J. U. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution and displacement of the maxilla following surgically assisted rapid maxillary expansion. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 37 (3), 145-154 (2009).
- Lee, S. C., et al. Effect of bone-borne rapid maxillary expanders with and without surgical assistance on the craniofacial structures using finite element analysis. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 145 (5), 638-648 (2014).
- Möhlhenrich, S. C., et al. Simulation of three surgical techniques combined with two different bone-borne forces for surgically assisted rapid palatal expansion of the maxillofacial complex: a finite element analysis. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 46 (10), 1306-1314 (2017).
- Nowak, R., Olejnik, A., Gerber, H., Frątczak, R., Zawiślak, E. Comparison of tooth- and bone-borne appliances on the stress distributions and displacement patterns in the facial skeleton in surgically assisted rapid maxillary expansion-A finite element analysis (FEA) study. Materials (Basel). 14 (5), 1152 (2021).
- Shi, Y., Zhu, C. N., Xie, Z. Displacement and stress distribution of the maxilla under different surgical conditions in three typical models with bone-borne distraction: a three-dimensional finite element analysis. Journal of Orofacial Orthopedics/Fortschritte der Kieferorthopadie. 81 (6), 385-395 (2020).
- Tomazi, F. H. S., et al. The Hyrax appliance with tooth anchorage variations in surgically assisted rapid maxillary expansion: a finite element analysis. Oral and Maxillofacial Surgery. , (2022).
- Trivedi, S. Finite element analysis: A boon to dentistry. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research. 4 (3), 200-203 (2014).
- Sankar, S. G., et al. A comparison of different osteotomy techniques with and without pterygomaxillary disjunction in surgically assisted maxillary expansion utilizing modified hybrid rapid maxillary expansion device with posterior implants: A finite element study. National Journal of Maxillofacial Surgery. 12 (2), 171-180 (2021).
- Han, U. A., Kim, Y., Park, J. U. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution and displacement of the maxilla following surgically assisted rapid maxillary expansion. Journal of Craniomaxillofacial Surgery. 37 (3), 145-154 (2009).
- Esen, A., Soganci, E., Dolanmaz, E., Dolanmaz, D. Evaluation of stress by finite element analysis of the midface and skull base at the time of midpalatal osteotomy in models with or without pterygomaxillary dysjunction. British Journal of Oral & Maxillofacial Surgery. 56 (3), 177-181 (2018).
- Huzni, S., Oktianda, F., Fonna, S., Rahiem, F., Angriani, L. The use of frictional and bonded contact models in finite element analysis for internal fixation of tibia fracture. Frattura ed Integrità Strutturale. 61, 130-139 (2022).
- Holmes, D.
- Lombardo, L., et al. Evaluation of the stiffness characteristics of rapid palatal expander screws. Progress in Orthodontics. 17 (1), 36 (2016).
- Zandi, M., Miresmaeili, A., Heidari, A., Lamei, A. The necessity of pterygomaxillary disjunction in surgically assisted rapid maxillary expansion: A short-term, double-blind, historical controlled clinical trial. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 44 (9), 1181-1186 (2016).
- Möhlhenrich, S. C., et al. Three-dimensional effects of pterygomaxillary disconnection during surgically assisted rapid palatal expansion: a cadaveric study. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, and Oral Radiology. 121 (6), 602-608 (2016).
