Summary
Per un'ulteriore analisi dei modelli di espansione palatale rapida assistita chirurgicamente assistita (SARPE) in grado di eseguire una quantità clinicamente richiesta di attivazione dell'espansore con vari angoli di osteotomia buccale, è stata creata una serie di nuovi modelli a elementi finiti di espansione delle emimascelle in tutte e tre le dimensioni.
Abstract
L'espansione palatale rapida assistita chirurgicamente (SARPE) è stata introdotta per rilasciare la resistenza ossea e facilitare l'espansione scheletrica nei pazienti scheletricamente maturi. Tuttavia, l'espansione asimmetrica tra il lato sinistro e quello destro è stata riportata nel 7,52% di tutti i pazienti con SARPE, di cui il 12,90% ha dovuto subire un secondo intervento chirurgico per la correzione. Le eziologie che portano all'espansione asimmetrica rimangono poco chiare. L'analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per valutare lo stress associato a SARPE nelle strutture maxillo-facciali. Tuttavia, poiché una collisione dell'osso nei siti di osteotomia di LeFort I si verifica solo dopo una certa quantità di espansione, la maggior parte dei modelli esistenti non rappresenta veramente la distribuzione della forza, dato che la quantità di espansione di questi modelli esistenti raramente supera 1 mm. Pertanto, è necessario creare un nuovo modello ad elementi finiti di SARPE che possa eseguire una quantità clinicamente richiesta di attivazione dell'espansore per un'ulteriore analisi dei modelli di espansione delle emimascelle in tutte e tre le dimensioni. Un modello tridimensionale (3D) del cranio della tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT) è stato importato in Mimics e convertito in entità matematiche per segmentare il complesso mascellare, i primi premolari mascellari e i primi molari mascellari. Queste strutture sono state trasferite in Geomagic per la levigatura della superficie e la creazione di osso spongioso e legamento parodontale. La metà destra del complesso mascellare è stata quindi mantenuta e specchiata per creare un modello perfettamente simmetrico in SolidWorks. È stato costruito un espansore Haas e fasciato ai primi premolari mascellari e ai primi molari. L'analisi agli elementi finiti di varie combinazioni di osteotomie buccali a diversi angoli con gioco di 1 mm è stata eseguita in Ansys. È stato condotto un test di convergenza fino a raggiungere la quantità desiderata di espansione su entrambi i lati (almeno 6 mm in totale). Questo studio pone le basi per valutare come l'angolazione dell'osteotomia buccale influenzi i modelli di espansione di SARPE.
Introduction
L'espansione palatale rapida chirurgicamente assistita (SARPE) è una tecnica comunemente usata per espandere trasversalmente la struttura ossea mascellare e l'arcata dentale in pazienti scheletricamente maturi1. L'intervento prevede un'osteotomia di LeFort I, una corticotomia medio-palatale e, facoltativamente, il rilascio della fessura pterigoideo-mascellare2. Tuttavia, sono stati riportati modelli di espansione indesiderati da SARPE, come l'espansione irregolare tra emimascelle sinistra e destra3 e il ribaltamento/rotazione buccale del processo dentoalveolare4, che potrebbero portare al fallimento di SARPE e, talvolta, anche richiedere ulteriori interventi chirurgici per la correzione5. Studi precedenti hanno indicato che la variazione delle osteotomie circummascellari può svolgere un ruolo significativo nel modello di espansione post-SARPE2,3, poiché le collisioni tra i blocchi ossei nei siti di osteotomia di Le Fort I possono contribuire alla forza di resistenza irregolare dell'espansione laterale delle emimascelle e alla rotazione delle emimascelle con i bordi alveolari sotto il taglio che si muovono verso l'interno mentre il processo dentoalveolaresi espande 3, 4. Introduzione Pertanto, è necessario studiare gli effetti di diverse direzioni dell'osteotomia, in particolare l'osteotomia buccale, sui modelli di espansione post-SARPE.
Diversi modelli di analisi agli elementi finiti (FEA) sono stati impostati per valutare la distribuzione delle forze durante SARPE. Tuttavia, la quantità di espansione impostata in questi modelli è limitata fino a 1 mm, che è molto al di sotto della quantità clinica richiesta 6,7,8,9,10,11,12. Un'espansione inadeguata dei modelli FEA può portare a previsioni errate degli esiti post-SARPE. Più specificamente, la collisione tra le ossa nel sito dell'osteotomia, come riportato da Chamberland e Proffit4, potrebbe non essere dimostrata se l'espansore non è adeguatamente ruotato, il che potrebbe non riflettere la vera realtà clinica. Con la quantità limitata di espansione incorporata nei modelli precedenti, le valutazioni dei risultati di questi modelli si sono concentrate sull'analisi delle sollecitazioni. Tuttavia, l'analisi dello stress della FEA in odontoiatria viene solitamente condotta sotto carico statico con le proprietà meccaniche dei materiali impostate come isotrope e linearmente elastiche, il che limita ulteriormente la rilevanza clinica degli studi FEA13.
Inoltre, la maggior parte di questi studi non ha considerato lo spessore dello strumento chirurgico nel sito di osteotomia 6,7,8,10,11,12, spesso impostando l'attrito a zero in corrispondenza dei tagli come parte delle condizioni al contorno. Tuttavia, questa impostazione semplifica eccessivamente i contatti tra i tessuti duri e molli. Può avere un impatto significativo sulla distribuzione della forza e sul conseguente modello di espansione degli emimascellari.
Tuttavia, nessuna letteratura disponibile ha indagato l'effetto dell'osteotomia sull'asimmetria post-SARPE utilizzando modelli di analisi agli elementi finiti (FEA). Tutti gli studi attuali hanno utilizzato modelli con modelli di osteotomia simmetrici 6,7,8,9,10,11,12,14, che non riflettono la realtà della pratica clinica in cui le osteotomie possono differire su ciascun lato del cranio. La mancanza di letteratura che esamini l'effetto delle osteotomie asimmetriche sull'asimmetria post-SARPE rappresenta una significativa lacuna di conoscenza che deve essere affrontata.
Pertanto, l'obiettivo di questo studio è quello di sviluppare un nuovo modello FEA di SARPE che possa veramente imitare le condizioni cliniche, tra cui la quantità di espansione e il gap osteotomico, e indagare i modelli di espansione degli emimascellari in tutte e tre le dimensioni con vari disegni dell'osteotomia. Un tale approccio fornirebbe preziose informazioni sui meccanismi alla base dei modelli di espansione post-SARPE e servirebbe come strumento utile per i medici nella pianificazione e nell'esecuzione delle procedure SARPE.
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Protocol
Questo studio ha utilizzato un'immagine CBCT preesistente, de-identificata, pre-trattamento di un paziente che aveva SARPE come parte dei piani di trattamento. Lo studio è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki e approvato dall'Institutional Review Board (protocollo #853608).
1. Acquisizione del campione e segmentazione dei denti
- Acquisire un'immagine CBCT umana della testa in una posizione naturale della testa che includa il complesso mascellare del paziente, compreso l'osso basale mascellare, l'osso alveolare mascellare e la dentatura mascellare.
- Importare i file DICOM (CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine) nel software Mimics.
- Crea nuovo progetto (Ctrl + N), seleziona tutte le immagini DICOM e fai clic su Avanti e Converti.
- Definite la direzione del modello (A: anteriore, P: posteriore, T: superiore, B: inferiore, L: sinistra, R: destra) e fate clic su OK.
- Segmentare la lima in complesso mascellare, primi premolari mascellari e primi molari mascellari.
- Fare clic su Soglia, selezionare una soglia appropriata per segmentare le ossa e fare clic su Applica.
- Creare nuove maschere e fare clic su Modifica maschere, utilizzando Disegna e Cancella per segmentare il complesso mascellare del paziente, i primi premolari mascellari e i primi molari mascellari.
- Esportare i target come file stereolitografici (STL).
- Fare clic con il pulsante destro del mouse sulle maschere e selezionare Calcola 3D per generare oggetti 3D .
- Fare clic con il pulsante destro del mouse sugli oggetti 3D, selezionare STL+, scegliere gli oggetti desiderati e premere Aggiungi e Fine per creare i file STL.
2. Levigatura superficiale e creazione di osso spongioso e spazio legamentoso parodontale
- Importare i file STL nel software Geomagic.
- Fare clic su File > Apri, selezionare i file STL, quindi premere Apri.
- Scegli Millimetri per i dati nella finestra pop-up Unità e fai clic su OK.
- Levigare la superficie del complesso mascellare, dei primi premolari mascellari e dei primi molari mascellari.
- Fare clic su Poligoni > Rimuovi punte, fare clic e trascinare il livello di uniformità vicino a Basso, fare clic su Applica e quindi su OK.
- Fare clic su Poligoni > Rilassa poligoni, fare clic e trascinare il livello di uniformità vicino a Min, fare clic su Applica e quindi su OK.
- Fare clic su Poligoni > Ripara intersezioni, scegliere Rilassa/Pulisci nella finestra Modalità , fare clic su Applica e quindi su OK.
- Modificate la superficie del modello in una regione continua e chiusa.
- Fate clic e trascinate la superficie affilata, quindi premete Canc per creare un foro.
- Fare clic su Poligoni > Riempi fori, utilizzare Riempimento, Riempi parziale, Crea ponti nella finestra Metodo di riempimento per riempire i fori, fare clic su Applica e quindi su OK.
- Convertire la superficie 2D in un modello solido 3D ed esportarlo come file CAD (Computer-Aided Design).
- Fate clic su Modifica > fase > su Fase forma (Shape Phase), selezionate Modifica contorni ( Edit contours) per disegnare i contorni della superficie, quindi fate clic su OK.
- Fare clic su Disegna layout patch e disegnare mesh quadrilatere per coprire tutte le superfici, quindi fare clic su OK.
- Fare clic su Costruisci griglie, definire una risoluzione appropriata e fare clic su OK per generare una mesh più fine.
- Fate clic su Adatta superfici (Fit Surfaces), su Applica (Apply) e su OK per costruire un modello solido 3D.
- Fate clic su File > su Salva con nome (Save As) per esportare il modello 3D e salvarlo in un file IGES (denominato Maxilla).
- Creare l'osso spongioso riducendo il volume del complesso mascellare di 1 mm dalla superficie alveolare vestibolare. Crea lo spazio del legamento parodontale espandendo il contorno delle radici di 0,2 mm.
- Fare clic su Fase poligono, scegliere Elimina nella finestra Linee di contorno , selezionare Mantieni nella finestra Layout patch , quindi premere OK per convertire il modello solido 3D in una superficie 2D.
- Fate clic su Poligoni > Offset, immettete -1 mm e 0,2 mm nel pannello Distanza per l'osso spongioso e il legamento parodontale, quindi fate clic su Applica e su OK.
- Fare clic su Modifica > fase > su Fase forma, selezionare Ripristina layout patch e premere OK.
- Fare clic su Costruisci griglie, definire una risoluzione appropriata e fare clic su OK per generare una mesh più fine.
- Fate clic su Adatta superfici (Fit Surfaces), su Applica (Apply) e su OK per costruire un modello solido 3D.
- Fare clic su File > Salva con nome per esportare il modello 3D e salvarlo in file IGES (denominati CB e PL).
3. Costruire un modello anatomico simmetrico della mascella
- Importare i file CAD in SolidWorks.
- Fare clic su File > Apri, selezionare il file Maxilla e premere Apri per importare il file CAD.
- Fare clic su File > Salva per salvare il file nel formato Parte .
- Costruire l'osso spongioso al di sotto del piano palatale (PP).
- Fare clic su Inserisci > parte, selezionare il file CB e premere Apri per importare il file CAD.
- Fate clic su Inserisci > piano di > geometria di riferimento (Reference Geometry Plane), scegliete tre punti feature sul piano palatale e fate clic su OK per creare un piano di taglio.
- Fare clic su Inserisci > Feature > Dividi, scegliere il piano palatale in Strumenti di rifilatura e fare clic su Taglia parte per creare un'anteprima di taglio.
- Selezionare le caselle di controllo in Corpi risultanti e fare clic su OK per separare l'osso spongioso.
- Fare clic sull'osso spongioso sopra il piano palatale, fare clic con il pulsante destro del mouse e premere Canc nella sezione Corpo .
- Costruire il legamento parodontale dei primi premolari mascellari e dei primi molari mascellari.
- Fare clic su Inserisci > parte, selezionare il file PL e premere Apri per importare il file CAD.
- Fate clic su Inserisci > feature > Intersecate (Intersect) e selezionate Maxilla (Maxilla) e PL (PL) nella finestra Selezioni (Selections ).
- Selezionare Crea entrambi nella finestra Selezioni , scegliere la parte del legamento parodontale nell'elenco delle regioni, quindi fare clic su OK per generare il legamento.
- Eseguire un piano di taglio mediopalatale dalla colonna vertebrale nasale anteriore (SNA) alla colonna vertebrale nasale posteriore (SNP) e mantenere la metà destra del complesso mascellare.
- Fate clic su Inserisci > piano di > geometria di riferimento (Insert Reference Geometry Plane), scegliete tre punti feature sul piano medio-palatale e fate clic su OK per creare un piano di taglio.
- Fare clic su Inserisci > Feature > Dividi, scegliere il piano palatale in Strumenti di rifilatura e fare clic su Taglia parte per creare un'anteprima di taglio.
- Selezionare le caselle di controllo in Corpi risultanti e fare clic su OK per separare il complesso mascellare.
- Fare clic sulla metà sinistra del complesso mascellare, fare clic con il pulsante destro del mouse e premere Canc nella sezione Corpo .
- Specchia la metà destra del complesso mascellare e crea una metà sinistra identica.
- Fare clic su Inserisci > Pattern/Specchio > Specchia e scegliere il piano mediopalatale in Specchia faccia/piano.
- Scegliete tutto il complesso semimascellare destro in Corpi da specchiare e fate clic su OK per generare la metà sinistra del complesso mascellare.
4. Creare un espansore Haas e una fascia ai primi premolari mascellari e ai primi molari
- Costruisci la banda premolare e la banda molare.
- Fare clic su Inserisci > parte, selezionare il file PL e premere Apri per importare il file CAD.
- Fate clic su Inserisci > feature > Dividi (Split), scegliete i denti nel file PL e impostate una scala uniforme di 1.05. Fate clic su OK per generare bande con uno spessore di 0,5 mm.
- Fate clic su Inserisci > piano di > geometria di riferimento (Insert Reference Geometry Plane), scegliete tre punti feature sul piano occlusale e fate clic su OK per creare un piano di riferimento.
- Fate clic su Inserisci (Insert > Reference Geometry > Plane), scegliete il piano occlusale e impostate una distanza di offset di 1,5 mm. Fate clic su OK per creare il primo piano di taglio.
- Fate clic su Inserisci > piano > geometria di riferimento, scegliete il piano occlusale e impostate una distanza di offset di 4.0 mm. Fate clic su OK per creare il secondo piano di taglio.
- Fate clic su Inserisci > Feature > Dividi (Split) e scegliete il primo e il secondo piano in Strumenti di accorciatura (Trim Tools ) e i denti in Corpi di destinazione (Target Bodies). Fare clic su Corpi tagliati per creare un'anteprima di taglio.
- Selezionare le caselle di controllo in Corpi risultanti e fare clic su OK per separare i denti.
- Fare clic sulla banda sopra il primo piano e sotto il secondo piano, fare clic con il pulsante destro del mouse e premere Canc nella sezione Corpo .
- Costruisci la lastra acrilica.
- Fare clic su Inserisci > piano > geometria di riferimento, scegliere tre punti funzione sul piano del palato rigido e fare clic su OK per creare un piano di schizzo.
- Fare clic su Inserisci > schizzo, disegnare una lastra acrilica fare riferimento all'espansore Haas e fare clic su Esci schizzo.
- Fate clic su Inserisci > estrusione > Estrusione (Extrude), scegliete lo schizzo della lastra acrilica, impostate 5 mm su Profondità (Depth) e fate clic su OK.
- Fare clic su Inserisci > Caratteristiche > Flex e piegare la piastra acrilica per adattarla all'anatomia del palato.
- Fate clic su Inserisci > Funzioni > Raccorda/Arrotonda (Fillet/Round) e raccordate gli spigoli vivi della lastra acrilica con un raggio di 1 mm.
- Costruisci i bracci di espansione.
- Fare clic su Inserisci > piano > geometria di riferimento, scegliere tre punti funzione sulla banda e fare clic su OK per creare un piano di schizzo (denominato P1).
- Fate clic su Inserisci > sketch (Insert Sketch), disegnate un cerchio di 2 mm di diametro, quindi fate clic su Esci da sketch (Exit Sketch ) (denominato C1).
- Fate clic su Inserisci > piano > geometria di riferimento (Insert Reference Geometry Plane), scegliete tre punti funzione sulla lastra acrilica e fate clic su OK per creare un piano di sketch (denominato P2).
- Fate clic su Inserisci > sketch (Insert Sketch), disegnate un cerchio di 2 mm di diametro, quindi fate clic su Esci dallo schizzo (denominato C2).
- Fate clic su Inserisci > piano > geometria di riferimento (Insert Reference Geometry Plane, scegliete il piano P2 e impostate una distanza di offset di 6 mm. Fare clic su OK su un piano di schizzo.
- Fate clic su Inserisci > sketch (Insert Sketch), disegnate un cerchio di 2 mm di diametro, quindi fate clic su Esci da sketch (Exit Sketch ) (denominato C3).
- Fare clic su Inserisci > estrusione/base > loft e scegliere lo schizzo C1, C2 e C3 nella finestra Profili .
- Selezionare la fascetta e la lastra acrilica nella finestra Ambito funzionalità, selezionare Unisci risultato nella finestra Opzioni e fare clic su OK.
5. Progettare l'osteotomia
- Creare un piano di 1 mm di spessore, equivalente al diametro di una fresa solitamente utilizzata dal chirurgo, dall'angolo dell'apertura piriforme (Alar) verso la cresta infrazigomatica (IZC) a vari gradi dal piano orizzontale.
- Fare clic su Inserisci > piano > geometria di riferimento, scegliere tre punti caratteristici sul piano dell'osteotomia (0°, 10°, 20° o 30° rispetto al piano orizzontale) e fare clic su OK per creare il piano (denominato O1).
- Fare clic su Inserisci > piano di > geometria di riferimento, scegliere il piano di osteotomia e impostare una distanza di offset di 1,0 mm. Fate clic su OK per creare un piano di taglio inferiore (denominato O2).
- Fare clic su Inserisci > Funzioni > Dividi, scegliere il piano O1 e O2 in Strumenti di rifilatura, quindi fare clic su Taglia parte per creare un'anteprima di taglio.
- Selezionare le caselle di controllo in Corpi risultanti e fare clic su OK per separare il complesso mascellare.
- Fare clic sul corpo tra i piani O1 e O2, fare clic con il pulsante destro del mouse e premere Canc nella sezione Corpo .
- Esporta modelli con diversi angoli di osteotomia buccale nel file di parti del modello Parasolid (X_T) per l'analisi.
- Fate clic su File > Salva con nome e scegliete Parasolido (x_t) nell'elenco Tipo file (File Type).
- Fare clic su Salva per esportare i modelli per il software di analisi agli elementi finiti.
6. Analisi agli elementi finiti
- Importa e imposta i parametri del materiale del modello complesso mascellare nel software Ansys.
- Fare clic e trascinare la struttura statica in Toolbox per creare un'area di lavoro di analisi.
- Fare doppio clic sui dati di progettazione e impostare il modulo di Young e il rapporto di Poisson di tutti i materiali in Proprietà. Le proprietà dei materiali delle diverse strutture12,15,16 sono elencate nella Tabella 1.
- Fare doppio clic su Geometria, fare clic su File > Importa file geometria esterna, quindi fare clic su Genera per importare il modello complesso mascellare.
- Fare clic su Crea > booleano e generare l'osso corticale e il legamento parodontale mediante valore booleano con l'osso spongioso e i denti.
- Impostare il modello di analisi degli elementi finiti.
- Fare doppio clic sul modello, quindi fare clic su Geometria per selezionare le proprietà del materiale per ciascuna parte.
- Fare clic con il pulsante destro del mouse su Mesh , quindi scegliere Genera mesh per creare gli elementi sul modello.
- Fare clic su Connessioni e assegnare la parte morbida/piccola in Corpi di contatto e la parte rigida/grande in Corpi di destinazione.
- Assegnare il tipo di contatto e il coefficiente di attrito in Definizione. Le proprietà di connessione delle diverse parti17 sono elencate nella Tabella 2.
- Fare clic con il pulsante destro del mouse su Connessioni, fare clic su Inserisci molla > per collegare le parti superiore e inferiore del piano dell'osteotomia. Impostare le molle come lunghe 1 mm con costante elastica k = 60 N/mm e posizionare una molla in corrispondenza di ciascun nodo della griglia.
- Impostare una forza clinicamente accettabile lungo l'asse x (perpendicolare alla linea mediana) sulla piastra acrilica su varie combinazioni di osteotomie.
- Fare clic con il pulsante destro del mouse su Statico strutturale, fare clic su Inserisci > supporto fisso e impostare la struttura sul piano palatale inamovibile.
- Fare clic con il pulsante destro del mouse su Statico strutturale, scegliere Inserisci forza > e impostare una forza di 150 N da applicare sulla lastra acrilica con una direzione lontana dalla linea mediana.
- Fare clic con il pulsante destro del mouse su Soluzione, quindi scegliere Inserisci > Deformazione > Totale per monitorare la deformazione dell'espansione.
- Condurre un test di convergenza fino a ottenere espansioni su entrambi i lati.
- Fare clic su Risolvi sulle barre degli strumenti e attendere che il livello di convergenza delle forze raggiunga il criterio di forza.
- Fare clic su Deformazione totale per visualizzare i risultati dell'espansione.
- Misurare gli spostamenti dei punti di riferimento anatomici in tutte e tre le dimensioni come risultati dell'espansione. Suggerire i seguenti punti di riferimento da utilizzare per valutare il modello di espansione:
Angolo della linea mesioincisale dell'incisivo centrale mascellare (U1).
Punta della cuspide buccale del primo premolare mascellare (U4).
Punta della cuspide mesiobuccale del primo molare mascellare (U6).
Angolo latero-inferiore dell'apertura piriforme (Alar).
Cresta infrazigomatica (IZC).
Punto medio dell'espansore.
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Representative Results
Il modello dimostrativo ha utilizzato l'immagine CBCT di una donna di 47 anni con deficit mascellare. Nel modello generato, la struttura anatomica della cavità nasale, del seno mascellare e lo spazio del legamento parodontale per i denti ancorati all'espansore (primo premolare e primo molare) sono preservati (Figura 1).
Per simulare accuratamente la procedura chirurgica, il setto nasale, le pareti laterali della cavità nasale e la fessura pterigomascellare sono stati separati dal corpo mascellare in tutte le simulazioni. Inoltre, è stato creato un piano, che rappresenta l'osteotomia buccale durante l'intervento chirurgico, con uno spessore di 1 mm. Il piano partiva dall'angolo dell'apertura piriforme (Alar) e si estendeva posteriormente fino alla fessura pterigomascellare (PMF) (Figura 2A-D).
Un test preliminare è stato eseguito sul modello con tagli simmetrici a zero gradi su entrambi i lati sinistro e destro (Figura 2E), che ha mostrato che 150 N di forza hanno provocato più di 8 mm di espansione all'espansore (Figura 2F), superando la quantità di espansione osservata nella maggior parte della letteratura. Questo risultato è stato ritenuto appropriato in quanto rientra nell'intervallo di espansione più spesso necessario per i pazienti con SARPE. Inoltre, è possibile costruire una varietà di angoli nell'osteotomia per simulare diverse condizioni cliniche (Figura 3).
A differenza della maggior parte degli studi agli elementi finiti che si sono concentrati sullo stress di von Mises e sulla sua relazione con la frattura o lo snervamento del materiale, l'attuale modello è stato condotto per aiutare i medici a prevedere la quantità e il modello di espansione post-SARPE. Pertanto, il cambiamento dell'emimascellare sinistro e destro potrebbe essere visualizzato direttamente dalla mappa dei colori (che rappresenta la quantità di movimento totale in 3D) e dalla sovrapposizione dei modelli di mascelle prima (grigie) e dopo l'espansione (a colori) (Figura 2E). Inoltre, lo spostamento dei punti di riferimento anatomici (come menzionato nel punto 6.5.) in tutte e tre le dimensioni era l'esito target da analizzare ulteriormente (Figura 2F).
Figura 1: Il modello costruito che conserva la struttura anatomica. (A,B) Le viste frontale (A) e occlusale (B) del modello costruito. (C,D) La sezione coronale del modello costruito a livello del primo premolare mascellare (C), che rappresenta la struttura anatomica osservata nella CBCT allo stesso vetrino coronale (D). (E,F) La sezione coronale del modello costruito a livello del primo molare mascellare (E), che rappresenta la struttura anatomica osservata nella CBCT sullo stesso vetrino coronale (F). Si prega di notare la conservazione della cavità nasale, del seno mascellare e dello spazio del legamento parodontale per i denti di ancoraggio dell'espansore (primo premolare e primo molare) nel modello costruito. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Simulazione dell'espansione mascellare con tagli osteotomici simmetrici di LeFort I a zero gradi su entrambi i lati. (A-D) Le viste frontale (A), posteriore (B), destra (C) e sinistra (D) del modello costruito con tagli osteotomici LeFort I di zero gradi su entrambi i lati. (E) L'espansione osservata nella vista occlusale del modello dopo l'applicazione di una forza di 150 N. La mappa dei colori mostra la quantità totale di spostamento (in millimetri) in 3D. Inoltre, è stato possibile eseguire la sovrapposizione di modelli mascellari prima (grigi) e dopo l'espansione (a colori). (F) Si potrebbe generare lo spostamento dei punti di riferimento anatomici (come menzionato al punto 6.5. e mostrato nella Figura 1) in tutte e tre le dimensioni. Asse X: quota orizzontale; Un valore positivo indica il movimento laterale e un valore negativo indica il movimento mediale. Asse Y: dimensione sagittale; Un valore positivo indica il movimento anteriore e un valore negativo indica il movimento posteriore. Asse Z: quota verticale; Un valore positivo indica un movimento inferiore e un valore negativo indica un movimento superiore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Osteotomie in diverse angolazioni sul modello corrente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Struttura | Modulo di Young (MPa) | Rapporto di Poisson |
| Osso corticale | 1.37 × 104 | 0.3 |
| Osso spongioso | 1.37 × 103 | 0.3 |
| Premolari e molari | 2.60 × 104 | 0.3 |
| Legamento parodontale | 5.00 × 101 | 0.49 |
| Acciaio inossidabile (espansore) | 2.10 × 105 | 0.35 |
Tabella 1: I parametri del materiale per ogni struttura.
| Digitare | Contatto/Target |
| Legato | (1) Osso spongioso/osso corticale |
| (2) Molare e premolare/espansore | |
| (3) Legamento parodontale/Molare e Premolare | |
| Attrito (coefficiente di attrito [μ] = 0,2) | (1) Corcorticale/corticale superiore |
| (2) Osso corticale/molare e premolare | |
| Attrito (coefficiente di attrito [μ] = 0,1) | (1) Setto corticale/nasale |
| (2) Legamento parodontale/osso corticale | |
| (3) Legamento parodontale/Osso spongioso | |
| Ruvido | (1) Osso corticale/Espansore |
| (2) Osso spongioso/espansore |
Tabella 2: I tipi di connessione di ciascuna struttura.
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Discussion
La direzione dell'osteotomia buccale in SARPE può essere un taglio orizzontale dall'apertura nasale prima di scendere nell'area del contrafforte mascellare o un taglio a rampa dal bordo piriforme verso il contrafforte corrispondente al primo molare mascellare, come descritto da Betts2. In entrambi i casi, l'osteotomia si estende ben al di sotto del processo zigomatico del mascellare. Tuttavia, la maggior parte degli attuali studi FEA su SARPE utilizzano un taglio orizzontale che si estende posteriormente allo stesso livello del bordo piriforme 6,7,12,14. Questo si discosta da ciò che viene solitamente eseguito clinicamente e cambia le condizioni della FEA, come il centro di massa dell'emimascella e la direzione e l'area di contatto dell'osteotomia. Poiché la forza di espansione non viaggia sempre attraverso il centro di massa, la rotazione è destinata a verificarsi agli emimascellari durante la FEA. Tuttavia, nello scenario clinico, può verificarsi una collisione sulla linea osteotomica e il centro di rotazione risultante può successivamente cambiare. Pertanto, per ottenere un risultato clinicamente applicabile, è imperativo che l'osteotomia in FEA imiti il modello chirurgico che viene eseguito nella vita reale. Il modello introdotto nel presente studio consente ai ricercatori di costruire l'osteotomia a diverse angolazioni (Figura 3) per rappresentare veramente ciò che viene fatto clinicamente.
La differenza fondamentale tra questo studio e la letteratura precedente è che invece di consentire alle due superfici dell'osteotomia di entrare in contatto con attrito zero, il modello attuale ha introdotto una modifica includendo lo spessore sul piano dell'osteotomia, che è comunemente trascurato nella letteratura corrente 6,7,8,10,11,12 . La ricerca precedente ha trascurato lo spazio formato da una sega piezoelettrica o da una fresa chirurgica durante l'osteotomia, una svista critica in quanto influisce sulla libertà delle emimascelle e sulla rotazione o rotazione delle emimascelle in caso di collisione ossea. Inoltre, non tiene conto dei potenziali effetti di resistenza o ammortizzazione che possono derivare dalla formazione di callo osseo o tessuto osteoide durante la guarigione iniziale18. Il disegno introdotto nel presente studio affronta questo problema introducendo uno spazio di 1 mm di spessore tra il cranio e le emimascelle per riflettere la larghezza della fresa chirurgica utilizzata nell'istituto degli autori. Per simulare ulteriormente le forze del tessuto in via di guarigione della ferita, sono state implementate molle (lunghe 1 mm, costante elastica k = 60 N/mm) per collegare e sospendere le emimascelle ai nodi della griglia, nonché per simulare la resistenza dei tessuti molli allo spazio dell'osteotomia, applicando così compressione e tensione durante l'espansione. Questo approccio offre vantaggi significativi nella generazione di un modello FEA clinicamente rilevante. Vale la pena notare che lo spessore del gap dovrebbe essere regolato in base agli strumenti chirurgici utilizzati quando i futuri gruppi di ricerca prevedono di adottare questo modello per l'analisi dei dati. Anche il design delle molle dovrà essere regolato di conseguenza.
Infine, quasi tutti gli studi FEA disponibili su SARPE soffrono di un'insufficiente attivazione a livello dell'espansore. La SARPE viene quasi sempre eseguita su pazienti che necessitano di almeno 5 mm di espansione mascellare2. Il modello di espansione, che può essere influenzato dalla collisione nel sito dell'osteotomia, dipende dalla quantità di attivazione all'espansore. L'espansione di 1 mm nella maggior parte degli studi FEA 6,8,9,11,12, che si traduce in solo 0,5 mm di spostamento trasversale su ciascun lato, è insufficiente per rappresentare clinicamente gli effetti di quantità di attivazione maggiori. Per superare questa limitazione, è stato condotto un test preliminare per determinare una forza che espandesse adeguatamente le emimascelle in un modello simmetrico, con la forza risultante che rientrava nell'intervallo dei livelli di forza clinica degli espansori mascellari rapidi19, che ha ulteriormente dimostrato la rilevanza clinica di questo modello. Questa forza è stata poi utilizzata per l'attivazione in tutti i sottoinsiemi successivi, fornendo grandi informazioni sull'espansione clinica della mascella durante la SARPE.
Esistono limiti intrinseci in questo studio che devono essere riconosciuti. Il limite principale è l'assenza di resistenza da parte dei tessuti molli circostanti. Questi includevano la resistenza dell'area faringea, il palato allungato e la pressione della guancia e del labbro. La resistenza ai tessuti molli posteriori non deve essere trascurata. Dal punto di vista clinico, si osserva tipicamente un modello di espansione a forma di ventaglio, anche nei pazienti sottoposti a rilascio di fessura pterigo-mascellare, che indica una forte resistenza dei tessuti molli posteriori20. Tuttavia, considerare la resistenza dei tessuti molli in un'analisi agli elementi finiti è difficile poiché la resistenza cambia man mano che i tessuti vengono deformati durante l'espansione attiva21. Un'altra limitazione era la mancanza di un martinetto nell'espansore. La barra metallica rigida nel martinetto delimita i due emimascellari in un'unica unità, il che potrebbe ridurre la libertà di rotazione degli emimascellari. Ultimo ma non meno importante, il nostro design potrebbe non essere indicato in alcuni casi speciali, come i pazienti con palatoschisi o altre deformità craniofacciali che causano una significativa asimmetria mascellare o qualsiasi malattia sistemica che possa interessare il modulo di Young dell'osso del paziente.
Tuttavia, i metodi presentati in questo studio hanno introdotto diverse modifiche, tra cui miglioramenti nell'angolazione dell'osteotomia buccale, lo spazio nel sito dell'osteotomia, che riflette lo spessore dello strumento chirurgico, e la quantità di attivazione all'espansore, che potrebbe produrre una serie di modelli FEA clinicamente più rilevanti che assomigliano molto alle procedure chirurgiche di SARPE.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere alcun conflitto di interessi.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto dall'American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (per C.L.), dall'American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (per C.L.), dal Joseph and Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research (per C.L.), dal J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant dal Dipartimento di Ortodonzia, Scuola di Odontoiatria dell'Università della Pennsylvania (per C.L.) e l'International Orthodontic Foundation Young Research Grant (per 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. |
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