Summary
다양한 각도의 협측 절골술로 임상적으로 필요한 양의 확장기 활성화를 수행할 수 있는 외과적으로 보조 급속 구개 확장(SARPE)의 새로운 유한 요소 모델 세트가 3차원 모두에서 반악골의 확장 패턴에 대한 추가 분석을 위해 만들어졌습니다.
Abstract
골격적으로 성숙한 환자의 골격 확장을 촉진하기 위해 뼈 저항을 완화하기 위해 수술 보조 급속 구개 확장(SARPE)이 도입되었습니다. 그러나 전체 SARPE 환자의 7.52%에서 좌우 사이의 비대칭 팽창이 보고되었으며, 그 중 12.90%는 교정을 위해 두 번째 수술을 받아야 했습니다. 비대칭 팽창으로 이어지는 원인은 아직 불분명합니다. 유한 요소 분석은 악안면 구조에서 SARPE와 관련된 응력을 평가하는 데 사용되었습니다. 그러나 LeFort I 절골술 부위의 뼈 충돌은 일정량의 팽창 후에만 발생하기 때문에 이러한 기존 모델의 팽창량이 1mm를 거의 초과하지 않는다는 점을 감안할 때 대부분의 기존 모델은 힘 분포를 제대로 나타내지 않습니다. 따라서 3차원 모두에서 반악골의 확장 패턴에 대한 추가 분석을 위해 임상적으로 필요한 양의 확장기 활성화를 수행할 수 있는 SARPE의 새로운 유한 요소 모델을 만들 필요가 있습니다. 원뿔 빔 컴퓨터 단층 촬영(CBCT)의 3차원(3D) 두개골 모델을 Mimics로 가져와 수학적 엔터티로 변환하여 상악 복합체, 상악 제1소구치 및 상악 제1대구치를 분할했습니다. 이러한 구조는 표면 평활화와 해면 뼈 및 치주 인대 생성을 위해 Geomagic으로 옮겨졌습니다. 그런 다음 상악 복합체의 오른쪽 절반을 유지하고 미러링하여 SolidWorks에서 완벽하게 대칭 모델을 만들었습니다. Haas 확장기를 제작하여 상악 제1소구치와 제1대구치에 묶었습니다. 1mm의 간극을 가진 다양한 각도에서 협측 절골술의 다양한 조합에 대한 유한 요소 분석은 Ansys에서 수행되었습니다. 양면의 원하는 팽창량(총 6mm 이상)에 도달할 때까지 수렴 테스트를 수행했습니다. 이 연구는 협측 절골술이 SARPE의 확장 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위한 토대를 마련합니다.
Introduction
SARPE(Surgically Assisted Rapid Palatal Expansion)는 골격적으로 성숙한 환자에서 상악골 구조와 치궁을 횡방향으로 확장하는 데 일반적으로 사용되는 기술이다1. 수술에는 LeFort I 절골술, 중간 구개 피질 절제술, 그리고 선택적으로 익상편-상악 열구의 해제가 포함됩니다2. 그러나, 좌측 및 우측 반악골3 사이의 불균일한팽창 및 치조골돌기 협측 팁핑/회전4과 같은 SARPE의 바람직하지 않은 팽창 패턴이 보고되었으며, 이는 SARPE의 실패로 이어질 수있으며, 때로는 교정을 위한 추가 수술이 필요할 수도 있다5. 이전 연구에서는 Le Fort I 절골술 부위의 뼈 블록 간의 충돌이 반악골의 측면 확장의 불균일한 저항력과 치조골 돌기가 확장되는 동안 절개 아래의 치조 가장자리가 안쪽으로 이동하는 반악골의 회전에 기여할 수 있기 때문에 상악 주위 절골술의 변화가 SARPE 후 확장 패턴2,3에서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사했습니다 3, 4입니다. 따라서 다양한 절골술 방향, 특히 협측 절골술이 SARPE 후 확장 패턴에 미치는 영향을 조사할 필요가 있습니다.
SARPE에서 힘 분포를 평가하기 위해 여러 유한 요소 해석(FEA) 모델이 설정되었습니다. 그러나 이러한 모델에서 설정된 확장량은 최대 1mm로 제한되며, 이는 필요한 임상량 6,7,8,9,10,11,12에 훨씬 못 미칩니다. FEA 모델의 부적절한 확장은 SARPE 이후 결과에 대한 잘못된 예측으로 이어질 수 있습니다. 보다 구체적으로, Chamberland와 Proffit4에 의해 보고된 바와 같이, 절골술 부위의 뼈 사이의 충돌은 확장기가 적절하게 회전되지 않으면 입증되지 않을 수 있으며, 이는 실제 임상 현실을 반영하지 않을 수 있습니다. 이전 모델에는 제한된 양의 확장이 구축되어 있었기 때문에 이러한 모델의 결과 평가는 응력 해석에 중점을 두었습니다. 그러나 치과에서 FEA의 응력 분석은 일반적으로 등방성 및 선형 탄성으로 설정된 재료의 기계적 특성으로 정적 하중 하에서 수행되며, 이는 FEA 연구의 임상적 관련성을 더욱 제한합니다13.
더욱이, 이러한 연구의 대부분은 절골 부위 6,7,8,10,11,12 에서 수술 기구의 두께를 고려하지 않았으며, 종종 경계 조건의 일부로 절개부의 마찰을 0으로 설정했다. 그러나 이 설정은 경조직과 연조직 사이의 접촉을 과도하게 단순화합니다. 이는 힘의 분포와 그에 따른 반악골의 확장 패턴에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 유한요소분석(FEA) 모델을 사용하여 SARPE 이후 비대칭에 대한 절골술의 효과를 조사한 문헌은 없습니다. 현재의 모든 연구는 대칭 절골술 패턴 6,7,8,9,10,11,12,14를 가진 모델을 사용했는데, 이는 두개골의 양쪽에서 절골술이 다를 수 있는 임상 실습의 현실을 반영하지 않는다. 비대칭 절골술이 SARPE 이후 비대칭에 미치는 영향을 조사한 문헌의 부족은 해결해야 할 상당한 지식 격차를 나타냅니다.
따라서 본 연구의 목표는 확장량과 절골술 갭을 포함한 임상 조건을 진정으로 모방할 수 있는 SARPE의 새로운 FEA 모델을 개발하고, 절골술의 다양한 디자인으로 3차원 모두에서 반악골의 확장 패턴을 조사하는 것입니다. 이러한 접근 방식은 SARPE 이후 확장 패턴의 근간이 되는 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 SARPE 절차의 계획 및 실행에 있어 임상의에게 유용한 도구 역할을 할 것입니다.
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Protocol
이 연구는 치료 계획의 일환으로 SARPE를 받은 환자의 기존에 존재하는, 비식별화된, 치료 전 CBCT 이미지를 활용했습니다. 이 연구는 헬싱키 선언에 따라 수행되었으며 기관 검토 위원회(프로토콜 #853608)의 승인을 받았습니다.
1. 시료 채취 및 치아 분할
- 상악 기저골, 상악 치조골, 상악 치열을 포함한 환자의 상악 복합체를 포함하는 자연스러운 머리 위치에서 머리의 인간 CBCT 이미지를 획득합니다.
- CBCT DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일을 Mimics 소프트웨어로 가져옵니다.
- 새 프로젝트 만들기(Ctrl + N)를 클릭하고 모든 DICOM 이미지를 선택한 후 다음 및 변환을 클릭합니다.
- 모델의 방향(A: 전방, P: 후방, T: 상단, B: 하단, L: 왼쪽, R: 오른쪽)을 정의하고 확인을 클릭합니다.
- 파일을 상악 복합체, 상악 제1 소구치, 상악 제1대구치로 분할합니다.
- 임계값 설정(Thresholding)을 클릭하고 골격을 분할할 적절한 임계값을 선택한 다음 적용(Apply) 을 클릭합니다.
- 새 마스크를 만들고 [마스크 편집]을 클릭하고 [ 그리기 ] 및 [지우기] 를 사용하여 환자의 상악 복합체, 상악 제1소구치 및 상악 제1대구치를 분할합니다.
- 타겟을 STL(Stereolithography) 파일로 내보냅니다.
- 마스크를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 3D 계산을 선택하여 3D 개체를 생성합니다.
- 3D 개체를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 STL+를 선택한 다음 필요한 개체를 선택하고 추가 및 마침 을 눌러 STL 파일을 만듭니다.
2. 표면 평활화 및 해면골 및 치주 인대 공간 생성
- STL 파일을 Geomagic 소프트웨어로 가져옵니다.
- 파일 > 열기를 클릭하고 STL 파일을 선택한 다음 열기를 누릅니다.
- 단위 팝업 창의 데이터에 대해 밀리미터를 선택하고 확인을 클릭합니다.
- 상악 복합체, 상악 제1소구치, 상악 제1대구치의 표면을 매끄럽게 합니다.
- 다각형(Polygons) > 스파이크 제거(Remove Spikes)를 클릭하고 낮음(Low) 근처의 매끄러움 레벨을 클릭하여 드래그한 다음 적용(Apply)을 클릭하고 확인(OK)을 클릭합니다.
- 다각형(Polygons) > 다각형 완화(Relax Polygons)를 클릭하고 최소 근처의 매끄러움 수준을 클릭하여 드래그한 다음 적용(Apply)을 클릭하고 확인(OK)을 클릭합니다.
- 폴리곤(Polygons) > 교차로 복구(Repair intersections)를 클릭하고, 모드(Mode) 창에서 릴랙스/클린(Relax/Clean)을 선택한 다음, 적용(Apply)을 클릭하고, 확인(OK)을 클릭합니다.
- 모델의 표면을 연속 영역과 닫힌 영역으로 수정합니다.
- 뾰족한 서피스를 클릭하고 드래그한 다음 Delete 키를 눌러 구멍을 만듭니다.
- 구멍 채우기(Fill Method) 창에서 다각형(Polygons) > 구멍 채우기(Fill Holes)를 클릭하고, 채우기 방법(Fill Method) 창에서 채우기(Fill), 부분 채우기(Fill Partial), 브리지 만들기(Create Bridges)를 사용하여 구멍을 채우고, 적용(Apply)을 클릭한 다음 확인(OK)을 클릭합니다.
- 2D 표면을 3D 솔리드 모형으로 변환하고 CAD(Computer-Aided Design) 파일로 내보냅니다.
- 형태 단계(Shape Phase) > > 편집(Edit)을 클릭하고 컨투어 편집(Edit contours)을 선택하여 서피스의 컨투어를 스케치한 다음 확인(OK)을 클릭합니다.
- 패치 레이아웃 그리기(Draw Patch Layout)를 클릭하고 모든 표면을 덮도록 사각형 메시를 그린 다음 확인(OK)을 클릭합니다.
- 그리드 구성(Construct Grids)을 클릭하고 적절한 해상도(Resolution)를 정의한 다음 확인(OK)을 클릭하여 더 미세한 메시를 생성합니다.
- 서피스 맞춤(Fit Surfaces)을 클릭하고 적용(Apply)을 클릭한 다음 확인(OK)을 클릭하여 3D 솔리드 모델을 구성합니다.
- 파일(File) > 다른 이름으로 저장(Save as)을 클릭하여 3D 모델을 내보내고 IGES 파일(Maxilla)로 저장합니다.
- 협측 치조골 표면에서 상악 복합체의 부피를 1mm 줄여 해면골을 만듭니다. 치근의 윤곽을 0.2mm 확장하여 치주 인대 공간을 만듭니다.
- 폴리곤 페이즈(Polygon Phase)를 클릭하고, 등고선 창에서 삭제(Delete)를 선택하고, 패치 레이아웃(Patch Layout) 창에서 보존(Preserve)을 선택한 다음, 확인(OK)을 눌러 3D 솔리드 모델을 2D 표면으로 변환합니다.
- Polygons > Offset을 클릭하고 Distance 패널에 cancellous bone and periodontal ligament에 대해 -1 mm 및 0.2 mm를 입력한 다음 Apply를 클릭하고 OK를 클릭합니다.
- 셰이프 페이즈(Shape Phase> > 편집(Edit Phase)을 클릭하고 패치 레이아웃 복원(Restore Patch Layout)을 선택한 다음 확인(OK)을 누릅니다.
- 그리드 구성(Construct Grids)을 클릭하고 적절한 해상도(Resolution)를 정의한 다음 확인(OK)을 클릭하여 더 미세한 메시를 생성합니다.
- 서피스 맞춤(Fit Surfaces)을 클릭하고 적용(Apply)을 클릭한 다음 확인(OK)을 클릭하여 3D 솔리드 모델을 구성합니다.
- 파일(File) > 다른 이름으로 저장(Save as)을 클릭하여 3D 모델을 내보내고 IGES 파일(CB 및 PL)로 저장합니다.
3. 해부학적 대칭 상악골 모델 구성
- CAD 파일을 SolidWorks로 불러옵니다.
- 파일 > 열기를 클릭하고 Maxilla 파일을 선택한 다음 열기를 눌러 CAD 파일을 가져옵니다.
- 파일(File) > 저장(Save)을 클릭하여 파일을 부품 형식으로 저장합니다.
- 구개면(PP) 아래에 해면골을 구성합니다.
- 부품 삽입(Insert > Part)을 클릭하고 CB 파일을 선택한 다음 열기(Open)를 눌러 CAD 파일을 가져옵니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert )을 클릭하고 구천장 평면에서 세 개의 피쳐 점을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 절단 평면을 생성합니다.
- 삽입(Insert) > 피처(Features) > 분할(Split)을 클릭하고 트림 도구(Trim Tools)에서 구개 평면을 선택한 다음 부재 잘라내기(Cut Part )를 클릭하여 절단 미리보기를 생성합니다.
- 결과 바디(Result Bodies) 의 체크박스를 선택하고 확인(OK) 을 클릭하여 취소된 본을 분리합니다.
- 구개 평면 위의 취소본을 클릭하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음 Body 섹션에서 Delete 키를 누릅니다.
- 상악 제1소구치와 상악 제1대구치의 치주 인대를 구성합니다.
- 부품 삽입>Insert Part)를 클릭하고 PL 파일을 선택한 다음 열기(Open)를 눌러 CAD 파일을 가져옵니다.
- 삽입(Insert) > 피쳐(Features) > 교차(Intersect)를 클릭하고 선택(Selections) 창에서 상악(Maxilla) 및 PL(PL)을 선택합니다.
- 선택 창에서 둘 다 만들기를 선택하고 지역 목록에서 치주 인대 부분을 선택한 다음 확인을 클릭하여 인대를 생성합니다.
- 전방 비강 척추(ANS)에서 후방 비강 척추(PNS)까지 구개 중간 절개면을 수행하고 상악 복합체의 오른쪽 절반을 유지합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 구개면 중간면(midpalatal plane)에서 세 개의 특징점을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 절단 평면을 생성합니다.
- 삽입(Insert) > 피처(Features) > 분할(Split)을 클릭하고 트림 도구(Trim Tools)에서 구개면 평면을 선택한 다음 파트 잘라내기(Cut Part )를 클릭하여 절단 미리보기를 생성합니다.
- 결과 바디(Result Bodies)의 체크박스를 선택하고 확인(OK)을 클릭하여 상악 복합체를 분리합니다.
- 상악 복합체의 왼쪽 절반을 클릭하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음 Body 섹션에서 Delete 키를 누릅니다.
- 상악 복합체의 오른쪽 절반을 미러링하고 동일한 왼쪽 절반을 만듭니다.
- 패턴/대칭복사(Pattern > Mirror> 삽입(Insert Pattern/Mirror)을 클릭하고 거울 면/평면(Mirror Face/Plane)에서 구개 중간 평면을 선택합니다.
- 거울할 바디(Bodies to Mirror)에서 오른쪽 상악 복합체의 오른쪽 절반을 모두 선택하고 확인(OK)을 클릭하여 상악 복합체의 왼쪽 절반을 생성합니다.
4. Haas 확장기를 만들고 상악 제1 소구치와 제1 대구치에 밴드를 만듭니다.
- 소구치 밴드와 어금니 밴드를 구성합니다.
- 부품 삽입(Insert > Part)을 클릭하고 PL 파일을 선택한 다음 열기(Open)를 눌러 CAD 파일을 가져옵니다.
- 삽입(Insert) > 피쳐(Features) > 분할(Split)을 클릭하고 PL 파일에서 톱니를 선택한 다음 균일 배율(Uniform Scaling )을 1.05로 설정합니다. 확인(OK )을 클릭하여 두께가 0.5mm인 밴드를 생성합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 오클루솔 평면에서 세 개의 특징점을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 참조 평면을 생성합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 오클루솔 평면을 선택한 다음 오프셋 거리를 1.5mm로 설정합니다. 확인(OK)을 클릭하여 첫 번째 절단 평면을 생성합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 오클루솔 평면을 선택한 다음 오프셋 거리를 4.0mm로 설정합니다. 확인(OK)을 클릭하여 두 번째 절단 평면을 생성합니다.
- 피처 삽입(Insert > Features) > 분할(Split)을 클릭하고 트림 도구(Trim Tools)에서 첫 번째와 두 번째 평면을 선택하고 타겟 바디(Target Bodies)에서 톱니를 선택합니다. 컷 바디(Cut Bodies)를 클릭하여 컷 미리보기를 생성합니다.
- 결과 바디에서 확인란을 선택하고 확인을 클릭하여 톱니를 분리합니다.
- 첫 번째 평면 위와 두 번째 평면 아래의 밴드를 클릭하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음 Body 섹션에서 Delete 키를 누릅니다.
- 아크릴 판을 구성하십시오.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 하드 폴레이트 평면에서 세 개의 특징점을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 스케치 평면을 생성합니다.
- 스케치> 삽입(Insert Sketch)을 클릭하고 Haas 확장기를 참조하여 아크릴 플레이트를 그린 다음 스케치 종료(Exit Sketch)를 클릭합니다.
- 보스/베이스 > 돌출> 삽입(Insert Boss/Base Extrude)을 클릭하고 아크릴 판의 스케치를 선택한 다음 깊이(Depth)를 5mm로 설정하고 확인(OK)을 클릭합니다.
- Insert > Features > Flex를 클릭하고 아크릴 판을 구부려 입천장의 해부학적 구조에 맞춥니다.
- 피쳐(Features) > 필렛/ 라운드(Fillet/Round)> 삽입(Insert )을 클릭하고 반지름 1mm의 아크릴 플레이트의 날카로운 모서리를 필렛합니다.
- 익스팬더 암을 구성합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 밴드에서 세 개의 피쳐 점을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 스케치 평면(P1)을 생성합니다.
- 스케치 삽입(Insert > Sketch)을 클릭하고 지름 2mm의 원을 그린 다음 스케치 종료(Exit Sketch)(C1)를 클릭합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 아크릴 플레이트에서 세 개의 특징점을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 스케치 평면(P2)을 생성합니다.
- 스케치 삽입> 클릭하고 지름 2mm의 원을 그린 다음 스케치 종료(C2)를 클릭합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 P2 평면을 선택한 다음 오프셋 거리를 6mm로 설정합니다. 스케치 평면에 대해 확인(OK)을 클릭합니다.
- 스케치 삽입> 클릭하고 지름 2mm의 원을 그린 다음 스케치 종료(C3)를 클릭합니다.
- 보스/베이스 > 로프트 삽입> 클릭하고 프로파일 창에서 C1, C2 및 C3 스케치를 선택합니다.
- Feature Scope 창에서 밴드와 아크릴 플레이트를 선택하고 Options 창에서 Merge Result 를 선택한 다음 OK 를 클릭합니다.
5. 절골술 설계
- 외과의가 일반적으로 사용하는 버의 직경에 해당하는 1mm 두께의 평면을 이상근 구멍(Alar)의 모서리에서 수평면에서 다양한 각도로 IZC(infra zygomatic crest)를 향해 만듭니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 절골면의 세 피쳐 점(수평 평면에 대해 0°, 10°, 20° 또는 30°)을 선택한 다음 확인(OK)을 클릭하여 O1이라는 평면을 생성합니다.
- 참조 형상 > 평면> 삽입(Insert Reference Geometry Plane)을 클릭하고 절골면 평면을 선택한 다음 오프셋 거리를 1.0mm로 설정합니다. 확인(OK)을 클릭하여 하부 절단 평면(O2)을 생성합니다.
- 삽입(Insert) > 피쳐(Features) > 분할(Split)을 클릭하고 트림 도구(Trim Tools)에서 O1 및 O2 평면을 선택한 다음 부재 절단(Cut Part )을 클릭하여 절단 미리보기를 생성합니다.
- 결과 바디(Result Bodies)의 체크박스를 선택하고 확인(OK)을 클릭하여 상악 복합체를 분리합니다.
- O1 평면과 O2 평면 사이의 본체를 클릭하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음 본체 섹션에서 Delete 키를 누릅니다.
- 해석을 위해 Parasolid Model Part File (X_T)에서 협측 절골 각도가 다른 모델을 내보냅니다.
- 파일 > 다른 이름으로 저장을 클릭하고 파일 형식 목록에서 Parasolid(x_t)를 선택합니다.
- Save(저장)를 클릭하여 유한 요소 해석 소프트웨어에 대한 모델을 내보냅니다.
6. 유한 요소 해석
- 상악 복합 모델의 재료 매개변수를 Ansys 소프트웨어로 가져와서 설정합니다.
- 도구 상자에서 정적 구조를 클릭하고 끌어서 분석 작업 공간을 만듭니다.
- 엔지니어링 데이터를 두 번 클릭하고 속성에서 모든 재료의 영률(Young's modulus) 및 푸아송 비율(Poisson's ratio)을 설정합니다. 상이한 구조(12,15,16)의 재료 특성은 표 1에 열거되어 있다.
- 지오메트리(Geometry)를 두 번 클릭하고 파일(File) > 외부 지오메트리 파일 가져오기(Import External Geometry File)를 클릭한 다음 생성(Generate)을 클릭하여 상악 복합 모델을 가져옵니다.
- Create > Boolean(부울 생성)을 클릭하고 Boolean(부울)을 사용하여 피질 뼈와 치주 인대를 복원면골과 치아로 생성합니다.
- 유한 요소 해석 모델을 설정합니다.
- 모델을 두 번 클릭하고 형상을 클릭하여 각 파트의 재질 속성을 선택합니다.
- Mesh를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Generate Mesh 를 클릭하여 모델에 요소를 빌드합니다.
- 연결(Connections)을 클릭하고 접촉 바디(Contact Bodies)에 소프트/스몰 파트를 지정하고 대상 바디(Target Bodies)에 강한/큰 파트를 지정합니다.
- 정의(Definition)에서 접촉 유형과 마찰 계수를 지정합니다. 상이한 부품들(17)의 접속 속성들은 표 2에 열거되어 있다.
- 연결(Connections)을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 스프링 삽입(Insert > Spring)을 클릭하여 절골면의 위쪽과 아래쪽 부분을 연결합니다. 스프링 상수 k = 60 N/mm의 스프링을 1 mm 길이로 설정하고 각 그리드 노드에 하나의 스프링을 배치합니다.
- 다양한 절골술 조합에서 아크릴판의 x축(정중선에 수직)을 따라 임상적으로 허용 가능한 힘을 설정합니다.
- 스태틱 스트럭처(Static Structural) 를 우클릭하고 고정 지지> 삽입(Insert Fixed Support) 을 클릭한 다음 구개 평면의 구조를 움직일 수 없도록 설정합니다.
- 정적 구조(Static Structural)를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 >력 삽입(Insert Force)을 클릭한 다음 내측선에서 멀어지는 방향으로 아크릴 플레이트에 적용할 150N 하중을 설정합니다.
- 솔루션(Solution)을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 변형 > 전체(Total > 삽입)를 클릭하여 확장의 변형을 모니터링합니다.
- 양쪽의 확장이 이루어질 때까지 수렴 테스트를 수행합니다.
- 도구 모음에서 해결 을 클릭하고 힘 수렴 수준이 힘 기준에 도달할 때까지 기다립니다.
- 전체 변형(Total Deformation)을 클릭하여 확장 결과를 표시합니다.
- 확장의 결과로 3차원 모두에서 해부학적 랜드마크의 변위를 측정합니다. 확장 패턴을 평가하는 데 사용할 다음 랜드마크를 제안합니다.
상악 중앙 앞니(U1)의 근절개 선 각도.
상악 제1소구치(U4)의 협측 교두.
상악 제1대구치(U6)의 Mesiobuccal 교두.
이상근 구멍(Alar)의 후방 모서리.
접합하부 문장(IZC).
확장기의 중간점입니다.
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Representative Results
시연 모델은 상악 결손이 있는 47세 여성의 CBCT 이미지를 활용했습니다. 생성된 모델에서는 비강, 상악동 및 확장기 고정 치아(제1 소구치 및 제1 대구치)를 위한 치주 인대 공간의 해부학적 구조가 보존됩니다(그림 1).
수술 과정을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 모든 시뮬레이션에서 비중격, 비강 측벽, 익상악골 열구를 상악체에서 분리했습니다. 또한 수술 중 협측 절골술을 나타내는 평면이 1mm 두께로 만들어졌습니다. 평면은 이상근 구멍(Alar)의 모서리에서 시작하여 익상악골 열구(PMF)까지 후방으로 확장되었습니다(그림 2A-D).
왼쪽과 오른쪽 양쪽에 대칭적인 0도 절단이 있는 모델(그림 2E)에 대해 예비 테스트를 수행했으며, 150N의 힘이 익스팬더에서 8mm 이상의 팽창을 초래했으며(그림 2F), 대부분의 문헌에서 볼 수 있는 팽창량을 초과했습니다. 이 결과는 SARPE 환자에게 가장 자주 필요한 확장 범위에 속하기 때문에 적절한 것으로 간주되었습니다. 또한 절골술에 다양한 각도를 구축하여 다양한 임상 조건을 모방할 수 있습니다(그림 3).
폰 미제스 응력과 재료 파괴 또는 항복과의 관계에 초점을 맞춘 대부분의 유한 요소 연구와 달리, 현재 모델은 임상의가 SARPE 이후 팽창의 양과 패턴을 예측하는 데 도움을 주기 위해 수행되었습니다. 따라서 좌측 및 우측 반상악골 변화는 컬러 맵(3D로 총 이동량을 나타냄)과 확장 전(회색) 및 후(컬러) 상악골 모델의 중첩으로 직접 시각화할 수 있습니다(그림 2E). 또한, 3차원 모두에서 해부학적 랜드마크(6.5단계에서 언급한 바와 같이)의 변위가 추가 분석되어야 할 목표 결과였습니다(그림 2F).
그림 1: 해부학적 구조를 보존하는 구성된 모델. (A,B) 구성된 모델의 정면(A) 및 교합(B) 보기입니다. (씨,디) 상악 제1소구치(C) 수준에서 구성된 모델의 관상동맥 단면은 동일한 관상 슬라이드(D)에서 CBCT에서 관찰된 해부학적 구조를 나타냅니다. (이,에프) 상악 제1대구치(E) 수준에서 구성된 모델의 관상동맥 단면은 동일한 관상 슬라이드(F)에서 CBCT에서 관찰된 해부학적 구조를 나타냅니다. 비강, 상악동 및 확장기 고정 치아(제1 소구치 및 제1 어금니)를 위한 치주 인대 공간이 보존되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 대칭 0도 LeFort I 절골술로 양쪽 상악 확장 시뮬레이션. (A-D) 양쪽에 0도 LeFort I 절골술이 있는 구성된 모델의 정면(A), 후방(B), 오른쪽(C) 및 왼쪽(D) 보기. (E) 150N 힘을 가한 후 모델의 교합도에서 관찰된 팽창. 컬러 맵은 총 변위량(밀리미터)을 3D로 보여줍니다. 또한, 확장 전(회색) 및 후(색상) 상악골 모델의 중첩을 수행할 수 있습니다. (F) 3차원 모두에서 해부학적 랜드마크(6.5단계에서 언급하고 그림 1에 표시된 대로)의 변위가 생성될 수 있습니다. X축: 수평 치수; 양수 값은 측면 이동을 의미하고 음수 값은 중간 이동을 의미합니다. Y축: 시상 치수; 양수 값은 전방 이동을 의미하고 음수 값은 후방 이동을 의미합니다. Z축: 수직 치수; 양수 값은 열등한 움직임을 의미하고 음수 값은 우수한 움직임을 의미합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 현재 모델에서 다양한 각도의 절골술. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 구조 | 영률(MPa) | 포아송비 |
| 피질뼈 | 1.37 × 104 | 0.3 |
| 칸셀러스 뼈 | 1.37 × 103 | 0.3 |
| 소구치와 어금니 | 2.60 × 104 | 0.3 |
| 치주 인대 | 5.00 × 101 | 0.49 |
| 스테인리스강(익스팬더) | 2.10 × 105 | 0.35 |
표 1: 각 구조에 대한 재료 매개변수.
| 형 | 연락처/대상 |
| 보 세 품 | (1) 칸셀루스 뼈/피질 뼈 |
| (2) 어금니와 소구치/확장기 | |
| (3) 치주인대/어금니, 소구치 | |
| 마찰(마찰 계수 [μ] = 0.2) | (1) 피질/상부 피질 |
| (2) 피질골/어금니와 소구치 | |
| 마찰(마찰 계수 [μ] = 0.1) | (1) 피질/비중격 |
| (2) 치주인대/피질골 | |
| (3) 치주인대/치주골 | |
| 거친 | (1) 피질골/확장기 |
| (2) 캔셀러스 본/익스팬더 |
표 2: 각 구조의 연결 유형.
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Discussion
SARPE에서 협측 절골술의 방향은 Betts2에 설명된 대로 상악 부벽 영역에서 아래로 내려가기 전에 비강 구멍에서 수평으로 절단하거나 상악 제1대구치에 해당하는 부벽을 향해 이상근 가장자리에서 경사 절개일 수 있습니다. 어느 쪽이든, 절골술은 상악의 접합돌기 아래로 훨씬 아래로 확장됩니다. 그러나 SARPE에 대한 대부분의 최신 FEA 연구는 이상근 림 6,7,12,14와 동일한 수준에서 후방으로 연장되는 수평 절단을 사용합니다. 이것은 일반적으로 임상적으로 수행되는 것에서 벗어나 반악골의 질량 중심과 절골술의 방향 및 접촉 영역과 같은 FEA의 조건을 변경합니다. 팽창력이 항상 질량 중심을 통과하는 것은 아니기 때문에 FEA 동안 반악골에 회전이 발생할 수밖에 없습니다. 그러나 임상 시나리오에서는 절골 라인에서 충돌이 발생할 수 있으며 결과적으로 회전 중심이 변경될 수 있습니다. 따라서 임상적으로 적용 가능한 결과를 얻으려면 FEA의 절골술이 실생활에서 수행되는 수술 패턴을 모방하는 것이 필수적입니다. 현재 연구에서 소개된 모델을 통해 연구자들은 임상적으로 수행된 것을 진정으로 나타내기 위해 다양한 각도(그림 3)에서 절골술을 구축할 수 있습니다.
이 연구와 이전 문헌의 중요한 차이점은 절골술의 두 표면이 마찰 없이 접촉하도록 하는 대신 현재 모델은 현재 문헌 6,7,8,10,11,12에서 일반적으로 간과되는 절골면에 두께를 포함하여 수정을 도입했다는 것입니다 . 이전 연구에서는 절골술 중 압전 톱 또는 수술용 버에 의해 형성된 틈을 무시했는데, 이는 뼈 충돌 시 반악골의 회전이나 회전뿐만 아니라 반악의 자유도에 영향을 미치기 때문에 중요한 감독입니다. 또한, 초기 치유 중 뼈 굳은살 또는 골조직 형성으로 인해 발생할 수 있는 잠재적인 저항성 또는 완충 효과를 고려하지 못한다18. 이번 연구에서 소개된 디자인은 두개골과 반악골 사이에 1mm 두께의 간격을 도입하여 저자의 연구소에서 사용하는 수술용 버의 너비를 반영함으로써 이 문제를 해결합니다. 상처 치유 조직의 힘을 추가로 시뮬레이션하기 위해 스프링(길이 1mm, 스프링 상수 k = 60N/mm)을 구현하여 격자 노드에서 반악골을 연결 및 매달고 절골술 간격에서 연조직 저항을 시뮬레이션하여 확장 중 압축 및 장력을 적용했습니다. 이 접근 방식은 임상적으로 관련된 FEA 모델을 생성하는 데 상당한 이점을 제공합니다. 간격의 두께는 향후 연구 그룹이 데이터 분석을 위해 이 모델을 채택할 계획일 때 사용되는 수술 기구에 따라 조정되어야 한다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 스프링의 디자인도 그에 따라 조정해야 합니다.
마지막으로, SARPE에 대한 거의 모든 사용 가능한 FEA 연구는 익스팬더에서 불충분한 활성화로 인해 어려움을 겪고 있습니다. SARPE는 거의 항상 최소 5mm의 상악 확장이 필요한 환자에게 시행된다2. 절골 부위의 충돌에 의해 영향을 받을 수 있는 확장 패턴은 확장기의 활성화량에 따라 달라집니다. 대부분의 FEA 연구 6,8,9,11,12 에서 1mm의 확장은 각 측면에 0.5mm의 횡방향 변위만 발생하므로 임상적으로 더 큰 활성화량의 효과를 나타내기에는 충분하지 않습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 대칭 모델에서 반악골을 적절하게 확장시킬 수 있는 힘을 결정하기 위한 예비 시험이 수행되었고, 그 결과 힘은 급속 상악 확장기(19)로부터의 임상적 힘 수준의 범위 내로 떨어졌으며, 이는 이 모델의 임상적 타당성을 더욱 입증하였다. 그런 다음 이 힘은 모든 후속 하위 집합에서 활성화에 사용되어 SARPE 중 상악의 임상적 확장에 대한 훌륭한 통찰력을 제공했습니다.
이 연구에는 인정해야 할 내재적 한계가 존재한다. 주요 한계는 주변 연조직의 저항이 없다는 것입니다. 여기에는 인두 부위의 저항, 늘어난 입천장, 뺨과 입술의 압력이 포함되었습니다. 후방 연조직의 저항을 무시해서는 안 됩니다. 임상적으로 부채꼴 모양의 팽창 패턴이 전형적으로 나타나며, 이는 익상편 상악골 이완을 받은 환자에서도 나타나며, 이는 강한 후방 연조직 저항성을 나타낸다20. 그러나, 유한 요소 분석에서 연조직 저항을 고려하는 것은 활성 팽창21 동안 조직이 변형됨에 따라 저항이 변하기 때문에 어렵다. 또 다른 한계는 익스팬더에 잭 스크류가 없다는 것입니다. 잭 스크류의 단단한 금속 막대는 두 개의 반악골을 하나의 단위로 묶어 반악골의 회전 자유를 감소시킬 수 있습니다. 마지막으로, 구개열 또는 심각한 상악 비대칭을 유발하는 기타 두개안면 기형 환자 또는 환자 뼈의 영률에 영향을 줄 수 있는 전신 질환과 같은 일부 특별한 경우에는 당사의 디자인이 표시되지 않을 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 이 연구에서 제시된 방법은 협측 절골술의 각도 개선, 수술 기구의 두께를 반영하는 절골부위의 간격, 확장기의 활성화량 등 몇 가지 수정을 도입하여 SARPE의 수술 절차와 매우 유사한 임상적으로 더 관련성 있는 FEA 모델 세트를 생성할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
Acknowledgments
이 연구는 American Association of Orthodontists Foundation(AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award(CL), American Association of Orthodontists(AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award(CL), University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph and Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research(CL), J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant, Department of Orthodontics, University of Pennsylvania School of Dental Medicine(CL용) 및 International Orthodontic Foundation Young Research Grant(CL용).
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
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