Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Finite Element Analysis Model til vurdering af ekspansionsmønstre fra kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion

Published: October 20, 2023 doi: 10.3791/65700
Automatic Translation
*1, *2, 2, 3, 1, 1
1Department of Orthodontics, School of Dental Medicine, University of Pennsylvania, 2Department of Biomedical Engineering, College of Engineering, National Cheng Kung University, 3Department of Oral and Maxillofacial Surgery/Pharmacology, School of Dental Medicine, University of Pennsylvania
* These authors contributed equally

Summary

Et sæt nye endelige elementmodeller af kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion (SARPE), der kunne udføre en klinisk krævet mængde ekspanderaktivering med forskellige vinkler af bukkal osteotomi, blev skabt til yderligere analyse af ekspansionsmønstrene for hemimaxillae i alle tre dimensioner.

Abstract

Kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion (SARPE) blev introduceret for at frigive knogleresistens for at lette skeletekspansion hos skeletmodne patienter. Imidlertid er asymmetrisk ekspansion mellem venstre og højre side blevet rapporteret hos 7,52% af alle SARPE-patienter, hvoraf 12,90% måtte gennemgå en anden operation for korrektion. De ætiologier, der fører til asymmetrisk ekspansion, forbliver uklare. Finite element analyse er blevet brugt til at evaluere stress forbundet med SARPE i maxillofacial strukturer. Da en kollision af knoglen på LeFort I-osteotomistederne først forekommer efter en vis ekspansion, repræsenterer de fleste af de eksisterende modeller imidlertid ikke virkelig kraftfordelingen, da ekspansionsmængden af disse eksisterende modeller sjældent overstiger 1 mm. Derfor er der behov for at skabe en ny endelig elementmodel af SARPE, der kan udføre en klinisk krævet mængde ekspanderaktivering til yderligere analyse af ekspansionsmønstrene for hemimaxillae i alle tre dimensioner. En tredimensionel (3D) kraniemodel fra keglestrålecomputertomografi (CBCT) blev importeret til Mimics og konverteret til matematiske enheder for at segmentere det maksillære kompleks, maksillære første premolarer og maksillære første molarer. Disse strukturer blev overført til Geomagic til overfladeudjævning og annullering af knogle- og periodontal ledbåndsdannelse. Den højre halvdel af det maksillære kompleks blev derefter bevaret og spejlet for at skabe en perfekt symmetrisk model i SolidWorks. En Haas-ekspander blev konstrueret og båndet til de maksillære første premolarer og første kindtænder. Finite element analyse af forskellige kombinationer af bukkale osteotomier i forskellige vinkler med 1 mm clearance blev udført i Ansys. Der blev udført en konvergenstest, indtil den ønskede ekspansion på begge sider (mindst 6 mm i alt) var opnået. Denne undersøgelse lægger grundlaget for at evaluere, hvordan bukkal osteotomi-vinkling påvirker ekspansionsmønstrene for SARPE.

Introduction

Kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion (SARPE) er en almindeligt anvendt teknik til tværgående udvidelse af den maksillære knoglestruktur og tandbuen hos skeletmodne patienter1. Operationen involverer en LeFort I-osteotomi, en mid-palatal kortikotomi og eventuelt frigivelsen af pterygoid-maxillær fissur2. Imidlertid er uønskede ekspansionsmønstre fra SARPE, såsom ujævn ekspansion mellem venstre og højre hemimaxillae3 og dentoalveolær proces buccal tipping / rotation4, blevet rapporteret, hvilket kan føre til svigt af SARPE, og nogle gange endda kræve yderligere operationer til korrektion5. Tidligere undersøgelser har vist, at variationen i circum-maxillære osteotomier kan spille en væsentlig rolle i post-SARPE ekspansionsmønster2,3, da kollisionerne mellem knogleblokkene på Le Fort I osteotomistederne kan bidrage til den ujævne modstandskraft af lateral ekspansion af hemimaxillae og til rotationen af hemimaxillae med de alveolære kanter under snittet, der bevæger sig indad, mens den dentoalveolære proces udvider3, 4. Derfor er der behov for at undersøge virkningerne af forskellige osteotomiretninger, især bukkalosteotomi, på ekspansionsmønstre efter SARPE.

Flere FEA-modeller (finite element analysis) er blevet oprettet for at evaluere kraftfordelingen under SARPE. Mængden af ekspansion i disse modeller er dog begrænset til op til 1 mm, hvilket er langt under den krævede kliniske mængde 6,7,8,9,10,11,12. Utilstrækkelig udvidelse i FEA-modeller kan føre til fejlagtige forudsigelser af post-SARPE-resultater. Mere specifikt kan kollisionen mellem knoglerne på osteotomistedet, som rapporteret af Chamberland og Proffit4, muligvis ikke demonstreres, hvis ekspanderen ikke drejes tilstrækkeligt, hvilket muligvis ikke afspejler den sande kliniske virkelighed. Med den begrænsede ekspansion, der blev bygget i de tidligere modeller, var resultatevalueringerne af disse modeller fokuseret på stressanalyse. Imidlertid udføres stressanalysen af FEA inden for tandpleje normalt under statisk belastning med de mekaniske egenskaber af materialer, der er indstillet som isotrope og lineært elastiske, hvilket yderligere begrænser den kliniske relevans af FEA-undersøgelserne13.

Desuden overvejede de fleste af disse undersøgelser ikke tykkelsen af det kirurgiske instrument på osteotomistedet 6,7,8,10,11,12, hvilket ofte satte friktionen til nul ved snittene som en del af grænsebetingelserne. Denne indstilling forenkler imidlertid kontakterne mellem det hårde og bløde væv. Det kan betydeligt påvirke fordelingen af kraft og det resulterende ekspansionsmønster af hemimaxillae.

Ikke desto mindre har ingen tilgængelig litteratur undersøgt effekten af osteotomi på post-SARPE asymmetri ved hjælp af endelige elementanalyse (FEA) modeller. Alle de nuværende undersøgelser anvendte modeller med symmetriske osteotomimønstre 6,7,8,9,10,11,12,14, som ikke afspejler virkeligheden i klinisk praksis, hvor osteotomierne kan variere på hver side af kraniet. Manglen på litteratur, der undersøger effekten af asymmetriske osteotomier på post-SARPE-asymmetri, repræsenterer et betydeligt videnshul, der skal løses.

Derfor er målet med denne undersøgelse at udvikle en ny FEA-model af SARPE, der virkelig kan efterligne de kliniske tilstande, herunder ekspansionsmængden og osteotomigabet, og undersøge ekspansionsmønstrene for hemimaxillae i alle tre dimensioner med forskellige designs af osteotomi. En sådan tilgang ville give værdifuld indsigt i mekanikken bag post-SARPE-ekspansionsmønstre og tjene som et nyttigt værktøj for klinikere i planlægningen og udførelsen af SARPE-procedurer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Denne undersøgelse udnyttede et allerede eksisterende, afidentificeret, CBCT-billede før behandling af en patient, der havde SARPE som en del af behandlingsplanerne. Undersøgelsen blev udført i overensstemmelse med Helsingfors-erklæringen og godkendt af Institutional Review Board (protokol #853608).

1. Prøvetagning og tandsegmentering

  1. Få et humant CBCT-billede af hovedet i en naturlig hovedposition, der inkluderer patientens maksillære kompleks, herunder den maksillære basalben, maksillær alveolær knogle og maksillær tandprotese.
  2. Importer CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) filer til Mimics-software.
    1. Opret nyt projekt (Ctrl + N), vælg alle DICOM-billederne, og klik på Næste og Konverter.
    2. Definer modellens retning (A: anterior, P: posterior, T: top, B: bund, L: venstre, R: højre), og klik på OK.
  3. Segmenter filen i maksillært kompleks, maksillære første premolarer og maksillære første molarer.
    1. Klik på Tærskelværdi, vælg en passende tærskel for segmentering af knogler, og klik på Anvend.
    2. Opret nye masker, og klik på Rediger masker ved hjælp af Tegn og slet for at segmentere patientens maksillære kompleks, maksillære første premolarer og maksillære første molarer.
  4. Eksporter målene som stereolitografifiler (STL).
    1. Højreklik på masker, og vælg Beregn 3D for at generere 3D-objekter.
    2. Højreklik på 3D-objekter, vælg STL +, vælg de krævede objekter, og tryk på Tilføj og Udfør for at oprette STL-filer.

2. Overfladeudjævning og skabelse af annulleret knogle- og parodontalt ledbåndsrum

  1. Importer STL-filerne til Geomagic-software.
    1. Klik på Filer > Åbn, vælg STL-arkiverne, og tryk derefter på Åbn.
    2. Vælg Millimeter til dataene i pop op-vinduet Enheder, og klik på OK.
  2. Glat overfladen af det maksillære kompleks, maksillære første premolarer og maksillære første molarer.
    1. Klik på Polygoner > Fjern pigge, klik og træk udjævningsniveauet nær Lav, klik på Anvend og OK.
    2. Klik på Polygoner > Slap af polygoner, klik og træk udjævningsniveauet nær Min, klik på Anvend og OK.
    3. Klik på Polygoner > Reparer vejkryds, vælg Slap af /rengør i vinduet Tilstand , klik på Anvend og OK.
  3. Rediger overfladen af modellen til et kontinuerligt og lukket område.
    1. Klik og træk i den skarpe overflade, og tryk på delete for at skabe et hul.
    2. Klik på Polygoner > Fyldhuller, brug Fyld, Fyld delvist, Opret broer i vinduet Fyldmetode til at udfylde hullerne, klik på Anvend og OK.
  4. Konverter 2D-overfladen til en solid 3D-model, og eksporter den som en CAD-fil (Computer Aided Design).
    1. Klik på Rediger > Fase > formfase, vælg Rediger konturer for at skitsere overfladens konturer, og klik derefter på OK.
    2. Klik på Tegn programrettelseslayout, og tegn firkantede masker, så de dækker alle overfladerne, og klik derefter på OK.
    3. Klik på Konstruer gitre, definer en korrekt opløsning, og klik på OK for at generere en finere maske.
    4. Klik på Tilpas overflader, klik på Anvend og OK for at oprette en solid 3D-model.
    5. Klik på Filer > Gem som for at eksportere 3D-modellen og gemme den i en IGES-fil (med navnet Maxilla).
  5. Opret den annullerede knogle ved at reducere volumenet af det maksillære kompleks med 1 mm fra den bukkale alveolære overflade. Opret periodontal ledbåndsrum ved at udvide konturen af rødderne med 0,2 mm.
    1. Klik på Polygonfase, vælg Slet i vinduet Konturlinjer , vælg Bevar i vinduet Programrettelseslayout , og tryk derefter på OK for at konvertere den solide 3D-model til en 2D-overflade.
    2. Klik på Polygoner > Forskydning, indtast -1 mm og 0,2 mm i panelet Afstand for annulleret knogle- og parodontalt ledbånd, og klik derefter på Anvend og OK.
    3. Klik på Rediger > Fase > formfase, vælg Gendan programrettelseslayout, og tryk på OK.
    4. Klik på Konstruer gitre, definer en korrekt opløsning, og klik på OK for at generere en finere maske.
    5. Klik på Tilpas overflader, klik på Anvend og OK for at oprette en solid 3D-model.
    6. Klik på Filer > Gem som for at eksportere 3D-modellen og gemme den i IGES-filer (kaldet CB og PL).

3. Konstruer en anatomisk symmetrisk maxillamodel

  1. Importer CAD-filerne til SolidWorks.
    1. Klik på Filer > Åbn, vælg Maxilla-filen, og tryk på Åbn for at importere CAD-filen.
    2. Klik på Filer > Gem for at gemme filen i delformatet .
  2. Konstruer den annullerede knogle under palatalplanet (PP).
    1. Klik på Indsæt > del, marker CB-filen, og tryk på Åbn for at importere CAD-filen.
    2. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på palatalplanet, og klik på OK for at oprette et beskæringsplan.
    3. Klik på Indsæt > funktioner > Opdel, vælg palatalplanet i Trimværktøjer, og klik på Klip del for at oprette et klippeeksempel.
    4. Marker afkrydsningsfelterne i de resulterende organer, og klik på OK for at adskille den annullerede knogle.
    5. Klik på den annullerede knogle over palatalplanet, højreklik og tryk på Slet i afsnittet Krop .
  3. Konstruer periodontalt ledbånd af maksillære første premolarer og maksillære første molarer.
    1. Klik på Indsæt > del, marker PL-filen, og tryk på Åbn for at importere CAD-filen.
    2. Klik på Indsæt > funktioner > skær hinanden, og vælg Maxilla og PL i vinduet Valg .
    3. Vælg Opret begge i vinduet Valg , vælg periodontal ledbåndsdel på regionslisten, og klik derefter på OK for at generere ledbåndet.
  4. Udfør et midpalatalt skæreplan fra den forreste næserygsøjle (ANS) til den bageste næserygsøjle (PNS) og bevar den højre halvdel af det maksillære kompleks.
    1. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på det midterste plan, og klik på OK for at oprette et beskæringsplan.
    2. Klik på Indsæt > funktioner > Opdel, vælg palatalplanet i Trimværktøjer, og klik på Klip del for at oprette et klippeeksempel.
    3. Marker afkrydsningsfelterne i de resulterende organer, og klik på OK for at adskille det maksillære kompleks.
    4. Klik på venstre halvdel af det maksillære kompleks, højreklik, og tryk på Slet i afsnittet Brødtekst .
  5. Spejl højre halvdel af det maksillære kompleks og opret en identisk venstre halvdel.
    1. Klik på Indsæt > mønster/spejl > spejl, og vælg det midterste plan i Spejlflade/plan.
    2. Vælg hele det højre halve maksillære kompleks i Bodies to Mirror, og klik på OK for at generere den venstre halvdel af det maksillære kompleks.

4. Opret en Haas-ekspander og bånd til de maksillære første premolarer og første molarer

  1. Konstruer det premolære bånd og molære bånd.
    1. Klik på Indsæt > del, vælg PL-filen, og tryk på Åbn for at importere CAD-filen.
    2. Klik på Indsæt > funktioner > Opdel, vælg tænderne i PL-filen, og indstil en ensartet skalering på 1,05. Klik på OK for at generere bånd med en tykkelse på 0,5 mm.
    3. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på okklusalplanet, og klik på OK for at oprette et referenceplan.
    4. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg det okklusale plan, og indstil en forskydningsafstand på 1,5 mm. Klik på OK for at oprette det første beskæringsplan.
    5. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg okklusalplanet, og indstil en forskydningsafstand på 4,0 mm. Klik på OK for at oprette det andet beskæringsplan.
    6. Klik på Indsæt > funktioner > Opdel, og vælg det første og andet plan i Trim værktøjer og tænderne i mållegemer. Klik på Klip brødtekster for at oprette et klippeeksempel.
    7. Marker afkrydsningsfelterne i de resulterende organer, og klik på OK for at adskille tænderne.
    8. Klik på båndet over det første plan og under det andet plan, højreklik, og tryk på Slet i afsnittet Brødtekst .
  2. Konstruer akrylpladen.
    1. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på det hårde ganeplan, og klik på OK for at oprette et skitseplan.
    2. Klik på Indsæt > skitse, tegn en akrylplade, henvis til Haas-ekspanderen, og klik på Afslut skitse.
    3. Klik på Indsæt > Boss/Base > Ekstruder, vælg skitsen af akrylpladen, indstil 5 mm i dybden, og klik på OK.
    4. Klik på Indsæt > funktioner > Flex, og bøj akrylpladen, så den passer til ganens anatomi.
    5. Klik på Indsæt > Egenskaber > Filet/Round, og fileter akrylpladens skarpe kanter i en radius på 1 mm.
  3. Konstruer ekspanderarmene.
    1. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på båndet, og klik på OK for at oprette et skitseplan (kaldet P1).
    2. Klik på Indsæt > skitse, tegn en cirkel med en diameter på 2 mm, og klik på Afslut skitse (kaldet C1).
    3. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på akrylpladen, og klik på OK for at oprette et skitseplan (kaldet P2).
    4. Klik på Indsæt > skitse, tegn en cirkel med en diameter på 2 mm, og klik på Afslut skitse (kaldet C2).
    5. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg P2-plan, og indstil en forskydningsafstand på 6 mm. Klik på OK til et skitseplan.
    6. Klik på Indsæt > skitse, tegn en cirkel med en diameter på 2 mm, og klik på Afslut skitse (kaldet C3).
    7. Klik på Indsæt > Boss/Base > Loft, og vælg skitsen C1, C2 og C3 i vinduet Profiler .
    8. Vælg båndet og akrylpladen i vinduet Funktionsomfang, marker Flet resultat i vinduet Indstillinger, og klik på OK.

5. Design osteotomi

  1. Opret et 1 mm tykt plan, svarende til diameteren af en bur, der normalt bruges af kirurgen, fra hjørnet af piriformåbningen (Alar) mod den infrazygomatiske kam (IZC) i forskellige grader fra det vandrette plan.
    1. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg tre funktionspunkter på osteotomiplanet (0°, 10°, 20° eller 30° til det vandrette plan), og klik på OK for at oprette planet (kaldet O1).
    2. Klik på Indsæt > referencegeometri > plan, vælg osteotomiplanet, og indstil en forskydningsafstand på 1,0 mm. Klik på OK for at oprette et ringere beskæringsplan (kaldet O2).
    3. Klik på Indsæt > funktioner > Opdel, vælg O1- og O2-planet i Trimværktøjer, og klik på Klip del for at oprette et klippeeksempel.
    4. Marker afkrydsningsfelterne i de resulterende organer, og klik på OK for at adskille det maksillære kompleks.
    5. Klik på brødteksten mellem O1- og O2-planer, højreklik, og tryk på Slet i afsnittet Brødtekst .
  2. Eksporter modeller med forskellige bukkale osteotomivinkler i Parasolid Model Part File (X_T) til analyse.
    1. Klik på Filer > Gem som, og vælg Parasolid (x_t) på listen Filtype .
    2. Klik på Gem for at eksportere modellerne til software til analyse af begrænsede elementer.

6. Analyse af endelige elementer

  1. Importer og indstil materialeparametrene for den maksillære komplekse model i Ansys-software.
    1. Klik på og træk den statiske struktur i værktøjskassen for at oprette et analysearbejdsområde.
    2. Dobbeltklik på Engineering Data, og indstil Youngs modul og Poissons forhold mellem alle materialerne i Egenskaber. Materialeegenskaberne for forskellige strukturer12,15,16 er anført i tabel 1.
    3. Dobbeltklik på Geometri, klik på Filer > Importer ekstern geometrifil, og klik derefter på Generer for at importere den maksillære komplekse model.
    4. Klik på Opret > boolesk, og generer den kortikale knogle og parodontale ledbånd af boolesk med den annullerede knogle og tænder.
  2. Konfigurer analysemodellen for endelige elementer.
    1. Dobbeltklik på modellen, og klik på Geometri for at vælge materialeegenskaberne for hver del.
    2. Højreklik på Mesh , og klik på Generer Mesh for at bygge elementerne på modellen.
    3. Klik på Forbindelser, og tildel den bløde/lille del i kontaktlegemer og den stive/store del i mållegemer.
    4. Tildel kontakttype og friktionskoefficient i Definition. Forbindelsesegenskaberne for forskellige dele17 er angivet i tabel 2.
    5. Højreklik på Forbindelser, klik på Indsæt > fjeder for at forbinde de øverste og nederste dele af osteotomiplanet. Sæt fjedrene som 1 mm lange med fjederkonstanten k = 60 N/mm, og placer en fjeder ved hver gitterknude.
  3. Indstil en klinisk acceptabel kraft langs x-aksen (vinkelret på midterlinjen) på akrylpladen på forskellige kombinationer af osteotomier.
    1. Højreklik på Statisk strukturel, klik på Indsæt > fast støtte , og indstil strukturen på palatalplanet ubevægelig.
    2. Højreklik på Statisk strukturel, klik på Indsæt > kraft, og indstil en kraft på 150 N, der skal påføres akrylpladen med en retning væk fra mediallinjen.
    3. Højreklik på Løsning, og klik på Indsæt > deformation > Total for at overvåge deformationen af udvidelsen.
  4. Udfør en konvergenstest, indtil udvidelser på begge sider er opnået.
    1. Klik på Løs på værktøjslinjerne, og vent, indtil niveauet Force Convergence når kraftkriteriet.
    2. Klik på Total deformation for at få vist udvidelsesresultaterne.
  5. Mål forskydningerne af de anatomiske landemærker i alle tre dimensioner som resultater af ekspansion. Foreslå følgende vartegn, der skal bruges til at evaluere udvidelsesmønsteret:
    Mesioincisal linjevinkel på den maksillære centrale snit (U1).
    Buccal cusp tip af den maksillære første premolar (U4).
    Mesiobuccal cusp tip af den maksillære første molære (U6).
    Lateroinferior hjørne af piriform blænde (Alar).
    Infra-zygomatisk kam (IZC).
    Midtpunktet af ekspanderen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Demonstrationsmodellen udnyttede CBCT-billedet af en 47-årig kvinde med maksillær mangel. I den genererede model bevares den anatomiske struktur i næsehulen, den maksillære sinus og periodontalt ledbåndsrum til ekspanderforankrede tænder (første premolar og første molar) (figur 1).

For at simulere den kirurgiske procedure nøjagtigt blev næseseptumet, næsehulenes laterale vægge og pterygomaxillær fissur adskilt fra det maksillære legeme i alle simuleringer. Desuden blev der skabt et plan, der repræsenterer bukkalosteotomi under operationen, i en tykkelse på 1 mm. Flyet startede fra hjørnet af piriformåbningen (Alar) og strakte sig bagud til pterygomaxillær sprække (PMF) (figur 2A-D).

En foreløbig test blev udført på modellen med symmetriske nulgradssnit på både venstre og højre side (figur 2E), som viste, at 150 N kraft resulterede i mere end 8 mm ekspansion ved ekspanderen (figur 2F), hvilket oversteg mængden af ekspansion, der ses i de fleste litteratur. Dette resultat blev anset for passende, da det falder inden for det ekspansionsområde, der oftest er nødvendigt for SARPE-patienter. Derudover kan der bygges en række vinkler i osteotomien for at efterligne forskellige kliniske tilstande (figur 3).

I modsætning til de fleste finite element-studier, der fokuserede på von Mises-stress og dets forhold til materialebrud eller udbytte, blev den nuværende model udført for at hjælpe klinikere med at forudse mængden og mønsteret af ekspansion efter SARPE. Derfor kunne venstre og højre hemi-maxillae-ændring visualiseres direkte af farvekortet (der repræsenterer mængden af total bevægelse i 3D) og overlejringen af maxilla-modeller før (grå) og efter ekspansion (farve) (figur 2E). Derudover var forskydningen af de anatomiske landemærker (som nævnt i trin 6.5.) i alle tre dimensioner målresultatet, der skulle analyseres yderligere (figur 2F).

Figure 1
Figur 1: Den konstruerede model, der bevarer den anatomiske struktur. (A,B) Frontal (A) og den okklusale (B) visning af den konstruerede model. (C,D) Den koronale sektion af den konstruerede model på niveauet af maksillær første premolar (C), som repræsenterer den anatomiske struktur observeret i CBCT ved samme koronale dias (D). (E,F) Den koronale sektion af den konstruerede model på niveauet af maksillær første molær (E), som repræsenterer den anatomiske struktur observeret i CBCT ved samme koronale dias (F). Bemærk bevarelsen af næsehulen, den maksillære sinus og det periodontale ledbåndsrum til ekspanderens forankringstænder (første præmolære og første molar) i den konstruerede model. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Simulering af maksillær ekspansion med symmetriske nul-graders LeFort I osteotomisnit på begge sider. (A-D) Den frontale (A), bageste (B), højre (C) og venstre (D) visning af den konstruerede model med nul-graders LeFort I osteotomi snit på begge sider. (E) Den ekspansion, der observeres i modellens okklusale billede efter påføring af 150 N-kraft. Farvekortet viser den samlede forskydning (i millimeter) i 3D. Derudover kunne overlejring af maxillamodeller før (grå) og efter ekspansion (farve) udføres. (F) Forskydningen af de anatomiske landmærker (som nævnt i trin 6.5 og vist i figur 1) i alle tre dimensioner kunne genereres. X-aksen: vandret dimension; En positiv værdi betyder lateral bevægelse, og en negativ værdi betyder medial bevægelse. Y-aksen: sagittal dimension; En positiv værdi betyder forreste bevægelse, og en negativ værdi betyder bageste bevægelse. Z-aksen: lodret dimension; En positiv værdi betyder ringere bevægelse, og en negativ værdi betyder overlegen bevægelse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Osteotomier i forskellige vinkler på den aktuelle model. Klik her for at se en større version af denne figur.

Struktur Youngs modul (MPa) Poissons forhold
Kortikal knogle 1.37 × 104 0.3
Cancellous knogle 1.37 × 103 0.3
Premolarer og molarer 2.60 × 104 0.3
Parodontalt ledbånd 5.00 × 101 0.49
Rustfrit stål (ekspander) 2.10 × 105 0.35

Tabel 1: Materialeparametrene for hver struktur.

Slags Kontakt / Mål
Bundet (1) Cancelløs knogle/kortikal knogle
(2) Molar og Premolar/Expander
(3) Parodontalt ledbånd/molær og præmolær
Friktion (friktionskoefficient [μ] = 0,2) (1) Kortikal/øvre kortikal
(2) Kortikal knogle / Molar og Premolar
Friktion (friktionskoefficient [μ] = 0,1) (1) Kortikal/næseskillevæg
(2) Parodontalt ledbånd/kortikal knogle
(3) Parodontalt ledbånd/annulleret knogle
Ru (1) Kortikal knogle / ekspander
(2) Cancellous knogle / ekspander

Tabel 2: Forbindelsestyperne for hver struktur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Retningen af bukkalosteotomi i SARPE kan enten være et vandret snit fra næseåbningen, før man træder ned ved det maksillære støtteområde eller et rampet snit fra piriformranden mod støttebenet svarende til den maksillære første molar, som beskrevet af Betts2. Uanset hvad, osteotomi strækker sig langt under den zygomatiske proces af maxilla. Imidlertid bruger de fleste nuværende FEA-undersøgelser af SARPE et vandret snit, der strækker sig bagud på samme niveau som piriformranden 6,7,12,14. Dette afviger fra, hvad der normalt udføres klinisk og ændrer betingelserne i FEA, såsom massecentret for hemimaxillae og osteotomiens retning og kontaktområde. Da ekspansionskraften ikke altid bevæger sig gennem massecentret, er rotation bundet til at ske med hemimaxillae under FEA. I det kliniske scenario kan kollision ved osteotomilinjen imidlertid forekomme, og det resulterende rotationscenter kan efterfølgende ændre sig. For at give et klinisk anvendeligt resultat er det derfor afgørende, at osteotomien i FEA efterligner det kirurgiske mønster, der udføres i det virkelige liv. Modellen, der blev introduceret i den aktuelle undersøgelse, giver forskere mulighed for at opbygge osteotomi i forskellige vinkler (figur 3) for virkelig at repræsentere, hvad der gøres klinisk.

Den kritiske forskel mellem denne undersøgelse og tidligere litteratur er, at i stedet for at lade de to overflader af osteotomi kontakte ved nul friktion, introducerede den nuværende model en ændring ved at inkludere tykkelse til osteotomiplanet, hvilket almindeligvis overses i den nuværende litteratur 6,7,8,10,11,12 . Tidligere forskning har ignoreret hullet dannet af en piezoelektrisk sav eller en kirurgisk bur under osteotomi, et kritisk tilsyn, da det påvirker hemimaxillaens frihed såvel som drejning eller rotation af hemimaxillae i tilfælde af en knoglekollision. Derudover tager det ikke højde for de potentielle modstands- eller dæmpningsvirkninger, der kan opstå ved dannelsen af knoglehård hud eller osteoidvæv under den første helbredelse18. Designet, der blev introduceret i den aktuelle undersøgelse, løser dette problem ved at indføre et mellemrum på 1 mm tykkelse mellem kraniet og hemimaxillae for at afspejle bredden af den kirurgiske bur, der anvendes i forfatterinstituttet. For yderligere at simulere kræfter fra det sårhelende væv blev fjedre (1 mm lange, fjederkonstant k = 60 N / mm) implementeret for at forbinde og suspendere hemimaxillae ved gitterknudepunkterne samt for at simulere blødt vævsresistens ved osteotomigabet og derved anvende kompression og spænding under ekspansion. Denne tilgang giver betydelige fordele ved at generere en klinisk relevant FEA-model. Det er værd at bemærke, at tykkelsen af kløften skal justeres baseret på de kirurgiske instrumenter, der anvendes, når fremtidige forskergrupper planlægger at vedtage denne model til dataanalyse. Fjedrenes design skal også justeres i overensstemmelse hermed.

Endelig lider næsten alle tilgængelige FEA-undersøgelser af SARPE af utilstrækkelig aktivering ved ekspanderen. SARPE udføres næsten altid på patienter, der kræver mindst 5 mm maksillær ekspansion2. Ekspansionsmønsteret, som kan påvirkes af kollision på osteotomistedet, afhænger af mængden af aktivering ved ekspanderen. Udvidelsen på 1 mm i de fleste FEA-studier 6,8,9,11,12, hvilket kun resulterer i 0,5 mm tværgående forskydning på hver side, er utilstrækkelig til at repræsentere virkningerne af større aktiveringsmængder klinisk. For at overvinde denne begrænsning blev der udført en foreløbig test for at bestemme en kraft, der tilstrækkeligt ville udvide hemimaxillae i en symmetrisk model, hvor den resulterende kraft faldt i området for kliniske kraftniveauer fra hurtige maksillære ekspandere19, hvilket yderligere viste den kliniske relevans af denne model. Denne kraft blev derefter brugt til aktivering i alle efterfølgende undergrupper, hvilket gav stor indsigt i den kliniske udvidelse af maxillaen under SARPE.

Der findes iboende begrænsninger i denne undersøgelse, som skal anerkendes. Den primære begrænsning er fraværet af resistens fra omgivende blødt væv. Disse omfattede modstand fra svælgområdet, den strakte gane og tryk fra kinden og læben. Resistens ved det bageste bløde væv bør ikke lades ude af betragtning. Klinisk ses typisk et vifteformet ekspansionsmønster, selv hos patienter, der gennemgik pterygomaxillær fissurfrigivelse, hvilket indikerer stærk bageste bløddelsresistens20. Det er imidlertid vanskeligt at overveje bløddelsresistens i en finite element-analyse, da resistensen ændres, når vævene deformeres under aktiv ekspansion21. En anden begrænsning var manglen på en jackscrew i ekspanderen. Den stive metalstang i jackscrewen binder de to hemimaxillae til en enhed, hvilket kan mindske friheden i rotation af hemimaxillae. Sidst men ikke mindst er vores design muligvis ikke angivet i nogle specielle tilfælde, såsom patienter med ganespalte eller andre kraniofaciale deformiteter, der forårsager betydelig maksillær asymmetri eller systemiske sygdomme, der kan påvirke Youngs modul i patientens knogle.

Ikke desto mindre introducerede metoderne præsenteret i denne undersøgelse flere ændringer, herunder forbedringer i vinklingen af bukkalosteotomi, hullet på osteotomistedet, hvilket afspejler tykkelsen af det kirurgiske instrument og mængden af aktivering ved ekspanderen, hvilket kunne producere et sæt mere klinisk relevante FEA-modeller, der ligner de kirurgiske procedurer for SARPE.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt.

Acknowledgments

Denne undersøgelse blev støttet af American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (for CL), American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (for CL), University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph og Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research (for CL), J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant fra Department of Orthodontics, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (for CL) og International Orthodontic Foundation Young Research Grant (for CL).

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mommaerts, M. Y. Transpalatal distraction as a method of maxillary expansion. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 37 (4), 268-272 (1999).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Trivedi, S. Finite element analysis: A boon to dentistry. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research. 4 (3), 200-203 (2014).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Holmes, D. Closing the gap. Nature. 550 (7677), S194-S195 (2017).
  19. Lombardo, L., et al. Evaluation of the stiffness characteristics of rapid palatal expander screws. Progress in Orthodontics. 17 (1), 36 (2016).
  20. 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).
  21. 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).

Tags

Finite Element Analysis Model Vurdering af ekspansionsmønstre Kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion SARPE asymmetrisk ekspansion Anden operation ætiologier Stressevaluering Maxillofacial strukturer LeFort I osteotomisteder Kraftfordeling Ny endelig elementmodel Expanderaktivering Ekspansionsmønstre Hemimaxillae Tredimensionel kraniemodel Keglestrålecomputertomografi (CBCT) Mimiksoftware Geomagisk software
Finite Element Analysis Model til vurdering af ekspansionsmønstre fra kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, J. H., Wu, G. L., Chiu, C. K.,… More

Lin, J. H., Wu, G. L., Chiu, C. K., Wang, S., Chung, C. H., Li, C. Finite Element Analysis Model for Assessing Expansion Patterns from Surgically Assisted Rapid Palatal Expansion. J. Vis. Exp. (200), e65700, doi:10.3791/65700 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter