Summary
頬骨切り術のさまざまな角度で臨床的に必要な量の拡張剤の活性化を実行できる外科的支援急速口蓋拡張(SARPE)の新しい有限要素モデルのセットが作成され、半上顎骨の拡張パターンを3次元すべてでさらに分析しました。
Abstract
骨格が成熟した患者の骨格拡張を促進するために、骨の抵抗を解放するために外科的補助急速口蓋拡張 (SARPE) が導入されました。しかし、左側と右側の間の非対称な拡張は、すべてのSARPE患者の7.52%で報告されており、そのうち12.90%は矯正のために2回目の手術を受けなければなりませんでした。非対称拡大につながる病因は不明のままです。有限要素解析は、顎顔面構造におけるSARPEに関連する応力を評価するために使用されています。しかし、LeFort I骨切り部位での骨の衝突は、ある程度の膨張後にのみ発生するため、これらの既存モデルの膨張量が1mmを超えることはめったにないことを考えると、既存のモデルのほとんどは力の分布を真に表していません。したがって、半上顎骨の3次元すべての膨張パターンをさらに分析するために、臨床的に必要な量のエキスパンダー活性化を実行できるSARPEの新しい有限要素モデルを作成する必要があります。コーンビームコンピュータ断層撮影法(CBCT)の3次元(3D)頭蓋骨モデルをMimicsにインポートし、上顎複合体、上顎第一小臼歯、上顎第一大臼歯をセグメント化するために数学的実体に変換しました。これらの構造は、表面の平滑化と海綿骨および歯根膜の作成のためにGeomagicに転送されました。その後、上顎複合体の右半分を保持してミラーリングし、SolidWorksで完全に対称なモデルを作成しました。Haasエキスパンダーが構築され、上顎第一小臼歯と第一大臼歯にバンド状にバンド状に付けられました。1mmのクリアランスを持つさまざまな角度での頬骨切り術のさまざまな組み合わせの有限要素解析をAnsysで実行しました。両側で所望の膨張量(合計で少なくとも6mm)が得られるまで収束試験を実施しました。この研究は、頬骨切り術の角度がSARPEの拡張パターンにどのように影響するかを評価するための基礎を築きます。
Introduction
外科的補助急速口蓋拡張術(SARPE)は、骨格的に成熟した患者の上顎骨構造と歯列弓を横方向に拡張するために一般的に使用される技術です1。手術には、LeFort I骨切り術、中口蓋皮質切除術、およびオプションで翼状突起上顎裂の解放が含まれます2。しかし、左右の半上顎骨の不均一な拡大3や歯槽突起の頬側転倒/回転4など、SARPEによる望ましくない拡大パターンが報告されており、SARPEの失敗につながる可能性があり、場合によっては矯正のために追加の手術が必要になることさえあります5。以前の研究では、上顎周囲骨切り術の変動がSARPE後の拡張パターンに重要な役割を果たす可能性があることが示されています2,3、Le Fort I骨切り術部位での骨ブロック間の衝突は、半上顎骨の横方向の拡張の不均一な抵抗力に寄与し、歯槽突起が拡大する間、切り口の下の歯槽縁が内側に移動する半上顎骨の回転に寄与する可能性があります3。4.したがって、さまざまな骨切り術の方向、特に頬側骨切り術がSARPE後の拡張パターンに及ぼす影響を調査する必要があります。
SARPE中の力の分布を評価するために、いくつかの有限要素解析(FEA)モデルが設定されています。ただし、これらのモデルで設定された膨張量は最大1mmに制限されており、これは必要な臨床量6、7、8、9、10、11、12をはるかに下回っています。FEAモデルの拡張が不十分な場合、SARPE後の転帰の予測が誤ってなる可能性があります。より具体的には、ChamberlandとProffit4によって報告されたように、骨切り部位の骨間の衝突は、エキスパンダーが適切に回転していない場合、実証されない可能性があり、これは真の臨床的現実を反映していない可能性があります。以前のモデルでは拡張が限られていたため、これらのモデルの結果評価は応力解析に重点が置かれていました。しかし、歯科におけるFEAの応力解析は、通常、材料の機械的特性を等方性および線形弾性として設定した静的荷重下で実施されるため、FEA研究の臨床的関連性はさらに制限されます13。
さらに、これらの研究のほとんどは、骨切り部位の手術器具の厚さを考慮しておらず、6,7,8,10,11,12、境界条件の一部として切り口での摩擦をゼロに設定することがよくありました。ただし、この設定では、硬組織と軟組織の間の接触が過度に単純化されます。これは、力の分布とその結果生じる半上顎骨の拡張パターンに大きな影響を与える可能性があります。
それにもかかわらず、有限要素解析(FEA)モデルを使用したSARPE後の非対称性に対する骨切り術の効果を調査した利用可能な文献はありません。現在のすべての研究は、対称的な骨切り術パターン6、7、8、9、10、11、12、14のモデルを採用しており、骨切り術が頭蓋骨の両側で異なる可能性がある臨床診療の現実を反映していません。非対称骨切り術がSARPE後の非対称性に及ぼす影響を調べた文献が不足していることは、対処しなければならない重大な知識のギャップを表しています。
したがって、この研究の目標は、拡張量や骨切りギャップなどの臨床状態を真に模倣できるSARPEの新しいFEAモデルを開発し、骨切り術のさまざまな設計で半上顎骨の3次元すべての拡張パターンを調査することです。このようなアプローチは、SARPE後の拡張パターンの根底にあるメカニズムに関する貴重な洞察を提供し、SARPE手順の計画と実行において臨床医にとって有用なツールとして役立ちます。
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Protocol
この研究では、治療計画の一環として、SARPEを受けた患者の既存の匿名化された治療前のCBCT画像を利用しました。この研究はヘルシンキ宣言に従って実施され、治験審査委員会(プロトコル#853608)によって承認されました。
1. サンプル採取と歯のセグメンテーション
- 上顎基底骨、上顎歯槽骨、上顎歯列など、患者の上顎複合体を含む自然な頭部位置での頭部のヒトCBCT画像を取得します。
- CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) ファイルを Mimics ソフトウェアにインポートします。
- 新しいプロジェクトを作成 (Ctrl + N) し、すべての DICOM 画像を選択して、[次へ] と [変換] をクリックします。
- モデルの方向(A:前方、P:後方、T:上、B:下、L:左、R:右)を定義し、[ OK]をクリックします。
- ファイルを上顎複合体、上顎第一小臼歯、上顎第一大臼歯に分割します。
- しきい値(Thresholding)をクリックし、ボーンをセグメント化する適切なしきい値を選択して、適用(Apply)をクリックします。
- 新しいマスクを作成し、[ マスクの編集] をクリックして、[ 描画 ] と [消去 ] を使用して、患者の上顎複合体、上顎第一小臼歯、上顎第一大臼歯をセグメント化します。
- ターゲットをステレオリソグラフィー (STL) ファイルとしてエクスポートします。
- マスクを右クリックして [3D を計算 ] を選択し、3D オブジェクトを生成します。
- 3Dオブジェクトを右クリックし、[ STL +]を選択し、必要なオブジェクトを選択し、[ 追加 ]と [完了 ]を押してSTLファイルを作成します。
2. 表面の平滑化と海綿骨・歯根膜腔の形成
- STL ファイルを Geomagic ソフトウェアにインポートします。
- 「ファイル」>「開く」をクリックし、STLファイルを選択して「開く」を押します。
- [単位]ポップアップ ウィンドウのデータに[ミリメートル]を選択し、[OK]をクリックします。
- 上顎複合体、上顎第一小臼歯、上顎第一大臼歯の表面を滑らかにします。
- ポリゴン(Polygons)>スパイク除去(Remove Spikes)をクリックし、滑らかさのレベルを [Low] の近くにクリックしてドラッグし、適用(Apply)をクリックして OK をクリックします。
- ポリゴン(Polygons)>ポリゴンのリラックス(Relax Polygons)をクリックし、最小(Min)付近の滑らかさレベルをクリックしてドラッグし、適用(Apply)をクリックしてOKをクリックします。
- [ポリゴン] > [交差点の修復] をクリックし、[モード] ウィンドウで [リラックス/クリーン] を選択し、[適用] をクリックして [OK] をクリックします。
- モデルのサーフェスを連続した閉じた領域に変更します。
- 鋭利なサーフェスをクリックしてドラッグし、Delete キーを押して穴を作成します。
- ポリゴン(Polygons)>穴を埋める(Fill Holes)をクリックし、塗り潰し方法(Fill Method)ウィンドウで塗り潰し(Fill)、[部分塗り潰し](Create Bridges)を使用して穴を埋め、適用(Apply)をクリックしてOKをクリックします。
- 2D サーフェスを 3D ソリッド モデルに変換し、コンピューター支援設計 (CAD) ファイルとしてエクスポートします。
- 「>位相を編集」(Edit Phase) >「形状位」(Shape Phase) をクリックし、「輪郭を編集」(Edit contours) を選択してサーフェスの輪郭をスケッチし、「OK」をクリックします。
- パッチ レイアウトの描画(Draw Patch Layout )をクリックし、四角形メッシュを描画してすべてのサーフェスをカバーし、 OKをクリックします。
- Construct Gridsをクリックし、適切なResolutionを定義し、OKをクリックしてより細かいメッシュを生成します。
- 「サーフェスをフィット」(Fit Surfaces)、「適用」(Apply)、「OK」の順にクリックして、3D ソリッドモデルを構築します。
- 「ファイル」(File) >「名前を付けて保存」(Save as) をクリックして 3D モデルをエクスポートし、IGES ファイル (Maxilla) に保存します。
- 頬側歯槽表面から上顎複合体の体積を1mm減らして海綿骨を作成します。歯根の輪郭を0.2mm広げて歯根膜空間を作ります。
- [ポリゴン フェーズ]をクリックし、[等高線]ウィンドウで[削除]を選択し、[パッチ レイアウト]ウィンドウで[保持]を選択してから、[OK]を押して 3D ソリッド モデルを 2D サーフェスに変換します。
- ポリゴン>オフセット(Polygons Offset)をクリックし、海綿骨と歯根膜の距離パネルに -1 mm と 0.2 mm と入力し、適用とOKをクリックします。
- 「Edit > Phase 」>「Shape Phase」をクリックし、「 Restore Patch Layout 」を選択して 「OK」を押します。
- Construct Gridsをクリックし、適切なResolutionを定義し、OKをクリックしてより細かいメッシュを生成します。
- 「サーフェスをフィット」(Fit Surfaces)、「適用」(Apply)、「OK」の順にクリックして、3D ソリッドモデルを構築します。
- 「ファイル」(File) >「名前を付けて保存」(Save as) をクリックして 3D モデルをエクスポートし、IGES ファイル (CB および PL) に保存します。
3.解剖学的に対称な上顎骨モデルを構築します
- CAD ファイルを SolidWorks にインポートします。
- 「ファイル」>「開く」をクリックし、Maxilla ファイルを選択して「開く」を押し、CAD ファイルをインポートします。
- 「ファイル」(File) >「保存」(Save) の順にクリックして、ファイルを部品フォーマットで保存します。
- 口蓋面(PP)の下に海綿骨を構築します。
- 「部品>挿入」(Insert Part) をクリックし、CB ファイルを選択して「開く」(Open) を押して CAD ファイルをインポートします。
- 「参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、口蓋平面上の 3 つのフィーチャー点を選択し、「OK」をクリックして切断面を作成します。
- 分割( Split)>>フィーチャーを挿入(Insert Features)をクリックし、 トリム ツール(Trim Tools)で口蓋平面を選択し、 部品のカット(Cut Part )をクリックしてカット プレビューを作成します。
- 結果のボディ(Resulting Bodies)のチェックボックスにチェックを入れ、OKをクリックして海綿骨を分離します。
- 口蓋面の上にある海綿骨をクリックし、右クリックして[Body]セクションで[Delete]を押します。
- 上顎第一小臼歯と上顎第一大臼歯の歯根膜を構築します。
- 「部品>挿入」(Insert Part) をクリックして PL ファイルを選択し、「開く」(Open) を押して CAD ファイルをインポートします。
- 「交差」(Intersect) >「 フィーチャー>挿入」(Insert Features (交差) をクリックし、「選択」( Selections ) ウィンドウで「上顎」(Maxilla) と「PL」(PL) を選択します。
- 選択(Selections)ウィンドウで両方を作成(Create both)を選択し、領域リスト(Region List)で歯周靭帯部分を選択し、OK(OK)をクリックして靭帯を生成します。
- 前鼻棘(ANS)から後鼻棘(PNS)への中口蓋切断面を実行し、上顎複合体の右半分を保持します。
- 「 参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、口蓋平面上の 3 つのフィーチャー点を選択し、「 OK 」をクリックして切断面を作成します。
- 分割( Split)>>フィーチャーの挿入(Insert Features)をクリックし、 トリム ツール(Trim Tools)で口蓋平面を選択し、 パーツのカット(Cut Part )をクリックしてカット プレビューを作成します。
- Resulting Bodiesのチェックボックスにチェックを入れ、OKをクリックして上顎複合体を分離します。
- 上顎複合体の左半分をクリックして右クリックし、[ボディ]セクションで[Delete]を押します。
- 上顎複合体の右半分をミラーリングし、同一の左半分を作成します。
- 「>パターン/ミラーの挿入」(Insert Pattern/Mirror) >ミラー(Mirror)をクリックし、「面/平面のミラー」(Mirror Face/Plane) で口蓋中央平面を選択します。
- ミラーするボディ(Bodies to Mirror)で上顎複合体の右半分をすべて選択し、OKをクリックして上顎複合体の左半分を生成します。
4.Haasエキスパンダーを作成し、上顎第一小臼歯と第一大臼歯にバンドを付けます
- 小臼歯バンドと大臼歯バンドを作成します。
- 「部品>挿入」(Insert Part) をクリックして PL ファイルを選択し、「開く」(Open) を押して CAD ファイルをインポートします。
- 分割( Split > Insert > Features Insert]をクリックし、PL ファイルで歯を選択し、[ 均一スケーリング](Uniform Scaling )を 1.05 に設定します。[ OK ] をクリックして、厚さ 0.5 mm のバンドを生成します。
- [参照ジオメトリ>平面>挿入]をクリックし、咬合平面上の 3 つのフィーチャ ポイントを選択し、[OK]をクリックして参照平面を作成します。
- 「参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、オクルーザル平面を選択して、オフセット距離を 1.5 mm に設定します。[OK]をクリックして、最初の切断面を作成します。
- 「参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、咬合平面を選択して、オフセット距離を 4.0 mm に設定します。[OK]をクリックして、2 番目の切断面を作成します。
- 分割(Split)>>フィーチャーの挿入(Insert Features)をクリックし、トリム ツール(Trim Tools)で 1 番目と 2 番目の平面を選択し、ターゲット ボディ(Target Bodies)で歯を選択します。ボディのカット(Cut Bodies)をクリックして、カット プレビューを作成します。
- Resulting Bodiesのチェックボックスにチェックを入れ、OKをクリックして歯を分離します。
- 1 番目の平面の上と 2 番目の平面の下のバンドをクリックして右クリックし、[ボディ]セクションで[Delete]を押します。
- アクリル板を作ります。
- 参照ジオメトリ>平面>挿入(Insert Reference Geometry Plane)をクリックし、硬口蓋平面上の 3 つのフィーチャー点を選択し、[OK]をクリックしてスケッチ平面を作成します。
- スケッチ>挿入をクリックし、アクリル板を描画し、Haasエキスパンダーを参照して、スケッチ終了をクリックします。
- ボス/ベース>挿入(Insert Boss/Base > Extrude)をクリックし、アクリル板のスケッチを選択し、深さ(Depth)を 5 mm に設定して、OK をクリックします。
- [ > フィーチャの挿入] > [屈曲]をクリックし、口蓋の解剖学的構造に合わせてアクリル板を曲げます。
- 「 フィーチャー>挿入」(Insert Features) >「フィレット/ラウンド」(Fillet/Round) をクリックし、アクリル板の鋭いエッジを半径 1 mm の範囲でフィレットします。
- エキスパンダーアームを組み立てます。
- [参照ジオメトリ>平面>挿入]をクリックし、バンド上の 3 つのフィーチャ点を選択して[OK]をクリックし、スケッチ平面(名前は P1)を作成します。
- [ スケッチ>挿入]をクリックし、直径 2 mm の円を描画して、[ スケッチを終了 ](名前は C1)をクリックします。
- 「 参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、アクリル板上の 3 つの集合点を選択し、「 OK 」をクリックしてスケッチ平面(P2 という名前)を作成します。
- [ スケッチ>挿入]をクリックし、直径 2 mm の円を描画して、[ スケッチを終了 ](名前は C2)をクリックします。
- 「参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、P2 平面を選択して、オフセット距離を 6 mm に設定します。スケッチ平面に[OK]をクリックします。
- [ スケッチ>挿入]をクリックし、直径 2 mm の円を描画して、[ スケッチを終了 ](名前は C3)をクリックします。
- ロフト>ボス/ベース>挿入(Insert Boss/Base Loft)をクリックし、プロファイル(Profiles)ウィンドウで C1、C2、C3 スケッチを選択します。
- [特徴範囲] ウィンドウでバンドとアクリル プレートを選択し、[オプション] ウィンドウで [結果をマージ] にチェックを入れて、[OK] をクリックします。
5.骨切り術を設計する
- 梨状開口部(アラル)の角から水平面からさまざまな角度で頬骨下稜(IZC)に向かって、外科医が通常使用するバーの直径に相当する厚さ1mmの平面を作成します。
- 「 参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、骨切り面上の 3 つのフィーチャー点(水平面に対して 0°、10°、20°、または 30°)を選択し、「 OK 」をクリックして平面(名前は O1)を作成します。
- 「 参照ジオメトリ>平面>挿入」(Insert Reference Geometry Plane) をクリックし、骨切り形状平面を選択して、オフセット距離を 1.0 mm に設定します。 [OK ]をクリックして、下側の切断面(名前は O2)を作成します。
- 分割(Split)>>フィーチャーの挿入(Insert Features Split)をクリックし、トリム ツール(Trim Tools)で O1 面と O2 平面(O1 and O2 plane)を選択し、パーツのカット(Cut Part)をクリックしてカット プレビューを作成します。
- Resulting Bodiesのチェックボックスにチェックを入れ、OKをクリックして上顎複合体を分離します。
- O1 平面と O2 平面の間にあるボディをクリックして右クリックし、BodyセクションでDeleteを押します。
- 頬骨切りの角度が異なるモデルをParasolidモデルパーツファイル(X_T)にエクスポートして解析します。
- 「ファイル」(File) > 「名前を付けて保存」(Save as) をクリックし、「ファイルタイプ」(File Type) リストで「Parasolid (x_t)」を選択します。
- [ 保存 ]をクリックして、有限要素解析ソフトウェアのモデルをエクスポートします。
6. 有限要素解析
- 上顎複合体の材料パラメータをAnsysソフトウェアにインポートして設定します。
- Toolbox の Static Structural をクリックしてドラッグし、解析ワークスペースを作成します。
- エンジニアリングデータをダブルクリックし、プロパティですべての材料のヤング率とポアソン比を設定します。異なる構造12、15、16の材料特性を表1に示す。
- Geometryをダブルクリックし、File>Import External Geometry Fileをクリックし、Generateをクリックして上顎複合体をインポートします。
- Create > Booleanをクリックし、海綿骨と歯を持つ皮質骨と歯根膜をBooleanで生成します。
- 有限要素解析モデルを設定します。
- モデルをダブルクリックし、[ジオメトリ]をクリックして、各パーツの材料特性を選択します。
- [メッシュ]を右クリックし、[メッシュを生成]をクリックして、モデル上に要素を構築します。
- 接続(Connections)をクリックし、接触ボディ(Contact Bodies)でソフト/スモール パーツを割り当て、ターゲット ボディ(Target Bodies)でスティッフ/ラージ パーツを割り当てます。
- [定義]で接触タイプと摩擦係数を割り当てます。異なる部品17の接続特性を表2に示す。
- [接続]を右クリックし、[スプリング>挿入]をクリックして、骨切り面の上部と下部を接続します。ばねの長さを1 mm、ばね定数k = 60 N/mmに設定し、各節点に1つのばねを配置します。
- 骨切り術のさまざまな組み合わせで、アクリル板のx軸(正中線に垂直)に沿って臨床的に許容できる力を設定します。
- [静的構造]を右クリックし、[固定サポート>挿入]をクリックして、口蓋平面上の構造を固定不可に設定します。
- [静的構造]を右クリックし、[力>挿入]をクリックして、正中線から離れる方向でアクリル板に適用する 150 N の力を設定します。
- 解析(Solution)を右クリックし、全体>変形挿入(Insert Deformation > Total)をクリックして、展開の変形を監視します。
- 両側の膨張が達成されるまで、収束テストを実施します。
- ツールバーの [実行 ]をクリックし、[力の 収束] レベルが [力の基準]に達するまで待ちます。
- Total Deformation(全変形)をクリックして、展開結果を表示します。
- 膨張の結果として、解剖学的ランドマークの変位を3次元すべてで測定します。拡大パターンの評価に使用する次のランドマークを提案します。
上顎中切歯(U1)の中間切歯線角。
上顎第一小臼歯(U4)の頬側尖端。
上顎第一大臼歯(U6)の中頬尖端。
梨状開口部の外側下隅(Alar)。
頬骨下稜(IZC)。
エキスパンダーの中間点。
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Representative Results
実証モデルでは、上顎欠損症の47歳女性のCBCT画像を利用しました。生成されたモデルでは、鼻腔、上顎洞、およびエキスパンダーアンカー歯(第1小臼歯と第1大臼歯)の歯周靭帯腔の解剖学的構造が保持されています(図1)。
外科的処置を正確にシミュレートするために、すべてのシミュレーションで鼻中隔、鼻腔の側壁、および翼状上顎裂を上顎体から分離しました。さらに、手術中の頬骨切り術を表す平面を1mmの厚さで作成しました。平面は梨状開口部(Alar)の角から始まり、翼状上顎裂(PMF)まで後方に伸びました(図2A-D)。
左右対称のゼロ度カットを持つモデルで予備テストを実施したところ(図2E)、150Nの力でエキスパンダーが8mm以上膨張し(図2F)、ほとんどの文献で見られる膨張量を超えることが示されました。この結果は、SARPE患者に最も頻繁に必要とされる拡張の範囲内にあるため、適切であると見なされました。さらに、さまざまな臨床状態を模倣するために、骨切り術にさまざまな角度を組み込むことができます(図3)。
フォンミーゼス応力と材料破壊または降伏との関係に焦点を当てたほとんどの有限要素研究とは異なり、現在のモデルは、臨床医がSARPE後の膨張の量とパターンを予測できるようにするために実施されました。したがって、左右の半上顎の変化は、カラーマップ(3Dで総移動量を表す)と、拡大前(灰色)と拡大後(カラー)の上顎骨モデルの重ね合わせによって直接視覚化できます(図2E)。さらに、解剖学的ランドマークの変位(ステップ6.5で述べたように)は、3次元すべてにおいて、さらに分析されるべき目標とする結果でした(図2F)。
図1:解剖学的構造を維持した構築モデル。 (A,B) 構築したモデルの正面図(A)と咬合図(B)。(C、D) 上顎第1小臼歯(C)のレベルで構築されたモデルの冠状切片は、同じ冠状スライド(D)でCBCTで観察された解剖学的構造を表しています。(E、F)上顎第一大臼歯(E)のレベルで構築されたモデルの冠状切片は、同じ冠状スライド(F)でCBCTで観察された解剖学的構造を表しています。構築されたモデルでは、鼻腔、上顎洞、およびエキスパンダーアンカー歯(第1小臼歯と第1大臼歯)の歯周靭帯スペースの保存に注意してください。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:左右対称のゼロ度LeFort I骨切り術による上顎拡張のシミュレーション。 (A-D) 正面図(A-D)、後方図(B)、右図(C)、左図(D)の両側に0度のLeFort I骨切り術の切り込みがある構築モデル。(E)150 Nの力を加えた後のモデルの咬合図で観察された膨張。カラーマップは、3Dの変位の総量(ミリメートル単位)を示します。さらに、上顎骨のビフォー(グレー)とエキスパンション後(カラー)モデルの重ね合わせを行うことができました。(F)解剖学的ランドマーク(ステップ6.5で述べ、図1に示されているように)の変位を3次元すべてで生成できます。X軸:水平寸法。正の値は横方向の動きを意味し、負の値は内側の動きを意味します。Y軸:矢状寸法;正の値は前方の動きを意味し、負の値は後方の動きを意味します。Z軸:垂直寸法。正の値は動きが劣っていることを意味し、負の値は動きが優れていることを意味します。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:現在のモデルでのさまざまな角度の骨切り術。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| 構造 | ヤング率(MPa) | ポアソン比 |
| 皮質骨 | 1.37 × 104 | 0.3 |
| 海綿骨 | 1.37 × 103 | 0.3 |
| 小臼歯と大臼歯 | 2.60 × 104 | 0.3 |
| 歯根 膜 | 5.00 × 101 | 0.49 |
| ステンレス鋼(エキスパンダー) | 2.10 × 105 | 0.35 |
表1:各構造の材料パラメータ。
| 種類 | 連絡先/ターゲット |
| 結合 | (1) 海綿骨・皮質骨 |
| (2)大臼歯と小臼歯/エキスパンダー | |
| (3)歯周靭帯/大臼歯・小臼歯 | |
| 摩擦(摩擦係数 [μ] = 0.2) | (1)皮質・上部皮質 |
| (2) 皮質骨/大臼歯・小臼歯 | |
| 摩擦(摩擦係数 [μ] = 0.1) | (1)皮質・鼻中隔 |
| (2) 歯周靭帯・皮質骨 | |
| (3) 歯根膜・海綿骨 | |
| 荒い | (1)皮質骨/エキスパンダー |
| (2)海綿骨/エキスパンダー |
表 2: 各構造体の接続タイプ。
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Discussion
SARPEにおける頬側骨切り術の方向は、上顎バットレス領域でステップダウンする前に鼻の開口部から水平にカットするか、Betts2で説明されているように、梨状縁から上顎第一大臼歯に対応するバットレスに向かって傾斜したカットのいずれかです。いずれにせよ、骨切り術は上顎の頬骨突起のかなり下に伸びています。しかし、SARPEに関する現在のFEA研究のほとんどは、梨状縁と同じレベルで後方に伸びる水平カットを使用しています6,7,12,14。これは、通常臨床的に行われるものから逸脱し、半上顎骨の重心や骨切り術の方向や接触面積など、FEAの条件を変化させます。膨張力は常に重心を通過するとは限らないため、FEA中に半上顎骨に回転が起こります。ただし、臨床シナリオでは、骨切りラインでの衝突が発生する可能性があり、その結果、回転中心がその後変化する可能性があります。したがって、臨床的に適用可能な結果を得るためには、FEAの骨切り術が実際の生活で行われる手術パターンを模倣することが不可欠です。今回の研究で導入されたモデルにより、研究者はさまざまな角度で骨切り術を構築し(図3)、臨床的に行われていることを真に表現することができます。
この研究と以前の文献との決定的な違いは、骨切り術の2つの表面が摩擦ゼロで接触できるようにする代わりに、現在のモデルでは、現在の文献6,7,8,10,11,12で見落とされがちな骨切り面の厚さを含めることによって変更を導入したことです.以前の研究では、骨切り術中に圧電のこぎりや外科用バーによって形成されるギャップが無視されており、半上顎骨の自由度と、骨の衝突が発生した場合の半上顎骨の旋回または回転に影響を与えるため、重要な見落としがありました。さらに、初期治癒中に骨カルスまたは骨様組織の形成から生じる可能性のある潜在的な耐性またはクッション効果を説明できません18。今回の研究で紹介したデザインは、頭蓋骨と半上顎骨の間に1mmの厚さのギャップを設けることで、この問題に対処し、著者らの研究所で使用された外科用バーの幅を反映している。創傷治癒組織からの力をさらにシミュレートするために、スプリング(長さ1 mm、バネ定数k = 60 N / mm)を実装して、半上顎骨をグリッドノードでリンクおよび懸濁し、骨切り術のギャップで軟部組織の抵抗をシミュレートし、それによって拡張中に圧縮と張力を適用しました。このアプローチは、臨床的に関連性のあるFEAモデルを生成する上で大きな利点を提供します。ギャップの厚さは、将来の研究グループがこのモデルをデータ分析に採用する計画を立てる際に、使用する手術器具に基づいて調整する必要があることは注目に値します。スプリングの設計もそれに応じて調整する必要があります。
最後に、SARPEに関する利用可能なFEA研究のほとんどすべては、エキスパンダーでの活性化が不十分であるという問題を抱えています。SARPEは、ほとんどの場合、少なくとも5mmの上顎拡張を必要とする患者に実施されます2。骨切り部位での衝突によって影響を受ける可能性のある拡張パターンは、拡張部での活性化の量に依存します。ほとんどの FEA 研究6、8、9、11、12 で 1 mm の拡大は、両側に 0.5 mm の横方向の変位しか生じず、より大きな活性化量の影響を臨床的に表すには不十分です。この制限を克服するために、対称モデルで半上顎骨を適切に拡張する力を決定するための予備テストが実施され、結果として生じる力は、急速な上顎拡張器からの臨床力レベルの範囲に収まります19、このモデルの臨床的関連性がさらに証明されました。この力は、その後のすべてのサブセットの活性化に使用され、SARPE中の上顎骨の臨床的拡張に関する大きな洞察を提供しました。
この研究には、認識する必要がある固有の限界があります。主な制限は、周囲の軟部組織からの抵抗がないことです。これらには、咽頭領域からの抵抗、口蓋の伸展、頬と唇からの圧力が含まれていました。後部軟部組織での抵抗は無視されるべきではありません。.臨床的には、翼状上顎裂の解放を受けた患者でさえ、扇形の拡張パターンが典型的に見られ、強い後部軟部組織の抵抗性を示す20。しかし、有限要素解析で軟部組織の抵抗を考慮することは、活発な膨張中に組織が変形するにつれて抵抗が変化するため、困難である21。もう一つの制限は、エキスパンダーにジャックスクリューがないことでした。ジャックスクリューの硬い金属棒は、2つの半上顎骨を1つのユニットに境界付け、半上顎骨の回転の自由度を低下させる可能性があります。大事なことを言い忘れましたが、私たちのデザインは、口蓋裂やその他の頭蓋顔面奇形の患者など、一部の特別なケースでは適応されない場合があります 重大な上顎の非対称性、または患者の骨のヤング率に影響を与える可能性のある全身性疾患。
それにもかかわらず、この研究で提示された方法は、頬骨切り術の角度の改善、手術器具の厚さを反映する骨切り部位のギャップ、およびエキスパンダーでの活性化量を含むいくつかの変更を導入しました SARPEの外科的処置によく似た、より臨床的に関連性のある一連のFEAモデルを生成することができます。
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Disclosures
著者らは、利益相反がないことを宣言します。
Acknowledgments
この研究は、米国矯正歯科医協会財団(AAOF)矯正歯科教員開発フェローシップ賞(CLの場合)、米国矯正歯科医協会(AAO)のフルタイム教員フェローシップ賞(CLの場合)、ペンシルベニア大学歯学部のジョセフおよびジョセフィン・ラビノウィッツ研究優秀賞(CLの場合)、歯科矯正学科のJ.ヘンリーオハーンジュニアパイロット助成金、 ペンシルベニア大学歯学部(CLの場合)、および国際矯正歯科財団若手研究助成金(CLの場合)。
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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