Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Модель анализа методом конечных элементов для оценки паттернов расширения при хирургическом быстром расширении неба

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

Для дальнейшего анализа паттернов расширения полушарий во всех трех измерениях был создан набор новых конечно-элементных моделей хирургически ассистированного быстрого расширения неба (SARPE), которые могут выполнять клинически необходимую активацию экспандера с различными углами буккальной остеотомии.

Abstract

Хирургически ассистированное быстрое расширение неба (SARPE) было введено для снижения костной резистентности и облегчения расширения скелета у пациентов со зрелым скелетом. Тем не менее, асимметричное расширение между левой и правой сторонами было зарегистрировано у 7,52% всех пациентов с SARPE, из которых 12,90% пришлось пройти повторную операцию для коррекции. Этиология, приводящая к асимметричному расширению, остается неясной. Для оценки напряжений, связанных с SARPE в челюстно-лицевых структурах, был использован анализ методом конечных элементов. Однако, поскольку столкновение кости в местах остеотомии LeFort I происходит только после определенного расширения, большинство существующих моделей не отражают истинного распределения силы, учитывая, что величина расширения этих существующих моделей редко превышает 1 мм. Таким образом, существует необходимость в создании новой конечно-элементной модели SARPE, которая могла бы выполнять клинически необходимое количество экспандерной активации для дальнейшего анализа паттернов расширения полушарий во всех трех измерениях. Трехмерная (3D) модель черепа, полученная с помощью конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ), была импортирована в Mimics и преобразована в математические сущности для сегментации верхнечелюстного комплекса, верхнечелюстных первых премоляров и верхнечелюстных первых моляров. Эти структуры были перенесены в Geomagic для сглаживания поверхности и создания губчатой кости и периодонтальной связки. Затем правая половина верхнечелюстного комплекса была сохранена и зеркально отражена для создания идеально симметричной модели в SolidWorks. Был сконструирован эспандер Хааса, который был прикреплен к первым премолярам и первым молярам верхней челюсти. Конечно-элементный анализ различных комбинаций буккальных остеотомий под разными углами с клиренсом 1 мм выполнен в Ansys. Испытание на сходимость проводилось до тех пор, пока не была достигнута желаемая величина расширения с обеих сторон (всего не менее 6 мм). Это исследование закладывает основу для оценки того, как угол буккальной остеотомии влияет на паттерны расширения SARPE.

Introduction

Хирургическое быстрое расширение неба (SARPE) является широко используемым методом поперечного расширения костной структуры верхней челюсти и зубной дуги у пациентов со зрелым скелетом1. Операция включает в себя остеотомию по методу Лефорта I, средненебную кортикотомию и, при необходимости, освобождение крыловидно-верхнечелюстной щели2. Тем не менее, сообщалось о нежелательных моделях расширения, вызванных SARPE, таких как неравномерное расширение между левым и правымполушариями 3 и буккальное наклонение/ротация зубочелюстного отростка4, что может привести к отторжению SARPE, а иногда даже к необходимости дополнительных операций для коррекции5. Предыдущие исследования показали, что вариабельность околоверхнечелюстных остеотомий может играть значительную роль в паттерне расширения после SARPE2,3, поскольку столкновения между костными блоками в местах остеотомии Ле Фор I могут способствовать неравномерному сопротивлению латерального расширения получелюстей и вращению получелюстей, при этом альвеолярные края под разрезом смещаются внутрь, в то время как зубочелюстной отросток расширяется 3, 4. См. Таким образом, существует необходимость в исследовании влияния различных направлений остеотомии, особенно буккальной остеотомии, на паттерны расширения после SARPE.

Для оценки распределения сил во время SARPE было создано несколько моделей анализа методом конечных элементов (FEA). Тем не менее, величина расширения, установленная в этих моделях, ограничена до 1 мм, что намного ниже требуемой клинической величины 6,7,8,9,10,11,12. Неадекватное расширение моделей МКЭ может привести к ошибочным прогнозам результатов после SARPE. В частности, столкновение между костями в месте остеотомии, о котором сообщают Чемберленд и Proffit4, не может быть продемонстрировано, если экспандер не повернут адекватно, что может не отражать истинную клиническую реальность. В связи с ограниченным расширением, заложенным в предыдущих моделях, оценка результатов этих моделей была сосредоточена на анализе напряжений. Однако стресс-анализ МКЭ в стоматологии обычно проводится при статическом нагружении, при этом механические свойства материалов устанавливаются как изотропные и линейно-упругие, что еще больше ограничивает клиническую значимость исследований МКЭ13.

Кроме того, в большинстве этих исследований не учитывалась толщина хирургического инструмента в месте остеотомии 6,7,8,10,11,12, что часто сводило трение к нулю в местах разрезов как часть граничных условий. Однако эта настройка чрезмерно упрощает контакты между твердыми и мягкими тканями. Это может существенно повлиять на распределение силы и, как следствие, на характер расширения полушарий.

Тем не менее, в доступной литературе не изучалось влияние остеотомии на асимметрию после SARPE с использованием моделей анализа методом конечных элементов (FEA). Во всех современных исследованиях использовались модели с симметричными паттернами остеотомии 6,7,8,9,10,11,12,14, которые не отражают реалий клинической практики, где остеотомии могут отличаться на каждой стороне черепа. Отсутствие литературы, изучающей влияние асимметричной остеотомии на асимметрию после SARPE, представляет собой значительный пробел в знаниях, который необходимо устранить.

Таким образом, целью данного исследования является разработка новой модели МКЭ SARPE, которая может по-настоящему имитировать клинические условия, включая величину расширения и остеотомический разрыв, а также исследовать паттерны расширения полушарий во всех трех измерениях с различными конструкциями остеотомии. Такой подход позволил бы получить ценную информацию о механизмах, лежащих в основе паттернов расширения после SARPE, и послужил бы полезным инструментом для клиницистов при планировании и проведении процедур SARPE.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

В этом исследовании использовалось ранее существовавшее, обезличенное изображение КЛКТ пациента, у которого был SARPE в рамках плана лечения. Исследование проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией и одобрено Институциональным наблюдательным советом (протокол #853608).

1. Отбор образцов и сегментация зубов

  1. Получить КЛКТ-изображение головы человека в естественном положении головы, которое включает верхнечелюстной комплекс пациента, включая верхнечелюстную базальную кость, верхнечелюстную альвеолярную кость и верхнечелюстной зубной ряд.
  2. Импортируйте файлы ДМКТ для цифровой визуализации и коммуникаций в медицине (DICOM) в программное обеспечение Mimics.
    1. Создайте новый проект (Ctrl + N), выделите все изображения DICOM и нажмите кнопку Далее и Преобразовать.
    2. Задайте направление модели (A: спереди, P: сзади, T: сверху, B: снизу, L: влево, R: вправо) и нажмите кнопку OK.
  3. Разделите пилку на верхнечелюстной комплекс, верхнечелюстные первые премоляры и верхнечелюстные первые моляры.
    1. Щелкните Пороговое значение, выберите подходящий порог для сегментации костей и нажмите кнопку Применить.
    2. Создайте новые маски и нажмите кнопку Редактировать маски, используя Рисование и стирание , чтобы сегментировать верхнечелюстной комплекс пациента, верхнечелюстные первые премоляры и верхнечелюстные первые моляры.
  4. Экспортируйте цели в виде файлов стереолитографии (STL).
    1. Щелкните правой кнопкой мыши по маскам и выберите Вычислить 3D, чтобы создать 3D-объекты .
    2. Щелкните правой кнопкой мыши по 3D-объектам, выберите STL+, выберите требуемые объекты и нажмите Add and Finish, чтобы создать файлы STL.

2. Сглаживание поверхности и создание губчатой кости и пространства периодонтальной связки

  1. Импортируйте файлы STL в программу Geomagic.
    1. Нажмите «Файл» > «Открыть», выберите файлы STL и нажмите «Открыть».
    2. Выберите «Миллиметры» для всплывающего окна «Данные в единицах измерения» и нажмите кнопку «ОК».
  2. Сглаживает поверхность верхнечелюстного комплекса, верхнечелюстных первых премоляров и верхнечелюстных первых моляров.
    1. Щелкните Полигоны > Удалить шипы, щелкните и перетащите уровень сглаживания рядом с Низким, нажмите Применить и ОК.
    2. Щелкните Полигоны > Расслабить полигоны, щелкните и перетащите уровень сглаживания рядом с Мин, нажмите Применить и ОК.
    3. Щелкните Полигоны > Восстановить пересечения, выберите Relax/Clean в окне Режим, нажмите Применить и OK.
  3. Преобразуйте поверхность модели в непрерывную и замкнутую область.
    1. Щелкните и перетащите острую поверхность, а затем нажмите клавишу Delete, чтобы создать отверстие.
    2. Щелкните Полигоны > Заполнить отверстия, используйте команды Насыпь, Частичная заливка, Создать мосты в окне Метод заполнения, нажмите кнопку Применить и ОК.
  4. Преобразуйте 2D-поверхность в твердотельную 3D-модель и экспортируйте ее в виде файла системы автоматизированного проектирования (САПР).
    1. Нажмите кнопку «Редактировать» > «Этап» > «Фаза фигуры», выберите «Редактировать контуры», чтобы нарисовать контуры поверхности, затем нажмите кнопку «ОК».
    2. Щелкните Нарисовать компоновку патчей (Draw Patch Layout) и нарисуйте четырехугольные сетки, чтобы покрыть все поверхности, затем нажмите кнопку ОК.
    3. Щёлкните по кнопке Построить сетки (Construct Grids), задайте правильное разрешение (Resolution) и нажмите кнопку OK ( OK ), чтобы создать более тонкую сетку.
    4. Нажмите кнопку " Подогнать поверхности", нажмите кнопку "Применить" и кнопку " ОК" , чтобы построить 3D-твердотельную модель.
    5. Нажмите кнопку Файл > Сохранить как, чтобы экспортировать 3D-модель и сохранить ее в файле IGES (с именем Maxilla).
  5. Создать губчатую кость путем уменьшения объема верхнечелюстного комплекса на 1 мм от щечно-альвеолярной поверхности. Создайте пространство периодонтальной связки, расширив контур корешков на 0,2 мм.
    1. Щелкните " Фаза полигона", выберите " Удалить " в окне " Контурные линии ", выберите " Сохранить " в окне "Компоновка патчей ", затем нажмите кнопку "ОК" , чтобы преобразовать 3D-твердотельную модель в 2D-поверхность.
    2. Щелкните «Многоугольники» > «Смещение», введите -1 мм и 0,2 мм на панели «Расстояние» для губчатой кости и периодонтальной связки, затем нажмите «Применить» и «ОК».
    3. Нажмите кнопку Edit > Phase > Shape Phase, выберите Restore Patch Layout и нажмите OK.
    4. Щёлкните по кнопке Построить сетки (Construct Grids), задайте правильное разрешение (Resolution) и нажмите кнопку OK ( OK ), чтобы создать более тонкую сетку.
    5. Нажмите кнопку " Подогнать поверхности", нажмите кнопку "Применить" и кнопку " ОК" , чтобы построить 3D-твердотельную модель.
    6. Нажмите кнопку Файл > Сохранить как, чтобы экспортировать 3D-модель и сохранить ее в файлах IGES (с именами CB и PL).

3. Постройте анатомическую симметричную модель верхней челюсти

  1. Импортируйте файлы САПР в SolidWorks.
    1. Нажмите кнопку Файл > открыть, выберите файл Maxilla и нажмите кнопку Открыть, чтобы импортировать файл CAD.
    2. Нажмите кнопку " Файл" > "Сохранить ", чтобы сохранить файл в формате " Деталь" .
  2. Постройте губчатую кость ниже небной плоскости (ПП).
    1. Нажмите кнопку " Вставить деталь"> выберите файл CB и нажмите кнопку " Открыть" , чтобы импортировать файл САПР.
    2. Нажмите кнопку " Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на небной плоскости и нажмите кнопку "ОК" , чтобы создать секущую плоскость.
    3. Щелкните Вставить > элементы > Разделить, выберите нёбную плоскость в инструментах "Обрезка" и нажмите кнопку "Вырезать деталь ", чтобы создать предварительный просмотр разреза.
    4. Отметьте галочками Результирующие тела и нажмите кнопку ОК , чтобы отделить губчатую кость.
    5. Щёлкните по губчатой кости над нёбной плоскостью, щёлкните правой кнопкой мыши и нажмите Delete в разделе Body .
  3. Постройте периодонтальную связку верхнечелюстных первых премоляров и верхнечелюстных первых моляров.
    1. Нажмите кнопку " Вставить деталь"> выберите файл PL и нажмите кнопку "Открыть" , чтобы импортировать файл САПР.
    2. Щелкните Вставить > объекты > Пересечение и выберите Maxilla and PL в окне Выборки .
    3. Выберите «Создать оба» в окне «Выборки», выберите часть периодонтальной связки в списке областей, затем нажмите кнопку «ОК», чтобы создать связку.
  4. Выполняют средненебную плоскость разреза от переднего носового отростка (ВНС) до заднего носового отростка (ПНС) и сохраняют правую половину верхнечелюстного комплекса.
    1. Нажмите кнопку " Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на среднепалатальной плоскости и нажмите кнопку "ОК" , чтобы создать секущую плоскость.
    2. Щелкните " Вставить > элементы" > "Разделить", выберите небную плоскость в инструментах "Обрезка" и нажмите кнопку "Вырезать деталь ", чтобы создать предварительный просмотр выреза.
    3. Отметьте галочками в разделе Результирующие тела (Result Bodies) и нажмите кнопку ОК , чтобы отделить верхнечелюстной комплекс.
    4. Щёлкните по левой половине верхнечелюстного комплекса, щелкните правой кнопкой мыши и нажмите Delete в разделе Body .
  5. Отзеркалите правую половину верхнечелюстного комплекса и создайте идентичную левую половину.
    1. Нажмите кнопку "Вставить" > "Узор/Зеркальное отражение" > "Зеркальное отражение" и выберите средненебную плоскость в поле "Зеркальная грань/плоскость".
    2. Выделите всю правую половину верхнечелюстного комплекса в окне Тела для зеркального отражения и нажмите кнопку ОК , чтобы создать левую половину верхнечелюстного комплекса.

4. Создайте экспандер Haas и бандаж для первых премоляров верхней челюсти и первых моляров

  1. Постройте премолярную полосу и молярную ленту.
    1. Нажмите кнопку " Вставить деталь"> выберите файл PL и нажмите кнопку "Открыть ", чтобы импортировать файл САПР.
    2. Щелкните Вставить > объекты > Разделить, выберите зубья в файле PL и установите Равномерное масштабирование 1.05. Нажмите кнопку ОК, чтобы создать полосы толщиной 0,5 мм.
    3. Нажмите кнопку "Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на окклюзионной плоскости и нажмите кнопку " ОК" , чтобы создать опорную плоскость.
    4. Нажмите кнопку "Вставить > опорной геометрии > плоскости", выберите окклюзионную плоскость и задайте расстояние смещения 1,5 мм. Нажмите кнопку ОК, чтобы создать первую секущую плоскость.
    5. Нажмите кнопку " Вставить > опорной геометрии > плоскости", выберите окклюзионную плоскость и задайте расстояние смещения 4,0 мм. Нажмите кнопку ОК , чтобы создать вторую секущую плоскость.
    6. Нажмите кнопку " Вставить > элементы" > "Разделить" и выберите первую и вторую плоскости в диалоге "Инструменты обрезки " и зубья в диалоге "Целевые тела". Нажмите кнопку " Вырезать тела" , чтобы создать предварительный просмотр вырезки.
    7. Отметьте галочками в окне Результирующие тела (Result Bodies) и нажмите кнопку ОК , чтобы разделить зубья.
    8. Щёлкните по каналу над первой плоскостью и под второй плоскостью, щёлкните правой кнопкой мыши и нажмите Delete в разделе Тело .
  2. Соорудите акриловую пластину.
    1. Нажмите кнопку " Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на плоскости твердого нёба и нажмите кнопку "ОК" , чтобы создать плоскость эскиза.
    2. Нажмите кнопку " Вставить > эскиз", нарисуйте акриловую пластину, обратитесь к расширителю Haas и нажмите кнопку "Выйти из эскиза".
    3. Нажмите кнопку " Вставить > бобышку/основание > выдавливание", выберите эскиз акриловой пластины, установите значение 5 мм в глубину и нажмите кнопку " ОК".
    4. Нажмите кнопку Insert > Features > Flex и согните акриловую пластину в соответствии с анатомией неба.
    5. Нажмите кнопку "Вставить > элементы" > "Скругление/скругление" и скруглите острые края акриловой пластины радиусом 1 мм.
  3. Соорудите эспандерные рычаги.
    1. Нажмите кнопку " Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на полосе и нажмите кнопку "ОК" , чтобы создать плоскость эскиза (с именем P1).
    2. Нажмите кнопку " Вставить > эскиз", нарисуйте окружность диаметром 2 мм и нажмите кнопку "Выйти из эскиза " (с именем C1).
    3. Нажмите кнопку " Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на акриловой пластине и нажмите кнопку "ОК" , чтобы создать плоскость эскиза (с именем P2).
    4. Нажмите кнопку " Вставить > эскиз", нарисуйте круг диаметром 2 мм и нажмите кнопку "Выйти из эскиза " (с именем C2).
    5. Нажмите кнопку " Вставить > опорной геометрии > плоскости", выберите плоскость P2 и задайте расстояние смещения 6 мм. Нажмите кнопку " ОК" для плоскости эскиза.
    6. Нажмите кнопку " Вставить > эскиз", нарисуйте окружность диаметром 2 мм и нажмите кнопку "Выйти из эскиза " (с именем C3).
    7. Нажмите кнопку " Вставить > бобышку/основание > элемент "Лофт" и выберите эскиз C1, C2 и C3 в окне "Профили ".
    8. Выделите канал и акриловую пластину в окне Feature Scope, отметьте Результат слияния в окне Options и нажмите OK.

5. Проектирование остеотомии

  1. Создайте плоскость толщиной 1 мм, эквивалентную диаметру бора, обычно используемого хирургом, от угла грушевидного отверстия (алар) к скуловому гребню (IZC) под разными углами от горизонтальной плоскости.
    1. Нажмите кнопку " Вставить > опорную геометрию > плоскости", выберите три характерные точки на плоскости остеотомии (0°, 10°, 20° или 30° к горизонтальной плоскости) и нажмите кнопку "ОК" , чтобы создать плоскость (с именем O1).
    2. Нажмите кнопку " Вставить > опорной геометрии > плоскости", выберите плоскость остеотомии и задайте расстояние смещения 1,0 мм. Нажмите кнопку " ОК" , чтобы создать нижнюю секущую плоскость (с именем O2).
    3. Нажмите кнопку " Вставить > элементы" > "Разделить", выберите плоскости O1 и O2 в окне "Инструменты обрезки" и нажмите кнопку "Вырезать деталь ", чтобы создать предварительный просмотр выреза.
    4. Отметьте галочками в разделе Результирующие тела (Result Bodies) и нажмите кнопку ОК , чтобы отделить верхнечелюстной комплекс.
    5. Щелкните тело между плоскостями O1 и O2, щелкните правой кнопкой мыши и нажмите клавишу Delete в разделе Тело .
  2. Экспортируйте модели с различными углами буккальной остеотомии в файл детали паратвердотельной модели (X_T) для анализа.
    1. Нажмите кнопку Файл > Сохранить как, а затем выберите Parasolid (x_t) в списке Тип файла.
    2. Нажмите кнопку Сохранить, чтобы экспортировать модели для анализа методом конечных элементов.

6. Анализ методом конечных элементов

  1. Импорт и настройка параметров материала модели верхнечелюстного комплекса в программное обеспечение Ansys.
    1. Щелкните и перетащите Static Structural на панели инструментов , чтобы создать рабочую область анализа.
    2. Дважды щелкните мышью на Инженерных данных и задайте модуль Юнга и коэффициент Пуассона для всех материалов в Свойствах. Свойства материалов различных конструкций12,15,16 приведены в таблице 1.
    3. Дважды щелкните " Геометрия", выберите "Файл" > "Импорт файла внешней геометрии", затем нажмите кнопку "Создать" , чтобы импортировать сложную модель верхней челюсти.
    4. Щелкните Создать логическое значение > и сгенерируйте кортикальную кость и периодонтальную связку по логическому значению с губчатой костью и зубами.
  2. Настройте модель анализа методом конечных элементов.
    1. Дважды щелкните модель и выберите Геометрия , чтобы выбрать свойства материала для каждой детали.
    2. Щелкните правой кнопкой мыши на Mesh и выберите Создать сетку , чтобы построить элементы в модели.
    3. Нажмите кнопку " Соединения" и назначьте мягкую/малую деталь в поле "Контактные тела" и жесткую/большую деталь в поле "Целевые тела".
    4. Назначьте тип контакта и коэффициент трения в поле Определение. Свойства соединений различных деталей17 перечислены в таблице 2.
    5. Щелкните правой кнопкой мыши " Соединения", выберите >"Вставить пружину" , чтобы соединить верхнюю и нижнюю части плоскости остеотомии. Установите пружины длиной 1 мм с постоянной пружины k = 60 Н/мм и поместите по одной пружине в каждый узел сетки.
  3. Установите клинически приемлемое усилие по оси X (перпендикулярно средней линии) на акриловой пластине при различных комбинациях остеотомий.
    1. Щелкните правой кнопкой мыши на кнопке "Статическая структура", выберите "Вставить > неподвижную опору и установите конструкцию в небной плоскости неподвижной.
    2. Щелкните правой кнопкой мыши " Статическая структура", выберите " Вставить > силу" и установите усилие 150 Н, которое будет приложено к акриловой пластине в направлении от медиальной линии.
    3. Щелкните правой кнопкой мыши " Решение" и выберите " Вставить > деформацию > "Всего" , чтобы отслеживать деформацию расширения.
  4. Проводите тест на сходимость до тех пор, пока не будут достигнуты расширения с обеих сторон.
    1. Нажмите кнопку Расчет (Solve) на панелях инструментов и подождите, пока уровень Схождения сил (Force Convergence) не достигнет Критерия Силы (Force Convergence).
    2. Нажмите кнопку " Полная деформация" , чтобы отобразить результаты расширения.
  5. Измерьте смещения анатомических ориентиров во всех трех измерениях в результате расширения. Предложите следующие ориентиры, которые будут использоваться для оценки шаблона расширения:
    Мезиорезальный угол центрального резца верхней челюсти (U1).
    Щечный бугорок кончика первого премоляра верхней челюсти (U4).
    Мезиобуккальный кончик бугорка верхнечелюстного первого моляра (U6).
    Латеронижний угол грушевидного отверстия (алар).
    Подбрюшной гребень (IZC).
    Средняя точка экспандера.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В демонстрационной модели использовалось изображение КЛКТ 47-летней женщины с верхнечелюстной недостаточностью. В сгенерированной модели сохранено анатомическое строение полости носа, гайморовой пазухи и пространство периодонтальной связки для зубов, закрепленных экспандером (первый премоляр и первый моляр) (рис. 1).

Чтобы точно смоделировать хирургическое вмешательство, носовая перегородка, боковые стенки носовой полости и крылочелюстная щель были отделены от тела верхней челюсти во всех симуляциях. Кроме того, была создана плоскость, представляющая буккальную остеотомию во время операции, толщиной 1 мм. Плоскость начиналась от угла грушевидного отверстия (алар) и простиралась кзади до крылочелюстной щели (ПМФ) (рис. 2A-D).

Предварительное испытание было проведено на модели с симметричными разрезами нулевого градуса как с левой, так и с правой стороны (рис. 2E), которое показало, что усилие 150 Н привело к расширению расширителя более чем на 8 мм (рис. 2F), что превышает величину расширения, наблюдаемую в большинстве литературных источников. Этот результат был признан целесообразным, поскольку он находится в пределах диапазона расширения, наиболее часто необходимого для пациентов с САРПЭ. Кроме того, в остеотомии могут быть построены различные углы, чтобы имитировать различные клинические состояния (рис. 3).

В отличие от большинства исследований методом конечных элементов, которые были сосредоточены на напряжении по Мизесу и его связи с разрушением материала или текучестью, текущая модель была проведена, чтобы помочь клиницистам предвидеть величину и характер расширения после SARPE. Таким образом, изменение левого и правого полушарий верхней челюсти может быть непосредственно визуализировано с помощью цветовой карты (представляющей величину общего движения в 3D) и наложения моделей верхней челюсти до (серый) и после расширения (цветной) (рис. 2E). Кроме того, смещение анатомических ориентиров (как упоминалось в шаге 6.5.) во всех трех измерениях было целевым результатом, подлежащим дальнейшему анализу (рис. 2F).

Figure 1
Рисунок 1: Построенная модель с сохранением анатомической структуры. (А,Б) Фронтальный (А) и окклюзионный (В) виды построенной модели. (С,Д) Корональный срез построенной модели на уровне первого премоляра верхней челюсти (С), который представляет собой анатомическую структуру, наблюдаемую при КЛКТ на том же корональном предметном стекле (D). (Д,Ж) Корональный срез построен моделью на уровне первого моляра верхней челюсти (E), которые представляют собой анатомическую структуру, наблюдаемую при КЛКТ на том же корональном предметном стекле (F). Обратите внимание на сохранность полости носа, гайморовой пазухи и пространства периодонтальной связки для анкерных зубов экспандера (первого премоляра и первого моляра) в построенной модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Моделирование расширения верхней челюсти с симметричными разрезами остеотомии Лефорта I нулевой степени с обеих сторон. (А-Г) Фронтальный (А), задний (В), правый (С) и левый (D) виды построенной модели с остеотомическими разрезами Лефорта I нулевой степени с обеих сторон. (E) Расширение, наблюдаемое в окклюзионном виде модели после приложения силы 150 Н. Цветовая карта демонстрирует общую величину смещения (в миллиметрах) в 3D. Кроме того, может быть выполнено наложение моделей верхней челюсти до (серый) и после расширения (цветной). (F) Можно получить смещение анатомических ориентиров (как указано на шаге 6.5 и показано на рисунке 1) во всех трех измерениях. Ось X: горизонтальный размер; Положительное значение означает боковое движение, а отрицательное — медиальное. Ось Y: сагиттальный размер; Положительное значение означает переднее движение, а отрицательное — заднее. Ось Z: вертикальный размер; Положительное значение означает худшее движение, а отрицательное — превосходное. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Остеотомия под разными углами на текущей модели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Структура Модуль Юнга (МПа) Коэффициент Пуассона
Кортикальная кость 1.37 × 104 0.3
Губчатая кость 1.37 × 103 0.3
Премоляры и моляры 2.60 × 104 0.3
Периодонтальная связка 5.00 × 101 0.49
Нержавеющая сталь (расширитель) 2.10 × 105 0.35

Таблица 1: Параметры материала для каждой конструкции.

Тип Контакт/Адресат
Связаны (1) Губчатая кость/кортикальная кость
(2) Моляр и премоляр/экспандер
(3) Периодонтальная связка/моляр и премоляр
Фрикционный (коэффициент трения [μ] = 0,2) (1) Корковый/Верхний кортикальный
(2) Кортикальная кость/моляр и премоляр
Фрикционные (коэффициент трения [μ] = 0,1) (1) Кортикальная/носовая перегородка
(2) Периодонтальная связка/кортикальная кость
(3) Периодонтальная связка/губчатая кость
Грубый (1) Кортикальная кость/Экспандер
(2) Губчатая кость/Расширитель

Таблица 2: Типы соединений каждой конструкции.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Направление буккальной остеотомии при SARPE может быть либо горизонтальным разрезом от носового отверстия перед опусканием в области верхнечелюстного контрфорса, либо наклонным разрезом от грушевидного края к контрфорсу, соответствующему первому моляру верхней челюсти, как описано в Betts2. В любом случае, остеотомия проходит значительно ниже скулового отростка верхней челюсти. Тем не менее, в большинстве современных исследований МКЭ по SARPE используется горизонтальный разрез, простирающийся кзади на том же уровне, что и грушевидный ободок 6,7,12,14. Это отклоняется от того, что обычно выполняется клинически, и изменяет условия в МКЭ, такие как центр масс полушарий, направление и область контакта остеотомии. Поскольку сила расширения не всегда проходит через центр масс, вращение получелюстей неизбежно происходит во время FEA. Однако в клиническом сценарии может произойти столкновение на линии остеотомии, и результирующий центр вращения впоследствии может измениться. Поэтому для получения клинически применимого результата крайне важно, чтобы остеотомия при ВКЭ имитировала схему операции, которая выполняется в реальной жизни. Модель, представленная в текущем исследовании, позволяет исследователям строить остеотомию под разными углами (рис. 3), чтобы действительно представить то, что делается клинически.

Критическое отличие этого исследования от предыдущей литературы заключается в том, что вместо того, чтобы позволить двум поверхностям остеотомии соприкасаться при нулевом трении, текущая модель внесла модификацию, включив толщину в плоскость остеотомии, что обычно упускается из виду в современной литературе 6,7,8,10,11,12 . Предыдущие исследования не учитывали зазор, образованный пьезоэлектрической пилой или хирургическим бором во время остеотомии, что является критическим упущением, поскольку оно влияет на свободу получелюстей, а также на поворот или вращение получелюстей в случае столкновения костей. Кроме того, он не учитывает потенциальное сопротивление или амортизирующие эффекты, которые могут возникнуть в результате образования костной мозоли или остеоидной ткани во время первоначального заживления. Дизайн, представленный в настоящем исследовании, решает эту проблему, вводя зазор толщиной 1 мм между черепом и получелюстями, чтобы отразить ширину хирургического бора, используемого в институте авторов. Для дальнейшего моделирования сил, действующих на ранозаживляющую ткань, были реализованы пружины (длина 1 мм, постоянная пружины k = 60 Н/мм) для связывания и подвешивания получелюстей в узлах сетки, а также для моделирования сопротивления мягких тканей в остеотомическом зазоре, тем самым применяя сжатие и растяжение при расширении. Такой подход дает значительные преимущества при создании клинически значимой модели МКЭ. Стоит отметить, что толщина зазора должна быть скорректирована в зависимости от используемых хирургических инструментов, когда будущие исследовательские группы планируют принять эту модель для анализа данных. Конструкция пружин также должна быть соответствующим образом скорректирована.

Наконец, почти все имеющиеся исследования МКЭ по SARPE страдают недостаточной активацией на экспандере. SARPE почти всегда выполняется пациентам, которым требуется расширение верхней челюсти не менее 5 мм2. Характер расширения, на который может повлиять столкновение в месте остеотомии, зависит от количества активации в эспандере. Расширение на 1 мм в большинстве исследований МКЭ 6,8,9,11,12, которое приводит к поперечному смещению только на 0,5 мм с каждой стороны, недостаточно для клинического представления эффектов больших количеств активации. Для преодоления этого ограничения был проведен предварительный тест для определения силы, которая адекватно расширяла бы полушария в симметричной модели, при этом результирующая сила падала в диапазоне клинических уровней силы от быстрых верхнечелюстных расширителей19, что еще раз доказало клиническую значимость этой модели. Затем эта сила была использована для активации во всех последующих субпопуляциях, что дало отличное представление о клиническом расширении верхней челюсти во время SARPE.

В этом исследовании существуют неотъемлемые ограничения, которые необходимо признать. Основным ограничением является отсутствие сопротивления со стороны окружающих мягких тканей. Они включали сопротивление со стороны области глотки, растяжение неба и давление со стороны щеки и губы. Сопротивление задних мягких тканей не следует сбрасывать со счетов. Клинически веерообразный характер расширения, как правило, наблюдается даже у пациентов, перенесших высвобождение крылочелюстной трещины, что указывает на сильное сопротивление задних мягких тканей20. Однако учет сопротивления мягких тканей в анализе методом конечных элементов затруднен, поскольку сопротивление изменяется по мере деформации тканей при активном расширении21. Еще одним ограничением стало отсутствие домкрата в расширителе. Жесткий металлический стержень в нажимном винте связывает две получелюсти в одно целое, что может уменьшить свободу вращения получелюстей. И последнее, но не менее важное: наша конструкция может быть не показана в некоторых особых случаях, таких как пациенты с расщелиной неба или другими черепно-лицевыми деформациями, которые вызывают значительную асимметрию верхней челюсти, или любые системные заболевания, которые могут повлиять на модуль Юнга кости пациента.

Тем не менее, методы, представленные в этом исследовании, внесли несколько модификаций, в том числе улучшения в анклюляции буккальной остеотомии, зазор в месте остеотомии, который отражает толщину хирургического инструмента, и количество активации на экспандере, что позволило создать набор более клинически значимых моделей МКЭ, которые очень похожи на хирургические процедуры SARPE.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Acknowledgments

Это исследование было поддержано стипендией Фонда Американской ассоциации ортодонтов (AAOF) для развития ортодонтического факультета (для C.L.), Американской ассоциацией ортодонтов (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (для C.L.), Премией Джозефа и Жозефины Рабинович Школы стоматологической медицины Университета Пенсильвании за выдающиеся достижения в исследованиях (для C.L.), грантом J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant от Департамента ортодонтии, Школа стоматологической медицины Университета Пенсильвании (для C.L.) и Young Research Grant Международного ортодонтического фонда (для 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.

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

Модель анализа методом конечных элементов Оценка паттернов расширения Хирургическое быстрое расширение неба SARPE Асимметричное расширение Вторая операция Этиология Оценка стресса Челюстно-лицевые структуры Участки остеотомии LeFort I Распределение силы Новая конечно-элементная модель Активация экспандера Паттерны расширения Гемимаксиллы Трехмерная модель черепа Конусно-лучевая компьютерная томография (КЛКТ) Программное обеспечение Mimics Программное обеспечение Geomagic
Модель анализа методом конечных элементов для оценки паттернов расширения при хирургическом быстром расширении неба
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