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Bioengineering

Modelo de Análisis de Elementos Finitos para Evaluar los Patrones de Expansión a partir de la Expansión Palatina Rápida Asistida Quirúrgicamente

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

Se creó un conjunto de nuevos modelos de elementos finitos de expansión palatina rápida asistida quirúrgicamente (SARPE) que podrían realizar una cantidad clínicamente requerida de activación del expansor con varios ángulos de osteotomía bucal para un análisis más detallado de los patrones de expansión de los hemimaxilares en las tres dimensiones.

Abstract

Se introdujo la expansión palatina rápida asistida quirúrgicamente (SARPE) para liberar la resistencia ósea y facilitar la expansión esquelética en pacientes esqueléticamente maduros. Sin embargo, se ha descrito una expansión asimétrica entre los lados izquierdo y derecho en el 7,52% de todos los pacientes con SARPE, de los cuales el 12,90% tuvo que someterse a una segunda cirugía para su corrección. Las etiologías que conducen a la expansión asimétrica siguen sin estar claras. El análisis de elementos finitos se ha utilizado para evaluar el estrés asociado con SARPE en las estructuras maxilofaciales. Sin embargo, como una colisión del hueso en los sitios de osteotomía de LeFort I ocurre solo después de una cierta cantidad de expansión, la mayoría de los modelos existentes no representan realmente la distribución de la fuerza, dado que la cantidad de expansión de estos modelos existentes rara vez excede 1 mm. Por lo tanto, existe la necesidad de crear un nuevo modelo de elementos finitos de SARPE que pueda realizar una cantidad clínicamente requerida de activación del expansor para un análisis más detallado de los patrones de expansión de los hemimaxilares en las tres dimensiones. Un modelo de cráneo tridimensional (3D) de tomografía computarizada de haz cónico (CBCT) se importó a Mimics y se convirtió en entidades matemáticas para segmentar el complejo maxilar, los primeros premolares maxilares y los primeros molares maxilares. Estas estructuras se transfirieron a Geomagic para el alisado de la superficie y la creación de huesos esponjosos y ligamentos periodontales. A continuación, se conservó la mitad derecha del complejo maxilar y se reflejó para crear un modelo perfectamente simétrico en SolidWorks. Se construyó un expansor de Haas y se colocó en los primeros premolares y primeros molares maxilares. El análisis de elementos finitos de varias combinaciones de osteotomías bucales en diferentes ángulos con un aclaramiento de 1 mm se realizó en Ansys. Se realizó una prueba de convergencia hasta alcanzar la cantidad deseada de expansión en ambos lados (al menos 6 mm en total). Este estudio sienta las bases para evaluar cómo la angulación de la osteotomía bucal influye en los patrones de expansión de SARPE.

Introduction

La expansión rápida palatina asistida quirúrgicamente (SARPE) es una técnica comúnmente utilizada para la expansión transversal de la estructura ósea maxilar y el arco dental en pacientes esqueléticamente maduros1. La cirugía consiste en una osteotomía de LeFort I, una corticotomía mediopalatina y, opcionalmente, la liberación de la fisura pterigoideo-maxilar2. Sin embargo, se han descrito patrones de expansión no deseados de la SARPE, como la expansión desigual entre los hemimaxilares izquierdo y derecho3 y la inclinación/rotación bucal4 de la apófisis dentoalveolar, lo que podría conducir al fracaso de la SARPE y, a veces, incluso requerir cirugías adicionales para su corrección5. Estudios previos han indicado que la variación en las osteotomías circunmaxilares puede desempeñar un papel importante en el patrón de expansión post-SARPE2,3, ya que las colisiones entre los bloques óseos en los sitios de osteotomía de Le Fort I pueden contribuir a la fuerza de resistencia desigual de la expansión lateral de los hemimaxilares y a la rotación de los hemimaxilares con los bordes alveolares por debajo del corte moviéndose hacia adentro mientras que el proceso dentoalveolarse expande 3, 4. Por lo tanto, es necesario investigar los efectos de las diferentes direcciones de la osteotomía, especialmente la osteotomía bucal, en los patrones de expansión post-SARPE.

Se han establecido varios modelos de análisis de elementos finitos (FEA) para evaluar la distribución de fuerzas durante SARPE. Sin embargo, la cantidad de expansión establecida en estos modelos está limitada a hasta 1 mm, que está muy por debajo de la cantidad clínica requerida 6,7,8,9,10,11,12. La expansión inadecuada de los modelos FEA puede dar lugar a predicciones erróneas de los resultados posteriores a la SARPE. Más específicamente, la colisión entre los huesos en el sitio de la osteotomía, según lo informado por Chamberland y Proffit4, puede no demostrarse si el expansor no se gira adecuadamente, lo que puede no reflejar la verdadera realidad clínica. Con la cantidad limitada de expansión incorporada en los modelos anteriores, las evaluaciones de resultados de estos modelos se centraron en el análisis de estrés. Sin embargo, el análisis de estrés de FEA en odontología generalmente se realiza bajo carga estática con las propiedades mecánicas de los materiales configuradas como isotrópicas y linealmente elásticas, lo que restringe aún más la relevancia clínica de los estudios de FEA13.

Además, la mayoría de estos estudios no consideraron el espesor del instrumento quirúrgico en el sitio de la osteotomía 6,7,8,10,11,12, a menudo estableciendo la fricción a cero en los cortes como parte de las condiciones de contorno. Sin embargo, esta configuración simplifica demasiado los contactos entre los tejidos duros y blandos. Puede afectar significativamente la distribución de la fuerza y el patrón de expansión resultante de los hemimaxilares.

Sin embargo, no hay literatura disponible que haya investigado el efecto de la osteotomía en la asimetría post-SARPE utilizando modelos de análisis de elementos finitos (FEA). Todos los estudios actuales emplearon modelos con patrones de osteotomía simétricos 6,7,8,9,10,11,12,14, que no reflejan la realidad de la práctica clínica donde las osteotomías pueden diferir en cada lado del cráneo. La falta de literatura que examine el efecto de las osteotomías asimétricas en la asimetría post-SARPE representa una brecha de conocimiento significativa que debe abordarse.

Por lo tanto, el objetivo de este estudio es desarrollar un nuevo modelo FEA de SARPE que pueda imitar realmente las condiciones clínicas, incluida la cantidad de expansión y la brecha de osteotomía, e investigar los patrones de expansión de los hemimaxilares en las tres dimensiones con varios diseños de osteotomía. Este enfoque proporcionaría información valiosa sobre la mecánica subyacente a los patrones de expansión posteriores a la SARPE y serviría como una herramienta útil para los médicos en la planificación y ejecución de los procedimientos de la SARPE.

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Protocol

Este estudio utilizó una imagen CBCT preexistente, no identificada y previa al tratamiento de un paciente que tenía SARPE como parte de los planes de tratamiento. El estudio se realizó de acuerdo con la Declaración de Helsinki y fue aprobado por el Comité de Revisión Institucional (protocolo #853608).

1. Adquisición de muestras y segmentación dental

  1. Adquiera una imagen CBCT humana de la cabeza en una posición natural de la cabeza que incluya el complejo maxilar del paciente, incluido el hueso basal maxilar, el hueso alveolar maxilar y la dentición maxilar.
  2. Importe los archivos CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) en el software Mimics.
    1. Cree un nuevo proyecto (Ctrl + N), seleccione todas las imágenes DICOM y haga clic en Siguiente y Convertir.
    2. Defina la dirección del modelo (A: anterior, P: posterior, T: superior, B: inferior, L: izquierda, R: derecha) y haga clic en Aceptar.
  3. Segmente la lima en complejo maxilar, primeros premolares maxilares y primeros molares maxilares.
    1. Haga clic en Umbral, seleccione un umbral adecuado para segmentar los huesos y haga clic en Aplicar.
    2. Cree nuevas máscaras y haga clic en Editar máscaras, utilizando Dibujar y borrar para segmentar el complejo maxilar, los primeros premolares maxilares y los primeros molares maxilares del paciente.
  4. Exporte los objetivos como archivos de estereolitografía (STL).
    1. Haga clic con el botón derecho en las máscaras y seleccione Calcular 3D para generar objetos 3D.
    2. Haga clic con el botón derecho en los objetos 3D, seleccione STL+, elija los objetos solicitados y presione Agregar y finalizar para crear archivos STL.

2. Alisado de la superficie y creación de hueso esponjoso y espacio del ligamento periodontal

  1. Importe los archivos STL en el software Geomagic.
    1. Haga clic en Archivo > Abrir, seleccione los archivos STL y, a continuación, pulse Abrir.
    2. Seleccione Milímetros para los datos de la ventana emergente Unidades y haga clic en Aceptar.
  2. Alisar la superficie del complejo maxilar, los primeros premolares maxilares y los primeros molares maxilares.
    1. Haga clic en Polígonos > Eliminar picos, haga clic y arrastre el nivel de suavizado cerca de Bajo, haga clic en Aplicar y Aceptar.
    2. Haga clic en Polígonos > Relajar polígonos, haga clic y arrastre el nivel de suavizado cerca de Mín., haga clic en Aplicar y en Aceptar.
    3. Haga clic en Polígonos > Reparar intersecciones, elija Relajar/Limpiar en la ventana Modo , haga clic en Aplicar y en Aceptar.
  3. Modifique la superficie del modelo en una región continua y cerrada.
    1. Haga clic y arrastre la superficie nítida y presione Suprimir para crear un agujero.
    2. Haga clic en Polígonos > Rellenar agujeros, utilice Relleno, Rellenar parcialmente, Crear puentes en la ventana Método de relleno para rellenar los agujeros, haga clic en Aplicar y en Aceptar.
  4. Convierta la superficie 2D en un modelo sólido 3D y expórtelo como un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD).
    1. Haga clic en Editar > Fase > Fase de forma, seleccione Editar curvas de nivel para crear un boceto de las curvas de nivel de la superficie y, a continuación, haga clic en Aceptar.
    2. Haga clic en Dibujar diseño de parche y dibuje mallas cuadriláteras para cubrir todas las superficies y, a continuación, haga clic en Aceptar.
    3. Haga clic en Construir cuadrículas, defina una resolución adecuada y haga clic en Aceptar para generar una malla más fina.
    4. Haga clic en Ajustar superficies, haga clic en Aplicar y en Aceptar para construir un modelo sólido 3D.
    5. Haga clic en Archivo > Guardar como para exportar el modelo 3D y guardarlo en un archivo IGES (llamado Maxilla).
  5. Cree el hueso esponjoso reduciendo el volumen del complejo maxilar en 1 mm de la superficie alveolar bucal. Crea espacio de ligamento periodontal expandiendo el contorno de las raíces en 0,2 mm.
    1. Haga clic en Fase de polígono, elija Eliminar en la ventana Curvas de nivel , seleccione Conservar en la ventana Diseño de parche y, a continuación, pulse OK para convertir el modelo sólido 3D en una superficie 2D.
    2. Haga clic en Polígonos > Desplazamiento, introduzca -1 mm y 0,2 mm en el panel Distancia para el hueso esponjoso y el ligamento periodontal y, a continuación, haga clic en Aplicar y Aceptar.
    3. Haga clic en Editar > Fase > Fase de forma, seleccione Restaurar diseño de parche y pulse Aceptar.
    4. Haga clic en Construir cuadrículas, defina una resolución adecuada y haga clic en Aceptar para generar una malla más fina.
    5. Haga clic en Ajustar superficies, haga clic en Aplicar y en Aceptar para construir un modelo sólido 3D.
    6. Haga clic en Archivo > Guardar como para exportar el modelo 3D y guardarlo en archivos IGES (denominados CB y PL).

3. Construir un modelo anatómico simétrico del maxilar

  1. Importe los archivos CAD en SolidWorks.
    1. Haga clic en Archivo > Abrir, seleccione el archivo Maxilar y presione Abrir para importar el archivo CAD.
    2. Haga clic en Archivo > Guardar para guardar el archivo en el formato de pieza .
  2. Construye el hueso esponjoso por debajo del plano palatino (PP).
    1. Haga clic en Insertar > pieza, seleccione el archivo CB y pulse Abrir para importar el archivo CAD.
    2. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano palatal y haga clic en Aceptar para crear un plano de corte.
    3. Haga clic en Insertar > operaciones > Dividir, elija el plano palatal en Herramientas de recorte y haga clic en Cortar pieza para crear una vista preliminar de corte.
    4. Marque las casillas de verificación en los Cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar el hueso esponjoso.
    5. Haga clic en el hueso esponjoso sobre el plano palatino, haga clic con el botón derecho y presione Eliminar en la sección Cuerpo .
  3. Construir el ligamento periodontal de los primeros premolares maxilares y primeros molares maxilares.
    1. Haga clic en Insertar > pieza, seleccione el archivo PL y pulse Abrir para importar el archivo CAD.
    2. Haga clic en Insertar > entidades > intersección y elija Maxilar y PL en la ventana Selecciones .
    3. Seleccione Crear ambos en la ventana Selecciones , elija la parte del ligamento periodontal en la Lista de regiones y, a continuación, haga clic en Aceptar para generar el ligamento.
  4. Realice un plano de corte mediopalatino desde la espina nasal anterior (SNA) hasta la espina nasal posterior (SNP) y conserve la mitad derecha del complejo maxilar.
    1. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano mediopalatal y haga clic en Aceptar para crear un plano de corte.
    2. Haga clic en Insertar > operaciones > Dividir, elija el plano palatal en Herramientas de recorte y haga clic en Cortar pieza para crear una vista preliminar de corte.
    3. Marque las casillas de verificación en los Cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar el complejo maxilar.
    4. Haga clic en la mitad izquierda del complejo maxilar, haga clic con el botón derecho y presione Eliminar en la sección Cuerpo .
  5. Refleja la mitad derecha del complejo maxilar y crea una mitad izquierda idéntica.
    1. Haga clic en Insertar > patrón/simetría > simetría y elija el plano mediopalatal en Cara/plano simétrica.
    2. Elija todo el complejo semimaxilar derecho en Cuerpos para reflejar y haga clic en Aceptar para generar la mitad izquierda del complejo maxilar.

4. Cree un expansor Haas y una banda a los primeros premolares y primeros molares maxilares

  1. Construye la banda premolar y la banda molar.
    1. Haga clic en Insertar > pieza, seleccione el archivo PL y pulse Abrir para importar el archivo CAD.
    2. Haga clic en Insertar > Entidades > Dividir, elija los dientes en el archivo PL y establezca una Escala uniforme de 1,05. Haga clic en Aceptar para generar bandas de 0,5 mm de grosor.
    3. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano oclusal y haga clic en Aceptar para crear un plano de referencia.
    4. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija el plano oclusal y defina una distancia de desplazamiento de 1,5 mm. Haga clic en Aceptar para crear el primer plano de corte.
    5. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija el plano oclusal y defina una distancia de desfase de 4,0 mm. Haga clic en Aceptar para crear el segundo plano de corte.
    6. Haga clic en Insertar > operaciones > División y elija el primer y segundo plano en Herramientas de recorte y los dientes en Cuerpos de destino. Haga clic en Cortar cuerpos para crear una vista preliminar de corte.
    7. Marque las casillas de verificación en los cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar los dientes.
    8. Haga clic en la banda situada encima del primer plano y debajo del segundo plano, haga clic con el botón derecho y pulse Suprimir en la sección Cuerpo .
  2. Construye la placa acrílica.
    1. Haga clic en Insertar > plano de > geometría de referencia, elija tres puntos característicos en el plano del paladar duro y haga clic en Aceptar para crear un plano de boceto.
    2. Haga clic en Insertar boceto >, dibuje una placa acrílica, consulte el expansor de Haas y haga clic en Salir boceto.
    3. Haga clic en Insertar > saliente/base > Extrusión, elija el boceto de la placa acrílica, establezca 5 mm de profundidad y haga clic en Aceptar.
    4. Haga clic en Insertar > características > Flex y doble la placa acrílica para que se ajuste a la anatomía del paladar.
    5. Haga clic en Insertar > operaciones > empalme/redondeo y filete los bordes afilados de la placa acrílica en un radio de 1 mm.
  3. Construye los brazos expansores.
    1. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos de la banda y haga clic en Aceptar para crear un plano de boceto (denominado P1).
    2. Haga clic en Insertar boceto >, dibuje un círculo de 2 mm de diámetro y haga clic en Salir boceto (denominado C1).
    3. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en la placa acrílica y haga clic en Aceptar para crear un plano de boceto (denominado P2).
    4. Haga clic en Insertar boceto >, dibuje un círculo de 2 mm de diámetro y haga clic en Salir boceto (denominado C2).
    5. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija el plano P2 y defina una distancia de desfase de 6 mm. Haga clic en Aceptar en un plano de boceto.
    6. Haga clic en Insertar > boceto, dibuje un círculo de 2 mm de diámetro y haga clic en Salir del boceto (denominado C3).
    7. Haga clic en Insertar > saliente/base > Loft y elija el boceto C1, C2 y C3 en la ventana Perfiles .
    8. Seleccione la banda y la placa acrílica en la ventana Ámbito de entidad , marque Resultado de la combinación en la ventana Opciones y haga clic en Aceptar.

5. Diseña la osteotomía

  1. Cree un plano de 1 mm de espesor, equivalente al diámetro de una fresa utilizada habitualmente por el cirujano, desde la esquina de la abertura piriforme (Alar) hacia la cresta infracigomática (IZC) a varios grados del plano horizontal.
    1. Haga clic en Insertar > geometría de referencia > plano, elija tres puntos característicos en el plano de osteotomía (0°, 10°, 20° o 30° con respecto al plano horizontal) y haga clic en Aceptar para crear el plano (denominado O1).
    2. Haga clic en Insertar > plano de > geometría de referencia, elija el plano de osteotomía y establezca una distancia de desplazamiento de 1,0 mm. Haga clic en Aceptar para crear un plano de corte inferior (denominado O2).
    3. Haga clic en Insertar > operaciones > Dividir, elija el plano O1 y O2 en Herramientas de recorte y haga clic en Cortar parte para crear una vista preliminar de corte.
    4. Marque las casillas de verificación en los Cuerpos resultantes y haga clic en Aceptar para separar el complejo maxilar.
    5. Haga clic en el cuerpo entre los planos O1 y O2, haga clic con el botón derecho y presione Eliminar en la sección Cuerpo .
  2. Exporte modelos con diferentes ángulos de osteotomía bucal en Parasolid Model Part File (X_T) para su análisis.
    1. Haga clic en Archivo > Guardar como y elija Parasolid (x_t) en la lista Tipo de archivo .
    2. Haga clic en Guardar para exportar los modelos para el software de análisis de elementos finitos.

6. Análisis de elementos finitos

  1. Importe y configure los parámetros de material del modelo complejo maxilar en el software Ansys.
    1. Haga clic y arrastre la estructura estática en la caja de herramientas para crear un espacio de trabajo de análisis.
    2. Haga doble clic en los datos de ingeniería y establezca el módulo de Young y la relación de Poisson de todos los materiales en Propiedades. Las propiedades de los materiales de las diferentes estructuras12,15,16 se enumeran en la Tabla 1.
    3. Haga doble clic en Geometría, haga clic en Archivo > Importar archivo de geometría externo y, a continuación, haga clic en Generar para importar el modelo complejo maxilar.
    4. Haga clic en Crear > booleano y genere el hueso cortical y el ligamento periodontal mediante un booleano con el hueso esponjoso y los dientes.
  2. Configure el modelo de análisis de elementos finitos.
    1. Haga doble clic en el modelo y, a continuación, haga clic en Geometría para seleccionar las propiedades del material para cada pieza.
    2. Haga clic con el botón derecho en Malla y haga clic en Generar malla para crear los elementos en el modelo.
    3. Haga clic en Conexiones y asigne la parte blanda/pequeña en Cuerpos de contacto y la parte rígida/grande en Cuerpos de destino.
    4. Asigne el tipo de contacto y el coeficiente de fricción en Definición. Las propiedades de conexión de las diferentes partes17 se enumeran en la Tabla 2.
    5. Haga clic con el botón derecho en Conexiones, haga clic en Insertar > resorte para conectar las partes superior e inferior del plano de osteotomía. Ajuste los resortes a 1 mm de largo con una constante de resorte k = 60 N / mm y coloque un resorte en cada nodo de la rejilla.
  3. Establezca una fuerza clínicamente aceptable a lo largo del eje x (perpendicular a la línea media) en la placa acrílica en varias combinaciones de osteotomías.
    1. Haga clic con el botón derecho en Estructural estático, haga clic en Insertar > soporte fijo y establezca la estructura en el plano palatal inamovible.
    2. Haga clic con el botón derecho en Estructura estática, haga clic en Insertar fuerza > y establezca una fuerza de 150 N para aplicar en la placa acrílica con una dirección alejada de la línea medial.
    3. Haga clic con el botón derecho en Solución y, a continuación, haga clic en Insertar > deformación > Total para supervisar la deformación de la expansión.
  4. Realice una prueba de convergencia hasta que se logren expansiones en ambos lados.
    1. Haga clic en Resolver en las barras de herramientas y espere hasta que el nivel de Forzar convergencia alcance el Criterio de fuerza.
    2. Haga clic en Deformación total para mostrar los resultados de la expansión.
  5. Mida los desplazamientos de los puntos de referencia anatómicos en las tres dimensiones como resultado de la expansión. Sugiera los siguientes puntos de referencia que se utilizarán para evaluar el patrón de expansión:
    Ángulo de la línea mesioincisal del incisivo central maxilar (U1).
    Punta de la cúspide bucal del primer premolar maxilar (U4).
    Punta de la cúspide mesiobucal del primer molar maxilar (U6).
    Esquina lateroinferior de la abertura piriforme (Alar).
    Cresta infracigomática (IZC).
    Punto medio del expansor.

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Representative Results

El modelo de demostración utilizó la imagen CBCT de una mujer de 47 años con deficiencia maxilar. En el modelo generado, se conserva la estructura anatómica de la cavidad nasal, el seno maxilar y el espacio del ligamento periodontal para los dientes anclados al expansor (primer premolar y primer molar) (Figura 1).

Para simular el procedimiento quirúrgico con precisión, el tabique nasal, las paredes laterales de la cavidad nasal y la fisura pterigomaxilar se separaron del cuerpo maxilar en todas las simulaciones. Además, se creó un plano, que representa la osteotomía bucal durante la cirugía, con un espesor de 1 mm. El plano partía de la esquina de la abertura piriforme (Alar) y se extendía posteriormente hasta la fisura pterigomaxilar (PMF) (Figura 2A-D).

Se realizó una prueba preliminar en el modelo con cortes simétricos de cero grados tanto en el lado izquierdo como en el derecho (Figura 2E), que mostró que 150 N de fuerza dieron como resultado más de 8 mm de expansión en el expansor (Figura 2F), superando la cantidad de expansión observada en la mayoría de la literatura. Este resultado se consideró apropiado ya que se encuentra dentro del rango de expansión que se necesita con mayor frecuencia para los pacientes con SARPE. Además, se puede construir una variedad de ángulos en la osteotomía para imitar diferentes condiciones clínicas (Figura 3).

A diferencia de la mayoría de los estudios de elementos finitos que se centraron en el estrés de von Mises y su relación con la fractura o el rendimiento del material, el modelo actual se llevó a cabo para ayudar a los médicos a prever la cantidad y el patrón de expansión después de SARPE. Por lo tanto, el cambio en los hemimaxilares izquierdo y derecho podría visualizarse directamente mediante el mapa de colores (que representa la cantidad de movimiento total en 3D) y la superposición de los modelos maxilares anteriores (grises) y posteriores a la expansión (color) (Figura 2E). Además, el desplazamiento de los puntos de referencia anatómicos (como se menciona en el paso 6.5.) en las tres dimensiones fue el resultado objetivo que se analizó más a fondo (Figura 2F).

Figure 1
Figura 1: El modelo construido conservando la estructura anatómica. (A,B) Las vistas frontal (A) y oclusal (B) del modelo construido. (C,D) La sección coronal del modelo construido a nivel del primer premolar maxilar (C), que representa la estructura anatómica observada en el CBCT en el mismo portaobjetos coronal (D). (E,F) La sección coronal del modelo construido a nivel del primer molar maxilar (E), que representa la estructura anatómica observada en el CBCT en el mismo portaobjetos coronal (F). Tenga en cuenta la preservación de la cavidad nasal, el seno maxilar y el espacio del ligamento periodontal para los dientes de anclaje del expansor (primer premolar y primer molar) en el modelo construido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Simulación de la expansión maxilar con cortes simétricos de osteotomía LeFort I de cero grados en ambos lados. (A-D) Las vistas frontal (A), posterior (B), derecha (C) e izquierda (D) del modelo construido con cortes de osteotomía LeFort I de cero grados en ambos lados. (E) La expansión observada en la vista oclusal del modelo después de la aplicación de la fuerza de 150 N. El mapa de colores muestra la cantidad total de desplazamiento (en milímetros) en 3D. Además, se podría realizar la superposición de modelos maxilares antes (gris) y posteriores a la expansión (color). (F) Podría generarse el desplazamiento de los puntos de referencia anatómicos (como se menciona en el paso 6.5 y se muestra en la Figura 1) en las tres dimensiones. Eje X: dimensión horizontal; Un valor positivo significa movimiento lateral y un valor negativo significa movimiento medial. Eje Y: dimensión sagital; Un valor positivo significa movimiento anterior y un valor negativo significa movimiento posterior. Eje Z: dimensión vertical; Un valor positivo significa un movimiento inferior y un valor negativo significa un movimiento superior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Osteotomías en diferentes ángulos en el modelo actual. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Estructura Módulo de Young (MPa) Ratio de Poisson
Hueso cortical 1.37 × 104 0.3
Hueso esponjoso 1.37 × 103 0.3
Premolares y molares 2.60 × 104 0.3
Ligamento periodontal 5.00 × 101 0.49
Acero inoxidable (expansor) 2.10 × 105 0.35

Tabla 1: Los parámetros del material para cada estructura.

Tipo Contacto/Objetivo
Garantizado (1) Hueso esponjoso/Hueso cortical
(2) Molar y Premolar/Expansor
(3) Ligamento periodontal/molar y premolar
Fricción (coeficiente de fricción [μ] = 0,2) (1) Cortical/Cortical superior
(2) Hueso cortical/molar y premolar
Fricción (coeficiente de fricción [μ] = 0,1) (1) Tabique cortical/nasal
(2) Ligamento periodontal/hueso cortical
(3) Ligamento periodontal/Hueso esponjoso
Áspero (1) Hueso cortical/expansor
(2) Hueso esponjoso/Expansor

Tabla 2: Los tipos de conexión de cada estructura.

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Discussion

La dirección de la osteotomía bucal en la SARPE puede ser un corte horizontal desde la abertura nasal antes de descender en el área del contrafuerte maxilar o un corte en rampa desde el borde piriforme hacia el contrafuerte correspondiente al primer molar maxilar, como lo describe Betts2. De cualquier manera, la osteotomía se extiende muy por debajo de la apófisis cigomática del maxilar. Sin embargo, la mayoría de los estudios actuales de FEA sobre SARPE utilizan un corte horizontal que se extiende posteriormente al mismo nivel que el borde piriforme 6,7,12,14. Esto se desvía de lo que se suele realizar clínicamente y cambia las condiciones en la FEA, como el centro de masa de los hemimaxilares y la dirección y zona de contacto de la osteotomía. Dado que la fuerza de expansión no siempre viaja a través del centro de masa, es probable que se produzca una rotación en los hemimaxilares durante la FEA. Sin embargo, en el escenario clínico, puede ocurrir una colisión en la línea de osteotomía y el centro de rotación resultante puede cambiar posteriormente. Por lo tanto, para obtener un resultado clínicamente aplicable, es imperativo que la osteotomía en FEA imite el patrón de cirugía que se realiza en la vida real. El modelo introducido en el presente estudio permite a los investigadores construir la osteotomía en diferentes ángulos (Figura 3) para representar fielmente lo que se hace clínicamente.

La diferencia fundamental entre este estudio y la literatura previa es que, en lugar de permitir que las dos superficies de la osteotomía entraran en contacto con fricción cero, el modelo actual introdujo una modificación al incluir el grosor en el plano de la osteotomía, lo que comúnmente se pasa por alto en la literatura actual 6,7,8,10,11,12 . Investigaciones previas no han tenido en cuenta el hueco formado por una sierra piezoeléctrica o una fresa quirúrgica durante la osteotomía, un descuido crítico ya que afecta a la libertad de los hemimaxilares, así como al giro o rotación de los hemimaxilares en caso de colisión ósea. Además, no tiene en cuenta los posibles efectos de resistencia o amortiguación que pueden surgir de la formación de callos óseos o tejido osteoide durante la cicatrización inicial18. El diseño introducido en el presente estudio aborda este problema mediante la introducción de un espacio de 1 mm de espesor entre el cráneo y los hemimaxilares para reflejar el ancho de la fresa quirúrgica utilizada en el instituto de los autores. Para simular aún más las fuerzas del tejido cicatrizante de la herida, se implementaron resortes (1 mm de largo, constante de resorte k = 60 N/mm) para unir y suspender los hemimaxilares en los ganglios de la rejilla, así como para simular la resistencia de los tejidos blandos en el espacio de osteotomía, aplicando así compresión y tensión durante la expansión. Este enfoque ofrece ventajas significativas en la generación de un modelo de FEA clínicamente relevante. Vale la pena señalar que el espesor del espacio debe ajustarse en función de los instrumentos quirúrgicos utilizados cuando futuros grupos de investigación planeen adoptar este modelo para el análisis de datos. El diseño de los muelles también deberá ajustarse en consecuencia.

Por último, casi todos los estudios de FEA disponibles sobre SARPE adolecen de una activación insuficiente en el expansor. La SARPE se realiza casi siempre en pacientes que requieren al menos 5 mm de expansión maxilar2. El patrón de expansión, que puede verse afectado por la colisión en el sitio de la osteotomía, depende de la cantidad de activación en el expansor. La expansión de 1 mm en la mayoría de los estudios de FEA 6,8,9,11,12, que resulta en solo 0,5 mm de desplazamiento transversal en cada lado, es insuficiente para representar clínicamente los efectos de mayores cantidades de activación. Para superar esta limitación, se realizó una prueba preliminar para determinar una fuerza que expandiera adecuadamente los hemimaxilares en un modelo simétrico, con la fuerza resultante cayendo en el rango de los niveles de fuerza clínica de los expansores maxilares rápidos19, lo que demostró aún más la relevancia clínica de este modelo. Esta fuerza se utilizó para la activación en todos los subconjuntos posteriores, lo que proporcionó una gran información sobre la expansión clínica del maxilar durante la SARPE.

Existen limitaciones inherentes a este estudio que deben ser reconocidas. La principal limitación es la ausencia de resistencia de los tejidos blandos circundantes. Estos incluían la resistencia del área faríngea, el paladar estirado y la presión de la mejilla y el labio. No se debe ignorar la resistencia en el tejido blando posterior. Clínicamente, se observa típicamente un patrón de expansión en forma de abanico, incluso en pacientes que se sometieron a liberación de fisuras pterigomaxilares, lo que indica una fuerte resistencia posterior de los tejidos blandos20. Sin embargo, considerar la resistencia de los tejidos blandos en un análisis de elementos finitos es difícil, ya que la resistencia cambia a medida que los tejidos se deforman durante la expansión activa21. Otra limitación era la falta de un tornillo de elevación en el expansor. La barra metálica rígida en el tornillo de elevación une los dos hemimaxilares en una unidad, lo que podría disminuir la libertad de rotación de los hemimaxilares. Por último, pero no menos importante, nuestro diseño puede no estar indicado en algunos casos especiales, como pacientes con paladar hendido u otras deformidades craneofaciales que causan una asimetría maxilar significativa o cualquier enfermedad sistémica que pueda afectar el módulo de Young del hueso del paciente.

Sin embargo, los métodos presentados en este estudio introdujeron varias modificaciones, incluyendo mejoras en la angulación de la osteotomía bucal, el espacio en el sitio de la osteotomía, que refleja el grosor del instrumento quirúrgico, y la cantidad de activación en el expansor, lo que podría producir un conjunto de modelos FEA clínicamente más relevantes que se asemejan mucho a los procedimientos quirúrgicos de SARPE.

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Disclosures

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

Acknowledgments

Este estudio fue apoyado por la Fundación de la Asociación Americana de Ortodoncistas (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (para C.L.), la American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (para C.L.), el Premio Joseph y Josephine Rabinowitz a la Excelencia en Investigación de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Pensilvania (para C.L.), la Beca Piloto J. Henry O'Hern Jr. del Departamento de Ortodoncia, Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Pensilvania (para C.L.), y la Beca de Investigación Joven de la Fundación Internacional de Ortodoncia (para C.L.).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ansys Ansys Version 2019 Ansys is a software for finite element analysis that can solve complicated models based on differential equations. The expansion results of different buccal osteotomy angles were analyzed through this software.
Geomagic Studio 3D Systems Version 10 Geomagic Studio is a software for reverse engineering that can generate digital models based on physical scanning points. This study built cancellous bone and periodontal ligaments through this software.
Mimics Materialise Version 16 Mimics is a medical 3D image-based engineering software that efficiently converts CT images to a 3D model. This study reconstructed a maxilla complex through the patient's DICOM images.
SolidWorks Dassault Systèmes Version 2018 SolidWorks is a computer-aided design software for designers and engineers to create 3D models. A Haas expander was designed and drawn through this software in this study.

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References

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Modelo de Análisis de Elementos Finitos Evaluación de Patrones de Expansión Expansión Palatina Rápida Asistida Quirúrgicamente SARPE Expansión Asimétrica Segunda Cirugía Etiologías Evaluación del Estrés Estructuras Maxilofaciales Sitios de Osteotomía LeFort I Distribución de Fuerzas Nuevo Modelo de Elementos Finitos Activación del Expansor Patrones de Expansión Hemimaxilares Modelo Tridimensional de Cráneo Tomografía Computarizada de Haz Cónico (CBCT) Software de Imitación Software Geomagic
Modelo de Análisis de Elementos Finitos para Evaluar los Patrones de Expansión a partir de la Expansión Palatina Rápida Asistida Quirúrgicamente
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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).

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