Waiting
Login processing...

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

Biology

גישה אלמנט סופי לאיתור מרכז העמידות של שיניים מקסלסת

Published: April 8, 2020 doi: 10.3791/60746
Automatic Translation
1, 2, 1, 3, 3,4, 1
1Division of Orthodontics, University of Connecticut Health, 2Private Practice, Miami, FL, 3Department of Biomedical Engineering, University of Connecticut, 4Department of Mechanical Engineering, University of Connecticut

Summary

מחקר זה מתאר את הכלים הדרושים לניצול מינון נמוך שלושה מימדים מבוססי קרן חרוט תמונות החולה של לסת ואת השיניים מקסימום כדי להשיג מודלים של אלמנט סופי. מודלים אלה מטופלים משמשים אז כדי לאתר במדויק את ה-C RES של כל השיניים הלסתהגבוהה .

Abstract

מרכז ההתנגדות (CRES) נחשב לנקודת ההתייחסות הבסיסית לתנועת שיניים צפויה. השיטות ששימשו להערכת טווחהשיניים משמשות ממדידות רדיוגרפיות ופיזיות מסורתיות לניתוח מחוץ לתחום של דגמים או דגימות גופה. טכניקות הקשורות ניתוח האלמנט הסופי של סריקות מיקרו-CT במינון גבוה של מודלים ושיניים בודדות הראו הרבה הבטחה, אבל מעט נעשה עם חדש, במינון נמוך, וברזולוציה נמוכה קרן קונוס מחושב ממוחשבת (CBCT) תמונות. כמו כן, את CRES עבור רק כמה שיניים בחירה (כלומר, חותכת מרכזית הלסת המרכזית, כלבים, ו טוחנת הראשונה) תוארו; את השאר התעלמו במידה רבה. יש גם צורך לתאר את המתודולוגיה של קביעת הפרטים CRES בפירוט, כך שיהיה קל לשכפל ולבנות על.

מחקר זה השתמש בתמונות החולה CBCT שגרתית לפיתוח כלים וזרימת עבודה כדי להשיג מודלים של אלמנט סופי לאיתורמדרס C של שיניים מקסימום. The CBCT תמונות הנפח היו מניפולציות כדי לחלץ תלת מימדי (3D) מבנים ביולוגיים רלוונטיים בקביעת CRES של שיניים מקסימום הלסת על ידי פילוח. האובייקטים מקוטע נוקו והומרו שינוי וירטואלי מורכב משולשים (tet4) בעל אורך קצה מירבי של 1 מ"מ עם תוכנה 3matic. המודלים הומרו עוד לרשת נפחי מוצק של הטטרהדרוונים עם אורך קצה מירבי של 1 מ"מ לשימוש בניתוח אלמנט סופי. התוכנה ההנדסית, Abaqus, שימש לעבד מראש את המודלים כדי ליצור הרכבה ולהגדיר מאפייני חומרים, האינטראקציה תנאים, תנאי גבול, ולטעון יישומים. העומסים, כאשר מנותח, מדומה הלחצים והזנים על המערכת, סיוע באיתורבמילC. מחקר זה הוא הצעד הראשון בחיזוי מדויק של תנועת השן.

Introduction

מרכז ההתנגדות (CRES) של שן או קטע של שיניים הוא מקביל למרכז המסה של גוף חופשי. זהו מונח שושאל מתחום המכניקה של גופים נוקשים. כאשר מוחל כוח בודד ב-CRES, תרגום השן לכיוון קו הפעולה של הכוח מתרחש1,2. המיקום של CRES תלוי לא רק על האנטומיה של השן ותכונות אלא גם על סביבתו (למשל, ברצועה חניכיים, העצם שמסביב, שיניים סמוכות). השן היא גוף מרוסן, מה שהופך את CRES שלה דומה למרכז מסה של גוף חופשי. בטיפול במכשירים, רוב האורתוקטורים מחשיבים את מערכת היחסים של וקטור הכוח ל-CRES של השן או לקבוצת שיניים. ואכן, האם האובייקט יציג מפנה או תנועה גופנית כאשר הוגשו לכוח יחיד נקבעת בעיקר על-ידי מיקום ה-Cres של האובייקט והמרחק בין וקטור הכוח לבין ה-cres. אם זה ניתן לחזות במדויק, תוצאות הטיפול יהיה שיפור משמעותי. כך, הערכה מדויקת של CRES יכול מאוד לשפר את היעילות של תנועת שיניים אורתודונטית.

במשך עשורים, השדה האורתודונטי הגיע לידי ביקור מחקר בנוגע למיקוםהג של שן נתונה, קטע, או קשת1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. עם זאת, מחקרים אלה הוגבלה בגישתם במובנים רבים. רוב המחקרים קבעו אתמגרש ה-C עבור כמה שיניים בלבד, ומשאירים את הרוב. לדוגמה, החותכת המרכזית של הלסת הראשית ופלח חותכת הלסת הראשי הוערכו באופן נרחב למדי. מצד שני, יש רק כמה מחקרים על הכלב הלסת הטוחנת הראשונה ושום דבר עבור השיניים הנותרות. כמו כן, רבים ממחקרים אלה קבעו את המיקום של CRES מבוסס על נתונים אנטומיים גנרי לשיניים, מדידות דו מימדי (2d) צילומי רנטגן, חישובים על ציורים 2d8. בנוסף, חלק מהספרות הנוכחית משתמשת במודלים כלליים או בסריקות תלת-ממדיות (3d) של דגמי שיניים במקום בנתונים אנושיים4,8. כמו אורתודונטיה משתנה לתוך טכנולוגיית תלת-ממד לתכנון תנועת השן, זה חיוני לחזור על קונספט זה כדי לפתח 3D, הבנה מדעית של תנועת השן.

עם החידושים הטכנולוגיים וכתוצאה מכך יכולת חישוב מוגברת ויכולות מידול, היכולת ליצור וללמוד דגמים מורכבים יותר גדל. המבוא של סריקת טומוגרפיה ממוחשבת ו קונוס מחושב קרן (CBCT) סריקה יש מודלים דחף חישובים מהעולם 2D לתוך 3D. מגדילה סימולטני בכוח המחשוב ומורכבות התוכנה הרשו לחוקרים להשתמש רדיוגרפים 3d כדי לחלץ מודלים אנטומיים מדויקים לשימוש בתוכנה מתקדמת כדי פלח את השיניים, עצם, ברצועה חניכיים (PDL), ומבנים אחרים שונים7,8,9,10,13,14,15. ניתן להמיר מבנים מקוטעת אלה לרשת שינוי וירטואלית לשימוש בתוכנות הנדסיות כדי לחשב את תגובת המערכת כאשר מוחל עליו כוח או תזוזה מסוימים.

מחקר זה מציע מתודולוגיה מסוימת, הניתנת לשכפול, אשר ניתן ליישם כדי לבחון מערכות היפותטי כוח אורתודונטי מיושם על מודלים הנגזרים מתמונות CBCT של חולים חיים. ב ניצול מתודולוגיה זו, החוקרים יכולים אז להעריך את CRES של שיניים שונות ולקחת בחשבון את המבנה הביולוגי של מבני שיניים, כגון אנטומיה השן, מספר שורשים האוריינטציה שלהם בחלל 3d, התפלגות המוני, ומבנה של מצורפים חניכיים. מיתאר כללי של תהליך זה מוצג באיור 1. הדבר מכוון את הקורא לתהליך הלוגי המעורב ביצירת דגמי שיניים תלת-ממדיים לאיתור ה-CRES.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

פטור מוסדי של לוח סקירה התקבל עבור הערכת כרכים CBCT בארכיון החטיבה של אוראלי הרדיולוגיה הפנים מקסימום (IRB No. 17-071S-2).

1. בחירת אמצעי אחסון וקריטריונים

  1. לרכוש תמונה CBCT של הראש והפנים16.
  2. בדוק את התמונה ליישור השן, שיניים חסרות, גודל voxel, שדה תצוגה ואיכות כוללת של התמונה.
  3. ודא שהגודל voxel אינו גדול מ-350 יקרומטר (0.35 מ"מ).

2. פילוח של השיניים והעצמות

  1. טען את קובצי DICOM הגולמיים של תמונת CBCT לתוכנת מחקה לצורך פילוח (איור 2). לחץ על תמונה ≫ פרוייקט חיתוך. חתוך את התמונה כדי לכלול רק את השיניים לסת והלסת המקדימה.
    הערה: שדה התצוגה צריך להיות גדול דיו כדי ללכוד את לסת ואת השיניים הלסת הגדולה. ודאו שהתמונה כוללת את כתרי השן, את החיך הקשה עד לרצפת האף, הסינוסים של הלסת התחתית, משטחי הפנים של השיניים הלסת המקדימה, ואת היקף האחורי של החך הקשה והלסת של מקסימום.
  2. לחץ לחיצה ימנית על הלשונית של המסיכה וצור מסכה חדשה עבור התמונה. שינוי שם המסיכה כ-UL1, UL2, UL7 עבור הצד השמאלי וUR1, UR2,..., UR7 עבור הצד הימני, בהתבסס על שן הריבית.
  3. זיהוי שן העניין בתמונת CBCT עם המסיכה (ראה תצוגות). השתמשו בכלי ' ניקוי מסיכה ' למחיקת המסיכה. ייתכן שהתוכנה אינה מסוגלת להבדיל בין השיניים והעצם מכיוון שהערכים האפורים של השניים דומים.
    הערה: הכלי סף ב-מחקה אינו מסוגל לפלח את השיניים ואת העצם בנפרד. לכן, נדרשת שיטה שונה לפילוח.
  4. לחצו על הכלי ' עריכת פרוסה מרובה ' (Ctrl + M). בחר את התצוגה (צירית, קורונליתאו משונן). סמן באופן ידני (כלומר, צייר) חלק מהפרוסות כפי שנחשבות לנחוצות.
    הערה: סימון פרוסות נוספות מוסיפה פירוט רב יותר למבנה.
  5. לחץ על הכלי אינטרפולציה כדי למלא את אמצעי האחסון עבור הפרוסות שהמערכת דילגה עליהן ולהחיל.
  6. צור את אמצעי האחסון התלת-ממדי של השן על-ידי לחיצה ימנית על המסיכה ובחירת האפשרות לחישוב אמצעי האחסון התלת-ממדי.
  7. חזור על שלבים 2.2-2.6 עבור כל שן של קשת מקסימום הלסת.
  8. בחר את כל השיניים הUL7 בעלת הלסת התלת-ממדית, הUR7. לחץ לחיצה ימנית כדי לבחור החלקה. הגדר את פקטור ההחלקה על 0.4 ואיטראציות על 4.
  9. לפלח עצמות הלסת הימנית לחצו על הלשונית למסיכה. צרו מסיכה חדשה לתמונה.
  10. מהתפריט הנפתח לערכות סף מוגדרות מראש, בחרו ' מותאם אישית'. כוונן את ערך הסף כך שיכלול את עצם הלסת המלאה השלמה. הקפד לבדוק את התיבה חורי מילוי לפני החלת הסף.
    הערה: חורים קטנים של ≤ 1 מ"מ בעצם הקורטיקלית מקובלים, כי הם יכולים להיות מוסרים בקלות בשלבים מאוחרים יותר.
  11. לחצו על כלי הגדילה של האזור הדינמי כדי למלא את החורים הגדולים הגלויים במסיכה. בחרו במסיכת עצם הלסת החדשה כיעד לכלי בנוסף לבחירת התיבה ' שכבה מרובת '. השתמש ב-50 עבור מינימום ו-150 עבור ערכי Max. הקישו על המקש Control תוך כדי לחיצה על האזורים בעצם קורטיקלית שלא היו מודגשים במסיכה.
  12. לחצו לחיצה ימנית על מסכת העצם הלסת השמאלית של הפונקציה ' מסיכה חלקה '. חזור על שלב זה 3 x לקבלת התוצאות הטובות ביותר.
  13. צור את אמצעי האחסון התלת-ממדי של לסת בלחיצה ימנית על המסיכה ובחירת האפשרות לחישוב אמצעי האחסון התלת-ממדי.
  14. בחרו בעצם הלסת התלת-ממדית. לחץ לחיצה ימנית כדי לבחור החלקה. הגדר את פקטור ההחלקה ל-~ 0.4 ואיטראציות על 4.
  15. בחרו בעצם הלסת התלת-ממדית ולחצו לחיצה ימנית כדי לבחור ' גלישה'. הגדר 0.2 מ"מ לפרטים הקטנים ביותר ו -1 מ"מ עבור מרחק הסגירה של הפער. בדוק את האפשרות הגנה על קירות דקים . לחץ על אישור.
  16. שינוי שם העצם הלסת התלת-ממדית "לסת".

3. מנקה ומועך

  1. בחרו בעצמים התלת-ממדיים ובהעתקה (Ctrl + C).
  2. פתחו את התוכנה 3matic והדביקו (Ctrl + V) את העצמים התלת-ממדיים שנבחרו. הם יופיעו בעץ האובייקטים ובאזור העבודה של 3matic כמבנה תלת-ממדי (איור 3).
  3. לחצו על הכרטיסייה ' תיקון ' מסרגל הכלים והשתמשו באפשרות ' חלק '. תחת התיבה פעולות בחר את האובייקטים או היישויות התלת-ממדיים הרצויים והחילו את פרמטרי ברירת המחדל.
  4. לחצו על הכרטיסייה ' סיום ' מסרגל הכלים והשתמשו באפשרות ' החלקה מקומית '. תחת התיבה פעולות בחר את האובייקטים או היישויות התלת-ממדיים הרצויים. השתמש בסמן כדי להחליק באופן ידני את האזורים הרצויים.
  5. . שכפל את השיניים בעץ האובייקטים בחר את כל השיניים, לחץ לחיצה ימנית ובחר באפשרות שכפל.
  6. בחר את כל השיניים המשוכפלת, הקבוצה וששם התיקייה "קבוצה 1". הסט המקורי ישמש כשיניים האחרונות לניתוח.
  7. עבור השיניים המשוכפלת בקבוצה 1, לחץ על מודול העקומה והאפשרות צור עיקול . צייר באופן ידני עקומה סביב צומת cementoenamel (CEJ) עבור כל השיניים המשוכפלת.
  8. בחרו באפשרות ' עקומה ', ' מתאר' ו'גבול ' תחת ' עקומה חלקה '.
  9. הפרד את הכתר ואת משטחי השורש לתוך החלקים שלהם על-ידי בחירת האפשרות משטחים מפוצלים לפי עקומות ולחיצה שמאלית על האובייקט התלת-ממדי כדי לבחור.
  10. צור PDL ממבנה השורש של השן על ידי פיצול השן לשורש ולכתר ב CEJ.
    1. שכפל את העצמים התלת-ממדיים מקבוצה 1 (שנוצרו בשלב 3.6) כקבוצה 2. עבור קבוצה 2, בתיבה עץ האובייקט, לחץ על האובייקט. מרשימת פני השטח מוחקים את משטח הכתר. בצע שלב זה עבור כל האובייקטים בקבוצה 2.
    2. עבור קבוצה 2, לחץ על מודול העיצוב ≫ חלול. החל את הפרמטרים הרצויים (טבלה 1).
    3. לחץ על אשף התיקון ≫ תקן מודול. לחץ על חלקים בודדים, לעדכן, ובצע את הכיוונים הנתון.
    4. חזור על שלב 3.10.3 עבור כל החלקים. שנה את שם כל החלקים בקבוצה 2 כ-"UL1_PDL" ל-"UL7_PDL" ו-"UR1_PDL" ל-"UR7_PDL".
  11. בקבוצה 1, מהתיבה עץ אובייקט, לחץ על האובייקט. מרשימת פני השטח מוחקים את משטח השורש.
  12. בחרו ' מילוי חור רגיל ' ובחרו במתאר. לחץ על קונטור שגוי ולהחיל. . כל השטח יתמלא
  13. בחר את מודול העיצוב > היסט מקומי ובחר את כל משטח הכתר. בדוק את האפשרויות הבאות: כיוון (בחר חיצוני), מרחק היסט (בחר 0.5) ומרחק הפוחתת (בחר 2.0). החל.
  14. חזור על שלב 3.13.
  15. חזור על שלבים 3.11-3.14 עבור כל שן בקשת הלסת השנייה.
  16. שינוי מחדש (איור 3)
    1. לחץ על מודול Remesh ≫ צור הרכבה לא מסעפת ≫ ישות ראשית ≫ Maxilla מתוך עץ האובייקט. בחרו ישות מצטלבים לכל העצמים מ-3.4 (שיניים מקוריות) ובחרו ' החל'.
    2. לחץ על מודול Remesh. פצל את ההרכבה שאינה סעפת.
    3. חזור על שלבים 3.16.1-3.16.2 באמצעות ישות מצטלבים ככל האובייקטים מקבוצה 1 ויישם.
    4. כצעד אופציונלי, רק אם יש צורך בכך, בחר את מודול הסיום ≫ חתוך ≫ ישות ≫ Maxilla. בחר את המבנה העודף (כלומר, רעש) ויישם.
    5. לחץ על אשף התיקון ≫ תקן מודול ≫ Maxilla ≫ עדכן. בצע את ההוראות הניתנות.
    6. חזור על שלב 3.16.1 באמצעות ישות מצטלבים ככל האובייקטים מקבוצה 2 והחלה.
    7. לחץ על מודול remesh ≫ remesh מסתגלת. בחר את כל הישויות המצטלבים מ3.16.6 ויישם.
    8. לחץ על מודול Remesh > הרכבה ללא מניפולטת מפוצלת.
    9. לחץ על מודול Remesh ≫ יצירת הרכבה שאינה מניפולטת > הישות הראשית ≫ אובייקט בודד (PDL) מקבוצה 2 מתוך עץ האובייקט. בחר באפשרות ישות מצטלבים ≫ בחר אובייקט מתאים משלב 3.4 (המתאים לסוג השן זה) והחל.
    10. לחץ על מודול שינוי מחדש ≫ Remesh מסתגלת. בחר את הישות המצטלמאת 3.16.9 ויישם.
    11. לחץ על מודול Remesh > הרכבה מפוצלת ללא סעפת.
    12. חזור על שלבים 3.16.9-3.16.11 עבור כל שן.
  17. לחץ על מודול Remesh ≫ איכות שמירה על הפחתת משולשים. בעץ האובייקטים בחר את כל היישויות (כלומר, שיניים, PDLs ו-Maxilla) ויישם.
  18. לחץ על מודול שינוי מחדש ≫ צור רשת שינוי עוצמה ≫ בחר ישות. בחרו ' פרמטרי רשת שינוי'.
  19. חזור על שלב 3.18 עבור כל היישויות (כלומר, שיניים, PDLs ו-Maxilla).
  20. ייצוא ידני של קבצי הקלט (. inp) מ-3Matic ל-Abaqus (איור 4).

4. ניתוח האלמנט הסופי

הערה: כל הסקריפטים המותאמים אישית פיתון ניתן למצוא קבצים מצורפים משלימים. הם נוצרו באמצעות פונקציית מנהל המאקרו Abaqus.

  1. התקנת עיבוד מקדים
    1. פתח Abaqus ובחר מודל סטנדרטי. לחץ על קובץ > הגדר את ספריית העבודה ≫ בחר מיקום עבור אחסון קבצים.
    2. לחץ על קובץ > הפעלת Script ובחר Model_setup_Part1. py
    3. בספריה מודל ציין את נתיב הקובץ לטעינת קבצי inp ב-Abaqus.
    4. לחץ על מודלים ≫ סימולציה ≫ חלקים ≫ Maxilla > משטחים.
    5. ציין את שם המשטח בתיבת הדו "UL1 _socket".
    6. תחת בחר את אזור המשטח בחירה לפי זווית. הוסף את "15" כזווית.
    7. ודא שכל האזורים של השקע נבחרו. הלחיצה הסתיימה בעת השלמתו.
    8. חזור על שלבים 4.1.4-4.1.7 עבור השקעים הבודדים.
    9. לחץ על מודלים ≫ סימולציה ≫ חלקים. לאחר מכן בחר UL1 > משטחים. נקוב בשמו של פני השטח "UL1".
    10. תחת בחר את אזור המשטח הנבחר עבור "בנפרד". בחר את השן על המסך ולחץ בוצע.
    11. חזור על הצעדים 4.1.9-4.1.10 עבור כל השיניים.
    12. לחץ על מודלים ≫ סימולציה ≫ חלקים. לאחר מכן בחר UL1_PDL > משטחים. נקוב בשם המשטח "UL1_PDL_inner".
    13. תחת בחר את אזור המשטח בחירה לפי זווית. הוסף את "15" כזווית.
      הערה: אם נמצאה שגיאה במהלך ההדמיה הסופית, הפחת את הזווית ובחירה מחודש את פני השטח.
    14. ודא שכל אזור המשטח הפנימי של ה-PDL נבחר. הלחיצה הסתיימה בעת השלמתו.
    15. בחר UL1_PDL > משטחים. נקוב בשם המשטח "UL1_PDL_outer".
    16. תחת בחר את אזור המשטח בחירה לפי זווית. הוסף את "15" כזווית.
      הערה: אם נמצאה שגיאה במהלך ההדמיה הסופית, הפחת את הזווית ובחירה מחודש את פני השטח.
    17. ודא שכל אזור המשטח החיצוני של ה-PDL נבחר. הלחיצה הסתיימה בעת השלמתו.
    18. חזור על שלבים 4.1.13-4.1.19 עבור כל PDLs.
    19. לחץ על הקובץ > הפעלת Script ובחר Model_setup_Part2. py
    20. לחץ על מודלים ≫ סימולציה ≫ BCs. שם BC_allולאחר מכן בחר שלב כהתחלה. תחת קטגוריה, בחר "מכני", ותחת "סוגי שלב נבחר" בחר "הזחה/סיבוב". לחץ על המשך.
    21. תחת בחירת אזורים עבור תנאי הגבול בחר לפי זווית. הוסף את "15" כזווית. בדוק יצירת ערכה. בחר שקעים בודדים עבור 14 השיניים. . העיתונות הסתיימה
      הערה: זה עזר לדמות תנועת שיניים מיידית.
    22. לחץ על מודלים ≫ סימולציה > הרכבה ≫ סטים ≫ צור ערכה. ציין את שם הערכה "U1_y_force".
    23. בחירת הצמתים עבור הערכה בחר בנפרד.
      הערה: כוח אחד מרוכז של ניוטון הוחל על צומת השן שנבחר באופן אקראי בכיוון ה-Y החיובי (הדמיית כוח דיאליזציה) או בכיוון Z החיובי (הדמיית כוח פולשני).
    24. בחר צומת במרכז הכתר על משטח המשטח של החותכת המרכזי העליון (U1) והקש בוצע.
    25. לחץ על סטים ≫ יצירת ערכה. ציין את שם הערכה "U1_z_force".
    26. חזור על שלבים 4.1.23-4.1.24.
    27. חזור על הצעדים 4.1.22-4.1.26 עבור כל השיניים.
      הערה: לפני שקבוצה נוצרת עבור שן מסוימת כמו ב4.1.25, עבור למופע ≫ קורות חיים עבור השן הזאת.
  2. הגדרת מודל
    1. לחץ על מודלים ≫ סימולציה > הרכבה > מופעים. בחר את כל המופעים ולחץ על חדש.
    2. לחץ על כלים > שאילתה ≫ נקודת/צומת. בחר צומת במרכז החותכת המרכזית שנבחרה באופן אקראי ולחץ בוצע.
    3. תחת מרכז הפקודות בתחתית העמוד, העתק את הקואורדינטות X, Y ו-Z של הצומת שנבחר בשלב 4.2.2.
    4. תחת סרגל הכלים האנכי בחר באפשרות תרגם מופע ובחר את ההרכבה כולה (כלומר, כל המופעים) על המסך. . העיתונות הסתיימה
    5. בתיבה ' בחר נקודת התחלה ' עבור התיבת ' וקטור תרגום ', הדבק את הקואורדינטות המועתקות בשלב 4.2.3 או הזן את ערכי X, Y ו-Z. לחץ על Enter.
    6. תחת בחר נקודת קצה עבור וקטור תרגום או להזין X, Y, Z: הזן את הקואורדינטות "0.0", "0.0", ו "0.0". לחץ על Enter.
    7. למיקום של מופע, לחץ על אישור.
    8. לחץ על כלים > שאילתה ≫ נקודת/צומת ובחר צומת ישירות מעל קו האמצע של המרכז חותכות. . הכנס בוצע
    9. תחת מרכז הפקודות בתחתית העמוד, העתק את הקואורדינטות X, Y ו-Z של הצומת שנבחר בשלב 4.2.8.
    10. תחת סרגל הכלים האנכי בחר באפשרות תרגם מופע ובחר את ההרכבה כולה (כלומר, כל המופעים) על המסך. . הכנס בוצע
    11. הדבקת הקואורדינטות המועתקות בתיבה בחר נקודת התחלה עבור וקטור התרגום-או הזן X, Y, Z . לחץ על Enter.
    12. תחת בחר נקודת קצה עבור וקטור התרגום-או הזן X, Y, Z: הכנס את נקודות הציון כפי שהועתקו בשלב 4.2.9. שנה את קואורדינטת ה-X ל-0.0. לחץ על Enter.
    13. למיקום של מופע, לחץ על אישור.
    14. לחץ על הקובץ > הפעלת Script ובחר Model_setup_Part3. py. הוסף או שנה מאפייני חומרים.
    15. לחץ על מודלים ≫ סימולציה ≫ חומרים לחץ על עצם/PDL/שיניים. הוסף מאפיינים ספציפיים לרקמה.
    16. לחץ על הקובץ > הפעלת Script ובחר Functions.py.
  3. עיבוד המודל
    1. לחץ על הקובץ > הפעלת Script ובחר Job_submission. py.
      הערה: מודול המשימה הוא המקום שבו המשתמש מגדיר פעולה אחת או יותר במודל, ומנהל המשימות הוא המקום בו ניתוח מודל מופעל, ההתקדמות מוצגת והשלמה תצוין.
    2. בתיבת הדו שכותרתו ' העלם הכל', הזן את הצדדים (L או R) של השיניים המבוססות על אילוצים (תחת מודלים > ≫ אילוצי הדמיה). לחץ על אישור.
    3. בתיבת הדו שכותרתו ' שליחת משימה ' הזן ' Y ' כדי להפעיל את הניתוח עבור השן/שיניים שצוינו. לחץ על אישור.
    4. בתיבת הדו שכותרתו הנחיות לניתוח הזן "Y" כדי לציין את יישום הכוח. לחץ על אישור.
  4. פוסט עיבוד עבור שערוך במיל ג
    1. בחר באפשרות ' קובץ ' > הפעלת Script > Bulk_process. py.
    2. בתיבת הדו שכותרתו ניתוח משימות מרובות הזן "Y" עבור השן/שיניים שצוינו. לחץ על אישור.
    3. בתיבת הדו שכותרתו הנחיות לניתוח הזן "Y" לציון יישום הכוח. לחץ על אישור.
    4. בתיבת הדו שכותרתו קבל קלט הזן מספר שיניים ספציפי כפי שמתואר באמצעות מופעים (למשל, UL1 או UL5, וכו '). לחץ על אישור.
    5. בדוק את נקודות הציון של הכוח אודות נקודת ומיקום משוער בתיבת הפקודה. אם הם אינם דומים, חזור על שלבים 4.3.1-4.4.4.
      הערה: לאחר משימות עבור כל צעד הופעל, אלגוריתם מוגדר על-ידי המשתמש שנוצר פיתון הופעל בתוך ממשק Abaqus לנתח את מערכת כוח התגובה ורגעים שנוצרו בעקבות היישום טעינת. האלגוריתם מציע באופן אוטומטי מיקום צומת חדש כדי להחיל את העומס כזה שרגע של גודל קרוב לאפס נוצר בתוך מערכת הכוח. פעולה זו ממשיכה להיות בתהליך איטרטיבי, עד שמיקום הצומת היוצר רגע הקרוב ביותר לאפס כאשר מוחל עליו כוח, הוא נמצא או מוערך. האלגוריתם מתואר בפירוט בסעיף ' דיון '.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כדי לאמת פילוח וחלוקה לרמות ידנית כפי שמתואר בסעיף ההליכים (שלב 2), שן טוחנת ראשונה של הלסת הראשית הופק מתוך גולגולת יבשה, ותמונה CBCT צולמה. תוכנת עיבוד ועריכה של תמונות מחקה שימש לחלוקה ידנית של השן כפי שמתואר בשלב 2. לאחר מכן, מאוחר יותר בוצע, מודלים מקוטע נוקו עם תוכנה 3matic, והם יובאו Abaqus לניתוח. לא מצאנו שום הבדל משמעותי במדידות הליניארית והנפחי שנעשו על מודל ה-FE של השן ואת השן בפועל שנמדדו במעבדה (מסמך משלים 4).

כדי לאמת את תוקפו של האלגוריתם המוגדר על-ידי המשתמש בקביעת ה-CRES של אובייקט, מודל מפושט של קרן העטוף בתוך נדן שימש בשלבים ההתחלתיים של יצירת הסקריפט (איור 5א). מעטפת פלדה היה מוגבל לשלוש דרגות של חופש עקירה, ואת הצמתים בממשק הקורה/נדן נקשרו יחד. צמתים עבור יישום כוח נבחרו באופן אקראי, ורוטינת המילוי הוחלה באופן איטרטיבי עד שהפתרון התכנס. בדגם מפושטת, אורך של 30 יחידות ורוחב של 10 יחידות היו ארוזים במעטפת. על ידי ביצוע האלגוריתם המוגדר וחישובו, ה-CRES של קרן הדגם החזוי (איור 5ב). זה הוסכם עם החישובים התיאורטיים (ראה מסמך משלים 3). לפיכך, תוקפו של האלגוריתם המוגדר על-ידי המשתמש פותח ואומת במודל פשוט זה ויושם לאחר מכן לקביעת מטרות ה-C של השיניים הלסתהגבוהה .

Table 2 מציג את מאפייני החומרים שהוקצו למבנים. הבדלים הדוגמנות של תכונות החומר של PDL ועצם יכול להשפיע על המיקום הסופי שלהמיל של השן. PDL anisotropy קשור אוריינטציה סיבים, הבדלים ביחס של פואסון, דפוסי טעינה, וסדר גודל יכול גם לעשות שינוי. PDL הוקצה לינארית, מאפיינים היפראלסטי על פי מודל אוגדן (μ1 = 0.07277, α1 = 16.95703, D1 = 3 x 10-7)22,23. צפיפויות ספציפיות הוקצו גם = 1.85 g/cm3 עבור עצם; 2.02 גרם/cm3 לשיניים; ו 1 g/cm3 עבור pdl (כלומר, צפיפות המים, כי PDL מורכב בעיקר מים)24,25.

כדי לתקנן את וקטורים הכוח ולאתר את מיקומו של CRES, מערכת קואורדינטות קרטזית נבנתה (X-Y-Z) והוגדרה על-ידי הכיוונים הבאים: ציר Y (anteroposterior או labiolingual ציר) לאורך התפר המדחכי עם החלק האחורי בכיוון החיובי, ציר Z בכיוון האנכי (עליון-הנחות או הסגר כל כך חניכיים הציר) עם חלק מעולה או חניכיים של המודל בכיוון החיובי, ואת ציר ה-X בכיוון הרוחבי (buccolingual הציר) עם החלק בוקס בכיוון החיובי (איור 6).

מערכת קואורדינטות זו הוחלה בשתי דרכים: 1) מערכת קואורדינטות גלובלית הוקמה עם המוצא שלה (O) ממוקם בין משטחי הפנים של המרכז חותכות מתחת הזנב הקורה ממוקם על קו ביסעה את הרוחב הבין חותכת ו-בין-טוחנת במישור X-Y; 2) הוקמו מערכות קואורדינטות מקומיות עם מוצא ' R ' לכל שן. נקודת ' R ' ספציפית לכל שן הוגדרה כמרכז הגיאומטרי על פני השטח של הכתר. אתר זה נבחר לקירוב המיקום הקרוב ביותר שבו מפעיל עשוי להציב מסגרת להחלת כוחות אורתודונטיים. תוצאות הנציג מוצגות באיור 7.

CRES הממוקם ביחס למערכות הקואורדינטות הגלובליות והמקומיות מוצגות בטבלה 3 ובטבלה 4. מיקומם של ה-CRES הושג לאורך קואורדינטת X כאשר מערכת הכוח הוחלה לאורך קואורדינטות Y ו-Z היו שונות זה מזה (טבלה 5). עם זאת, ההבדל הממוצע היה קטן (0.88 ± 0.54 mm).

Figure 1
איור 1: תרשים תזרים העיצוב. זרימת העבודה של שלושה שלבים לאיתורבטרס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: פריסת תוכנת מחקה המציגה שיניים מקסתיות בכל שלושת התצוגות (X-Y-Z) וכמודל למדידת נפח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: השלבים המעורבים ביצירת רצועה חניכיים (PDL) ניצול הרכבה שאינה סעפת של התוכנה 3matic. מודולremesh (A) יצירת הרכבה לא מסעפת, (ב) לסת מוגדר כישות הראשית, (ג) PDL מוגדר כישות מצטלבים, (ד) מסתגלת remesh, (E) פיצול לסת ואת PDL, (F) בצע את השלבים B-F עבור PDL כישות הראשית ואת השן הנבחרת כיישות מצטלבים, (G) ליצור רשת שינוי עוצמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: פריסת התוכנה Abaqus. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: הדגם הפשוט של קרן הפלדה. (א) הקרן העטוף במעטפת פלדה המשמשת לבדיקת הדיוק של האלגוריתם המוגדר. (ב) מיקום של CRES של הקרן העטוף כפי שחזוי על ידי האלגוריתמים המוגדרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: מערכת הקואורדינטות להערכת CRES יחסית לנקודת מוצא גלובלית (O) ונקודת מוצא מקומית (R) לכל שן. זהו איור של הקדם-טוחנת. השנייה של הלסת הראשונה שיטה זו הייתה מנוצל לכל שן בקשת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: ייצוג תלת מימדי של ה-C RES של השיניים הלסתהגבוהה . (א) חותכת מרכזית. (ב) חותכת לרוחב. (ג) כלב. (ד) הקדם-טוחנת הראשון. (ה) מקדם-טוחנת שני. (ו) שן טוחנת ראשונה. (ז) טוחנת שנייה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

סוג חלול: שניהם (מחוץ & בפנים)
מרחק 0.2
הפרט הקטן ביותר: 0.05
להפחית את דקתי
ניקוי בגבול: דקתי
גורם ניקוי: 1.1

טבלה 1: פרמטרים של הכלי החלול.

בנה מודול אלסטי יחס פואסון צפיפות ספציפית (g/cm3)
שיניים 17000 0.3 2.02
עצם 17000 0.3 1.85
PDL 0.05 ראה טקסט 1

טבלה 2: תכונות החומר של מודל האלמנט הסופי.

מספר שן אורך השן אורך שורש x y z
UL1 25.2 15.1 3.4 11.0 12.9
UL2 26.0 16.8 8.8 13.2 14.3
UL3 29.1 19.5 15.1 18.0 15.6
UL4 23.8 15.7 18.4 21.5 10.6
UL5 24.8 18.2 20.9 28.2 10.1
UL6 22.0 16.4 25.8 38.7 11.6
UL7 21.4 15.0 27.4 43.2 11.4
UR1 24.9 14.6 -4.6 10.8 13.2
UR2 26.3 16.7 -9.9 13.0 13.6
UR3 30.9 21.1 -15.6 17.7 14.2
UR4 22.9 16.7 -19.0 21.9 9.2
UR5 23.4 16.7 -21.1 29.4 8.8
UR6 22.2 16.3 -23.9 39.6 9.8
UR7 20.8 15.9 -21.7 47.0 10.4

טבלה 3: מיקום תלת-מימדי (X-Y-Z) של השיניים הלסתהגבוהה ביחס לנקודה הגלובלית O.

מספר שן אורך השן אורך שורש x y z
UL1 25.2 15.1 -1.1 10.9 9.4
UL2 26.0 16.8 -5.5 9.4 10.4
UL3 29.1 19.5 -5.7 9.3 13.2
UL4 23.8 15.7 -6.4 5.7 9.0
UL5 24.8 18.2 -6.7 7.0 9.5
UL6 22.0 16.4 -6.9 8.3 10.4
UL7 21.4 15.0 -8.6 3.3 7.3
UR1 24.9 14.6 0.5 10.8 11.1
UR2 26.3 16.7 5.0 10.3 9.3
UR3 30.9 21.1 5.7 8.5 12.0
UR4 22.9 16.7 5.3 5.3 9.3
UR5 23.4 16.7 5.3 6.5 9.1
UR6 22.2 16.3 5.6 7.8 10.1
UR7 20.8 15.9 9.5 4.3 8.6

טבלה 4: מיקום תלת-מימדי (X-Y-Z) של השיניים הלסתהגבוהה ביותר ביחס לנקודה מקומית R עבור כל שן שההערכה שלה היאהערך c. הנה, ר הוא המרכז הגיאומטרי. של המשטח של הכתר

מספר שן מספור FZ הבדל
UL1 -1.36 -0.80 0.56
UL2 -5.73 -5.23 0.5
UL3 -6.00 -5.45 0.55
UL4 -6.11 -6.65 0.54
UL5 -5.95 -7.40 1.46
UL6 -6.18 -7.67 1.49
UR1 0.36 0.67 0.31
UR2 5.23 4.77 0.46
UR3 5.93 5.38 0.55
UR4 4.57 6.01 1.44
UR5 5.88 4.69 1.91
UR6 5.19 5.98 0.79

טבלה 5: וריאציה במרכז מיקום ההתנגדות לאורך ציר ה-X כאשר הכוח מוחל לאורך הצירים Y-(Fy) ו-Z (Fz).

מסמך משלים 1: סקריפטים פיתון של האלגוריתמים הנמצאים בשימוש עבור האחד. אנא לחץ כאן כדי להציג קובץ זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).

מסמך משלים 2: סקירה של ניתוח מערכת הכוח. אנא לחץ כאן כדי להציג קובץ זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).

מסמך משלים 3: אומדן תיאורטי של מרכז המסה של קרן פשוטה העטוף בנדן. אנא לחץ כאן כדי להציג קובץ זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).

מסמך משלים 4: מודל של אלמנט סופי של טוחנת הלסת הראשונה שחולצו. אנא לחץ כאן כדי להציג קובץ זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מחקר זה מראה מערכת של כלים כדי ליצור זרימת עבודה עקבית עבור ניתוח אלמנט סופי (שמציעות) של מודלים של שיניים מקסימום נגזר מתמונות CBCT של חולים כדי לקבועבטרסשלהם C. עבור המרפאה, מפה ברורה וישירה של מיל C של השיניים הלסתהגבוהה יהיה כלי קליני יסולא בפז לתכנן תנועות השן ולחזות תופעות לוואי. שיטת האלמנט הסופי (פמ) הוצגה במחקר ביומכאני שיניים ב-197317, ומאז הוחל לנתח את הלחץ ואת שדות המתח בתוך מבני התמיכה מכתשי6,7,8,9,10,11,12. כפי שמעידים מספר השלבים המתוארים בזרימת העבודה (איור 1), יצירת מודלים של רכיבים סופיים היא משימה מורכבת. לכן, היבטים מסוימים של המתודולוגיה היו צריכים להיות פשוטים יותר.

ראשית, תנועת השן רק בתוך הכתשיים נחשבה על ידי בהנחה כי הספיגת והאפפוזיציה של העצם הכתשיים לא התרחשה. סוג זה של עקירה נקרא תנועה4 או שיניים מיידית הראשי18. זה כבר נצפתה כי PDL היא ישות קריטית בתזוזת השן מיידית. העצם והשיניים ניתן להניח סביר להיות נוקשה כדי להגדיר מדגיש PDL לתנועת השן15. לכן, עבור מחקר זה התפלגות הלחץ היה מוגבל בתוך שקע השן. הכלי יצירת תנאי גבול מאפשר למשתמש להגדיר תנאי גבול עבור המודל או להחיל אילוצים. נקודות נבחרות מוקצות אפס דרגות חופש כדי להבטיח שהמודל יישאר נוקשה באזור זה. כתוצאה מכך, זמן ניתוח לחישוב דפורמציה העצם והענעת האלמנטים המוצקים של העצם המעוות מכתשיים שנעשו במחקרים קודמים, סולק19,20.

שנית, ניסיון לשמור על רזולוציית התמונה ברמות בינונית נעשה. CBCT תמונה בגודל voxel היה 0.27 מ"מ. זה לא רק שמרה על מינון הקרינה במינימום, אלא גם הפחיתה את הנטל החישובית להרכבת מטריצת הנוקשות הגלובלית לאלמנטים טטרדרביים. עם זאת, החיסרון היה כי החלטה CBCT לא היה מספיק כדי ללכוד באופן מדויק ובבירור את PDL על סריקות. זה היה בעיקר בגלל העובי PDL הממוצע הוא סביב 0.15 mm-0.38 mm (ממוצע: 0.2 mm)21 ואת גודל voxel התמונה היה 0.27 mm. זה מגיע עם סריקות CBCT יצרה שתי בעיות: 1) PDL לא יכול להיות מחולק משלו; ו-2) הגדלת העצם והשיניים באמצעות סף לא הייתה אפשרית עקב העדר שינוי ערך אפור ברור בין השניים. כתוצאה מכך, התוכנה לא היתה מסוגלת להבחין בין השיניים והעצם מכיוון שהערכים האפורים היו דומים. במילים אחרות, מחקה לא היתה אפשרות לפלח את השיניים והעצמות בנפרד. לכן, שיטה שונה של פילוח פותחה. לאחר שניסה כלים רבים, כגון האזור גדל או מפוצל כלי מחקה, נקבע כי הדרך הטובה ביותר לפלח את השיניים הייתה על ידי סימון ידני של מבנה השן על כל פרוסה של CBCT. כאן הכלי לעריכת פרוסה מרובים הציע יתרון יעילות. במקום לסמן באופן ידני את כל הפרוסות, על המשתמש לסמן חלק מהפרוסות. מסיבה זו, זו הייתה השיטה הטובה ביותר לסגור את השיניים, כפי שהיא סיפקה את הדיוק הגדול ביותר בקבלת תמונות טובות של האנטומיה של השיניים באופן עקבי.

מכיוון שהמחקה לא הצליחה לפלח את PDL בגלל הרזולוציה הנמוכה של תמונות CBCT, היה צורך לגדל את PDL ממבנה השורש של השן. זה דרש לפצל את השן לשורש ולכתר ב-CEJ. לאחר שגדלו, PDL שנבנה היה ביסודו שני משטחים מקבילים אחד לשני 0.2 mm בנפרד, שם משטח אחד היה במגע אינטימי עם העצם והשני עם השורש. זה היה קריטי כי המשטחים נקשרו יחד בניתוח האלמנט הסופי כך טעינת הוסיף השן הופץ דרך PDL עד העצם. התוכנה ההנדסית דחתה מודלים אשר המשטחים שלהם היו רחוקים מדי או הצטלב יותר מדי, כמו זה עשה חיבור המשטחים בלתי אפשרי ובוטל בידי מודל התוכנה.

שלישית, כל משטחי הדגם נשמרו בצורה יחסית חלקה וחופשית מטופוגרפיה של משטח קטן שאינו משמעותי לניתוח המודל הכולל, כגון השלכה של עצם נוספת לפני השטח הקורטימי. אלמנטים עדינים על התחזיות של אנטומיה להוסיף סיבוך מיותר לרשת של המודל הסופי על ידי הפחתת גודל האלמנטים באזורים מסובכים של אנטומיה משובחת, ובכך להגדיל את מספר האלמנטים במודל. רכיבים קטנים יותר ורבים יותר מגבירים את מאמצי המחשוב בניתוח הרכיבים הסופיים הסופיים.

המיקומים של CRES כאשר הכוח הוחל בכיוונים Y ו-Z היו שונים, מיוצגים על ידי ההבדלים במיקומם לאורך כיוון ה-X. עם זאת, ההבדל היה קטן (שולחן 5) והיה קליני, כמו גם לא משמעותיים מבחינה סטטיסטית. לכן, ניתן להשתמש במיקום של CRES המחושב בכיוון אחד עבור האחר. העבודה הקודמת הראו גם כי כאשר הוערכו ב 3d נקודה אחת עבור CRES לא נצפתה10,26,27. לכן, יש כבר הציע כי במקוםשיש בטוח C מינוח טוב יותר יכול להיות "רדיוס של התנגדות". הבדל זה יכול להיות מיוחס למספר גורמים, כגון מורפולוגיה שורש, תנאי גבול, תכונות חומר, ונקודת הטעינה של האפליקציה.

ניתוח מערכות כוח באמצעות אלגוריתמים מותאמים אישית
המושגים המתמטיים, ההטיות העיוניים וסימולציות המחשב לאיתורמדרס השיניים תוארו בעבר בפירוט27,28,29,30. על מנת לנתח את מערכות הכוח שנוצרו על ידי העומסים השונים להחיל ולנבא את CRES עבור השיניים, אלגוריתם מותאם אישית נכתב ופעל בתוך Abaqus (ראה קבצי קידוד משלימים). אלגוריתם זה נכתב באמצעות פייתון, מקבל נתונים ממסד הנתונים של פלט התוכנה של שמציעות (קובץ. odb) כקלט, מעבד את הנתונים, ומספק ערכים עבור הרגעים שנוצרו במערכת על ידי הטעינה המוחלת. בנוסף, הוא מעריך את מיקומי הצמתים היוצרים את הדור של רגע נמוך יותר בתוך המערכת. הדבר מאפשר למשתמש להריץ את ההדמיה בצורה איטראטיבית עד שהאומדנים מתכנסים למיקום אחד.

האלגוריתם ניגש לקואורדינטות קטרי, העקירה הכוללת של כל צומת, ואת כוחות התגובה בכל צומת כתוצאה העומס המוחל בכל שלב. כוחות התגובה באותו כיוון כמו יישום הטעינה המקורי וכוחות התגובה בכיוון ההפוך מסוכם בכל אחד הצמתים במערכת כדי לקבוע את וקטורים כוח הצבירה פועל על השן במהלך הסימולציה. הרגעים הנובעים מחושבים ביחס לנקודת הכוח של היישום עבור כל כוח התגובה בכל צומת ומסוכם גם באותה צורה כמו כוחות התגובה. לפיכך, וקטור כוח צבירה באותו כיוון כמו יישום הטעינה המקורי והרגע שנוצר על ידי וקטור כוח זה על נקודת כוח היישום מחושב, כמו גם את וקטור הכוח בכיוון ההפוך ואת הרגע הנובע. כיוון שהמערכת בשיווי משקל סטטי, הסכום של כל הכוחות והרגעים שווה לאפס. עם זאת, התמוטטות של כוחות התגובה ורגעים בצורה זו מאפשר חישוב של מיקומים יעילים שבהם כוחות צבירה אלה לפעול כנקודות ציר במערכת, ואת נקודת המרכז בין נקודות אלה ציר מספק הערכה של היישום כוח כי הוא קרוב יותר CRES.

כדי לבצע חישובים אלה, הגודל של הרגעים הנובעים מחולק בסדר הגודל של הכוחות שלהם כדי לתת את הגודל של המרחק (R וקטור) מ-pivot נקודות עד לנקודה של כוח היישום. הכיוון של וקטור R נקבע באמצעות מוצר הצלב של הרגע וכוח וקטורים, שבו כל חייב להיות אורתוגונאליות אחד לשני, וקטור היחידה נקבעת על ידי חלוקה בהתאם לגודל של המוצר הצלב. וקטור היחידה R מוכפל בהתאם לסדר הגודל של וקטור R שחושב בעבר כדי להניב את ההערכה הכוללת במרחב תלת-ממד של הקואורדינטות של כל נקודת ציר יחסית בנקודה המקורית של יישום כוח. נקודת האמצע בין שני וקטורים אלה מספקת את ההערכה עבור מיקום השלב הבא של יישום הכוח באיטראציה הבאה. מידע נוסף מצורף למסמך המשלים 2.

אומדן ה-CRES נקבע כאשר הרגעים המתקבלים במערכת מוסיפים כאפס. עבור המחקר הנוכחי, קביעה זו מורכבת על-ידי איתור הרכיבים החיוביים והשליליים הנמוכים ביותר של הרגעים המחושבים ובממוצע השניים. בשל המיקום שנוצר באופן אקראי של הצמתים, ואת המרחק הגלום בין כל שני צמתים (0.5 מ"מ), קשה למצוא מיקום שבו נוצר רגע אפס מדויק (טבלה 5).

גבלות
למרות מאמצינו הטובים ביותר, יש כמה מגבלות למחקר זה. ראשון, מכיוון PDL לא יכול להיות דמיינו על cbct, זה לא יכול להיות מחולק משלו ונוצר מפני השטח של השן על עובי אחיד של 0.2 מ"מ. מחקרים האלמנט הסופי הראו כי אחיד לעומת מידול לא אחיד משפיע על התוצאה של הוצגו, ומידול לא אחיד הוא מעולה30,31. שנית, מספר השלבים ליצירת מודל מדויק היה ארוך. זוהי הגבלה במונחים של כמה מהר מודלים ניתן לבצע, אשר מגביל את האפשרות של שימוש בכלים אלה עבור תוכניות טיפול אישי עבור חולים על מקרה לפי מקרה. בנוסף, התוכנה הדרושה להפקת מודלים אלה היא יקרה ומוגבלת למשאבים הזמינים במוסד חינוכי או לעסק גדול. עוד, ברגע שנעשו המודלים, מחשוב מאוד חזק היה צורך להריץ את התוכנה. לפיכך, שיטה זו אינה יכולה להיות כלי תכנוני לטיפול בר-קיימא עד שהטכנולוגיה הנחוצה תהיה זמינה באופן נרחב.

מחקר עתידי צריך להתמקד בשימוש במודלים אלה כדי לבצע ניתוחים של אלמנט סופי על השיניים מקסימום כדי לקבוע את CRES עבור הקשת וקבוצות של שיניים, במיוחד אלה קבוצות של השיניים מניפולציות בדרך כלל אורתודונטיה, כגון הקטע הקדמי במקרה החילוץ או קטע אחורי עבור חדירה בחולים לנשוך פתוח. לאחר CRES נקבע עבור דגמים אלה, דגמים נוספים יש לפתח מתוך תמונות CBCT נוספים כדי להוסיף את הנתונים הקיימים. עם מאגר נתונים מספיק של Cres מיקומים, מפות חום יכול להיווצר כדי לציין מיקום כללי של cres שיכול לשמש התייחסות יסולא בפז עבור מטפלים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

המחברים רוצים להכיר בפרס על קרן צ'רלס בורסטון על תמיכה בפרויקט.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3-matic software Materialise, Leuven, Belgium. Cleaning and meshing
Abaqus/CAE software, version 2017 Dassault Systèmes Simulia Corp., Johnston, RI, USA. Finite Element Analysis
Mimics software, version 17.0 Materialise, Leuven, Belgium. Segmentation of teeth and bone

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Smith, R. J., Burstone, C. J. Mechanics of tooth movement. American Journal of Orthodontics. 85 (4), 294-307 (1984).
  2. Christiansen, R. L., Burstone, C. J. Centers of rotation within the periodontal space. American Journal of Orthodontics. 55 (4), 353-369 (1969).
  3. Tanne, K., Nagataki, T., Inoue, Y., Sakuda, M., Burstone, C. J. Patterns of initial tooth displacements associated with various root lengths and alveolar bone heights. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 100 (1), 66-71 (1991).
  4. Burstone, C. J., Pryputniewicz, R. J. Holographic determination of centers of rotation produced by orthodontic forces. American Journal of Orthodontics. 77 (4), 396-409 (1980).
  5. Dermaut, L. R., Kleutghen, J. P., De Clerck, H. J. Experimental determination of the Cres of the upper first molar in a macerated, dry human skull submitted to horizontal headgear traction. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 90 (1), 29-36 (1986).
  6. Tanne, K., Sakuda, M., Burstone, C. J. Three-dimensional finite element analysis for stress in the periodontal tissue by orthodontic forces. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 92 (6), 499-505 (1987).
  7. Meyer, B. N., Chen, J., Katona, T. R. Does the Cres depend on the direction of tooth movement? American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 137 (3), 354-361 (2010).
  8. Kojima, Y., Fukui, H. A finite element simulation of initial movement, orthodontic movement, and the centre of resistance of the maxillary teeth connected with an archwire. European Journal of Orthodontics. 36 (3), 255-261 (2014).
  9. Reimann, S., Keilig, L., Jäger, A., Bourauel, C. Biomechanical finite-element investigation of the position of the centre of resistance of the upper incisors. European Journal of Orthodontics. 29 (3), 219-224 (2007).
  10. Viecilli, R. F., Budiman, A., Burstone, C. J. Axes of resistance for tooth movement: Does the Cres exist in 3-dimensional space? American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 143 (2), 163-172 (2013).
  11. Ammar, H. H., Ngan, P., Crout, R. J., Mucino, V. H., Mukdadi, O. M. Three-dimensional modeling and finite element analysis in treatment planning for orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (1), 59-71 (2011).
  12. Sia, S., Koga, Y., Yoshida, N. Determining the center of resistance of maxillary anterior teeth subjected to retraction forces in sliding mechanics. An in vivo study. Angle Orthodontics. 77 (6), 999-1003 (2007).
  13. Cattaneo, P. M., Dalstra, M., Melsen, B. Moment-to-force ratio, center of rotation, and force level: a finite element study predicting their interdependency for simulated orthodontic loading regimens. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 133 (5), 681-689 (2008).
  14. Tominaga, J. Y., et al. Effect of play between bracket and archwire on anterior tooth movement in sliding mechanics: A three-dimensional finite element study. Journal of Dental Biomechanics. 3, 1758736012461269 (2012).
  15. Cai, Y., Yang, X., He, B., Yao, J. Finite element method analysis of the periodontal ligament in mandibular canine movement with transparent tooth correction treatment. BMC Oral Health. 15 (106), (2015).
  16. Pauwels, R., Araki, K., Siewerdsen, J. H., Thongvigitmanee, S. S. Technical aspects of dental CBCT: state of the art. Dentomaxillofacial Radiology. 44 (1), 20140224 (2015).
  17. Farah, J. W., Craig, R. G., Sikarskie, D. L. Photoelastic and finite element stress analysis of a restored axisymmetric first molar. Journal of Biomechanics. 6 (5), 511-520 (1973).
  18. van Driel, W. D., van Leeuwen, E. J., Von den Hoff, J. W., Maltha, J. C., Kuijpers-Jagtman, A. M. Time-dependent mechanical behavior of the periodontal ligament. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 214 (5), 497-504 (2000).
  19. Bourauel, C., et al. Simulation of orthodontic tooth movements. A comparison of numerical models. Journal of Orofacial Orthopedics. 60 (2), 136-151 (1999).
  20. Schneider, J., Geiger, M., Sander, F. G. Numerical experiments on longtime orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 121 (3), 257-265 (2002).
  21. Ten Cate, A. R. Oral histology, development, structure and function (5th ed). , St. Louis Mosby. (1998).
  22. McCormack, S. W., Witzel, U., Watson, P. J., Fagan, M. J., Gröning, F. The Biomechanical Function of Periodontal Ligament Fibres in Orthodontic Tooth Movement. PLoS One. 9 (7), e102387 (2014).
  23. Huang, H., Tang, W., Yan, B., Wu, B., Cao, D. Mechanical responses of the periodontal ligament based on an exponential hyperelastic model: a combined experimental and finite element method. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 19 (2), 188-198 (2016).
  24. Yang, J. A new device for measuring density of jaw bones. Dentomaxillofacial Radiology. 31 (5), 313-316 (2002).
  25. Gradl, R., et al. Mass density measurement of mineralized tissue with grating-based X-ray phase tomography. PLoS One. 11 (12), e01677979 (2016).
  26. Jiang, F., Kula, K., Chen, J. Estimating the location of the center of resistance of canines. Angle Orthodontics. 86 (3), 365-371 (2016).
  27. Nyashin, Y., et al. Center of resistance and center of rotation of a tooth: experimental determination, computer simulation and the effect of tissue nonlinearity. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 19, 229-239 (2016).
  28. Toms, S. R., Eberhardt, A. W. A nonlinear finite element analysis of the periodontal ligament under orthodontic tooth loading. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 123 (6), 657-665 (2003).
  29. Osipenko, M. A., Nyashin, M. Y., Nyashin, Y. I. Centre of resistance and centre of rotation of a tooth: the definitions, conditions of existence, properties. Russian Journal of Biomechanics. 3 (1), 5-15 (1999).
  30. Dathe, H., Nägerl, H., Dietmar, K. M. A caveat concerning center of resistance. Journal of Dental Biomechanics. 4, 1758736013499770 (2013).
  31. Hohmann, A., et al. Influence of different modeling strategies for the periodontal ligament on finite element simulation results. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 775-783 (2011).

Tags

ביולוגיה סוגיה 158 אורתודונטיה מרכז ההתנגדות השיניים הלסת השלישית התלת-מימדי הטומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט מחקה 3Matic אלמנט סופי ניתוח
גישה אלמנט סופי לאיתור מרכז העמידות של שיניים מקסלסת
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Luu, B., Cronauer, E. A., Gandhi,… More

Luu, B., Cronauer, E. A., Gandhi, V., Kaplan, J., Pierce, D. M., Upadhyay, M. A Finite Element Approach for Locating the Center of Resistance of Maxillary Teeth. J. Vis. Exp. (158), e60746, doi:10.3791/60746 (2020).

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