Summary
Een reeks nieuwe eindige-elementenmodellen van chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie (SARPE) die een klinisch vereiste hoeveelheid expanderactivering konden uitvoeren met verschillende hoeken van buccale osteotomie werd gemaakt voor verdere analyse van de expansiepatronen van de hemimaxillae in alle drie de dimensies.
Abstract
Chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie (SARPE) werd geïntroduceerd om de botweerstand op te heffen om skeletexpansie bij skeletrijpe patiënten te vergemakkelijken. Asymmetrische expansie tussen de linker- en rechterkant werd echter gemeld bij 7,52% van alle SARPE-patiënten, waarvan 12,90% een tweede operatie moest ondergaan voor correctie. De etiologieën die leiden tot asymmetrische expansie blijven onduidelijk. Eindige-elementenanalyse is gebruikt om de spanning geassocieerd met SARPE in de maxillofaciale structuren te evalueren. Aangezien een botsing van het bot op de osteotomieplaatsen van LeFort I echter pas optreedt na een bepaalde mate van uitzetting, geven de meeste bestaande modellen de krachtverdeling niet echt weer, aangezien de uitzettingshoeveelheid van deze bestaande modellen zelden groter is dan 1 mm. Daarom is er behoefte aan een nieuw eindige-elementenmodel van SARPE dat een klinisch vereiste hoeveelheid expanderactivering zou kunnen uitvoeren voor verdere analyse van de expansiepatronen van de hemimaxillae in alle drie de dimensies. Een driedimensionaal (3D) schedelmodel van cone beam computertomografie (CBCT) werd geïmporteerd in Mimics en omgezet in wiskundige entiteiten om het maxillaire complex, de maxillaire eerste premolaren en de maxillaire eerste molaren te segmenteren. Deze structuren werden overgebracht naar Geomagic voor het gladmaken van het oppervlak en het maken van poreuze botten en parodontale ligamenten. De rechterhelft van het maxillaire complex werd vervolgens behouden en gespiegeld om een perfect symmetrisch model in SolidWorks te creëren. Er werd een Haas-expander geconstrueerd en gebandeerd op de maxillaire eerste premolaren en eerste kiezen. Eindige-elementenanalyse van verschillende combinaties van buccale osteotomieën onder verschillende hoeken met een speling van 1 mm werd uitgevoerd in Ansys. Er werd een convergentietest uitgevoerd totdat de gewenste hoeveelheid uitzetting aan beide zijden (minimaal 6 mm in totaal) was bereikt. Deze studie legt de basis voor het evalueren van hoe buccale osteotomie-angulatie de expansiepatronen van SARPE beïnvloedt.
Introduction
Chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie (SARPE) is een veelgebruikte techniek voor het transversaal uitbreiden van de maxillaire benige structuur en de tandboog bij skeletvolwassenpatiënten1. De operatie omvat een LeFort I-osteotomie, een mid-palatinale corticotomie en, optioneel, het loslaten van de pterygoïde-maxillaire spleet2. Er zijn echter ongewenste expansiepatronen van SARPE gemeld, zoals ongelijkmatige expansie tussen linker- en rechterhemimaxillae3 en dentoalveolaire processus buccale kanteling/rotatie4, die kunnen leiden tot het falen van SARPE en soms zelfs tot aanvullende operaties voor correctie5. Eerdere studies hebben aangetoond dat de variatie in circum-maxillaire osteotomieën een belangrijke rol kan spelen in post-SARPE expansiepatroon2,3, aangezien de botsingen tussen de botblokken op de Le Fort I osteotomieplaatsen kunnen bijdragen aan de ongelijke weerstandskracht van laterale expansie van de hemimaxillae en aan de rotatie van de hemimaxillae waarbij de alveolaire randen onder de snede naar binnen bewegen terwijl de processus dentoalveolair uitzet 3, 4. okt. Daarom is het nodig om de effecten van verschillende osteotomierichtingen, met name de buccale osteotomie, op post-SARPE-expansiepatronen te onderzoeken.
Er zijn verschillende eindige-elementenanalyse (FEA)-modellen opgezet om de krachtverdeling tijdens SARPE te evalueren. De hoeveelheid expansie die in deze modellen is ingesteld, is echter beperkt tot maximaal 1 mm, wat ver onder de vereiste klinische hoeveelheid 6,7,8,9,10,11,12 ligt. Ontoereikende uitbreiding in FEA-modellen kan leiden tot foutieve voorspellingen van post-SARPE-uitkomsten. Meer specifiek kan de botsing tussen de botten op de plaats van de osteotomie, zoals gerapporteerd door Chamberland en Proffit4, niet worden aangetoond als de expander niet voldoende wordt gedraaid, wat mogelijk niet de werkelijke klinische realiteit weerspiegelt. Met de beperkte hoeveelheid expansie die in de vorige modellen was ingebouwd, waren de uitkomstevaluaties van deze modellen gericht op stressanalyse. De stressanalyse van FEA in de tandheelkunde wordt echter meestal uitgevoerd onder statische belasting, waarbij de mechanische eigenschappen van materialen zijn ingesteld als isotroop en lineair elastisch, wat de klinische relevantie van de FEA-onderzoeken verder beperkt13.
Bovendien hielden de meeste van deze onderzoeken geen rekening met de dikte van het chirurgisch instrument op de plaats van de osteotomie 6,7,8,10,11,12, waarbij de wrijving bij de sneden vaak op nul werd gezet als onderdeel van de randvoorwaarden. Deze instelling vereenvoudigt echter de contacten tussen de harde en zachte weefsels. Het kan een aanzienlijke invloed hebben op de krachtverdeling en het resulterende expansiepatroon van de hemimaxillae.
Desalniettemin is er geen beschikbare literatuur die het effect van osteotomie op post-SARPE-asymmetrie heeft onderzocht met behulp van eindige-elementenanalyse (FEA)-modellen. Alle huidige studies gebruikten modellen met symmetrische osteotomiepatronen 6,7,8,9,10,11,12,14, die niet de realiteit van de klinische praktijk weerspiegelen waar de osteotomieën aan elke kant van de schedel kunnen verschillen. Het gebrek aan literatuur over het effect van asymmetrische osteotomieën op post-SARSE-asymmetrie vormt een belangrijke kennislacune die moet worden aangepakt.
Daarom is het doel van deze studie om een nieuw FEA-model van SARPE te ontwikkelen dat de klinische omstandigheden echt kan nabootsen, inclusief de expansiehoeveelheid en de osteotomiekloof, en de expansiepatronen van de hemimaxillae in alle drie de dimensies kan onderzoeken met verschillende ontwerpen van de osteotomie. Een dergelijke benadering zou waardevol inzicht verschaffen in de mechanismen die ten grondslag liggen aan post-SARPE-expansiepatronen en dienen als een nuttig hulpmiddel voor clinici bij de planning en uitvoering van SARPE-procedures.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Deze studie maakte gebruik van een reeds bestaand, geanonimiseerd, CBCT-beeld van vóór de behandeling van een patiënt die SARPE had als onderdeel van de behandelplannen. De studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki en goedgekeurd door de Institutional Review Board (protocol #853608).
1. Monsterverwerving en tandsegmentatie
- Verkrijg een menselijk CBCT-beeld van het hoofd in een natuurlijke hoofdpositie die het maxillaire complex van de patiënt omvat, inclusief het maxillaire basale bot, het maxillaire alveolaire bot en het maxillaire gebit.
- Importeer de CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)-bestanden in de Mimics-software.
- Maak een nieuw project (Ctrl + N), selecteer alle DICOM-afbeeldingen en klik op Volgende en Converteren.
- Definieer de richting van het model (A: anterieur, P: posterieur, T: boven, B: onder, L: links, R: rechts) en klik op OK.
- Segmenteer het bestand in maxillair complex, maxillaire eerste premolaren en maxillaire eerste kiezen.
- Klik op Drempelwaarde, selecteer een geschikte drempel om botten te segmenteren en klik op Toepassen.
- Maak nieuwe maskers en klik op Maskers bewerken, gebruik Tekenen en wissen om het maxillaire complex, de eerste premolaren en de eerste kiezen maxillaire kiezen van de patiënt te segmenteren.
- Exporteer de doelen als stereolithografiebestanden (STL).
- Klik met de rechtermuisknop op maskers en selecteer 3D berekenen om 3D-objecten te genereren.
- Klik met de rechtermuisknop op 3D-objecten, selecteer STL+, kies de gevraagde objecten en druk op Toevoegen en voltooien om STL-bestanden te maken.
2. Oppervlakte-egalisatie en creatie van poreuze bot- en parodontale ligamentruimte
- Importeer de STL-bestanden in Geomagic-software.
- Klik op Bestand > Openen, selecteer de STL-bestanden en druk vervolgens op Openen.
- Kies Millimeters voor de gegevens in het pop-upvenster Eenheden en klik op OK.
- Maak het oppervlak van het maxillaire complex, de maxillaire eerste premolaren en de maxillaire eerste molaren glad.
- Klik op Polygonen > Spikes verwijderen, klik en sleep het vloeiendheidsniveau in de buurt van Laag, klik op Toepassen en OK.
- Klik op Polygonen > Relax-polygonen, klik en sleep het vloeiendheidsniveau in de buurt van Min, klik op Toepassen en OK.
- Klik op Polygonen > Snijpunten repareren, kies Ontspannen/opschonen in het venster Modus, klik op Toepassen en OK.
- Wijzig het oppervlak van het model in een doorlopend en gesloten gebied.
- Klik en sleep het scherpe oppervlak en druk op delete om een gat te maken.
- Klik op Polygonen > Gaten vullen, gebruik Vullen, Gedeeltelijk vullen, Bruggen maken in het venster Opvulmethode om de gaten op te vullen, klik op Toepassen en OK.
- Converteer het 2D-oppervlak naar een 3D-model en exporteer het als een CAD-bestand (Computer-Aided Design).
- Klik op ' Wijzig > fase > vormfase, selecteer 'Wijzig contouren' om de contouren van het oppervlak te schetsen en klik vervolgens op ' OK'.
- Klik op Patchlay-out tekenen en teken vierhoekige mazen om alle oppervlakken te bedekken en klik vervolgens op OK.
- Klik op Rasters maken, definieer een juiste resolutie en klik op OK om een fijnere maas te genereren.
- Klik op Oppervlakken aanpassen, klik op Toepassen en OK om een 3D-model voor vaste stoffen te maken.
- Klik op Bestand > Opslaan als om het 3D-model te exporteren en op te slaan in een IGES-bestand (genaamd Maxilla).
- Creëer het poreuze bot door het volume van het maxillaire complex met 1 mm van het buccale alveolaire oppervlak te verminderen. Creëer parodontale ligamentruimte door de contour van de wortels met 0,2 mm te vergroten.
- Klik op 'Polygoonfase', kies ' Verwijder ' in het venster ' Contourlijnen ', selecteer ' Behouden ' in het venster 'Patchlay-out ' en druk vervolgens op OK om het 3D-model om te zetten in een 2D-oppervlak.
- Klik op Polygonen > Offset, voer -1 mm en 0,2 mm in het deelvenster Afstand in voor poreus bot en parodontaal ligament en klik vervolgens op Toepassen en OK.
- Klik op Bewerken > fase > vormfase, selecteer Patchlay-out herstellen en druk op OK.
- Klik op Rasters maken, definieer een juiste resolutie en klik op OK om een fijnere maas te genereren.
- Klik op Oppervlakken aanpassen, klik op Toepassen en OK om een 3D-model voor vaste stoffen te maken.
- Klik op Bestand > Opslaan als om het 3D-model te exporteren en op te slaan in IGES-bestanden (genaamd CB en PL).
3. Construeer een anatomisch symmetrisch bovenkaakmodel
- Importeer de CAD-bestanden in SolidWorks.
- Klik op Bestand > Openen, selecteer het Maxilla-bestand en druk op Openen om het CAD-bestand te importeren.
- Klik op Bestand > Opslaan om het bestand op te slaan in de deelindeling .
- Construeer het poreuze bot onder het palatinale vlak (PP).
- Klik op > onderdeel invoegen, selecteer het CB-bestand en druk op Openen om het CAD-bestand te importeren.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op het palatinale vlak en klik op OK om een snijvlak te maken.
- Klik op Invoegen > Objecten > Splitsen, kies het palatale vlak in Hulpmiddelen voor bijsnijden en klik op Deel knippen om een voorvertoning van het snijden te maken.
- Vink de selectievakjes aan in de Resulterende lichamen en klik op OK om het poreuze bot te scheiden.
- Klik op het poreuze bot boven het palatinale vlak, klik met de rechtermuisknop en druk op Delete in het gedeelte Lichaam .
- Construeer het parodontale ligament van maxillaire eerste premolaren en maxillaire eerste kiezen.
- Klik op Invoegen > onderdeel, selecteer het PL-bestand en druk op Openen om het CAD-bestand te importeren.
- Klik op Invoegen > objecten > Snijpunt en kies Maxilla en PL in het venster Selecties .
- Selecteer Beide maken in het venster Selecties , kies het parodontale ligamentgedeelte in de lijst Regio's en klik vervolgens op OK om het ligament te genereren.
- Voer een midpalataal snijvlak uit van de voorste neuswervelkolom (ANS) naar de achterste neuswervelkolom (PNS) en behoud de rechterhelft van het maxillaire complex.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op het middenpalatinale vlak en klik op OK om een snijvlak te maken.
- Klik op Invoegen > Objecten > Splitsen, kies het palatinale vlak in Hulpmiddelen voor bijsnijden en klik op Deel knippen om een voorvertoning van het snijden te maken.
- Vink de selectievakjes in de resulterende lichamen aan en klik op OK om het maxillaire complex te scheiden.
- Klik op de linkerhelft van het maxillaire complex, klik met de rechtermuisknop en druk op Delete in het gedeelte Hoofdtekst .
- Spiegel de rechterhelft van het maxillaire complex en creëer een identieke linkerhelft.
- Klik op Invoegen > patroon/Spiegelen > spiegelen en kies het middenpalatale vlak in Spiegelvlak/vlak.
- Kies de rechterhelft van het maxillaire complex in Bodies to Mirror en klik op OK om de linkerhelft van het maxillaire complex te genereren.
4. Maak een Haas-expander en band naar de maxillaire eerste premolaren en eerste kiezen
- Construeer de premolaire band en de molaire band.
- Klik op Invoegen > onderdeel, selecteer het PL-bestand en druk op Openen om het CAD-bestand te importeren.
- Klik op Invoegen > Functies > Splitsen, kies de tanden in het PL-bestand en stel een uniforme schaal van 1,05 in. Klik op OK om banden met een dikte van 0,5 mm te genereren.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op het occlusale vlak en klik op OK om een referentievlak te maken.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies het occlusale vlak en stel een offsetafstand van 1,5 mm in. Klik op OK om het eerste snijvlak te maken.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies het occlusale vlak en stel een offsetafstand van 4,0 mm in. Klik op OK om het tweede snijvlak te maken.
- Klik op ' Voeg > objecten in' > splitsen en kies het eerste en tweede vlak in ' Trimgereedschappen ' en de tanden in ' Doellichamen'. Klik op Lichamen knippen om een voorvertoning van het snijden te maken.
- Vink de selectievakjes aan in de resulterende lichamen en klik op OK om de tanden te scheiden.
- Klik op de band boven het eerste vlak en onder het tweede vlak, klik met de rechtermuisknop en druk op Delete in het gedeelte Hoofdtekst .
- Construeer de acrylplaat.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op het harde gehemeltevlak en klik op OK om een schetsvlak te maken.
- Klik op > schets invoegen, teken een acrylplaat, raadpleeg de Haas-expander en klik op Schets afsluiten.
- Klik op Invoegen > Boss/Base > Extrude, kies de schets van de acrylplaat, stel 5 mm in Diepte in en klik op OK.
- Klik op Invoegen > Functies > Flex en buig de acrylplaat zodat deze in de anatomie van het gehemelte past.
- Klik op Invoegen > kenmerken > Filet/Rond en fileer de scherpe randen van de acrylplaat in een straal van 1 mm.
- Bouw de expanderarmen.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op de band en klik op OK om een schetsvlak (met de naam P1) te maken.
- Klik op Invoegen > schets, teken een cirkel met een diameter van 2 mm en klik op Schets afsluiten (met de naam C1).
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op de acrylplaat en klik op OK om een schetsvlak (met de naam P2) te maken.
- Klik op Invoegen > schets, teken een cirkel met een diameter van 2 mm en klik op Schets afsluiten (met de naam C2).
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies het P2-vlak en stel een offsetafstand van 6 mm in. Klik op OK voor een schetsvlak.
- Klik op Invoegen > schets, teken een cirkel met een diameter van 2 mm en klik op Schets afsluiten (met de naam C3).
- Klik op Invoegen > Boss/Base > Loft en kies de schets C1, C2 en C3 in het venster Profielen .
- Selecteer de band en de acrylplaat in het venster Functiebereik, vink Resultaat samenvoegen aan in het venster Opties en klik op OK.
5. Ontwerp de osteotomie
- Maak een vlak van 1 mm dik, gelijk aan de diameter van een boor die gewoonlijk door de chirurg wordt gebruikt, vanaf de hoek van de piriforme opening (Alar) naar de infrajukbeenkam (IZC) op verschillende graden van het horizontale vlak.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies drie kenmerkpunten op het osteotomievlak (0°, 10°, 20° of 30° ten opzichte van het horizontale vlak) en klik op OK om het vlak (met de naam O1) te maken.
- Klik op Invoegen > referentiegeometrie > vlak, kies het osteotomievlak en stel een offsetafstand van 1,0 mm in. Klik op OK om een inferieur snijvlak (genaamd O2) te maken.
- Klik op Invoegen > Objecten > Splitsen, kies het O1- en O2-vlak in Gereedschappen voor bijsnijden en klik op Deel knippen om een voorvertoning van het snijden te maken.
- Vink de selectievakjes in de resulterende lichamen aan en klik op OK om het maxillaire complex te scheiden.
- Klik op de hoofdtekst tussen de vlakken O1 en O2, klik met de rechtermuisknop en druk op Delete in de sectie Hoofdtekst .
- Exporteer modellen met verschillende buccale osteotomiehoeken in Parasolid Model Part File (X_T) voor analyse.
- Klik op Bestand > Opslaan als en kies Parasolid (x_t) in de lijst Bestandstype .
- Klik op Opslaan om de modellen voor eindige-elementenanalysesoftware te exporteren.
6. Eindige-elementenanalyse
- Importeer en stel de materiaalparameters van het maxillaire complexe model in Ansys-software in.
- Klik en sleep de Statische structuur in de gereedschapskist om een analysewerkruimte te maken.
- Dubbelklik op de technische gegevens en stel de modulus van Young en de Poisson-verhouding van alle materialen in Eigenschappen in. De materiaaleigenschappen van verschillende constructies12,15,16 zijn vermeld in tabel 1.
- Dubbelklik op Geometrie, klik op Bestand > Extern geometriebestand importeren en klik vervolgens op Genereren om het maxillaire complexe model te importeren.
- Klik op Booleaans > maken en genereer het corticale bot en parodontale ligament van Booleaans met het poreuze bot en de tanden.
- Stel het eindige-elementenanalysemodel op.
- Dubbelklik op het model en klik op Geometrie om de materiaaleigenschappen voor elk onderdeel te selecteren.
- Klik met de rechtermuisknop op Mesh en klik op Generate Mesh om de elementen op het model te bouwen.
- Klik op Verbindingen en wijs het zachte/kleine deel toe in Contactlichamen en het stijve/grote deel in Doellichamen.
- Wijs het contacttype en de wrijvingscoëfficiënt toe in Definitie. De verbindingseigenschappen van verschillende onderdelen17 staan vermeld in tabel 2.
- Klik met de rechtermuisknop op Verbindingen, klik op > veer invoegen om het bovenste en onderste deel van het osteotomievlak met elkaar te verbinden. Stel de veren in op 1 mm lang met veerconstante k = 60 N/mm en plaats een veer op elk roosterknooppunt.
- Stel een klinisch aanvaardbare kracht in langs de x-as (loodrecht op de middellijn) op de acrylplaat bij verschillende combinaties van osteotomieën.
- Klik met de rechtermuisknop op Statisch structureel, klik op Invoegen > vaste steun en zet de structuur op het palatinale vlak onbeweeglijk.
- Klik met de rechtermuisknop op Statisch structureel, klik op Invoegen > kracht en stel een kracht van 150 N in om op de acrylplaat uit te oefenen met een richting weg van de mediale lijn.
- Klik met de rechtermuisknop op Oplossing en klik op Vervorming > > totaal invoegen om de vervorming van de uitzetting te controleren.
- Voer een convergentietest uit totdat uitbreidingen aan beide zijden zijn bereikt.
- Klik op Oplossen op de werkbalken en wacht tot het niveau van de forceringsconvergentie het forceringscriterium bereikt.
- Klik op Totale vervorming om de uitbreidingsresultaten weer te geven.
- Meet de verplaatsingen van de anatomische oriëntatiepunten in alle drie de dimensies als het resultaat van uitzetting. Stel de volgende oriëntatiepunten voor die moeten worden gebruikt om het uitbreidingspatroon te evalueren:
Mesio-incisale lijnhoek van de maxillaire centrale snijtand (U1).
Buccale knobbelpunt van de maxillaire eerste premolaar (U4).
Mesiobuccale knobbelpunt van de maxillaire eerste kies (U6).
Lateroinferiore hoek van de piriforme opening (Alar).
Infra-zygomatische kam (IZC).
Middelpunt van de expander.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het demonstratiemodel maakte gebruik van het CBCT-beeld van een 47-jarige vrouw met maxillaire deficiëntie. In het gegenereerde model blijven de anatomische structuur van de neusholte, de maxillaire sinus en de parodontale ligamentruimte voor de expander-verankerde tanden (eerste premolaar en eerste kies) behouden (figuur 1).
Om de chirurgische ingreep nauwkeurig te simuleren, werden het neustussenschot, de zijwanden van de neusholte en de pterygomaxillaire spleet in alle simulaties gescheiden van het maxillaire lichaam. Verder werd een vlak gemaakt, dat de buccale osteotomie tijdens de operatie voorstelt, met een dikte van 1 mm. Het vlak begon vanuit de hoek van de piriforme opening (Alar) en strekte zich naar achteren uit tot aan de pterygomaxillaire spleet (PMF) (Figuur 2A-D).
Er werd een voorlopige test uitgevoerd op het model met symmetrische sneden van nul graden aan zowel de linker- als de rechterkant (Figuur 2E), waaruit bleek dat 150 N kracht resulteerde in meer dan 8 mm uitzetting bij de expander (Figuur 2F), meer dan de hoeveelheid uitzetting die in de meeste literatuur wordt gezien. Dit resultaat werd passend geacht omdat het binnen het uitbreidingsbereik valt dat het vaakst nodig is voor SARPE-patiënten. Bovendien kunnen verschillende hoeken in de osteotomie worden ingebouwd om verschillende klinische omstandigheden na te bootsen (Figuur 3).
In tegenstelling tot de meeste eindige-elementenstudies die zich richtten op von Mises-stress en de relatie met materiaalbreuk of -opbrengst, werd het huidige model uitgevoerd om clinici te helpen de hoeveelheid en het patroon van expansie na SARSE te voorspellen. Daarom kon de verandering van de linker- en rechterhemi-maxillae direct worden gevisualiseerd door de kleurenkaart (die de hoeveelheid totale beweging in 3D weergeeft) en de superpositie van voor- (grijze) en na-expansie (kleur) maxillamodellen (Figuur 2E). Bovendien was de verplaatsing van de anatomische oriëntatiepunten (zoals vermeld in stap 6.5.) in alle drie de dimensies de beoogde uitkomst die verder moest worden geanalyseerd (Figuur 2F).
Figuur 1: Het geconstrueerde model met behoud van de anatomische structuur. (A,B) De frontale (A) en de occlusale (B) aanzichten van het geconstrueerde model. (C,D) De coronale doorsnede van het geconstrueerde model ter hoogte van de maxillaire eerste premolaar (C), die de anatomische structuur vertegenwoordigt die in de CBCT op hetzelfde coronale glaasje (D) wordt waargenomen. (E,F) De coronale doorsnede van het geconstrueerde model ter hoogte van de maxillaire eerste molaar (E), die de anatomische structuur vertegenwoordigt die wordt waargenomen in de CBCT op dezelfde coronale dia (F). Let op het behoud van de neusholte, de maxillaire sinus en de parodontale ligamentruimte voor de expanderverankerende tanden (eerste premolaar en eerste kies) in het geconstrueerde model. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Simulatie van maxillaire expansie met symmetrische nul-graden LeFort I osteotomiesneden aan beide zijden. (A-D) De frontale (A), posterieure (B), rechter (C) en linker (D) aanzichten van het geconstrueerde model met nul-graden LeFort I osteotomiesneden aan beide zijden. (E) De expansie waargenomen in de occlusale weergave van het model na de toepassing van 150 N kracht. De kleurenkaart toont de totale verplaatsing (in millimeters) in 3D. Bovendien kon de superpositie van voor- (grijs) en na-expansie (kleur) maxilla-modellen worden uitgevoerd. (F) De verplaatsing van de anatomische oriëntatiepunten (zoals vermeld in stap 6.5. en weergegeven in figuur 1) in alle drie de dimensies kan worden gegenereerd. X-as: horizontale dimensie; Een positieve waarde betekent zijwaartse beweging en een negatieve waarde betekent mediale beweging. Y-as: sagittale dimensie; Een positieve waarde betekent een beweging naar voren en een negatieve waarde betekent een beweging naar achteren. Z-as: verticale dimensie; Een positieve waarde betekent een inferieure beweging en een negatieve waarde betekent een superieure beweging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Osteotomieën in verschillende hoeken op het huidige model. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Structuur | Young's modulus (MPa) | De verhouding van Poisson |
| Corticaal bot | 1.37 × 104 | 0.3 |
| Poreus bot | 1.37 × 103 | 0.3 |
| Premolaren en kiezen | 2,60 × 104 | 0.3 |
| Parodontaal ligament | 5.00 × 101 | 0.49 |
| Roestvrij staal (expander) | 2.10 × 105 | 0.35 |
Tabel 1: De materiaalparameters voor elke constructie.
| Type | Contact/Doel |
| Gebonden | (1) Poreus bot/corticaal bot |
| (2) Molaar en premolaar/expander | |
| (3) Parodontaal ligament/molaar en premolair | |
| Wrijvingscoëfficiënt (wrijvingscoëfficiënt [μ] = 0,2) | (1) Corticaal/Bovenste corticaal |
| (2) Corticaal bot/molaar en premolaar | |
| Wrijvingscoëfficiënt (wrijvingscoëfficiënt [μ] = 0,1) | (1) Corticaal/neustussenschot |
| (2) Parodontaal ligament/corticaal bot | |
| (3) Parodontaal ligament/poreus bot | |
| Ruw | (1) Corticaal bot/expander |
| (2) Poreus bot/expander |
Tabel 2: De verbindingstypes van elke constructie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De richting van de buccale osteotomie in SARPE kan ofwel een horizontale snede zijn vanuit de neusopening voordat deze naar beneden stapt bij het maxillaire steunbeergebied of een getrapte snede van de piriforme rand naar de steunbeer die overeenkomt met de maxillaire eerste kies, zoals beschreven door Betts2. Hoe dan ook, de osteotomie strekt zich uit tot ver onder het jukbeen van de bovenkaak. De meeste huidige FEA-studies over SARPE gebruiken echter een horizontale snede die zich naar achteren uitstrekt op hetzelfde niveau als de piriforme rand 6,7,12,14. Dit wijkt af van wat gewoonlijk klinisch wordt uitgevoerd en verandert de omstandigheden bij FEA, zoals het zwaartepunt van de hemimaxillae en de richting en het contactgebied van de osteotomie. Aangezien de uitzettingskracht niet altijd door het zwaartepunt gaat, is rotatie onvermijdelijk met de hemimaxillae tijdens FEA. In het klinische scenario kan echter een botsing op de osteotomielijn optreden en kan het resulterende rotatiecentrum vervolgens veranderen. Om een klinisch toepasbaar resultaat te verkrijgen, is het daarom absoluut noodzakelijk dat de osteotomie bij FEA het operatiepatroon nabootst dat in het echte leven wordt uitgevoerd. Het model dat in de huidige studie is geïntroduceerd, stelt onderzoekers in staat om de osteotomie onder verschillende hoeken op te bouwen (Figuur 3) om echt weer te geven wat er klinisch wordt gedaan.
Het cruciale verschil tussen deze studie en eerdere literatuur is dat in plaats van de twee oppervlakken van de osteotomie zonder wrijving te laten raken, het huidige model een wijziging introduceerde door dikte op te nemen in het osteotomievlak, wat vaak over het hoofd wordt gezien in de huidige literatuur 6,7,8,10,11,12 . Eerder onderzoek heeft geen rekening gehouden met de opening die wordt gevormd door een piëzo-elektrische zaag of een chirurgische boor tijdens osteotomie, een kritische vergissing omdat het de vrijheid van de hemimaxillae beïnvloedt, evenals het draaien of roteren van de hemimaxillae in het geval van een benige botsing. Bovendien houdt het geen rekening met de mogelijke weerstands- of dempingseffecten die kunnen voortvloeien uit de vorming van boteelt of osteoïdeweefsel tijdens de eerste genezing18. Het ontwerp dat in de huidige studie is geïntroduceerd, pakt dit probleem aan door een opening van 1 mm dikte tussen de schedel en hemimaxillae te introduceren om de breedte van de chirurgische boor weer te geven die in het instituut van de auteurs wordt gebruikt. Om de krachten van het wondgenezende weefsel verder te simuleren, werden veren (1 mm lang, veerconstante k = 60 N/mm) geïmplementeerd om de hemimaxillae op de roosterknooppunten te verbinden en op te hangen, en om de weerstand van zacht weefsel bij de osteotomiespleet te simuleren, waardoor compressie en spanning worden toegepast tijdens expansie. Deze aanpak biedt aanzienlijke voordelen bij het genereren van een klinisch relevant FEA-model. Het is vermeldenswaard dat de dikte van de opening moet worden aangepast op basis van de chirurgische instrumenten die worden gebruikt wanneer toekomstige onderzoeksgroepen van plan zijn dit model voor gegevensanalyse toe te passen. Ook het ontwerp van de veren zal hierop aangepast moeten worden.
Ten slotte hebben bijna alle beschikbare FEA-onderzoeken naar SARPE te lijden onder onvoldoende activering bij de expander. SARPE wordt bijna altijd uitgevoerd bij patiënten die ten minste 5 mm maxillaire expansie nodig hebben2. Het expansiepatroon, dat kan worden beïnvloed door een botsing op de plaats van de osteotomie, is afhankelijk van de hoeveelheid activering op de expander. De expansie van 1 mm in de meeste FEA-onderzoeken 6,8,9,11,12, wat resulteert in slechts 0,5 mm transversale verplaatsing aan elke kant, is onvoldoende om de effecten van grotere activeringshoeveelheden klinisch weer te geven. Om deze beperking te overwinnen, werd een voorlopige test uitgevoerd om een kracht te bepalen die de hemimaxillae adequaat zou uitzetten in een symmetrisch model, waarbij de resulterende kracht zou vallen in het bereik van klinische krachtniveaus van snelle maxillaire expanders19, wat de klinische relevantie van dit model verder bewees. Deze kracht werd vervolgens gebruikt voor activering in alle volgende subsets, wat geweldige inzichten opleverde in de klinische expansie van de bovenkaak tijdens SARPE.
Er zijn inherente beperkingen in deze studie die moeten worden erkend. De belangrijkste beperking is de afwezigheid van weerstand van het omringende zachte weefsel. Deze omvatten weerstand van het faryngeale gebied, het uitgerekte gehemelte en druk van de wang en de lip. Weerstand aan de achterste weke delen mag niet worden genegeerd. Klinisch wordt meestal een waaiervormig expansiepatroon gezien, zelfs bij patiënten die pterygomaxillaire fissuur hebben ondergaan, wat wijst op een sterke weerstand van de achterste weke delen20. Het is echter moeilijk om rekening te houden met de weerstand van zacht weefsel in een eindige-elementenanalyse, omdat de weerstand verandert naarmate de weefsels worden vervormd tijdens actieve expansie21. Een andere beperking was het ontbreken van een vijzel in de expander. De stijve metalen staaf in de vijzel bindt de twee hemimaxillae in één eenheid, wat de rotatievrijheid van de hemimaxillae zou kunnen verminderen. Last but not least is ons ontwerp mogelijk niet geïndiceerd in sommige speciale gevallen, zoals patiënten met een gespleten gehemelte of andere craniofaciale misvormingen die significante maxillaire asymmetrie veroorzaken of systemische ziekten die de modulus van het bot van Young kunnen beïnvloeden.
Desalniettemin introduceerden de methoden die in deze studie werden gepresenteerd verschillende wijzigingen, waaronder verbeteringen in de hoeking van de buccale osteotomie, de opening op de plaats van de osteotomie, die de dikte van het chirurgische instrument weerspiegelt, en de hoeveelheid activering op de expander, wat een reeks meer klinisch relevante FEA-modellen zou kunnen opleveren die sterk lijken op de chirurgische procedures van SARPE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat er geen sprake is van belangenverstrengeling.
Acknowledgments
Deze studie werd ondersteund door de American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (voor CL), American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (voor CL), de University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph and Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research (voor CL), de J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant van het Department of Orthodontics, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (voor CL) en de International Orthodontic Foundation Young Research Grant (voor CL).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ansys | Ansys | Version 2019 | Ansys is a software for finite element analysis that can solve complicated models based on differential equations. The expansion results of different buccal osteotomy angles were analyzed through this software. |
| Geomagic Studio | 3D Systems | Version 10 | Geomagic Studio is a software for reverse engineering that can generate digital models based on physical scanning points. This study built cancellous bone and periodontal ligaments through this software. |
| Mimics | Materialise | Version 16 | Mimics is a medical 3D image-based engineering software that efficiently converts CT images to a 3D model. This study reconstructed a maxilla complex through the patient's DICOM images. |
| SolidWorks | Dassault Systèmes | Version 2018 | SolidWorks is a computer-aided design software for designers and engineers to create 3D models. A Haas expander was designed and drawn through this software in this study. |
References
- Mommaerts, M. Y. Transpalatal distraction as a method of maxillary expansion. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 37 (4), 268-272 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Trivedi, S. Finite element analysis: A boon to dentistry. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research. 4 (3), 200-203 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Holmes, D.
- Lombardo, L., et al. Evaluation of the stiffness characteristics of rapid palatal expander screws. Progress in Orthodontics. 17 (1), 36 (2016).
- 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).
- 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).
