Summary
Für die weitere Analyse der Expansionsmuster der Hemimaxillen in allen drei Dimensionen wurde eine Reihe neuartiger Finite-Elemente-Modelle der chirurgisch assistierten schnellen Gaumenexpansion (SARPE) erstellt, die eine klinisch erforderliche Menge an Expanderaktivierung mit verschiedenen Winkeln der bukkalen Osteotomie durchführen können.
Abstract
Die chirurgisch assistierte schnelle Gaumenexpansion (SARPE) wurde eingeführt, um knöcherne Resistenzen zu lösen und die Skelettexpansion bei skelettreifen Patienten zu erleichtern. Eine asymmetrische Ausdehnung zwischen linker und rechter Seite wurde jedoch bei 7,52 % aller SARPE-Patienten berichtet, von denen sich 12,90 % einer zweiten Operation zur Korrektur unterziehen mussten. Die Ätiologien, die zu einer asymmetrischen Ausbreitung führen, sind nach wie vor unklar. Die Finite-Elemente-Analyse wurde verwendet, um die mit SARPE verbundene Spannung in den maxillofazialen Strukturen zu bewerten. Da eine Kollision des Knochens an den LeFort I-Osteotomiestellen jedoch erst nach einer gewissen Ausdehnung erfolgt, stellen die meisten der vorhandenen Modelle die Kraftverteilung nicht wirklich dar, da die Ausdehnung dieser bestehenden Modelle selten 1 mm überschreitet. Daher besteht die Notwendigkeit, ein neuartiges Finite-Elemente-Modell von SARPE zu erstellen, das eine klinisch erforderliche Menge an Expanderaktivierung für die weitere Analyse der Expansionsmuster der Hemimaxillen in allen drei Dimensionen durchführen könnte. Ein dreidimensionales (3D) Schädelmodell aus der Kegelstrahl-Computertomographie (DVT) wurde in Mimics importiert und in mathematische Einheiten umgewandelt, um den Oberkieferkomplex, die oberen ersten Prämolaren und die oberen ersten Molaren zu segmentieren. Diese Strukturen wurden in Geomagic übertragen, um die Oberfläche zu glätten und spongiöse Knochen und parodontale Bänder zu bilden. Die rechte Hälfte des Oberkieferkomplexes wurde dann beibehalten und gespiegelt, um ein perfekt symmetrisches Modell in SolidWorks zu erstellen. Es wurde ein Haas-Expander konstruiert und an den ersten Prämolaren und ersten Molaren des Oberkiefers befestigt. Die Finite-Elemente-Analyse verschiedener Kombinationen von bukkalen Osteotomien in verschiedenen Winkeln mit 1 mm Abstand wurde in Ansys durchgeführt. Es wurde ein Konvergenztest durchgeführt, bis die gewünschte Ausdehnung auf beiden Seiten (insgesamt mindestens 6 mm) erreicht war. Diese Studie legt den Grundstein für die Bewertung, wie die Angulation der bukkalen Osteotomie die Expansionsmuster der SARPE beeinflusst.
Introduction
Die chirurgisch assistierte schnelle Gaumenerweiterung (SARPE) ist eine häufig verwendete Technik zur transversalen Erweiterung der knöchernen Struktur des Oberkiefers und des Zahnbogens bei skelettreifen Patienten1. Die Operation umfasst eine LeFort I-Osteotomie, eine mittelpalatinale Kortikotomie und optional die Befreiung der Pterygoid-Oberkiefer-Fissur2. Es wurden jedoch unerwünschte Expansionsmuster von SARPE berichtet, wie z. B. eine ungleichmäßige Ausdehnung zwischen linker und rechter Hemimaxillone3 und dentoalveolärer Processus buccal kipping/rotation4, die zum Versagen der SARPE führen und manchmal sogar zusätzliche Operationen zur Korrektur5 erfordern können. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Variation der circummaxillären Osteotomien eine signifikante Rolle beim Post-SARPE-Expansionsmuster spielen kann2,3, da die Kollisionen zwischen den Knochenblöcken an den Le Fort I-Osteotomiestellen zu der ungleichmäßigen Widerstandskraft der lateralen Ausdehnung der Hemimaxillen und zur Rotation der Hemimaxillen beitragen können, wobei sich die Alveolarränder unterhalb des Schnitts nach innen bewegen, während sich der Dentoalveolarfortsatz ausdehnt 3, 4. Anmelden Daher ist es notwendig, die Auswirkungen verschiedener Osteotomierichtungen, insbesondere der bukkalen Osteotomie, auf Post-SARPE-Expansionsmuster zu untersuchen.
Es wurden mehrere Finite-Elemente-Analyse-Modelle (FEA) erstellt, um die Kraftverteilung während der SARPE zu bewerten. Die Höhe des Expansionssatzes ist bei diesen Modellen jedoch auf bis zu 1 mm begrenzt, was weit unter der erforderlichen klinischen Menge 6,7,8,9,10,11,12 liegt. Eine unzureichende Erweiterung der FEM-Modelle kann zu fehlerhaften Vorhersagen der Ergebnisse nach dem SARPE führen. Genauer gesagt kann die Kollision zwischen den Knochen an der Osteotomiestelle, wie von Chamberland und Proffit4 berichtet, möglicherweise nicht nachgewiesen werden, wenn der Expander nicht ausreichend gedreht ist, was möglicherweise nicht die wahre klinische Realität widerspiegelt. Aufgrund der begrenzten Ausdehnung, die in den vorherigen Modellen eingebaut wurde, konzentrierten sich die Ergebnisbewertungen dieser Modelle auf die Spannungsanalyse. Die Spannungsanalyse der FEA in der Zahnmedizin wird jedoch in der Regel unter statischer Belastung durchgeführt, wobei die mechanischen Eigenschaften der Materialien als isotrop und linear elastisch eingestellt sind, was die klinische Relevanz der FEA-Studien weiter einschränkt13.
Darüber hinaus wurde in den meisten dieser Studien die Dicke des chirurgischen Instruments an der Osteotomiestelle 6,7,8,10,11,12 nicht berücksichtigt, so dass die Reibung an den Schnitten als Teil der Randbedingungen oft auf Null gesetzt wurde. Diese Einstellung vereinfacht jedoch die Kontakte zwischen Hart- und Weichgewebe zu sehr. Sie kann die Kraftverteilung und das daraus resultierende Expansionsmuster der Hemimaxillen erheblich beeinflussen.
Nichtsdestotrotz gibt es keine verfügbare Literatur, die den Effekt der Osteotomie auf die Post-SARPE-Asymmetrie mit Hilfe von Finite-Elemente-Analyse-Modellen (FEA) untersucht hat. Alle aktuellen Studien verwendeten Modelle mit symmetrischen Osteotomiemustern 6,7,8,9,10,11,12,14, die nicht die Realität der klinischen Praxis widerspiegeln, in der die Osteotomien auf jeder Seite des Schädels unterschiedlich sein können. Der Mangel an Literatur, die den Effekt von asymmetrischen Osteotomien auf die Post-SARPE-Asymmetrie untersucht, stellt eine erhebliche Wissenslücke dar, die geschlossen werden muss.
Daher ist es das Ziel dieser Studie, ein neuartiges FEM-Modell von SARPE zu entwickeln, das die klinischen Bedingungen, einschließlich der Expansionsmenge und der Osteotomielücke, wirklich nachahmen kann, und die Expansionsmuster der Hemimaxillen in allen drei Dimensionen mit verschiedenen Designs der Osteotomie zu untersuchen. Ein solcher Ansatz würde wertvolle Einblicke in die Mechanismen liefern, die den Expansionsmustern nach SARPE zugrunde liegen, und als nützliches Werkzeug für Kliniker bei der Planung und Durchführung von SARPE-Verfahren dienen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
In dieser Studie wurde ein bereits vorhandenes, anonymisiertes DVT-Bild vor der Behandlung eines Patienten verwendet, der SARPE als Teil der Behandlungspläne hatte. Die Studie wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt und vom Institutional Review Board genehmigt (Protokoll #853608).
1. Probenentnahme und Zahnsegmentierung
- Nehmen Sie ein humanes DVT-Bild des Kopfes in einer natürlichen Kopfposition auf, das den Oberkieferkomplex des Patienten umfasst, einschließlich des Oberkieferknochens, des Oberkieferalveolarknochens und des Oberkiefergebisses.
- Importieren Sie die DICOM-Dateien (CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine) in die Mimics-Software.
- Neues Projekt erstellen (Strg + N), wählen Sie alle DICOM-Bilder aus und klicken Sie auf Weiter und Konvertieren.
- Definieren Sie die Richtung des Modells (A: anterior, P: posterior, T: oben, B: unten, L: links, R: rechts) und klicken Sie auf OK.
- Segmentieren Sie die Datei in Oberkieferkomplex, erste Prämolaren des Oberkiefers und erste Molaren des Oberkiefers.
- Klicken Sie auf Schwellenwert, wählen Sie einen geeigneten Schwellenwert aus, um Bones zu segmentieren , und klicken Sie auf Anwenden.
- Erstellen Sie neue Masken und klicken Sie auf Masken bearbeiten, indem Sie Zeichnen und Radieren verwenden, um den Oberkieferkomplex, die ersten Prämolaren des Oberkiefers und die ersten Molaren des Oberkiefers des Patienten zu segmentieren.
- Exportieren Sie die Ziele als Stereolithographie-Dateien (STL).
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Masken und wählen Sie 3D berechnen , um 3D-Objekte zu generieren.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf 3D-Objekte, wählen Sie STL+, wählen Sie die gewünschten Objekte aus und klicken Sie auf Hinzufügen und Fertig stellen , um STL-Dateien zu erstellen.
2. Oberflächenglättung und Schaffung von Spongiosa-Knochen und parodontalem Ligamentraum
- Importieren Sie die STL-Dateien in die Geomagic-Software.
- Klicken Sie auf Datei > Öffnen, wählen Sie die STL-Dateien aus und drücken Sie dann auf Öffnen.
- Wählen Sie " Millimeter " für die Daten im Popup-Fenster " Einheiten " und klicken Sie auf " OK".
- Glätten Sie die Oberfläche des Oberkieferkomplexes, der ersten Prämolaren des Oberkiefers und der ersten Molaren des Oberkiefers.
- Klicken Sie auf Polygone > Spitzen entfernen, klicken Sie auf die Glättungsstufe, ziehen Sie sie in den Bereich Niedrig, klicken Sie auf Übernehmen und dann auf OK.
- Klicken Sie auf Polygone > Polygone entspannen, klicken Sie auf die Glättungsstufe, ziehen Sie sie in die Nähe von Min, klicken Sie auf Anwenden und dann auf OK.
- Klicken Sie auf Polygone > Schnittpunkte reparieren, wählen Sie im Fenster Modus die Option Entspannen/Reinigen, klicken Sie auf Übernehmen und dann auf OK.
- Ändern Sie die Oberfläche des Modells in einen kontinuierlichen und geschlossenen Bereich.
- Klicken Sie auf die scharfe Oberfläche, ziehen Sie sie und drücken Sie die Entf-Taste, um eine Bohrung zu erstellen.
- Klicken Sie auf Polygone > Löcher füllen, verwenden Sie Füllung, Teilfüllung, Brücken erstellen im Fenster Füllmethode, klicken Sie auf Anwenden, und dann auf OK.
- Konvertieren Sie die 2D-Oberfläche in ein 3D-Volumenmodell, und exportieren Sie es als CAD-Datei (Computer-Aided Design).
- Klicken Sie > Phase > Formphase auf "Bearbeiten", wählen Sie " Konturen bearbeiten ", um die Konturen der Oberfläche zu skizzieren, und klicken Sie dann auf " OK".
- Klicken Sie auf Patch-Layout zeichnen, zeichnen Sie vierseitige Netze, um alle Flächen abzudecken, und klicken Sie dann auf OK.
- Klicken Sie auf Raster konstruieren, definieren Sie eine geeignete Auflösung, und klicken Sie auf OK , um ein feineres Netz zu erzeugen.
- Klicken Sie auf Flächen anpassen, klicken Sie auf Anwenden und dann auf OK , um ein 3D-Volumenmodell zu konstruieren.
- Klicken Sie auf Datei > Speichern unter , um das 3D-Modell zu exportieren und in einer IGES-Datei (mit dem Namen Maxilla) zu speichern.
- Erzeugen Sie den spongiösen Knochen, indem Sie das Volumen des Oberkieferkomplexes um 1 mm von der bukkalen Alveolaroberfläche reduzieren. Schaffen Sie parodontalen Bandraum, indem Sie die Kontur der Wurzeln um 0,2 mm erweitern.
- Klicken Sie auf "Polygonphase", wählen Sie "Löschen" im Fenster "Konturlinien", wählen Sie im Fenster "Patch-Layout" die Option "Beibehalten" und drücken Sie dann "OK", um das 3D-Volumenmodell in eine 2D-Oberfläche umzuwandeln.
- Klicken Sie auf " Polygone > Versatz", geben Sie "-1 mm" und "0,2 mm" in das Bedienfeld "Abstand" für spongiosafarbenes Knochen- und Parodontalband ein und klicken Sie dann auf " Anwenden " und "OK".
- Klicken Sie auf "Bearbeiten > Phase > Formphase", wählen Sie " Patch-Layout wiederherstellen " und drücken Sie " OK".
- Klicken Sie auf Raster konstruieren, definieren Sie eine geeignete Auflösung, und klicken Sie auf OK , um ein feineres Netz zu erzeugen.
- Klicken Sie auf Flächen anpassen, klicken Sie auf Anwenden und dann auf OK , um ein 3D-Volumenmodell zu konstruieren.
- Klicken Sie auf Datei > Speichern unter , um das 3D-Modell zu exportieren und in IGES-Dateien (CB und PL) zu speichern.
3. Konstruieren Sie ein anatomisch symmetrisches Oberkiefermodell
- Importieren Sie die CAD-Dateien in SolidWorks.
- Klicken Sie auf Datei > Öffnen, wählen Sie die Maxilla-Datei aus und klicken Sie auf Öffnen, um die CAD-Datei zu importieren.
- Klicken Sie auf Datei > Speichern , um die Datei im Teileformat zu speichern.
- Konstruieren Sie den Spongiosa-Knochen unterhalb der Gaumenebene (PP).
- Klicken Sie auf > Teil einfügen, wählen Sie die CB-Datei aus und klicken Sie auf Öffnen , um die CAD-Datei zu importieren.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf der Gaumenebene aus, und klicken Sie auf OK , um eine Schnittebene zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Features > Teilen einfügen, wählen Sie die Gaumenebene in den Trimmwerkzeugen aus, und klicken Sie auf Teil ausschneiden , um eine Schnittvorschau zu erstellen.
- Aktivieren Sie die Kontrollkästchen in den resultierenden Körpern, und klicken Sie auf OK , um den Spongiosa-Knochen zu trennen.
- Klicken Sie auf den Spongiosa-Knochen oberhalb der Gaumenebene, klicken Sie mit der rechten Maustaste und drücken Sie im Abschnitt Körper die Entf-Taste.
- Konstruieren Sie das parodontale Ligamentum der ersten Prämolaren des Oberkiefers und der ersten Molaren des Oberkiefers.
- Klicken Sie auf > Teil einfügen, wählen Sie die PL-Datei aus und klicken Sie auf Öffnen , um die CAD-Datei zu importieren.
- Klicken Sie auf > Features >einfügen, die sich überschneiden, und wählen Sie im Fenster Auswahl die Option Maxilla und PL aus.
- Wählen Sie im Fenster "Auswahl" die Option "Beide erstellen" aus, wählen Sie den parodontalen Bandteil in der Regionsliste aus und klicken Sie dann auf "OK", um das Band zu generieren.
- Führen Sie eine mittlere Gaumenschnittebene von der vorderen Nasenwirbelsäule (ANS) zur hinteren Nasenwirbelsäule (PNS) durch und behalten Sie die rechte Hälfte des Oberkieferkomplexes bei.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf der Gaumenmittelebene aus, und klicken Sie auf OK , um eine Schnittebene zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Features > Teilen einfügen, wählen Sie die Gaumenebene in den Trimmwerkzeugen aus, und klicken Sie auf Teil ausschneiden , um eine Schnittvorschau zu erstellen.
- Aktivieren Sie die Kontrollkästchen in den resultierenden Körpern und klicken Sie auf OK , um den Oberkieferkomplex zu trennen.
- Klicken Sie auf die linke Hälfte des Oberkieferkomplexes, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und drücken Sie im Abschnitt Körper die Entf-Taste.
- Spiegeln Sie die rechte Hälfte des Oberkieferkomplexes und erstellen Sie eine identische linke Hälfte.
- Klicken Sie auf > Muster/Spiegel > Spiegel einfügen und wählen Sie die Gaumenmittelebene unter Spiegelfläche/Ebene aus.
- Wählen Sie die gesamte rechte Hälfte des Oberkieferkomplexes in Zu spiegelnden Körpern aus, und klicken Sie auf OK , um die linke Hälfte des Oberkieferkomplexes zu generieren.
4. Erstellen Sie einen Haas-Expander und ein Band an den ersten Prämolaren und ersten Molaren des Oberkiefers
- Konstruieren Sie das Prämolarenband und das Molarenband.
- Klicken Sie auf > Teil einfügen, wählen Sie die PL-Datei aus und klicken Sie auf Öffnen , um die CAD-Datei zu importieren.
- Klicken Sie auf > KEs > Teilen einfügen, wählen Sie die Zähne in der PL-Datei aus, und legen Sie eine einheitliche Skalierung von 1,05 fest. Klicken Sie auf OK , um Bänder mit einer Dicke von 0,5 mm zu erzeugen.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf der Okklusionsebene aus, und klicken Sie auf OK , um eine Referenzebene zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie die Okklusionsebene aus, und legen Sie einen Versatzabstand von 1,5 mm fest. Klicken Sie auf OK , um die erste Schnittebene zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie die Okklusionsebene aus, und legen Sie einen Versatzabstand von 4,0 mm fest. Klicken Sie auf OK , um die zweite Schnittebene zu erstellen.
- Klicken Sie auf > KEs > Teilen einfügen, und wählen Sie die erste und zweite Ebene unter Trimmwerkzeuge und die Zähne unter Zielkörper aus. Klicken Sie auf Körper schneiden , um eine Schnittvorschau zu erstellen.
- Aktivieren Sie die Kontrollkästchen in den resultierenden Körpern und klicken Sie auf OK , um die Zähne zu trennen.
- Klicken Sie auf das Band oberhalb der ersten Ebene und unterhalb der zweiten Ebene, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und drücken Sie im Abschnitt Körper die Entf-Taste.
- Konstruieren Sie die Acrylplatte.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf der Ebene der harten Gaumenebene aus, und klicken Sie auf OK , um eine Skizzierebene zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Skizze einfügen, zeichnen Sie eine Acrylplatte, beziehen Sie sich auf den Haas-Expander und klicken Sie auf Skizze beenden.
- Klicken Sie auf >Aufsatz/Basis einfügen > Extrudieren, wählen Sie die Skizze der Acrylplatte aus, legen Sie die Tiefe von 5 mm fest, und klicken Sie auf OK.
- Klicken Sie > Flex auf > Features einfügen und biegen Sie die Acrylplatte, um sie an die Anatomie des Gaumens anzupassen.
- Klicken Sie auf > Elemente einfügen > Abrunden/Runden und verrunden Sie die scharfen Kanten der Acrylplatte in einem Radius von 1 mm.
- Konstruieren Sie die Expanderarme.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf dem Band aus, und klicken Sie auf OK , um eine Skizzierebene (mit dem Namen P1) zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Skizze einfügen, zeichnen Sie einen Kreis mit einem Durchmesser von 2 mm, und klicken Sie auf Skizze beenden (mit dem Namen C1).
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf der Acrylplatte aus, und klicken Sie auf OK , um eine Skizzierebene (mit dem Namen P2) zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Skizze einfügen, zeichnen Sie einen Kreis mit einem Durchmesser von 2 mm, und klicken Sie auf Skizze beenden (mit dem Namen C2).
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie die P2-Ebene aus, und legen Sie einen Versatzabstand von 6 mm fest. Klicken Sie auf OK für eine Skizzierebene.
- Klicken Sie auf > Skizze einfügen, zeichnen Sie einen Kreis mit einem Durchmesser von 2 mm, und klicken Sie auf Skizze beenden (mit dem Namen C3).
- Klicken Sie auf > Aufsatz/Basis > Ausformung einfügen, und wählen Sie im Fenster Profile die Skizze C1, C2 und C3 aus.
- Wählen Sie das Band und die Acrylplatte im Fenster Funktionsumfang aus, aktivieren Sie im Fenster Optionen die Option Ergebnis zusammenführen und klicken Sie auf OK.
5. Entwerfen Sie die Osteotomie
- Erzeugen Sie eine 1 mm dicke Ebene, die dem Durchmesser eines Bohrers entspricht, der normalerweise vom Chirurgen verwendet wird, von der Ecke der piriformen Öffnung (Alar) in Richtung des infrazygomatischen Kammes (IZC) in verschiedenen Graden von der horizontalen Ebene.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie drei Elementpunkte auf der Osteotomieebene (0°, 10°, 20° oder 30° zur horizontalen Ebene) aus, und klicken Sie auf OK , um die Ebene (mit dem Namen O1) zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Referenzgeometrie > Ebene einfügen, wählen Sie die Osteotomieebene aus, und legen Sie einen Versatzabstand von 1,0 mm fest. Klicken Sie auf OK , um eine untergeordnete Schnittebene (mit dem Namen O2) zu erstellen.
- Klicken Sie auf > Features > Teilen einfügen, wählen Sie die O1- und O2-Ebene in den Trimmwerkzeugen aus, und klicken Sie auf Teil schneiden , um eine Schnittvorschau zu erstellen.
- Aktivieren Sie die Kontrollkästchen in den resultierenden Körpern und klicken Sie auf OK , um den Oberkieferkomplex zu trennen.
- Klicken Sie auf den Körper zwischen den Ebenen O1 und O2, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und drücken Sie im Abschnitt Körper die Entf-Taste.
- Exportieren Sie Modelle mit unterschiedlichen bukkalen Osteotomiewinkeln zur Analyse in Parasolid Model Part File (X_T).
- Klicken Sie auf Datei > Speichern unter, und wählen Sie in der Liste Dateityp die Option Parasolid (x_t) aus.
- Klicken Sie auf Speichern , um die Modelle für die Finite-Elemente-Analysesoftware zu exportieren.
6. Finite-Elemente-Analyse
- Importieren und stellen Sie die Materialparameter des Oberkieferkomplexmodells in die Ansys-Software ein.
- Klicken Sie auf die Toolbox Statische Struktur in Toolbox , und ziehen Sie sie, um einen Analyse-Workspace zu erstellen.
- Doppelklicken Sie auf die Konstruktionsdaten, und legen Sie den Elastizitätsmodul und das Poisson-Verhältnis aller Materialien unter Eigenschaften fest. Die Materialeigenschaften der verschiedenen Strukturen12, 15 und 16 sind in Tabelle 1 aufgeführt.
- Doppelklicken Sie auf Geometrie, klicken Sie auf Datei > externe Geometriedatei importieren, und klicken Sie dann auf Generieren , um das komplexe Oberkiefermodell zu importieren.
- Klicken Sie auf > booleschen Wert erstellen, und generieren Sie den kortikalen Knochen und das parodontale Ligamentum per booleschen Wert mit dem Spongiosaknochen und den Zähnen.
- Richten Sie das Finite-Elemente-Analysemodell ein.
- Doppelklicken Sie auf das Modell, und klicken Sie auf Geometrie , um die Materialeigenschaften für jedes Teil auszuwählen.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Netz, und klicken Sie auf Netz generieren , um die Elemente im Modell zu erstellen.
- Klicken Sie auf Verbindungen, und weisen Sie das weiche/kleine Bauteil unter Kontaktkörper und das steife/große Teil unter Zielkörper zu.
- Weisen Sie den Kontakttyp und den Reibungskoeffizienten in Definition zu. Die Verbindungseigenschaften der verschiedenen Teile17 sind in Tabelle 2 aufgeführt.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Verbindungen, und klicken Sie auf > Feder einfügen , um den oberen und unteren Teil der Osteotomieebene zu verbinden. Stellen Sie die Federn auf eine Länge von 1 mm mit einer Federkonstante k = 60 N/mm ein und platzieren Sie eine Feder an jedem Gitterknoten.
- Stellen Sie eine klinisch akzeptable Kraft entlang der x-Achse (senkrecht zur Mittellinie) auf der Acrylplatte bei verschiedenen Kombinationen von Osteotomien ein.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Statische Struktur, klicken Sie auf Einfügen > feste Stütze , und legen Sie die Struktur auf der Gaumenebene unbeweglich fest.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Statische Struktur, klicken Sie auf > Kraft einfügen , und legen Sie eine Kraft von 150 N fest, die auf die Acrylplatte mit einer Richtung weg von der medialen Linie ausgeübt werden soll.
- Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Projektmappe, und klicken Sie auf > Verformung > Summe einfügen, um die Verformung der Erweiterung zu überwachen.
- Führen Sie einen Konvergenztest durch, bis Expansionen auf beiden Seiten erreicht sind.
- Klicken Sie in den Werkzeugkästen auf Berechnen , und warten Sie, bis die Kraftkonvergenzstufe das Kriterium Kraft erreicht.
- Klicken Sie auf Gesamtverformung , um die Expansionsergebnisse anzuzeigen.
- Messen Sie die Verschiebungen der anatomischen Landmarken in allen drei Dimensionen als Ergebnis der Ausdehnung. Schlagen Sie die folgenden Landmarken vor, die zum Auswerten des Erweiterungsmusters verwendet werden sollen:
Mesioinzisallinienwinkel des mittleren Schneidezahns des Oberkiefers (U1).
bukkale Höckerspitze des Oberkiefers erster Prämolar (U4).
Mesiobukkale Höckerspitze des ersten Oberkiefermolaren (U6).
Lateroinferiore Ecke der piriformen Öffnung (Alar).
Infrazygomatischer Kamm (IZC).
Mittelpunkt des Expanders.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Das Demonstrationsmodell verwendete das DVT-Bild einer 47-jährigen Frau mit Oberkieferinsuffizienz. Im generierten Modell bleibt die anatomische Struktur der Nasenhöhle, der Kieferhöhle und des parodontalen Ligamentraums für die expanderverankerten Zähne (erster Prämolar und erster Molaren) erhalten (Abbildung 1).
Um den chirurgischen Eingriff genau zu simulieren, wurden in allen Simulationen die Nasenscheidewand, die Seitenwände der Nasenhöhle und die Pterygomaxillarisfissur vom Oberkieferkörper getrennt. Darüber hinaus wurde eine Ebene erstellt, die die bukkale Osteotomie während der Operation darstellt, mit einer Dicke von 1 mm. Die Ebene begann an der Ecke der piriformen Apertur (Alar) und erstreckte sich posterior bis zur Pterygomaxillarisfissur (PMF) (Abbildung 2A-D).
Es wurde ein Vorversuch am Modell mit symmetrischen Null-Grad-Schnitten auf der linken und rechten Seite durchgeführt (Abbildung 2E), der zeigte, dass eine Kraft von 150 N zu einer Ausdehnung von mehr als 8 mm am Expander führte (Abbildung 2F), was die in der meisten Literatur beobachtete Ausdehnung übertraf. Dieses Ergebnis wurde als angemessen erachtet, da es in den Expansionsbereich fällt, der für SARPE-Patienten am häufigsten benötigt wird. Darüber hinaus kann in der Osteotomie eine Vielzahl von Winkeln eingebaut werden, um verschiedene klinische Bedingungen nachzuahmen (Abbildung 3).
Im Gegensatz zu den meisten Finite-Elemente-Studien, die sich auf die von-Mises-Spannung und ihre Beziehung zum Materialbruch oder zur Streckgrenze konzentrierten, wurde das aktuelle Modell durchgeführt, um Klinikern zu helfen, die Menge und das Muster der Ausdehnung nach SARPE vorherzusehen. Daher konnte die Veränderung der linken und rechten Hemi-Maxillae direkt durch die Farbkarte (die das Ausmaß der Gesamtbewegung in 3D darstellt) und die Überlagerung von Vor- (grau) und Nachexpansions-(Farbe) Oberkiefermodellen visualisiert werden (Abbildung 2E). Darüber hinaus war die Verschiebung der anatomischen Landmarken (wie in Schritt 6.5 erwähnt) in allen drei Dimensionen das Zielergebnis, das weiter analysiert werden sollte (Abbildung 2F).
Abbildung 1: Das konstruierte Modell unter Beibehaltung der anatomischen Struktur. (A,B) Die frontale (A) und die okklusale (B) Ansicht des konstruierten Modells. (C,D) Der koronale Schnitt des konstruierten Modells auf Höhe des ersten Prämolaren des Oberkiefers (C), der die anatomische Struktur darstellt, die im DVT am gleichen koronalen Objektträger (D) beobachtet wurde. (E,F) Der koronale Schnitt des konstruierten Modells auf Höhe des ersten Molaren des Oberkiefers (E), der die anatomische Struktur darstellt, die im DVT am gleichen koronalen Objektträger (F) beobachtet wurde. Bitte beachten Sie den Erhalt der Nasenhöhle, der Kieferhöhle und des parodontalen Ligamentraums für die Expander-Verankerungszähne (erster Prämolar und erster Molaren) im konstruierten Modell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Simulation der Oberkieferausdehnung mit symmetrischen Null-Grad-LeFort-I-Osteotomieschnitten auf beiden Seiten. (A-D) Die frontale (A), posteriore (B), rechte (C) und linke (D) Ansicht des konstruierten Modells mit Nullgrad-LeFort-I-Osteotomieschnitten auf beiden Seiten. (E) Die Ausdehnung, die in der okklusalen Ansicht des Modells nach der Anwendung einer Kraft von 150 N beobachtet wird. Die Farbkarte zeigt die Gesamtverschiebung (in Millimetern) in 3D. Darüber hinaus konnte die Überlagerung von Vor- (grau) und Nachexpansions-(Farbe) Oberkiefermodellen durchgeführt werden. (F) Die Verschiebung der anatomischen Landmarken (wie in Schritt 6.5 erwähnt und in Abbildung 1 dargestellt) in allen drei Dimensionen konnte erzeugt werden. X-Achse: horizontale Dimension; Ein positiver Wert bedeutet eine seitliche Bewegung, und ein negativer Wert bedeutet eine mediale Bewegung. Y-Achse: sagittale Dimension; Ein positiver Wert bedeutet eine anteriore Bewegung und ein negativer Wert bedeutet eine posteriore Bewegung. Z-Achse: vertikale Abmessung; Ein positiver Wert bedeutet eine geringere Bewegung und ein negativer Wert bedeutet eine überlegene Bewegung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Osteotomien in verschiedenen Winkeln am aktuellen Modell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Struktur | Elastizitätsmodul (MPa) | Poisson-Verhältnis |
| Kortikaler Knochen | 1,37 × 104 | 0.3 |
| Cancellous-Knochen | 1,37 × 103 | 0.3 |
| Prämolaren und Molaren | 2,60 × 104 | 0.3 |
| Wurzelhaut | 5.00 × 101 | 0.49 |
| Edelstahl (Expander) | 2,10 × 105 | 0.35 |
Tabelle 1: Die Materialparameter für jede Struktur.
| Art | Kontakt/Ziel |
| Festhaftend | (1) Knochen cancellous/kortikaler Knochen |
| (2) Molar und Prämolaren/Expander | |
| (3) Parodontales Ligament/Molar und Prämolar | |
| Reibung (Reibungskoeffizient [μ] = 0,2) | (1) Kortikal/Obere Kortikalis |
| (2) Kortikaler Knochen/Molar und Prämolar | |
| Reibung (Reibungskoeffizient [μ] = 0,1) | (1) Kortikal-/Nasenscheidewand |
| (2) Parodontales Ligament/Kortikales Knochen | |
| (3) Parodontales Ligament/Cancellous-Knochen | |
| Rauh | (1) Kortikaler Knochen/Expander |
| (2) Cancellous-Knochen/Expander |
Tabelle 2: Die Verbindungstypen der einzelnen Strukturen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Die Richtung der bukkalen Osteotomie bei SARPE kann entweder ein horizontaler Schnitt von der Nasenöffnung vor dem Abtreten im Bereich des Oberkieferstrebepfeilers oder ein rampierter Schnitt vom piriformen Rand in Richtung des Strebepfeilers sein, der dem Oberkiefer des ersten Molaren entspricht, wie von Betts2 beschrieben. In jedem Fall erstreckt sich die Osteotomie weit unterhalb des Jochbeinfortsatzes des Oberkiefers. Die meisten aktuellen FEA-Studien zu SARPE verwenden jedoch einen horizontalen Schnitt, der sich posterior auf Höhe des piriformen Randeserstreckt 6,7,12,14. Dies weicht von dem ab, was normalerweise klinisch durchgeführt wird, und verändert die Bedingungen in der FEA, wie z.B. den Schwerpunkt der Hemimaxillen und die Richtung und Kontaktfläche der Osteotomie. Da die Expansionskraft nicht immer durch den Massenschwerpunkt verläuft, ist eine Rotation der Hemimaxillen während der FEA unvermeidlich. Im klinischen Szenario kann es jedoch zu einer Kollision an der Osteotomielinie kommen, und das resultierende Rotationszentrum kann sich in der Folge ändern. Um ein klinisch anwendbares Ergebnis zu erzielen, ist es daher unerlässlich, dass die Osteotomie bei FEA das Operationsmuster nachahmt, das im wirklichen Leben durchgeführt wird. Das in der aktuellen Studie vorgestellte Modell ermöglicht es den Forschern, die Osteotomie in verschiedenen Winkeln aufzubauen (Abbildung 3), um wirklich darzustellen, was klinisch durchgeführt wird.
Der entscheidende Unterschied zwischen dieser Studie und der bisherigen Literatur besteht darin, dass das aktuelle Modell nicht zulässt, dass sich die beiden Oberflächen der Osteotomie ohne Reibung berühren, sondern eine Modifikation einführt, indem die Dicke der Osteotomieebene einbezogen wird, was in der aktuellen Literatur häufig übersehen wird 6,7,8,10,11,12 . Die bisherige Forschung hat die Lücke außer Acht gelassen, die durch eine piezoelektrische Säge oder einen chirurgischen Bohrer während der Osteotomie entsteht, ein kritisches Versäumnis, da es die Freiheit der Hemimaxillen sowie das Schwenken oder Drehen der Hemimaxillen im Falle einer knöchernen Kollision beeinträchtigt. Darüber hinaus werden die potenziellen Widerstands- oder Dämpfungseffekte, die durch die Bildung von Knochenkallus- oder Osteoidgewebe während der anfänglichen Heilung entstehen können, nicht berücksichtigt18. Das in der aktuellen Studie vorgestellte Design adressiert dieses Problem, indem es einen 1 mm dicken Spalt zwischen Schädel und Hemimaxillae einführt, um die Breite des im Institut der Autoren verwendeten chirurgischen Bohrers widerzuspiegeln. Um die Kräfte des wundheilenden Gewebes weiter zu simulieren, wurden Federn (1 mm lang, Federkonstante k = 60 N/mm) eingesetzt, um die Hemimaxillen an den Gitterknoten zu verbinden und aufzuhängen, sowie um den Weichteilwiderstand am Osteotomiespalt zu simulieren, wodurch Kompression und Spannung während der Expansion ausgeübt werden. Dieser Ansatz bietet erhebliche Vorteile bei der Generierung eines klinisch relevanten FEA-Modells. Es ist erwähnenswert, dass die Dicke des Spalts auf der Grundlage der verwendeten chirurgischen Instrumente angepasst werden sollte, wenn zukünftige Forschungsgruppen planen, dieses Modell für die Datenanalyse zu übernehmen. Auch das Design der Federn muss entsprechend angepasst werden.
Schließlich leiden fast alle verfügbaren FEA-Studien zu SARPE unter einer unzureichenden Aktivierung am Expander. SARPE wird fast immer bei Patienten durchgeführt, die eine Oberkiefererweiterung von mindestens 5 mm benötigen2. Das Expansionsmuster, das durch eine Kollision an der Osteotomiestelle beeinflusst werden kann, hängt von der Stärke der Aktivierung am Expander ab. Die Ausdehnung von 1 mm in den meisten FEA-Studien 6,8,9,11,12, die zu einer Querverschiebung von nur 0,5 mm auf jeder Seite führt, reicht nicht aus, um die Auswirkungen größerer Aktivierungsmengen klinisch darzustellen. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein Vorversuch durchgeführt, um eine Kraft zu bestimmen, die die Hemimaxillen in einem symmetrischen Modell angemessen ausdehnen würde, wobei die resultierende Kraft in den Bereich der klinischen Kraftniveaus von schnellen Oberkieferexpandern19 fällt, was die klinische Relevanz dieses Modells weiter beweist. Diese Kraft wurde dann für die Aktivierung in allen nachfolgenden Untergruppen verwendet und lieferte großartige Einblicke in die klinische Ausdehnung des Oberkiefers während der SARPE.
Es gibt inhärente Einschränkungen in dieser Studie, die anerkannt werden müssen. Die primäre Einschränkung ist das Fehlen eines Widerstandes durch das umgebende Weichgewebe. Dazu gehörten Widerstände aus dem Rachenbereich, dem gedehnten Gaumen und Druck aus der Wange und der Lippe. Der Widerstand am hinteren Weichgewebe sollte nicht außer Acht gelassen werden. Klinisch wird typischerweise ein fächerförmiges Expansionsmuster beobachtet, selbst bei Patienten, die sich einer Pterygomaxillarisfissurenlösung unterzogen haben, was auf einen starken posterioren Weichteilwiderstand hindeutet20. Die Berücksichtigung des Weichteilwiderstands in einer Finite-Elemente-Analyse ist jedoch schwierig, da sich der Widerstand ändert, wenn das Gewebe während der aktiven Expansion verformt wird21. Eine weitere Einschränkung war das Fehlen einer Druckschraube im Expander. Die starre Metallstange in der Druckspindel bindet die beiden Hemimaxillae zu einer Einheit, was die Rotationsfreiheit der Hemimaxillae verringern könnte. Zu guter Letzt ist unser Design in einigen Sonderfällen möglicherweise nicht indiziert, z. B. bei Patienten mit Gaumenspalte oder anderen kraniofazialen Deformitäten, die eine signifikante Asymmetrie des Oberkiefers verursachen, oder bei systemischen Erkrankungen, die den Elastizitätsmodul des Patienten betreffen können.
Nichtsdestotrotz führten die in dieser Studie vorgestellten Methoden zu mehreren Modifikationen, darunter Verbesserungen in der Winkelung der bukkalen Osteotomie, der Lücke an der Osteotomiestelle, die die Dicke des chirurgischen Instruments widerspiegelt, und des Aktivierungsfaktors am Expander, was zu einer Reihe von klinisch relevanteren FEA-Modellen führen könnte, die den chirurgischen Verfahren der SARPE sehr ähnlich sind.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Acknowledgments
Diese Studie wurde unterstützt durch den Orthodontic Faculty Development Fellowship Award der American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) (für C.L.), den American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (für C.L.), den Joseph and Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research der University of Pennsylvania School of Dental Medicine (für C.L.), den J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant der Abteilung für Kieferorthopädie, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (für C.L.) und das Young Research Grant der International Orthodontic Foundation (für 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. |
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).
