Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

מודל ניתוח אלמנטים סופיים להערכת דפוסי התפשטות מהתרחבות מהירה בסיוע כירורגי

Published: October 20, 2023 doi: 10.3791/65700
Automatic Translation
*1, *2, 2, 3, 1, 1
1Department of Orthodontics, School of Dental Medicine, University of Pennsylvania, 2Department of Biomedical Engineering, College of Engineering, National Cheng Kung University, 3Department of Oral and Maxillofacial Surgery/Pharmacology, School of Dental Medicine, University of Pennsylvania
* These authors contributed equally

Summary

סדרה של מודלים חדשניים של אלמנטים סופיים של הרחבת חיך מהירה בסיוע כירורגי (SARPE) שיכולים לבצע כמות נדרשת קלינית של הפעלת הרחבה עם זוויות שונות של אוסטאוטומיה בוקלית נוצרה לניתוח נוסף של דפוסי ההתפשטות של המימקסילאה בכל שלושת המימדים.

Abstract

בסיוע כירורגי הוכנס להרחבת החיך המהירה (SARPE) כדי לשחרר התנגדות גרמית כדי להקל על הרחבת השלד בחולים בוגרים בשלד. עם זאת, התרחבות אסימטרית בין צד שמאל לצד ימין דווחה ב -7.52% מכלל חולי SARPE, מתוכם 12.90% נאלצו לעבור ניתוח שני לתיקון. האטיולוגיות המובילות להתפשטות א-סימטרית עדיין אינן ברורות. ניתוח אלמנטים סופיים שימש להערכת הלחץ הקשור ל- SARPE במבנים הלסתות. עם זאת, מכיוון שהתנגשות של העצם באתרי האוסטאוטומיה של LeFort I מתרחשת רק לאחר כמות מסוימת של התפשטות, רוב המודלים הקיימים אינם מייצגים באמת את התפלגות הכוח, בהתחשב בכך שכמות ההתפשטות של מודלים קיימים אלה לעתים רחוקות עולה על 1 מ"מ. לכן, יש צורך ליצור מודל אלמנטים סופיים חדש של SARPE שיכול לבצע כמות נדרשת קלינית של הפעלת הרחבה לניתוח נוסף של דפוסי ההתפשטות של hemimaxillae בכל שלושת המימדים. מודל גולגולת תלת-ממדי (תלת-ממדי) מטומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט (CBCT) יובא למימיקה והומר לישויות מתמטיות כדי לפלח את הקומפלקס המקסילרי, הקדם-טוחנות המקסילריות הראשונות והטוחנות הראשונות המקסילריות. מבנים אלה הועברו לתוך Geomagic לצורך החלקת פני השטח ויצירת עצמות ורצועות חניכיים. החצי הימני של הקומפלקס המקסילרי נשמר ושיקף כדי ליצור מודל סימטרי לחלוטין ב- SolidWorks. נבנה מרחיב האס וחוברו לטוחנות הקדם-טוחנות הראשונות והטוחנות הראשונות. ניתוח אלמנטים סופיים של שילובים שונים של אוסטאוטומיות בוקליות בזוויות שונות עם מרווח של 1 מ"מ בוצע באנסיס. נערך מבחן התכנסות עד להשגת כמות ההתפשטות הרצויה משני הצדדים (לפחות 6 מ"מ בסך הכל). מחקר זה מניח את הבסיס להערכת האופן שבו אנגולציה של אוסטאוטומיה בוקלית משפיעה על דפוסי ההתפשטות של SARPE.

Introduction

הרחבת חיך מהירה בסיוע כירורגי (SARPE) היא טכניקה נפוצה להרחבה רוחבית של המבנה הגרמי המקסילרי וקשת השיניים במטופלים בוגרים בשלד1. הניתוח כולל אוסטאוטומיה LeFort I, קורטיקוטומיה באמצע החיך, ואופציונלית, שחרור של סדק pterygoid-maxillary2. עם זאת, דווח על דפוסי התפשטות לא רצויים מ- SARPE, כגון התרחבות לא אחידה בין המימקסילאה3 השמאלית והימנית ותהליך דנטולבאולרי הטיה/סיבוב4, מה שעלול להוביל לכישלון של SARPE, ולעיתים אף לדרוש ניתוחים נוספים לתיקון5. מחקרים קודמים הצביעו על כך שהשונות באוסטיאוטומיות היקפיות-מקסילריות עשויה לשחק תפקיד משמעותי בדפוס ההתפשטות שלאחר SARPE2,3, שכן ההתנגשויות בין גושי העצם באתרי האוסטאוטומיה של לה פורט I יכולות לתרום לכוח ההתנגדות הלא אחיד של ההתפשטות הרוחבית של ההמימקסילים ולסיבוב של ההמימקסילה, כאשר הקצוות הנאדיים מתחת לחתך נעים פנימה בעוד התהליך הדנטואלבאולרי מתרחב 3, 4. לכן, יש צורך לחקור את ההשפעות של כיווני אוסטאוטומיה שונים, במיוחד אוסטאוטומיה buccal, על דפוסי התפשטות לאחר SARPE.

מספר מודלים של ניתוח אלמנטים סופיים (FEA) הוקמו כדי להעריך את התפלגות הכוח במהלך SARPE. עם זאת, כמות ההרחבה שנקבעה במודלים אלה מוגבלת לעד 1 מ"מ, שהיא הרבה מתחת לכמות הקלינית הנדרשת 6,7,8,9,10,11,12. התרחבות לא מספקת במודלים של FEA עלולה להוביל לתחזיות שגויות של תוצאות פוסט-SARPE. באופן ספציפי יותר, ההתנגשות בין העצמות באתר האוסטאוטומיה, כפי שדווחה על ידי צ'מברלנד ופרופיט4, עשויה שלא להיות מודגמת אם המרחיב אינו מסובב כראוי, מה שעשוי שלא לשקף את המציאות הקלינית האמיתית. עם כמות ההרחבה המוגבלת שנבנתה במודלים הקודמים, הערכות התוצאות של מודלים אלה התמקדו בניתוח מתח. עם זאת, ניתוח הלחץ של FEA ברפואת שיניים מתבצע בדרך כלל תחת עומס סטטי עם התכונות המכניות של חומרים שנקבעו כאיזוטרופיים ואלסטיים ליניאריים, מה שמגביל עוד יותר את הרלוונטיות הקלינית של מחקרי FEA13.

יתר על כן, רוב המחקרים הללו לא לקחו בחשבון את עובי מכשיר הניתוח באתר האוסטאוטומיה 6,7,8,10,11,12, ולעתים קרובות קבעו את החיכוך לאפס בחתכים כחלק מתנאי הגבול. עם זאת, הגדרה זו מפשטת יתר על המידה את המגעים בין הרקמות הקשות והרכות. זה עשוי להשפיע באופן משמעותי על חלוקת הכוח ואת דפוס ההתפשטות כתוצאה מכך של hemimaxillae.

אף על פי כן, אין ספרות זמינה שחקרה את ההשפעה של אוסטאוטומיה על אסימטריה פוסט-SARPE באמצעות מודלים של ניתוח אלמנטים סופיים (FEA). כל המחקרים הנוכחיים השתמשו במודלים עם דפוסי אוסטאוטומיה סימטריים 6,7,8,9,10,11,12,14, שאינם משקפים את המציאות הקלינית שבה האוסטאוטומיות עשויות להיות שונות בכל צד של הגולגולת. היעדר ספרות הבוחנת את ההשפעה של אוסטאוטומיה אסימטרית על אסימטריה פוסט-SARPE מייצג פער ידע משמעותי שיש לטפל בו.

לכן, מטרת מחקר זה היא לפתח מודל FEA חדשני של SARPE שיכול באמת לחקות את התנאים הקליניים, כולל כמות ההתפשטות ופער האוסטאוטומיה, ולחקור את דפוסי ההתפשטות של המימקסילות בכל שלושת הממדים עם עיצובים שונים של האוסטאוטומיה. גישה כזו תספק תובנה רבת ערך לגבי המכניקה העומדת בבסיס דפוסי ההתרחבות שלאחר SARPE ותשמש כלי שימושי לקלינאים בתכנון וביצוע הליכי SARPE.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

מחקר זה השתמש בתמונת CBCT קיימת, לא מזוהה, לפני הטיפול של מטופל שהיה לו SARPE כחלק מתוכניות הטיפול. המחקר נערך בהתאם להצהרת הלסינקי ואושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית (פרוטוקול #853608).

1. רכישת דגימה ופילוח שיניים

  1. רכוש תמונת CBCT אנושית של הראש בתנוחת ראש טבעית הכוללת את הקומפלקס המקסילרי של המטופל, כולל עצם הבסיס המקסילרית, עצם מכתשית מקסילרית ושיניים מקסילריות.
  2. ייבא את קובצי CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) לתוכנת Mimics.
    1. צור פרויקט חדש (Ctrl + N), בחר את כל תמונות DICOM ולחץ על הבא והמיר.
    2. הגדר את כיוון המודל (A: קדמי, P: אחורי, T: למעלה, B: למטה, L: שמאל, R: ימין) ולחץ על OK.
  3. חלק את הקובץ למורכבות מקסילרית, טוחנות קדם-טוחנות ראשונות מקסילריות וטוחנות ראשונות מקסילריות.
    1. לחצו על ' סף', בחרו סף מתאים לפילוח עצמות ולחצו על ' החל'.
    2. צרו מסיכות חדשות ולחצו על 'ערוך מסיכות', תוך שימוש באפשרות 'צייר ומחק' כדי לפלח את הקומפלקס המקסילרי של המטופל, הטוחנות הקדם-טוחנות הראשונות המקסילריות והטוחנות הראשונות המקסילריות.
  4. יצא את היעדים כקובצי סטריאוליתוגרפיה (STL).
    1. לחצו לחיצה ימנית על מסיכות ובחרו ' חשב תלת-ממד' כדי ליצור עצמים תלת-ממדיים.
    2. לחץ לחיצה ימנית על אובייקטים תלת-ממדיים, בחר STL+ , בחר את האובייקטים המבוקשים ולחץ על הוסף וסיים כדי ליצור קובצי STL.

2. החלקת פני השטח ויצירת חלל עצם ורצועות חניכיים מבוטל

  1. ייבא את קבצי STL לתוכנת Geomagic.
    1. לחץ/י על ״ קובץ״ >״פתח״, בחר/י את קובצי STL ולאחר מכן לחץ/י על ״ פתח״.
    2. בחרו ' מילימטרים ' לנתונים בחלון הנפתח ' יחידות ' ולחצו על הלחצן 'אשר'.
  2. החליקו את פני השטח של הקומפלקס המקסילרי, הטוחנות הקדם-טוחנות הראשונות המקסילריות והטוחנות הראשונות המקסילריות.
    1. לחץ על מצולעים > הסר קוצים, לחץ וגרור את רמת החלקות ליד נמוכה, לחץ על החל ואישור.
    2. לחץ על מצולעים > מרגיע מצולעים, לחץ וגרור את רמת החלקות ליד מינימום, לחץ על החל ואישור.
    3. לחץ על מצולעים > תיקון צמתים, בחר הרגע/נקה בחלון מצב , לחץ על החל ואישור.
  3. שנה את פני השטח של המודל לאזור רציף וסגור.
    1. לחץ וגרור את המשטח החד ולחץ על Delete כדי ליצור חור.
    2. לחץ על מצולעים > מילוי חורים, השתמש במילוי, מילוי חלקי, צור גשרים בחלון שיטת מילוי כדי למלא את החורים, לחץ על החל ואישור.
  4. המר את המשטח הדו-ממדי למודל מוצק תלת-ממדי וייצא אותו כקובץ תכנון בעזרת מחשב (CAD).
    1. לחץ/י על ״ערוך > שלב > צורה״, בחר/י ״ ערוך קווי מתאר ״ כדי לשרטט את קווי המתאר של המשטח, ואז לחץ/י על ״אישור״.
    2. לחץ/י על ״ צייר פריסת טלאי ״ וצייר/י רשתות שינוי מרובעות כדי לכסות את כל המשטחים, ואז לחץ/י על ״ אישור״.
    3. לחצו על ' בנה רשתות', הגדירו רזולוציה מתאימה ולחצו על ' אשר' ליצירת רשת שינוי עדינה יותר.
    4. לחץ על התאם משטחים, לחץ על החל ועל אישור כדי לבנות מודל מוצק תלת-ממדי.
    5. לחץ על File > Save as כדי לייצא את המודל התלת-ממדי ולשמור אותו בקובץ IGES (בשם Maxilla).
  5. צור את העצם המבוטלת על ידי הקטנת נפח הקומפלקס המקסילרי ב -1 מ"מ מהמשטח הנאדי הבוקאלי. צור מרחב רצועות חניכיים על ידי הרחבת קווי המתאר של השורשים ב -0.2 מ"מ.
    1. לחץ/י על ״ שלב מצולע״, בחר/י ״ מחק ״ בחלון ״ קווי מתאר ״, בחר/ י ״שמור ״ בחלון ״ פריסת תיקון ״ ולאחר מכן לחץ/י על ״אישור ״ כדי להמיר את המודל המוצק התלת-ממדי למשטח דו-ממדי.
    2. לחץ/י על ״מצולעים > הסטה״, הזן/י -1 מ"מ ו-0.2 מ"מ בחלונית ״מרחק״ לביטול עצם ורצועת חניכיים ולאחר מכן לחץ/י על ״החל ואישור״.
    3. לחץ על ערוך > שלב > צורה, בחר שחזר פריסת תיקון ולחץ על אישור.
    4. לחצו על ' בנה רשתות', הגדירו רזולוציה מתאימה ולחצו על ' אשר' ליצירת רשת שינוי עדינה יותר.
    5. לחץ על התאם משטחים, לחץ על החל ועל אישור כדי לבנות מודל מוצק תלת-ממדי.
    6. לחץ על File > Save as כדי לייצא את המודל התלת-ממדי ולשמור אותו בקובצי IGES (הנקראים CB ו-PL).

3. בניית מודל מקסילה אנטומי סימטרי

  1. ייבא את קבצי CAD לתוך SolidWorks.
    1. לחץ על File > Open, בחר בקובץ Maxilla ולחץ על Open כדי לייבא את קובץ ה- CAD.
    2. לחץ על קובץ > שמור כדי לשמור את הקובץ בתבנית חלק .
  2. בנו את עצם הביטול מתחת למישור החיך (PP).
    1. לחצו על Insert > Part, בחרו בקובץ CB ולחצו על Open לייבוא קובץ ה-CAD.
    2. לחצו על ' הוסף > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה במישור החיך ולחצו על ' אשר' ליצירת מישור חיתוך.
    3. לחצו על ' הוסף תכונות > > פיצול', בחרו במישור החיך ב'כלי חיתוך' ולחצו על 'גזור חלק ' ליצירת תצוגה מקדימה לחיתוך.
    4. סמן את תיבות הסימון בגופים המתקבלים ולחץ על אישור כדי להפריד את עצם הביטול.
    5. לחץ על עצם הביטול מעל מישור החיך, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני ולחץ על Delete במקטע גוף .
  3. בניית הרצועה החניכיים של הטוחנות הקדם-טוחנות הראשונות המקסילריות והטוחנות הראשונות המקסילריות.
    1. לחץ על Insert > Part, בחר את קובץ PL ולחץ על Open כדי לייבא את קובץ ה- CAD.
    2. לחצו על ' הוסף תכונות > > הצטלבות' ובחרו Maxilla ו-PL בחלון 'בחירות' .
    3. בחר/י ״צור את שניהם״ בחלון ״בחירות״, בחר/י את חלק רצועת החניכיים ברשימה ״אזורים״ ולאחר מכן לחץ/י על ״אשר״ ליצירת הרצועה.
  4. בצע מישור חיתוך אמצע מעמוד השדרה הקדמי של האף (ANS) לעמוד השדרה האחורי של האף (PNS) ושמור על החצי הימני של המכלול המקסילרי.
    1. לחצו על ' הוספה > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה במישור האמצעי, ולחצו על ' אשר' ליצירת מישור חיתוך.
    2. לחצו על ' הוסף תכונות > > פיצול', בחרו במישור החיך ב'כלי חיתוך' ולחצו על 'גזור חלק ' ליצירת תצוגה מקדימה לחיתוך.
    3. סמן את תיבות הסימון בגופים המתקבלים ולחץ על אישור כדי להפריד את הקומפלקס המרבי.
    4. לחץ על החצי השמאלי של הקומפלקס המרבי, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני והקש Delete במקטע גוף .
  5. שיקוף החצי הימני של הקומפלקס המקסילרי ויצירת חצי שמאלי זהה.
    1. לחצו על ' הוספה > 'תבנית/שקף' >'שקף' ובחרו במישור האמצעי ב'פני מראה/מישור'.
    2. בחרו בכל החצי הימני של הקומפלקס המקסילרי ב'גופים לשיקוף', ולחצו על 'אשר ' ליצירת החצי השמאלי של הקומפלקס המקסילרי.

4. יצירת מרחיב האס ורצועה לטוחנות הקדם-טוחנות הראשונות המקסילריות והטוחנות הראשונות

  1. בנו את הרצועה הקדם-טוחנת ואת הרצועה המולרית.
    1. לחץ על Insert > Part, בחר את קובץ PL ולחץ על Open כדי לייבא את קובץ ה- CAD.
    2. לחץ על הוסף תכונות > > פיצול, בחר את השיניים בקובץ PL והגדר קנה מידה אחיד של 1.05. לחץ על אישור כדי ליצור פסים בעובי 0.5 מ"מ.
    3. לחצו על ' הוספה > גיאומטריית הפניה > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה במישור הסתימה ולחצו על ' אשר' ליצירת מישור התייחסות.
    4. לחצו על 'הוספה > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו במישור הסתימה וקבעו מרחק הסטה של 1.5 מ"מ. לחץ על אישור כדי ליצור את מישור החיתוך הראשון.
    5. לחצו על 'הוספה > גיאומטריית הפניה > מישור', בחרו במישור הסתימה וקבעו מרחק הסטה של 4.0 מ"מ. לחץ על אישור כדי ליצור את מישור החיתוך השני.
    6. לחץ על הוסף תכונות > > פיצול, ובחר את המישור הראשון והשני בכלי חיתוך ואת השיניים בגופי היעד. לחץ על גזור גופים כדי ליצור תצוגה מקדימה של חיתוך.
    7. סמן את תיבות הסימון בגופים המתקבלים ולחץ על אישור כדי להפריד בין השיניים.
    8. לחץ על הרצועה מעל המישור הראשון ומתחת למישור השני, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני והקש Delete במקטע גוף .
  2. בנו את לוח האקריליק.
    1. לחצו על ' הוספה > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה במישור החיך הקשיח ולחצו על ' אשר' ליצירת מישור שרטוט.
    2. לחצו על ' הוספה > שרבוט', 'ציירו לוח אקרילי', עיינו בהרחבה של האס ולחצו על ' צא מהשרטוט'.
    3. לחצו על Insert > Boss/Base > Extrude, בחרו בשרטוט של לוח אקריליק, קבעו 5 מ"מ בעומק ולחצו על הלחצן 'אשר'.
    4. לחץ על Insert > Features > Flex וכופף את לוח האקריליק כך שיתאים לאנטומיה של החיך.
    5. לחצו על Insert > Features > פילה/עגול וטבלו את הקצוות החדים של לוח האקריליק ברדיוס של 1 מ"מ.
  3. בנה את זרועות ההרחבה.
    1. לחצו על ' הוספה > גיאומטריית הפניה > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה בפס ולחצו על ' אשר' ליצירת מישור שרטוט (בשם P1).
    2. לחץ על Insert > Sketch, צייר עיגול בקוטר 2 מ"מ ולחץ על Exit Sketch (בשם C1).
    3. לחצו על ' הוסף > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה בלוח האקרילי ולחצו על ' אשר' ליצירת מישור שרטוט (בשם P2).
    4. לחץ על Insert > Sketch, צייר עיגול בקוטר 2 מ"מ ולחץ על Exit Sketch (בשם C2).
    5. לחצו על 'הוספה > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו במישור P2 וקבעו מרחק הסטה של 6 מ"מ. לחץ על אישור למישור שרטוט.
    6. לחץ על Insert > Sketch, צייר עיגול בקוטר 2 מ"מ ולחץ על Exit Sketch (בשם C3).
    7. לחץ על הוספה > Boss/Base > Loft ובחר בשרטוט C1, C2 ו- C3 בחלון פרופילים .
    8. בחרו ברצועה ובלוח האקרילי בחלון ' טווח תכונות ', סמנו ' מזג תוצאה ' בחלון ' אפשרויות ' ולחצו על הלחצן 'אשר'.

5. לעצב את אוסטאוטומיה

  1. צור מישור בעובי 1 מ"מ, שווה ערך לקוטר בור המשמש בדרך כלל את המנתח, מפינת הצמצם הפיריפורמי (Alar) לכיוון הפסגה הזיגומטית אינפרא (IZC) בדרגות שונות מהמישור האופקי.
    1. לחצו על ' הוספה > גיאומטריית ייחוס > מישור', בחרו שלוש נקודות תכונה במישור האוסטאוטומיה (0°, 10°, 20° או 30° למישור האופקי) ולחצו על הלחצן 'אשר' ליצירת המישור (שנקרא O1).
    2. לחץ על Insert > Reference Geometry > Plane, בחר במישור האוסטאוטומיה וקבע מרחק הסטה של 1.0 מ"מ. לחץ על אישור כדי ליצור מישור חיתוך נחות (בשם O2).
    3. לחץ על הוספה > תכונות > פיצול, בחר במישור O1 ו- O2 בכלי חיתוך ולחץ על גזור חלק כדי ליצור תצוגה מקדימה לחיתוך.
    4. סמן את תיבות הסימון בגופים המתקבלים ולחץ על אישור כדי להפריד את הקומפלקס המרבי.
    5. לחץ על הגוף בין מישורי O1 ו- O2, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני והקש Delete במקטע גוף .
  2. יצא מודלים עם זוויות שונות של אוסטאוטומיה בוקלית בקובץ חלק מודל Parasolid (X_T) לניתוח.
    1. לחץ על קובץ > שמירה בשם ובחר Parasolid (x_t) ברשימה סוג קובץ .
    2. לחץ על שמור כדי לייצא את המודלים עבור תוכנה לניתוח אלמנטים סופיים.

6. ניתוח אלמנטים סופיים

  1. ייבא והגדר את הפרמטרים החומריים של המודל המורכב המקסילרי לתוכנת Ansys.
    1. לחץ וגרור את המבנה הסטטי בארגז הכלים כדי ליצור סביבת עבודה של ניתוח.
    2. לחץ פעמיים על הנתונים ההנדסיים, והגדר את המודולוס של יאנג ואת היחס של פואסון בין כל החומרים במאפיינים. התכונות החומריות של מבנים שונים12,15,16 מפורטות בטבלה 1.
    3. לחץ/י פעמיים על ״ גיאומטריה״, לחץ/י על ״קובץ״ >״ייבוא קובץ גיאומטריה חיצוני״ ולאחר מכן לחץ/י על ״ צור״ כדי לייבא את המודל המורכב המקסילרי.
    4. לחץ על צור בוליאני >, וצור את עצם קליפת המוח ואת רצועת החניכיים על ידי בוליאני עם העצם והשיניים המבוטלות.
  2. הגדר את מודל ניתוח הרכיבים הסופיים.
    1. לחצו פעמיים על הדגם ולחצו על ' גיאומטריה' לבחירת מאפייני החומר לכל חלק.
    2. לחצו לחיצה ימנית על 'רשת שינוי' ולחצו על 'צור רשת שינוי' לבניית הרכיבים בדגם.
    3. לחץ על חיבורים והקצה את החלק הרך/קטן בגופי מגע ואת החלק הנוקשה/גדול בגופי יעד.
    4. הקצה את סוג איש הקשר ואת מקדם החיכוך בהגדרה. מאפייני החיבור של חלקיםשונים 17 מפורטים בטבלה 2.
    5. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על חיבורים, לחץ על הוסף קפיץ > כדי לחבר את החלק העליון והתחתון של מישור האוסטאוטומיה. הגדר את הקפיצים באורך 1 מ"מ עם קבוע קפיץ k = 60 N/mm ומקם קפיץ אחד בכל צומת רשת.
  3. הגדר כוח מקובל קלינית לאורך ציר ה-x (בניצב לקו האמצע) על הלוח האקרילי על שילובים שונים של אוסטאוטומיות.
    1. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מבנה סטטי, לחץ על הוסף > תמיכה קבועה והגדר את המבנה במישור החיך להזזה.
    2. לחץ לחיצה ימנית על Static Structural, לחץ על Insert > Force והגדר כוח של 150 N להפעלה על לוח אקרילי עם כיוון הרחק מהקו המדיאלי.
    3. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על פתרון ולחץ על הוסף עיוות > > סה"כ כדי לפקח על העיוות של ההרחבה.
  4. ערכו מבחן התכנסות עד להשגת הרחבות משני הצדדים.
    1. לחץ על פתור בסרגלי הכלים והמתן עד שרמת כפיית התכנסות תגיע לקריטריון הכוח.
    2. לחץ על Total Deformation כדי להציג את תוצאות ההרחבה.
  5. מדוד את התזוזות של ציוני הדרך האנטומיים בכל שלושת הממדים כתוצאה של התפשטות. הצע את ציוני הדרך הבאים שישמשו להערכת דפוס ההתרחבות:
    זווית הקו המזיאוניסלי של החותכת המרכזית המקסילרית (U1).
    קצה ה-Buccal cusp של הקדם-טוחנת הראשונה המקסילרית (U4).
    קצה הכוסית המסיובוקי של הטוחנת הראשונה המקסילרית (U6).
    פינה Lateroinferior של צמצם פיריפורם (Alar).
    פסגה אינפרא-זיגומטית (IZC).
    נקודת האמצע של המרחיב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מודל ההדגמה השתמש בתמונת CBCT של אישה בת 47 עם חסר מקסילרי. במודל שנוצר נשמרים המבנה האנטומי של חלל האף, הסינוס המקסילרי וחלל רצועות החניכיים של השיניים המעוגנות המרחיבות (הקדם-טוחנות הראשונות והטוחנת הראשונה) (איור 1).

כדי לדמות את ההליך הכירורגי במדויק, מחיצת האף, הקירות הרוחביים של חלל האף, ואת הסדק pterygomaxillary הופרדו מהגוף המקסילרי בכל הסימולציות. יתר על כן, מטוס, המייצג את האוסטאוטומיה הבוקאלית במהלך הניתוח, נוצר בעובי של 1 מ"מ. המישור התחיל מפינת הצמצם הפיריפורמי (Alar) והתרחב אחורית לסדק הפטריגומקסילרי (PMF) (איור 2A-D).

בדיקה ראשונית בוצעה על המודל עם חתכים סימטריים של אפס מעלות בצד שמאל ובצד ימין (איור 2E), אשר הראתה כי 150 N של כוח הביאו ליותר מ-8 מ"מ של התפשטות בהרחבה (איור 2F), מעבר לכמות ההתפשטות שנצפתה ברוב הספרות. תוצאה זו נחשבה מתאימה מכיוון שהיא נופלת בטווח ההתרחבות הדרוש לרוב לחולי SARPE. נוסף על כך, ניתן לבנות מגוון זוויות באוסטאוטומיה כדי לחקות מצבים קליניים שונים (איור 3).

שלא כמו רוב מחקרי היסודות הסופיים שהתמקדו בלחץ פון מיזס והקשר שלו לשבר או תפוקה חומרית, המודל הנוכחי נערך כדי לסייע לקלינאים לחזות את כמות ודפוס ההתפשטות לאחר SARPE. לכן, השינוי בהמי-מקסילות השמאלי והימני יכול להיות מומחש ישירות על-ידי מפת הצבעים (המייצגת את כמות התנועה הכוללת בתלת-ממד) והסופר-אימפוזיציה של מודלים של לפני (אפור) ואחרי התפשטות (צבע) מקסילה (איור 2E). נוסף על כך, התזוזה של ציוני הדרך האנטומיים (כפי שהוזכר בשלב 6.5.) בכל שלושת הממדים הייתה תוצאת המטרה שיש להמשיך ולנתח (איור 2F).

Figure 1
איור 1: המודל הבנוי המשמר את המבנה האנטומי. (A,B) המבט הקדמי (A) והנסתר (B) של המודל הבנוי. (ג,ד) החלק העטרתי של המודל הבנוי ברמה של קדם-טוחנת ראשונה מקסילרית (C), המייצגים את המבנה האנטומי שנצפה ב- CBCT באותה שקופית קורונלית (D). (ה,ו) החלק העטרתי של המודל הבנוי ברמה של טוחנת ראשונה מקסילרית (E), המייצגים את המבנה האנטומי שנצפה ב- CBCT באותה שקופית קורונלית (F). יש לשים לב לשימור חלל האף, הסינוס המקסילרי וחלל רצועות החניכיים לשיניים המעגנות המרחיבות (טוחנות קדמיות ראשונות וטוחנות ראשונות) בדגם הבנוי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: סימולציה של התפשטות מקסילרית עם חתכי אוסטאוטומיה סימטריים של LeFort I באפס מעלות משני הצדדים. (A-D) המבט הקדמי (A), האחורי (B), הימני (C) והשמאלי (D) של המודל הבנוי עם חתכי אוסטאוטומיה של LeFort I באפס מעלות משני הצדדים. (E) ההתפשטות שנצפתה בתצוגה הנסתרת של המודל לאחר הפעלת כוח 150 N. מפת הצבעים מדגימה את כמות התזוזה הכוללת (במילימטר) בתלת-ממד. בנוסף, ניתן לבצע את הסופר-אימפוזיציה של מודלים של מקסילה לפני (אפור) ואחרי הרחבה (צבע). (F) התזוזה של ציוני הדרך האנטומיים (כפי שהוזכר בשלב 6.5 ומוצג באיור 1) בכל שלושת הממדים יכולה להיווצר. ציר X: ממד אופקי; ערך חיובי פירושו תנועה לרוחב, וערך שלילי פירושו תנועה מדיאלית. ציר Y: ממד קשת; ערך חיובי פירושו תנועה קדמית וערך שלילי פירושו תנועה אחורית. ציר Z: ממד אנכי; ערך חיובי פירושו תנועה נחותה וערך שלילי פירושו תנועה עליונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: אוסטאוטומיות בזוויות שונות במודל הנוכחי. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

מבנה המודולוס של יאנג (MPa) היחס של פואסון
עצם קורטיקלית 1.37 × 104 0.3
עצם קנצלרית 1.37 × 103 0.3
קדם-טוחנות וטוחנות 2.60 × 104 0.3
רצועה פריודונטלית 5.00 × 101 0.49
נירוסטה (הרחבה) 2.10 × 105 0.35

טבלה 1: הפרמטרים החומריים עבור כל מבנה.

סוג איש קשר/יעד
בונדד (1) עצם קנצלרית/עצם קורטיקלית
(2) טוחנת וקדם-טוחנת/מרחיבה
(3) רצועה פריודונטלית/טוחנת וקדם-טוחנת
חיכוך (מקדם חיכוך [μ] = 0.2) (1) קליפת המוח/קליפת המוח העליונה;
(2) עצם קורטיקלית/טוחנת וקדם-טוחנת
חיכוך (מקדם חיכוך [μ] = 0.1) (1) מחיצת קליפת המוח/האף
(2) רצועה פריודונטלית/עצם קורטיקלית
(3) רצועה פריודונטלית/עצם קנצלרית
גס (1) עצם קורטיקלית / מרחיב
(2) עצם קנצלרית/מרחיבה

טבלה 2: סוגי החיבור של כל מבנה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

כיוון האוסטאוטומיה הבוקאלית ב- SARPE יכול להיות חתך אופקי מפתח הצמצם של האף לפני ירידה באזור התומך המקסילרי או חתך רמוס משפת הפיריפורם לכיוון התומך המתאים לטוחנת הראשונה המקסילרית, כפי שמתואר על ידי בטס2. כך או כך, האוסטאוטומיה משתרעת הרבה מתחת לתהליך הזיגומטי של המקסילה. עם זאת, רוב מחקרי FEA הנוכחיים על SARPE משתמשים בחתך אופקי הנמשך אחורית באותה רמה כמו שפת הפיריפורם 6,7,12,14. זה חורג ממה שמבוצע בדרך כלל מבחינה קלינית ומשנה את התנאים ב- FEA, כגון מרכז המסה של המימקסילאה ואזור הכיוון והמגע של האוסטאוטומיה. מכיוון שכוח ההתפשטות לא תמיד נע דרך מרכז המסה, הסיבוב חייב לקרות להמימקסילות במהלך FEA. עם זאת, בתרחיש הקליני, התנגשות בקו האוסטאוטומיה יכולה להתרחש, ומרכז הסיבוב שנוצר יכול להשתנות לאחר מכן. לכן, כדי להניב תוצאה ישימה מבחינה קלינית, הכרחי שהאוסטאוטומיה ב- FEA תחקה את דפוס הניתוח המבוצע בחיים האמיתיים. המודל שהוצג במחקר הנוכחי מאפשר לחוקרים לבנות את האוסטאוטומיה בזוויות שונות (איור 3) כדי לייצג באמת את מה שנעשה מבחינה קלינית.

ההבדל הקריטי בין מחקר זה לבין ספרות קודמת הוא שבמקום לאפשר לשני המשטחים של האוסטאוטומיה לבוא במגע באפס חיכוך, המודל הנוכחי הציג שינוי על ידי הכללת עובי למישור האוסטאוטומיה, דבר שנהוג להתעלם ממנו בספרות הנוכחית 6,7,8,10,11,12 . מחקרים קודמים התעלמו מהפער שנוצר על ידי מסור פיאזואלקטרי או בור כירורגי במהלך אוסטאוטומיה, פיקוח קריטי מכיוון שהוא משפיע על החופש של המימקסילה, כמו גם על סיבוב או סיבוב של המימקסילה במקרה של התנגשות גרמית. בנוסף, הוא אינו מסביר את ההתנגדות או השפעות הריפוד הפוטנציאליות שעלולות לנבוע מהיווצרות יבלת עצם או רקמת אוסטנואיד במהלך הריפוי הראשוני18. העיצוב שהוצג במחקר הנוכחי מטפל בבעיה זו על ידי הצגת מרווח עובי של 1 מ"מ בין הגולגולת להמימקסילה, כדי לשקף את רוחב הבור הכירורגי המשמש במכון המחברים. כדי לדמות עוד יותר כוחות מרקמת ריפוי הפצע, יושמו קפיצים (1 מ"מ אורך, קבוע קפיץ k = 60 N/mm) כדי לקשר ולהשעות את hemimaxillae בצמתי הרשת, כמו גם לדמות התנגדות רקמות רכות במרווח אוסטאוטומיה, ובכך להפעיל דחיסה ומתח במהלך הרחבה. גישה זו מציעה יתרונות משמעותיים ביצירת מודל FEA רלוונטי מבחינה קלינית. ראוי לציין כי יש להתאים את עובי הפער בהתבסס על כלי הניתוח המשמשים כאשר קבוצות מחקר עתידיות מתכננות לאמץ מודל זה לניתוח נתונים. גם עיצוב הקפיצים יצטרך להיות מותאם בהתאם.

לבסוף, כמעט כל מחקרי FEA הזמינים על SARPE סובלים מהפעלה לא מספקת בהרחבה. SARPE מבוצע כמעט תמיד בחולים הזקוקים לפחות 5 מ"מ של הרחבה מקסילרית2. דפוס ההתפשטות, שיכול להיות מושפע מהתנגשות באתר האוסטאוטומיה, תלוי בכמות ההפעלה בהרחבה. ההתרחבות של 1 מ"מ ברוב מחקרי FEA 6,8,9,11,12, שתוצאתה רק 0.5 מ"מ של תזוזה רוחבית בכל צד, אינה מספיקה כדי לייצג את ההשפעות של כמויות הפעלה גדולות יותר מבחינה קלינית. כדי להתגבר על מגבלה זו, נערכה בדיקה ראשונית כדי לקבוע כוח שירחיב כראוי את המימקסילים במודל סימטרי, כאשר הכוח המתקבל נופל בטווח רמות הכוח הקליני ממרחיבים מקסילריים מהירים19, מה שהוכיח עוד יותר את הרלוונטיות הקלינית של מודל זה. כוח זה שימש אז להפעלה בכל תת-הקבוצות הבאות, וסיפק תובנות נהדרות על ההתרחבות הקלינית של המקסילה במהלך SARPE.

קיימות מגבלות מובנות במחקר זה שיש להכיר בהן. המגבלה העיקרית היא היעדר התנגדות מהרקמה הרכה שמסביב. אלה כללו התנגדות מאזור הלוע, החיך המתוח ולחץ מהלחי והשפה. אין להתעלם מהתנגדות ברקמה הרכה האחורית. מבחינה קלינית, דפוס התרחבות בצורת מניפה נראה בדרך כלל, אפילו בחולים שעברו שחרור סדק פטריגומקסילרי, המצביע על התנגדות חזקה לרקמות רכות אחוריות20. עם זאת, התחשבות בהתנגדות רקמות רכות בניתוח אלמנטים סופיים קשה מכיוון שההתנגדות משתנה כאשר הרקמות מעוותות במהלך הרחבה פעילה21. מגבלה נוספת הייתה היעדר בורג שקע בהרחבה. מוט המתכת הקשיח בבורג הג'ק תוחם את שני המימקסילות ליחידה אחת, מה שעלול להקטין את החופש בסיבוב של המימקסילה. אחרון חביב, העיצוב שלנו עשוי שלא להיות מצוין במקרים מיוחדים, כגון חולים עם חיך שסוע או עיוותים גולגולתיים אחרים הגורמים אסימטריה מקסילרית משמעותית או כל מחלה מערכתית שעלולה להשפיע על המודולוס של יאנג של עצם המטופל.

עם זאת, השיטות שהוצגו במחקר זה הציגו מספר שינויים, כולל שיפורים באנגולציה של אוסטאוטומיה buccal, את הפער באתר אוסטאוטומיה, אשר משקף את עובי המכשיר הכירורגי, ואת כמות ההפעלה בהרחבה, אשר יכול לייצר קבוצה של מודלים רלוונטיים יותר מבחינה קלינית FEA הדומים מאוד את ההליכים הכירורגיים של SARPE.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי פרס מלגת פיתוח הפקולטה לאורתודונטיה של האגודה האמריקאית לאורתודונטים (AAOF) (עבור C.L.), פרס מלגת סגל במשרה מלאה של האגודה האמריקאית לאורתודונטים (AAO) (עבור C.L.), בית הספר לרפואת שיניים באוניברסיטת פנסילבניה פרס ג'וזף וג'וזפין רבינוביץ למצוינות במחקר (עבור C.L.), מענק טייס ע"ש ג'יי הנרי או'הרן ג'וניור מהמחלקה לאורתודונטיה, בית הספר לרפואת שיניים של אוניברסיטת פנסילבניה (עבור C.L.), ומענק מחקר צעיר של הקרן האורתודונטית הבינלאומית (עבור C.L).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mommaerts, M. Y. Transpalatal distraction as a method of maxillary expansion. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 37 (4), 268-272 (1999).
  2. Betts, N. J., Vanarsdall, R. L., Barber, H. D., Higgins-Barber, K., Fonseca, R. J. Diagnosis and treatment of transverse maxillary deficiency. The International Journal of Adult Orthodontics and Orthognathic Surgery. 10 (2), 75-96 (1995).
  3. Lin, J. H., et al. Asymmetric maxillary expansion introduced by surgically assisted rapid palatal expansion: A systematic review. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 80 (12), 1902-1911 (2022).
  4. Chamberland, S., Proffit, W. R. Short-term and long-term stability of surgically assisted rapid palatal expansion revisited. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 815-822 (2011).
  5. Verlinden, C. R., Gooris, P. G., Becking, A. G. Complications in transpalatal distraction osteogenesis: a retrospective clinical study. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 69 (3), 899-905 (2011).
  6. de Assis, D. S., et al. Finite element analysis of stress distribution in anchor teeth in surgically assisted rapid palatal expansion. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 42 (9), 1093-1099 (2013).
  7. Han, U. A., Kim, Y., Park, J. U. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution and displacement of the maxilla following surgically assisted rapid maxillary expansion. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 37 (3), 145-154 (2009).
  8. Lee, S. C., et al. Effect of bone-borne rapid maxillary expanders with and without surgical assistance on the craniofacial structures using finite element analysis. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 145 (5), 638-648 (2014).
  9. Möhlhenrich, S. C., et al. Simulation of three surgical techniques combined with two different bone-borne forces for surgically assisted rapid palatal expansion of the maxillofacial complex: a finite element analysis. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 46 (10), 1306-1314 (2017).
  10. Nowak, R., Olejnik, A., Gerber, H., Frątczak, R., Zawiślak, E. Comparison of tooth- and bone-borne appliances on the stress distributions and displacement patterns in the facial skeleton in surgically assisted rapid maxillary expansion-A finite element analysis (FEA) study. Materials (Basel). 14 (5), 1152 (2021).
  11. Shi, Y., Zhu, C. N., Xie, Z. Displacement and stress distribution of the maxilla under different surgical conditions in three typical models with bone-borne distraction: a three-dimensional finite element analysis. Journal of Orofacial Orthopedics/Fortschritte der Kieferorthopadie. 81 (6), 385-395 (2020).
  12. Tomazi, F. H. S., et al. The Hyrax appliance with tooth anchorage variations in surgically assisted rapid maxillary expansion: a finite element analysis. Oral and Maxillofacial Surgery. , (2022).
  13. Trivedi, S. Finite element analysis: A boon to dentistry. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research. 4 (3), 200-203 (2014).
  14. Sankar, S. G., et al. A comparison of different osteotomy techniques with and without pterygomaxillary disjunction in surgically assisted maxillary expansion utilizing modified hybrid rapid maxillary expansion device with posterior implants: A finite element study. National Journal of Maxillofacial Surgery. 12 (2), 171-180 (2021).
  15. Han, U. A., Kim, Y., Park, J. U. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution and displacement of the maxilla following surgically assisted rapid maxillary expansion. Journal of Craniomaxillofacial Surgery. 37 (3), 145-154 (2009).
  16. Esen, A., Soganci, E., Dolanmaz, E., Dolanmaz, D. Evaluation of stress by finite element analysis of the midface and skull base at the time of midpalatal osteotomy in models with or without pterygomaxillary dysjunction. British Journal of Oral & Maxillofacial Surgery. 56 (3), 177-181 (2018).
  17. Huzni, S., Oktianda, F., Fonna, S., Rahiem, F., Angriani, L. The use of frictional and bonded contact models in finite element analysis for internal fixation of tibia fracture. Frattura ed Integrità Strutturale. 61, 130-139 (2022).
  18. Holmes, D. Closing the gap. Nature. 550 (7677), S194-S195 (2017).
  19. Lombardo, L., et al. Evaluation of the stiffness characteristics of rapid palatal expander screws. Progress in Orthodontics. 17 (1), 36 (2016).
  20. Zandi, M., Miresmaeili, A., Heidari, A., Lamei, A. The necessity of pterygomaxillary disjunction in surgically assisted rapid maxillary expansion: A short-term, double-blind, historical controlled clinical trial. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 44 (9), 1181-1186 (2016).
  21. Möhlhenrich, S. C., et al. Three-dimensional effects of pterygomaxillary disconnection during surgically assisted rapid palatal expansion: a cadaveric study. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, and Oral Radiology. 121 (6), 602-608 (2016).

Tags

מודל ניתוח אלמנטים סופיים הערכת דפוסי התפשטות התפשטות מהירה של פלטל בסיוע כירורגי SARPE התפשטות אסימטרית ניתוח שני אטיולוגיות הערכת מתח מבנים מקסילופציאליים אתרי אוסטאוטומיה LeFort I התפלגות כוח מודל אלמנטים סופיים חדשני הפעלת הרחבה דפוסי הרחבה המימקסילה מודל גולגולת תלת מימדי טומוגרפיה ממוחשבת של קרן חרוט (CBCT) תוכנת חיקוי תוכנת Geomagic
מודל ניתוח אלמנטים סופיים להערכת דפוסי התפשטות מהתרחבות מהירה בסיוע כירורגי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, J. H., Wu, G. L., Chiu, C. K.,… More

Lin, J. H., Wu, G. L., Chiu, C. K., Wang, S., Chung, C. H., Li, C. Finite Element Analysis Model for Assessing Expansion Patterns from Surgically Assisted Rapid Palatal Expansion. J. Vis. Exp. (200), e65700, doi:10.3791/65700 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter