Summary
Et sett med nye endelige elementmodeller av kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon (SARPE) som kunne utføre en klinisk nødvendig mengde ekspansjonsaktivering med forskjellige vinkler av bukkal osteotomi, ble opprettet for videre analyse av ekspansjonsmønstrene til hemimaxillae i alle tre dimensjoner.
Abstract
Kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon (SARPE) ble introdusert for å frigjøre benresistens for å lette skjelettekspansjon hos skjelettmodne pasienter. Imidlertid er asymmetrisk ekspansjon mellom venstre og høyre side rapportert hos 7,52 % av alle SARPE-pasienter, hvorav 12,90 % måtte gjennomgå en ny operasjon for korreksjon. Etiologiene som fører til asymmetrisk ekspansjon er fortsatt uklare. Elementanalyse har blitt brukt til å evaluere stresset forbundet med SARPE i de maksillofacial strukturer. Imidlertid, da en kollisjon av beinet på LeFort I-osteotomistedene først skjer etter en viss ekspansjon, representerer de fleste av de eksisterende modellene ikke virkelig kraftfordelingen, gitt at ekspansjonsmengden til disse eksisterende modellene sjelden overstiger 1 mm. Derfor er det behov for å lage en ny endelig elementmodell av SARPE som kan utføre en klinisk nødvendig mengde ekspansjonsaktivering for videre analyse av ekspansjonsmønstrene til hemimaxillae i alle tre dimensjoner. En tredimensjonal (3D) skallemodell fra kjeglestrålecomputertomografi (CBCT) ble importert til Mimics og omdannet til matematiske enheter for å segmentere det maksillære komplekset, de maksillære første premolarene og de maksillære første jekslene. Disse strukturene ble overført til Geomagic for overflateutjevning og kansellering av bein og periodontale ligamentdannelser. Den høyre halvdelen av maxillarkomplekset ble deretter beholdt og speilet for å skape en perfekt symmetrisk modell i SolidWorks. En Haas-ekspander ble konstruert og båndlagt til de maksillære første premolarene og de første jekslene. Elementanalyse av ulike kombinasjoner av bukkale osteotomier i ulike vinkler med 1 mm clearance ble utført i Ansys. En konvergenstest ble utført til ønsket ekspansjonsmengde på begge sider (minst 6 mm totalt) ble oppnådd. Denne studien legger grunnlaget for å evaluere hvordan bukkal osteotomi vinkling påvirker ekspansjonsmønstrene til SARPE.
Introduction
Kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon (SARPE) er en mye brukt teknikk for tverrgående utvidelse av maxillarbenstrukturen og tannbuen hos skjelettmodne pasienter1. Operasjonen innebærer en LeFort I osteotomi, en mid-palatal kortikotomi, og eventuelt frigjøring av pterygoid-maxillary fissur2. Imidlertid er det rapportert uønskede ekspansjonsmønstre fra SARPE, som ujevn ekspansjon mellom venstre og høyre hemimaxillae3 og dentoalveolær prosess bukkal tipping/rotasjon4, noe som kan føre til svikt med SARPE, og noen ganger til og med kreve ytterligere operasjoner for korreksjon5. Tidligere studier har indikert at variasjonen i sirkum-maksillære osteotomier kan spille en betydelig rolle i post-SARPE ekspansjonsmønster2,3, da kollisjonene mellom beinblokkene på Le Fort I osteotomisteder kan bidra til ujevn motstandskraft av lateral ekspansjon av hemimaxillae og til rotasjon av hemimaxillae med alveolære kanter under kuttet som beveger seg innover mens dentoalveolar prosessen utvides 3, 4. Derfor er det behov for å undersøke effekten av ulike osteotomiretninger, spesielt bukkal osteotomi, på ekspansjonsmønstre etter SARPE.
Flere finite element analysis (FEA) modeller har blitt satt opp for å evaluere kraftfordelingen under SARPE. Imidlertid er utvidelsesmengden satt i disse modellene begrenset til opptil 1 mm, som er langt under den nødvendige kliniske mengden 6,7,8,9,10,11,12. Utilstrekkelig ekspansjon i FEA-modeller kan føre til feilaktige prediksjoner av post-SARPE-utfall. Mer spesifikt kan kollisjonen mellom beinene på osteotomistedet, som rapportert av Chamberland og Proffit4, ikke demonstreres dersom ekspanderen ikke er tilstrekkelig dreid, noe som kanskje ikke gjenspeiler den sanne kliniske virkeligheten. Med den begrensede utvidelsen som var bygget i de tidligere modellene, ble utfallsevalueringene av disse modellene fokusert på stressanalyse. Imidlertid utføres stressanalysen av FEA i tannbehandling vanligvis under statisk belastning med de mekaniske egenskapene til materialer satt som isotrop og lineært elastisk, noe som ytterligere begrenser den kliniske relevansen av FEA-studiene13.
Videre vurderte de fleste av disse studiene ikke tykkelsen på det kirurgiske instrumentet på osteotomistedet 6,7,8,10,11,12, og satte ofte friksjonen til null ved kuttene som en del av grensebetingelsene. Imidlertid overforenkler denne innstillingen kontaktene mellom det harde og myke vevet. Det kan betydelig påvirke fordelingen av kraft og det resulterende ekspansjonsmønsteret til hemimaxillae.
Likevel har ingen tilgjengelig litteratur undersøkt effekten av osteotomi på post-SARPE-asymmetri ved hjelp av modeller for endelig elementanalyse (FEA). Alle de aktuelle studiene benyttet modeller med symmetrisk osteotomimønster 6,7,8,9,10,11,12,14, som ikke gjenspeiler virkeligheten i klinisk praksis der osteotomiene kan variere på hver side av skallen. Mangelen på litteratur som undersøker effekten av asymmetriske osteotomier på post-SARPE-asymmetri representerer et betydelig kunnskapshull som må håndteres.
Derfor er målet med denne studien å utvikle en ny FEA-modell av SARPE som virkelig kan etterligne de kliniske forholdene, inkludert ekspansjonsmengden og osteotomigapet, og undersøke ekspansjonsmønstrene til hemimaxillae i alle tre dimensjoner med ulike design av osteotomi. En slik tilnærming vil gi verdifull innsikt i mekanikken som ligger til grunn for ekspansjonsmønstre etter SARPE og tjene som et nyttig verktøy for klinikere i planlegging og gjennomføring av SARPE-prosedyrer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne studien benyttet et eksisterende, avidentifisert, CBCT-bilde før behandling av en pasient som hadde SARPE som en del av behandlingsplanene. Studien ble gjennomført i samsvar med Helsinkideklarasjonen og godkjent av Institutional Review Board (protokoll #853608).
1. Prøveinnsamling og tannsegmentering
- Skaff deg et humant CBCT-bilde av hodet i en naturlig hodestilling som inkluderer pasientens maksillære kompleks, inkludert det maksillære basalbenet, det maksillære alveolære beinet og det maksillære tannkjøttet.
- Importer CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)-filene til Mimics-programvaren.
- Opprett nytt prosjekt (Ctrl + N), velg alle DICOM-bildene, og klikk Neste og Konverter.
- Definer retningen til modellen (A: anterior, P: posterior, T: topp, B: bunn, L: venstre, R: høyre) og klikk OK.
- Segmenter filen i maksillærkompleks, maksillære første premolarer og maksillære første jeksler.
- Klikk Terskelverdi, velg en passende terskel for å segmentere bein, og klikk Bruk.
- Opprett nye masker og klikk på Rediger masker ved hjelp av Tegn og Slett for å segmentere pasientens maksillære kompleks, de maksillære første premolarene og de første kjeekslene i kjevecellene.
- Eksporter målene som stereolitografifiler (STL).
- Høyreklikk på masker og velg Beregn 3D for å generere 3D-objekter.
- Høyreklikk på 3D-objekter, velg STL +, velg de nødvendige objektene, og trykk Legg til og fullfør for å lage STL-filer.
2. Overflateutjevning og opprettelse av avbrutt ben- og periodontalt ligamentrom
- Importer STL-filene til Geomagic-programvaren.
- Klikk på Fil > Åpne, velg STL-filene, og trykk deretter Åpne.
- Velg Millimeter for dataene i popup-vinduet Enheter, og klikk på OK.
- Glatt overflaten av det maksillære komplekset, maksillære første premolarer og maksillære første molarer.
- Klikk Polygoner > Fjern topper, klikk og dra utjevningsnivået nær Lavt, klikk Bruk og OK.
- Klikk Polygoner > Slapp av mangekanter, klikk og dra utjevningsnivået nær Min, klikk Bruk og OK.
- Klikk Polygoner > Reparer veikryss, velg Slapp av/rengjør i modusvinduet, klikk Bruk og OK.
- Endre modelloverflaten til et kontinuerlig og lukket område.
- Klikk og dra den skarpe overflaten, og trykk DEL for å lage et hull.
- Klikk Polygoner > Fyll hull, bruk Fyll, Fyll delvis, Opprett broer i vinduet Fyllmetode for å fylle hullene, klikk Bruk og OK.
- Konverter 2D-overflaten til en solid 3D-modell og eksporter den som en dataassistert konstruksjonsfil (CAD).
- Klikk Rediger > fase > figurfase, velg Rediger konturer for å skissere overflatens konturer, og klikk deretter OK.
- Klikk Tegn patchoppsett og tegn firkantede nett for å dekke alle overflatene, og klikk deretter OK.
- Klikk Konstruer rutenett, definer en riktig oppløsning, og klikk OK for å generere et finere nett.
- Klikk Tilpass overflater, klikk Bruk og OK for å konstruere en heldekkende 3D-modell.
- Klikk Fil > Lagre som for å eksportere 3D-modellen og lagre den i en IGES-fil (kalt Maxilla).
- Lag det avbrutte beinet ved å redusere volumet av det maksillære komplekset med 1 mm fra bukkalalalveolaroverflaten. Opprett periodontalt ligamentrom ved å utvide konturen av røttene med 0,2 mm.
- Klikk Mangekantfase, velg Slett i vinduet Kotelinjer , velg Bevar i vinduet Patchoppsett , og trykk deretter OK for å konvertere den solide 3D-modellen til en 2D-overflate.
- Klikk Polygoner > Forskyvning, skriv inn -1 mm og 0,2 mm i avstandspanelet for avbrytende bein og periodontalt ligament, og klikk deretter Bruk og OK.
- Klikk Rediger > fase > figurfase, velg Gjenopprett oppdateringsoppsett og trykk OK.
- Klikk Konstruer rutenett, definer en riktig oppløsning, og klikk OK for å generere et finere nett.
- Klikk Tilpass overflater, klikk Bruk og OK for å konstruere en heldekkende 3D-modell.
- Klikk Fil > Lagre som for å eksportere 3D-modellen og lagre den i IGES-filer (kalt CB og PL).
3. Konstruer en anatomisk symmetrisk maxilla-modell
- Importer CAD-filene til SolidWorks.
- Klikk Fil > Åpne, velg Maxilla-filen, og trykk Åpne for å importere CAD-filen.
- Klikk Fil > Lagre for å lagre filen i delformatet .
- Konstruer det avbrutte beinet under palatalplanet (PP).
- Klikk Sett inn > del, velg CB-filen, og trykk Åpne for å importere CAD-filen.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkter på palatalplanet, og klikk OK for å opprette et skjæringsplan.
- Klikk Sett inn > funksjoner > dele, velg palatalplanet i Trimverktøy, og klikk Klipp ut del for å opprette en forhåndsvisning.
- Merk av i avmerkingsboksene i de resulterende kroppene, og klikk OK for å skille det avbrytende beinet.
- Klikk på det avbrutte beinet over palatalplanet, høyreklikk og trykk Slett i Kropp-delen .
- Konstruer periodontal ligament av maksillære første premolarer og maksillære første molarer.
- Klikk Sett inn > del, velg PL-filen, og trykk Åpne for å importere CAD-filen.
- Klikk på Sett inn > funksjoner > Snitt, og velg Maxilla og PL i Valg-vinduet .
- Velg Opprett begge i valgvinduet, velg periodontal ligamentdel i regionlisten, og klikk deretter OK for å generere ligamentet.
- Utfør et midpalatalt skjæringsplan fra den fremre neseryggen (ANS) til bakre neserygg (PNS) og behold høyre halvdel av det maksillære komplekset.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkter på midtpalatalplanet, og klikk OK for å opprette et skjæringsplan.
- Klikk Sett inn > funksjoner > delt, velg palatalplanet i Trimverktøy, og klikk Klipp ut del for å opprette en forhåndsvisning.
- Merk av i avmerkingsboksene i de resulterende kroppene, og klikk OK for å skille det maksillære komplekset.
- Klikk på venstre halvdel av det maksillære komplekset, høyreklikk og trykk Slett i delen Brødtekst .
- Speil høyre halvdel av det maksillære komplekset og opprett en identisk venstre halvdel.
- Klikk Sett inn > mønster/speil > speil, og velg midtpalatalplanet i speilflate/plan.
- Velg hele høyre halvdel maxillary kompleks i Bodies to Mirror, og klikk OK for å generere venstre halvdel av maxillary komplekset.
4. Opprett en Haas-ekspander og bånd til de maksillære første premolarene og de første jekslene
- Konstruer premolarbåndet og molbåndet.
- Klikk Sett inn > del, velg PL-filen, og trykk Åpne for å importere CAD-filen.
- Klikk Sett inn > funksjoner > Split, velg tennene i PL-filen, og angi en Uniform Scaling på 1,05. Klikk OK for å generere bånd med 0,5 mm tykkelse.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkt på okklusjonsplanet, og klikk OK for å opprette et referanseplan.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg okklusjonsplanet og angi en forskyvningsavstand på 1,5 mm. Klikk OK for å opprette det første skjæringsplanet.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg okklusjonsplanet og angi en forskyvningsavstand på 4,0 mm. Klikk OK for å opprette det andre skjæringsplanet.
- Klikk Sett inn > funksjoner > Del, og velg det første og andre planet i Trimverktøy og tennene i Mållegemer. Klikk Cut Bodies for å opprette en forhåndsvisning av skjæret.
- Merk av i avmerkingsboksene i de resulterende kroppene, og klikk OK for å skille tennene.
- Klikk båndet over det første planet og under det andre planet, høyreklikk og trykk DEL i Brødtekst-delen .
- Konstruer akrylplaten.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkter på det harde ganeplanet, og klikk OK for å opprette et skisseplan.
- Klikk på Sett inn > skisse, tegn en akrylplate, referer til Haas-utvidelsen, og klikk på Avslutt skisse.
- Klikk Sett inn > Boss/Base > Ekstruder, velg skissen av akrylplaten, sett 5 mm i dybden, og klikk OK.
- Klikk Sett inn > funksjoner > Flex, og bøy akrylplaten slik at den passer til ganens anatomi.
- Klikk Sett inn > funksjoner > filet/rund, og filet de skarpe kantene på akrylplaten i en radius på 1 mm.
- Konstruer de ekspanderende armene.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkter på båndet, og klikk OK for å opprette et skisseplan (kalt P1).
- Klikk Sett inn > skisse, tegn en sirkel på 2 mm i diameter, og klikk Avslutt skisse (kalt C1).
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkter på akrylplaten, og klikk OK for å opprette et skisseplan (kalt P2).
- Klikk Sett inn > skisse, tegn en sirkel på 2 mm i diameter, og klikk Avslutt skisse (kalt C2).
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg P2-planet og angi en forskyvningsavstand på 6 mm. Klikk OK til et skisseplan.
- Klikk Sett inn > skisse, tegn en sirkel på 2 mm i diameter, og klikk Avslutt skisse (kalt C3).
- Klikk Sett inn > Boss / Base > Loft, og velg C1, C2 og C3-skissen i profilvinduet.
- Velg båndet og akrylplaten i Funksjonsomfang-vinduet, merk av for Slå sammen resultat i Alternativer-vinduet , og klikk OK.
5. Design osteotomi
- Lag et 1 mm tykt plan, tilsvarende diameteren av en bur som vanligvis brukes av kirurgen, fra hjørnet av piriformåpningen (Alar) mot den infra-zygomatiske kammen (IZC) i forskjellige grader fra horisontalplanet.
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg tre funksjonspunkt på osteotomiplanet (0°, 10°, 20° eller 30° i forhold til horisontalplanet), og klikk OK for å opprette planet (kalt O1).
- Klikk Sett inn > referansegeometri > plan, velg osteotomiplanet og angi en forskyvningsavstand på 1,0 mm. Klikk OK for å opprette et underordnet skjæringsplan (kalt O2).
- Klikk Sett inn > funksjoner > dele, velg O1- og O2-planet i Verktøy for tilskjæring, og klikk Klipp ut del for å opprette en forhåndsvisning.
- Merk av i avmerkingsboksene i de resulterende kroppene, og klikk OK for å skille det maksillære komplekset.
- Klikk brødteksten mellom O1- og O2-plan, høyreklikk og trykk Slett i Brødtekst-delen .
- Eksporter modeller med forskjellige bukkale osteotomivinkler i Parasolid Model Part File (X_T) for analyse.
- Klikk Fil > Lagre som, og velg Parasolid (x_t) i Filtype-listen .
- Klikk Lagre for å eksportere modellene for programvare for endelig elementanalyse.
6. Endelig elementanalyse
- Importer og sett materialparametrene til den maksillære komplekse modellen til Ansys-programvaren.
- Klikk og dra Statisk strukturell i verktøykassen for å opprette et analysearbeidsområde.
- Dobbeltklikk på Tekniske data, og angi Youngs modul og Poissons forhold mellom alle materialene i Egenskaper. Materialegenskapene til forskjellige strukturer12,15,16 er oppført i tabell 1.
- Dobbeltklikk Geometri, klikk Fil > Importer ekstern geometrifil, og klikk deretter Generer for å importere den maksillære komplekse modellen.
- Klikk Opprett > boolsk, og generer kortikale bein og periodontale ligament av boolsk med avbrytende bein og tenner.
- Definer den endelige elementanalysemodellen.
- Dobbeltklikk modellen, og klikk Geometri for å velge materialegenskapene for hver del.
- Høyreklikk Mesh , og klikk Generer nett for å bygge elementene på modellen.
- Klikk Tilkoblinger, og tilordne den myke/lille delen i Kontaktorganer og den stive/store delen i Mållegemer.
- Tilordne kontakttypen og friksjonskoeffisienten i Definisjon. Tilkoblingsegenskapene til forskjellige deler17 er oppført i tabell 2.
- Høyreklikk Tilkoblinger, klikk Sett inn > fjær for å koble de øvre og nedre delene av osteotomiplanet. Sett fjærene som 1 mm lange med fjærkonstant k = 60 N/mm og plasser en fjær ved hver rutenode.
- Sett en klinisk akseptabel kraft langs x-aksen (vinkelrett på midtlinjen) på akrylplaten på forskjellige kombinasjoner av osteotomier.
- Høyreklikk Statisk struktur, klikk Sett inn > fast støtte og sett strukturen på palatalplanet ubevegelig.
- Høyreklikk Statisk struktur, klikk Sett inn > kraft og sett en 150 N kraft som skal påføres på akrylplaten med en retning bort fra mediallinjen.
- Høyreklikk Løsning, og klikk Sett inn > Deformasjon > Totalt for å overvåke deformasjonen av utvidelsen.
- Gjennomfør en konvergenstest til utvidelser på begge sider oppnås.
- Klikk på Løs på verktøylinjene, og vent til kraftkonvergensnivået når styrkekriteriet.
- Klikk Total deformasjon for å vise ekspansjonsresultatene.
- Mål forskyvningene av de anatomiske landemerkene i alle tre dimensjoner som resultatene av ekspansjon. Foreslå følgende landemerker som skal brukes til å evaluere utvidelsesmønsteret:
Mesioincisal linjevinkel på den maksillære sentrale fortennen (U1).
Bukkal cuspspiss av maxillary første premolar (U4).
Mesiobuccal cusp spissen av maxillary første molar (U6).
Lateroinferior hjørne av piriform blenderåpning (Alar).
Infra-zygomatisk kam (IZC).
Midtpunktet til ekspanderen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Demonstrasjonsmodellen benyttet CBCT-bildet av en 47 år gammel kvinne med maksillærmangel. I den genererte modellen er den anatomiske strukturen i nesehulen, den maksillære sinus og det periodontale ligamentrommet for de ekspanderende forankrede tennene (første premolar og første molar) bevart (figur 1).
For å simulere den kirurgiske prosedyren nøyaktig ble neseseptumet, sideveggene i nesehulen og pterygomaxillærfissuren skilt fra den maksillære kroppen i alle simuleringer. Videre ble et plan, som representerte bukkal osteotomi under operasjonen, opprettet med en tykkelse på 1 mm. Planet startet fra hjørnet av piriform blenderåpning (Alar) og strakte seg bakover til pterygomaxillærfissuren (PMF) (figur 2A-D).
En foreløpig test ble utført på modellen med symmetriske nullgraders kutt på både venstre og høyre side (figur 2E), som viste at 150 N kraft resulterte i mer enn 8 mm ekspansjon ved ekspansjonen (figur 2F), som oversteg ekspansjonsmengden sett i de fleste litteratur. Dette resultatet ble ansett som hensiktsmessig siden det faller innenfor ekspansjonsområdet som oftest er nødvendig for SARPE-pasienter. I tillegg kan osteotomien bygge inn en rekke vinkler for å etterligne ulike kliniske tilstander (figur 3).
I motsetning til de fleste elementstudier som fokuserte på von Mises-stress og dets forhold til materialbrudd eller utbytte, ble den nåværende modellen utført for å hjelpe klinikere med å forutse mengden og mønsteret av ekspansjon etter SARPE. Derfor kan venstre og høyre hemi-maxillae-endring visualiseres direkte av fargekartet (som representerer mengden total bevegelse i 3D) og overlagring av før- (grå) og etter ekspansjon (farge) maxilla-modeller (figur 2E). I tillegg var forskyvningen av de anatomiske landemerkene (som nevnt i trinn 6.5.) i alle tre dimensjonene målresultatet som skulle analyseres videre (figur 2F).
Figur 1: Den konstruerte modellen som bevarer den anatomiske strukturen. (A,B) De frontale (A) og okklusale (B) visningene av den konstruerte modellen. (C,D) Den koronale delen av den konstruerte modellen på nivået av maksillær første premolar (C), som representerer den anatomiske strukturen observert i CBCT ved samme koronale lysbilde (D). (E,F) Den koronale delen av den konstruerte modellen på nivået av maksillær første molar (E), som representerer den anatomiske strukturen observert i CBCT ved samme koronale lysbilde (F). Vær oppmerksom på bevaring av nesehulen, den maksillære sinus og det periodontale ligamentrommet for de ekspanderende forankringstennene (første premolar og første molar) i den konstruerte modellen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Simulering av maksillærekspansjon med symmetrisk nullgraders LeFort I osteotomikutt på begge sider. (A-D) De frontale (A), bakre (B), høyre (C) og venstre (D) visningene av den konstruerte modellen med nullgraders LeFort I osteotomikutt på begge sider. (E) Utvidelsen observert i okklusjonsvisningen av modellen etter påføring av 150 N-kraft. Fargekartet viser den totale mengden forskyvning (i millimeter) i 3D. I tillegg kunne overlagring av før- (grå) og etter-ekspansjon (farge) maxilla-modeller utføres. (F) Forskyvningen av de anatomiske landemerkene (som nevnt i trinn 6.5. og vist i figur 1) i alle tre dimensjoner kunne genereres. X-akse: horisontal dimensjon; En positiv verdi betyr lateral bevegelse, og en negativ verdi betyr medial bevegelse. Y-akse: sagittal dimensjon; En positiv verdi betyr fremre bevegelse og en negativ verdi betyr bakre bevegelse. Z-akse: vertikal dimensjon; En positiv verdi betyr dårligere bevegelse og en negativ verdi betyr overlegen bevegelse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Osteotomier i ulike vinkler på aktuell modell. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Struktur | Youngs modul (MPa) | Poissons forhold |
| Kortikal bein | 1,37 × 104 | 0.3 |
| Cancellous bein | 1,37 × 103 | 0.3 |
| Premolarer og jeksler | 2,60 × 104 | 0.3 |
| Periodontal ligament | 5,00 × 101 | 0.49 |
| Rustfritt stål (expander) | 2,10 × 105 | 0.35 |
Tabell 1: Materialparametrene for hver struktur.
| Type | Kontakt / Target |
| Limt | (1) Cancellous bein / kortikale bein |
| (2) Molar og Premolar/Expander | |
| (3) Periodontal ligament / molar og Premolar | |
| Friksjonskoeffisient [μ] = 0,2) | (1) Kortikal / øvre kortikal |
| (2) Kortikal bein / molar og Premolar | |
| Friksjonskoeffisient [μ] = 0,1) | (1) Kortikal / neseseptum |
| (2) Periodontal ligament / kortikal bein | |
| (3) Periodontalt ligament/kancelløst bein | |
| Grov | (1) Kortikal bein / Expander |
| (2) Cancellous bein / Expander |
Tabell 2: Tilkoblingstypene for hver struktur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Retningen av bukkal osteotomi i SARPE kan enten være et horisontalt kutt fra neseåpningen før det går ned ved det maksillære støtteområdet eller et ramped kutt fra piriforme randen mot støtet som tilsvarer den maksillære første jekslen, som beskrevet av Betts2. Uansett strekker osteotomien seg godt under den zygomatiske prosessen til maxillaen. Imidlertid bruker de fleste nåværende FEA-studier på SARPE et horisontalt kutt som strekker seg posteriort på samme nivå som den piriforme kanten 6,7,12,14. Dette avviker fra det som vanligvis utføres klinisk og endrer forholdene i FEA, for eksempel massesenteret til hemimaxillae og retningen og kontaktområdet til osteotomien. Siden ekspansjonskraften ikke alltid beveger seg gjennom massesenteret, er rotasjon bundet til å skje med hemimaxillae under FEA. I det kliniske scenariet kan det imidlertid oppstå kollisjon ved osteotomilinjen, og det resulterende rotasjonssenteret kan senere endres. Derfor, for å gi et klinisk anvendelig resultat, er det viktig at osteotomien i FEA etterligner operasjonsmønsteret som utføres i det virkelige liv. Modellen introdusert i den nåværende studien gjør det mulig for forskere å bygge osteotomien i forskjellige vinkler (figur 3) for å virkelig representere det som gjøres klinisk.
Den kritiske forskjellen mellom denne studien og tidligere litteratur er at i stedet for å la de to overflatene av osteotomien komme i kontakt med null friksjon, introduserte den nåværende modellen en modifikasjon ved å inkludere tykkelse på osteotomiplanet, som ofte overses i dagens litteratur 6,7,8,10,11,12 . Tidligere forskning har sett bort fra gapet dannet av en piezoelektrisk sag eller en kirurgisk bur under osteotomi, et kritisk tilsyn da det påvirker hemimaxillaens frihet, samt svinging eller rotering av hemimaxillae i tilfelle en benete kollisjon. I tillegg unnlater den å redegjøre for potensielle resistens- eller dempende effekter som kan oppstå ved dannelse av bein callus eller osteoidvev under første helbredelse18. Designet introdusert i den nåværende studien adresserer dette problemet ved å introdusere et 1 mm tykkelsesgap mellom skallen og hemimaxillae for å gjenspeile bredden på den kirurgiske buren som brukes i forfatterens institutt. For ytterligere å simulere krefter fra sårhelende vev ble fjærer (1 mm lange, fjærkonstant k = 60 N/mm) implementert for å koble og suspendere hemimaxillae ved gitterknutene, samt å simulere bløtvevsresistens ved osteotomigapet, og derved påføre kompresjon og spenning under ekspansjon. Denne tilnærmingen gir betydelige fordeler ved å generere en klinisk relevant FEA-modell. Det er verdt å merke seg at tykkelsen på gapet bør justeres basert på de kirurgiske instrumentene som brukes når fremtidige forskningsgrupper planlegger å ta i bruk denne modellen for dataanalyse. Utformingen av fjærene må også justeres tilsvarende.
Til slutt lider nesten alle tilgjengelige FEA-studier på SARPE av utilstrekkelig aktivering hos ekspandereren. SARPE utføres nesten alltid på pasienter som trenger minst 5 mm maksillær ekspansjon2. Ekspansjonsmønsteret, som kan påvirkes av kollisjon på osteotomistedet, er avhengig av mengden aktivering hos ekspanderen. Utvidelsen på 1 mm i de fleste FEA-studier 6,8,9,11,12, som resulterer i bare 0,5 mm tverrforskyvning på hver side, er ikke tilstrekkelig til å representere effekten av større aktiveringsmengder klinisk. For å overvinne denne begrensningen ble det utført en foreløpig test for å bestemme en kraft som tilstrekkelig ville utvide hemimaxillae i en symmetrisk modell, med den resulterende kraften som faller i området for kliniske kraftnivåer fra raske maksillære ekspandere19, noe som ytterligere viste den kliniske relevansen av denne modellen. Denne kraften ble deretter brukt til aktivering i alle påfølgende undergrupper, noe som ga god innsikt i den kliniske ekspansjonen av maxillaen under SARPE.
Det eksisterer iboende begrensninger i denne studien som må erkjennes. Den primære begrensningen er fraværet av resistens fra omkringliggende bløtvev. Disse inkluderte motstand fra svelgområdet, den strukkede ganen og trykk fra kinnet og leppen. Resistens i bakre bløtvev skal ikke ses bort fra. Klinisk ses typisk et vifteformet ekspansjonsmønster, selv hos pasienter som gjennomgikk pterygomaxillærfissurfrigjøring, noe som indikerer sterk bakre bløtvevsresistens20. Det er imidlertid vanskelig å vurdere bløtvevsresistens i en endelig elementanalyse siden resistensen endres når vevet deformeres under aktiv ekspansjon21. En annen begrensning var mangelen på en jekkskrue i ekspanderen. Den stive metallstangen i jekkeskruen binder de to hemimaxillae til en enhet, noe som kan redusere rotasjonsfriheten til hemimaxillae. Sist, men ikke minst, kan vårt design ikke angis i noen spesielle tilfeller, for eksempel pasienter med ganespalte eller andre kraniofaciale deformiteter som forårsaker signifikant maksillærasymmetri eller andre systemiske sykdommer som kan påvirke Youngs modul av pasientens bein.
Likevel introduserte metodene som ble presentert i denne studien flere modifikasjoner, inkludert forbedringer i vinklingen av bukkal osteotomi, gapet på osteotomistedet, som gjenspeiler tykkelsen på det kirurgiske instrumentet, og mengden aktivering ved ekspanderen, noe som kunne produsere et sett med mer klinisk relevante FEA-modeller som ligner de kirurgiske prosedyrene til SARPE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne oppgir ingen interessekonflikt.
Acknowledgments
Denne studien ble støttet av American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (for CL), American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (for CL), University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph og Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research (for CL), J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant fra Institutt for kjeveortopedi, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (for CL), og International Orthodontic Foundation Young Research Grant (for 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).
