Summary
En uppsättning nya finita elementmodeller av kirurgiskt assisterad snabb palatal expansion (SARPE) som kunde utföra en kliniskt erforderlig mängd expanderaktivering med olika vinklar av buckal osteotomi skapades för vidare analys av expansionsmönstren för hemimaxillae i alla tre dimensionerna.
Abstract
Kirurgiskt assisterad snabb gomexpansion (SARPE) introducerades för att frigöra benmotstånd för att underlätta skelettexpansion hos skelettmogna patienter. Asymmetrisk expansion mellan vänster och höger sida har dock rapporterats hos 7,52 % av alla SARPE-patienter, varav 12,90 % var tvungna att genomgå en andra operation för korrigering. De etiologier som leder till asymmetrisk expansion är fortfarande oklara. Finita elementanalys har använts för att utvärdera spänningen associerad med SARPE i de maxillofaciala strukturerna. Men eftersom en kollision av benet vid LeFort I-osteotomiställena inträffar först efter en viss expansion, representerar de flesta av de befintliga modellerna inte riktigt kraftfördelningen, med tanke på att expansionsmängden för dessa befintliga modeller sällan överstiger 1 mm. Därför finns det ett behov av att skapa en ny finita elementmodell av SARPE som kan utföra en kliniskt erforderlig mängd expanderaktivering för vidare analys av expansionsmönstren hos hemimaxillae i alla tre dimensionerna. En tredimensionell (3D) skallmodell från cone beam computed tomography (CBCT) importerades till Mimics och omvandlades till matematiska enheter för att segmentera maxillärkomplexet, maxillärens första premolarer och maxillärens första molarer. Dessa strukturer överfördes till Geomagic för ytutjämning och skapande av spongiösa ben och parodontala ligament. Den högra halvan av maxillärkomplexet behölls sedan och speglades för att skapa en perfekt symmetrisk modell i SolidWorks. En Haas-expander konstruerades och bandades till överkäkens första premolarer och första molarer. Finita elementanalys av olika kombinationer av buckala osteotomier i olika vinklar med 1 mm spelrum utfördes i Ansys. Ett konvergenstest utfördes tills önskad utvidgningsmängd på båda sidor (minst 6 mm totalt) uppnåddes. Denna studie lägger grunden för att utvärdera hur buckal osteotomivinkling påverkar expansionsmönstren för SARPE.
Introduction
Kirurgiskt assisterad snabb gomexpansion (SARPE) är en vanligt förekommande teknik för tvärgående expansion av den maxillära benstrukturen och tandbågen hos skelettmogna patienter1. Operationen innebär en LeFort I-osteotomi, en kortikotomi i mitten av gommen och, eventuellt frigöring, frigöring av pterygoid-maxillär fissur2. Emellertid har oönskade expansionsmönster från SARPE, såsom ojämn expansion mellan vänster och höger hemimaxillae3 och dentoalveolär process buckal tippning/rotation4, rapporterats, vilket kan leda till misslyckande av SARPE, och ibland till och med kräva ytterligare operationer för korrigering5. Tidigare studier har indikerat att variationen i cirkum-maxillära osteotomier kan spela en betydande roll i post-SARPE-expansionsmönster2,3, eftersom kollisionerna mellan benblocken vid Le Fort I-osteotomiställena kan bidra till den ojämna motståndskraften från lateral expansion av hemimaxillerna och till rotationen av hemimaxillerna med de alveolära kanterna under snittet som rör sig inåt medan den dentoalveolära processen expanderar 3, 4. veckor Därför finns det ett behov av att undersöka effekterna av olika osteotomiriktningar, särskilt den buckala osteotomin, på expansionsmönster efter SARPE.
Flera finita elementanalysmodeller (FEA) har satts upp för att utvärdera kraftfördelningen under SARPE. Mängden expansion som ställs in i dessa modeller är dock begränsad till upp till 1 mm, vilket är långt under den erforderliga kliniska mängden 6,7,8,9,10,11,12. Otillräcklig expansion i FEA-modeller kan leda till felaktiga förutsägelser av post-SARPE-resultat. Mer specifikt kan kollisionen mellan benen vid osteotomistället, som rapporterats av Chamberland och Proffit4, inte demonstreras om expandern inte är tillräckligt vriden, vilket kanske inte återspeglar den verkliga kliniska verkligheten. Med den begränsade expansionen som byggts in i de tidigare modellerna var utfallsutvärderingarna av dessa modeller inriktade på stressanalys. Stressanalysen av FEA inom tandvården utförs dock vanligtvis under statisk belastning med materialens mekaniska egenskaper inställda som isotropa och linjärt elastiska, vilket ytterligare begränsar den kliniska relevansen av FEA-studierna13.
Dessutom tog de flesta av dessa studier inte hänsyn till tjockleken på det kirurgiska instrumentet vid osteotomistället 6,7,8,10,11,12, vilket ofta satte friktionen till noll vid snitten som en del av randvillkoren. Den här inställningen förenklar dock kontakterna mellan de hårda och mjuka vävnaderna. Det kan avsevärt påverka kraftfördelningen och det resulterande expansionsmönstret hos hemimaxillae.
Ändå har ingen tillgänglig litteratur undersökt effekten av osteotomi på post-SARPE-asymmetri med hjälp av finita elementanalysmodeller (FEA). Alla aktuella studier använde modeller med symmetriska osteotomimönster 6,7,8,9,10,11,12,14, som inte återspeglar verkligheten i klinisk praxis där osteotomierna kan skilja sig åt på varje sida av skallen. Bristen på litteratur som undersöker effekten av asymmetriska osteotomier på post-SARPE-asymmetri utgör en betydande kunskapslucka som måste åtgärdas.
Därför är målet med denna studie att utveckla en ny FEA-modell av SARPE som verkligen kan efterlikna de kliniska förhållandena, inklusive expansionsmängden och osteotomigapet, och undersöka expansionsmönstren för hemimaxillerna i alla tre dimensionerna med olika utformningar av osteotomin. Ett sådant tillvägagångssätt skulle ge värdefull insikt i den mekanik som ligger till grund för expansionsmönstren efter SARPE och fungera som ett användbart verktyg för kliniker vid planering och genomförande av SARPE-procedurer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denna studie använde en redan existerande, avidentifierad, CBCT-bild före behandling av en patient som hade SARPE som en del av behandlingsplanerna. Studien genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen och godkändes av Institutional Review Board (protokoll #853608).
1. Provinsamling och tandsegmentering
- Skaffa en human CBCT-bild av huvudet i en naturlig huvudposition som inkluderar patientens maxillära komplex, inklusive maxillärbasalbenet, maxillärt alveolärt ben och maxillär tandbildning.
- Importera CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)-filer till Mimics-programvaran.
- Skapa nytt projekt (Ctrl + N), markera alla DICOM-bilder och klicka på Nästa och Konvertera.
- Definiera modellens riktning (A: främre, P: bakre, T: överst, B: nederst, L: vänster, R: höger) och klicka på OK.
- Dela upp filen i maxillärkomplex, maxillära första premolarer och maxillära första molarer.
- Klicka på Tröskelvärde, välj ett lämpligt tröskelvärde för segmentet av benen och klicka på Använd.
- Skapa nya masker och klicka på Redigera masker med hjälp av Rita och radera för att segmentera patientens maxillärkomplex, maxillära första premolarer och maxillära första molarer.
- Exportera målen som stereolitografifiler (STL).
- Högerklicka på masker och välj Beräkna 3D för att generera 3D-objekt.
- Högerklicka på 3D-objekt, välj STL+, välj de efterfrågade objekten och tryck på Lägg till och slutför för att skapa STL-filer.
2. Ytutjämning och skapande av spongiöst ben- och parodontalt ligamentutrymme
- Importera STL-filerna till Geomagic-programvaran.
- Klicka på Arkiv > Öppna, välj STL-filerna och tryck sedan på Öppna.
- Välj Millimeter för data i popup-fönstret Enheter och klicka på OK.
- Släta ut ytan på maxillärkomplexet, maxillära första premolarer och maxillära första molarer.
- Klicka på Polygoner > Ta bort toppar, klicka och dra jämnhetsnivån nära Låg, klicka på Verkställ och OK.
- Klicka på Polygoner > Relax Polygons, klicka och dra jämnhetsnivån nära Min, klicka på Verkställ och OK.
- Klicka på Polygoner > Reparera korsningar, välj Koppla av/Städa i fönstret Läge, klicka på Verkställ och OK.
- Ändra modellens yta till ett kontinuerligt och slutet område.
- Klicka och dra den vassa ytan och tryck på delete för att skapa ett hål.
- Klicka på Polygoner > Fyll hål, använd Fyll, Fyll partiellt, Skapa broar i fönstret Fyllningsmetod för att fylla igen hålen, klicka på Verkställ och OK.
- Konvertera 2D-ytan till en solid 3D-modell och exportera den som en CAD-fil (computer-aided design).
- Klicka på Redigera > fas > formfas, välj Redigera konturer för att skissa ytans konturer och klicka sedan på OK.
- Klicka på Rita lapplayout och rita fyrsidiga nät så att de täcker alla ytor och klicka sedan på OK.
- Klicka på Konstruera rutnät, definiera en korrekt upplösning och klicka på OK för att skapa ett finare nät.
- Klicka på Anpassa ytor, klicka på Verkställ och OK för att skapa en solid 3D-modell.
- Klicka på Arkiv > Spara som för att exportera 3D-modellen och spara den i en IGES-fil (med namnet Maxilla).
- Skapa det spongiösa benet genom att minska volymen av maxillärkomplexet med 1 mm från den buckala alveolära ytan. Skapa parodontalt ligamentutrymme genom att expandera rötternas kontur med 0,2 mm.
- Klicka på Polygonfas, välj Ta bort i fönstret Konturlinjer , välj Bevara i fönstret Patchlayout och tryck sedan på OK för att konvertera den solida 3D-modellen till en 2D-yta.
- Klicka på Polygoner > förskjutning, ange -1 mm och 0,2 mm på avståndspanelen för spongiöst ben och parodontala ligament och klicka sedan på Verkställ och OK.
- Klicka på Redigera > fas > formfas, välj Återställ korrigeringslayout och tryck på OK.
- Klicka på Konstruera rutnät, definiera en korrekt upplösning och klicka på OK för att skapa ett finare nät.
- Klicka på Anpassa ytor, klicka på Verkställ och OK för att skapa en solid 3D-modell.
- Klicka på Arkiv > Spara som för att exportera 3D-modellen och spara den i IGES-filer (med namnen CB och PL).
3. Konstruera en anatomisk symmetrisk överkäksmodell
- Importera CAD-filerna till SolidWorks.
- Klicka på Arkiv > Öppna, välj Maxilla-filen och tryck på Öppna för att importera CAD-filen.
- Klicka på Arkiv > Spara för att spara filen i formatet Del .
- Konstruera det spongiösa benet under gomplanet (PP).
- Klicka på Infoga > del, välj CB-filen och tryck på Öppna för att importera CAD-filen.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på palatalplanet och klicka på OK för att skapa ett skärande plan.
- Klicka på Infoga > funktioner > delning, välj palatalplanet i Trimverktyg och klicka på Klipp ut del för att skapa en förhandsgranskning av klippningen.
- Markera kryssrutorna i Resulterande kroppar och klicka på OK för att separera det spongiösa benet.
- Klicka på det spongiösa benet ovanför gomplanet, högerklicka och tryck på Delete i avsnittet Brödtext .
- Konstruera det parodontala ligamentet för maxillära första premolarer och maxillära första molarer.
- Klicka på Infoga > del, välj PL-filen och tryck på Öppna för att importera CAD-filen.
- Klicka på Infoga > Funktioner > Överlappa och välj Maxilla och PL i fönstret Markeringar .
- Välj Skapa båda i fönstret Val , välj den parodontala ligamentdelen i regionlistan och klicka sedan på OK för att generera ligamentet.
- Utför ett midpalatalt skärplan från den främre näsryggraden (ANS) till bakre näsryggraden (PNS) och behåll den högra halvan av maxillärkomplexet.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på det mittpalatala planet och klicka på OK för att skapa ett skärande plan.
- Klicka på Infoga > funktioner > delning, välj palatalplanet i Trimverktyg och klicka på Klipp ut del för att skapa en förhandsgranskning av klippningen.
- Markera kryssrutorna i Resulterande kroppar och klicka på OK för att separera maxillärkomplexet.
- Klicka på den vänstra halvan av maxillärkomplexet, högerklicka och tryck på Delete i avsnittet Brödtext .
- Spegla den högra halvan av överkäkskomplexet och skapa en identisk vänster halva.
- Klicka på Infoga > Mönster/Spegel > Spegel och välj det mittpalatala planet i Spegelyta/plan.
- Välj alla den högra halvan av maxillärkomplexet i Kroppar att spegla och klicka på OK för att generera den vänstra halvan av maxillärkomplexet.
4. Skapa en Haas-expander och ett band till överkäkens första premolarer och första molarer
- Konstruera premolarbandet och molarbandet.
- Klicka på Infoga > del, välj PL-filen och tryck på Öppna för att importera CAD-filen.
- Klicka på Infoga > funktioner > delning, välj tänderna i PL-filen och ställ in en enhetlig skalning på 1,05. Klicka på OK för att generera band med 0,5 mm tjocklek.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på det ocklusala planet och klicka på OK för att skapa ett referensplan.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj det ocklusala planet och ange ett offsetavstånd på 1,5 mm. Klicka på OK för att skapa det första skärplanet.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj ocklusalplan och ange ett förskjutningsavstånd på 4,0 mm. Klicka på OK för att skapa det andra skärplanet.
- Klicka på Infoga > Funktioner > Dela och välj det första och andra planet i Trimverktyg och tänderna i Målkroppar. Klicka på Cut Body för att skapa en förhandsgranskning av klippningen.
- Markera kryssrutorna i Resulterande kroppar och klicka på OK för att separera tänderna.
- Klicka på bandet ovanför det första planet och under det andra planet, högerklicka och tryck på Delete i avsnittet Brödtext .
- Konstruera akrylplattan.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på det hårda gommen och klicka på OK för att skapa ett skissplan.
- Klicka på Infoga > skiss, rita en akrylplatta, se Haas-expansionsenheten och klicka på Avsluta skiss.
- Klicka på Infoga > Boss/Base > Extrude, välj skissen av akrylplattan, ställ in 5 mm i djup och klicka på OK.
- Klicka på Infoga > funktioner > Flex och böj akrylplattan så att den passar gommens anatomi.
- Klicka på Infoga > funktioner > Filé/Round och filea akrylplattans vassa kanter i en radie på 1 mm.
- Konstruera expanderarmarna.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på bandet och klicka på OK för att skapa ett skissplan (med namnet P1).
- Klicka på Infoga > skiss, rita en cirkel med en diameter på 2 mm och klicka på Avsluta skiss (med namnet C1).
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på akrylplattan och klicka på OK för att skapa ett skissplan (med namnet P2).
- Klicka på Infoga > skiss, rita en cirkel med en diameter på 2 mm och klicka på Avsluta skiss (med namnet C2).
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj P2-planet och ange ett offsetavstånd på 6 mm. Klicka på OK för att skissa ett plan.
- Klicka på Infoga > skiss, rita en cirkel med en diameter på 2 mm och klicka på Avsluta skiss (med namnet C3).
- Klicka på Infoga > Boss/Base > Loft och välj skisserna C1, C2 och C3 i fönstret Profiler .
- Markera bandet och akrylplattan i fönstret Funktionsomfång, markera Sammanfoga resultat i fönstret Alternativ och klicka på OK.
5. Designa osteotomin
- Skapa ett 1 mm tjockt plan, motsvarande diametern på en borr som vanligtvis används av kirurgen, från hörnet av den piriforma öppningen (Alar) mot den infrazygomatiska kammen (IZC) i olika grader från horisontalplanet.
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj tre funktionspunkter på osteotomiplanet (0°, 10°, 20° eller 30° mot horisontalplanet) och klicka på OK för att skapa planet (med namnet O1).
- Klicka på Infoga > referensgeometri > plan, välj osteotomiplanet och ställ in ett offsetavstånd på 1,0 mm. Klicka på OK för att skapa ett underlägset skärplan (med namnet O2).
- Klicka på Infoga > funktioner > delning, välj O1- och O2-plan i Trimverktyg och klicka på Klipp ut del för att skapa en förhandsgranskning av skärningen.
- Markera kryssrutorna i Resulterande kroppar och klicka på OK för att separera maxillärkomplexet.
- Klicka på brödtexten mellan O1- och O2-planen, högerklicka och tryck på Delete i avsnittet Brödtext .
- Exportera modeller med olika buckala osteotomivinklar i Parasolid Model Part File (X_T) för analys.
- Klicka på Arkiv > Spara som och välj Parasolid (x_t) i listan Filtyp .
- Klicka på Spara för att exportera modellerna för programvara för analys av finita element.
6. Analys av finita element
- Importera och ställ in materialparametrarna för den maxillära komplexa modellen till Ansys-programvaran.
- Klicka och dra Static Structural i verktygslådan för att skapa en analysarbetsyta.
- Dubbelklicka på tekniska data och ställ in Youngs modul och Poissons förhållande mellan alla material i Egenskaper. Materialegenskaperna för olika strukturer12,15,16 listas i tabell 1.
- Dubbelklicka på Geometri, klicka på Arkiv > Importera extern geometrifil och klicka sedan på Generera för att importera den maxillära komplexa modellen.
- Klicka på Skapa > boolesk och generera det kortikala benet och det parodontala ligamentet med det booleska med det spongiösa benet och tänderna.
- Ställ in analysmodellen för finita element.
- Dubbelklicka på modellen och klicka på Geometri för att välja materialegenskaper för varje del.
- Högerklicka på Mesh och klicka på Generate Mesh för att bygga elementen på modellen.
- Klicka på Anslutningar och tilldela den mjuka/lilla delen i Kontaktkroppar och den stela/stora delen i Målkroppar.
- Tilldela kontakttyp och friktionskoefficient i Definition. Anslutningsegenskaperna för olika delar17 listas i tabell 2.
- Högerklicka på Anslutningar, klicka på Infoga > fjäder för att ansluta de övre och nedre delarna av osteotomiplanet. Ställ in fjädrarna som 1 mm långa med fjäderkonstanten k = 60 N/mm och placera en fjäder vid varje gallernod.
- Ställ in en kliniskt acceptabel kraft längs x-axeln (vinkelrätt mot mittlinjen) på akrylplattan på olika kombinationer av osteotomier.
- Högerklicka på Static Structural, klicka på Insert > Fixed Support och ställ in strukturen på det palatala planet orörligt.
- Högerklicka på Static Structural, klicka på Insert > Force och ställ in en kraft på 150 N som ska appliceras på akrylplattan med en riktning bort från den mediala linjen.
- Högerklicka på Lösning och klicka på Infoga > Deformation > Total för att övervaka deformationen av expansionen.
- Utför ett konvergenstest tills expansioner på båda sidor uppnås.
- Klicka på Lös i verktygsfälten och vänta tills nivån Kraftkonvergens når Kraftkriteriet.
- Klicka på Total deformation för att visa expansionsresultatet.
- Mät förskjutningarna av de anatomiska landmärkena i alla tre dimensionerna som resultat av expansion. Föreslå följande landmärken som ska användas för att utvärdera expansionsmönstret:
Mesioincisal linjevinkel för överkäkens centrala framtand (U1).
Buckal spets på överkäkens första premolar (U4).
Mesiobukalkspetsspets i överkäkens första kindtand (U6).
Lateroinferior hörnet av den piriforma bländaren (Alar).
Infra-zygomatisk kam (IZC).
Expanderns mittpunkt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Demonstrationsmodellen använde CBCT-bilden av en 47-årig kvinna med maxillär brist. I den genererade modellen bevaras den anatomiska strukturen i näshålan, bihålan i maxillären och det parodontala ligamentutrymmet för de expanderförankrade tänderna (första premolaren och första molaren) (Figur 1).
För att simulera det kirurgiska ingreppet korrekt separerades nässkiljeväggen, näshålans sidoväggar och pterygomaxillär fissur från maxillärkroppen i alla simuleringar. Dessutom skapades ett plan, som representerar den buckala osteotomin under operationen, med en tjocklek av 1 mm. Planet startade från hörnet av den piriforma öppningen (Alar) och sträckte sig bakåt till pterygomaxillärsprickan (PMF) (Figur 2A-D).
Ett preliminärt test utfördes på modellen med symmetriska nollgraders snitt på både vänster och höger sida (Figur 2E), som visade att 150 N kraft resulterade i mer än 8 mm expansion vid expandern (Figur 2F), vilket överstiger den mängd expansion som ses i den mesta litteraturen. Detta resultat bedömdes vara lämpligt eftersom det ligger inom det expansionsintervall som oftast behövs för SARPE-patienter. Dessutom kan en mängd olika vinklar byggas in i osteotomin för att efterlikna olika kliniska tillstånd (Figur 3).
Till skillnad från de flesta studier av finita element som fokuserade på Mises stress och dess relation till materialbrott eller utbyte, genomfördes den nuvarande modellen för att hjälpa kliniker att förutse mängden och expansionsmönstret efter SARPE. Därför kan förändringen av vänster och höger halvi-maxilla visualiseras direkt av färgkartan (som representerar mängden total rörelse i 3D) och överlagringen av överlagringsmodeller före (grå) och efter expansion (färg) (Figur 2E). Dessutom var förskjutningen av de anatomiska landmärkena (som nämns i steg 6.5) i alla tre dimensionerna det målresultat som skulle analyseras ytterligare (figur 2F).
Figur 1: Den konstruerade modellen som bevarar den anatomiska strukturen. (A,B) Den frontala (A) och den ocklusala (B) vyerna av den konstruerade modellen. (C,D) Koronadelen av den konstruerade modellen i nivå med maxillärpremolaren (C), som representerar den anatomiska strukturen observerad i CBCT vid samma koronaglas (D). (E,F) Koronalsektionen av den konstruerade modellen i nivå med maxillärens första molar (E), som representerar den anatomiska strukturen som observerats i CBCT vid samma koronaglas (F). Observera bevarandet av näshålan, maxillary sinus och det parodontala ligamentutrymmet för expanderns förankringständer (första premolaren och första molaren) i den konstruerade modellen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Simulering av maxillär expansion med symmetriska nollgraders LeFort I-osteotomisnitt på båda sidor. (A-D) De frontala (A), bakre (B), högra (C) och vänstra (D) vyerna av den konstruerade modellen med nollgradiga LeFort I-osteotomisnitt på båda sidor. (E) Den expansion som observerats i modellens ocklusala vy efter applicering av 150 N kraft. Färgschemat visar den totala förskjutningen (i millimeter) i 3D. Dessutom kan överlagring av överkäksmodeller före (grå) och efter expansion (färg) utföras. (F) Förskjutningen av de anatomiska landmärkena (som nämns i steg 6.5 och visas i figur 1) i alla tre dimensionerna kan genereras. X-axeln: horisontell dimension. Ett positivt värde betyder lateral rörelse och ett negativt värde betyder medial rörelse. Y-axel: sagittal dimension; Ett positivt värde betyder främre rörelse och ett negativt värde betyder bakre rörelse. Z-axel: vertikal dimension; Ett positivt värde betyder sämre rörelse och ett negativt värde betyder överlägsen rörelse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Osteotomier i olika vinklar på den aktuella modellen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Struktur | Youngs modul (MPa) | Poissons förhållande |
| Kortikalt ben | 1,37 × 104 | 0.3 |
| Cellous ben | 1,37 × 103 | 0.3 |
| Premolarer och molarer | 2,60 × 104 | 0.3 |
| Parodontalt ligament | 5,00 × 101 | 0.49 |
| Rostfritt stål (expander) | 2,10 × 105 | 0.35 |
Tabell 1: Materialparametrarna för varje struktur.
| Typ | Kontakt/Mål |
| Bundna | (1) Cellben/kortikalt ben |
| (2) Molar och premolar/expander | |
| (3) Parodontalt ligament/molar och premolar | |
| Friktion (friktionskoefficient [μ] = 0,2) | (1) Kortikal/övre kortikal |
| (2) Kortikalt ben/molar och premolar | |
| Friktion (friktionskoefficient [μ] = 0,1) | (1) Kortikal/nässkiljevägg |
| (2) Parodontalt ligament/kortikalt ben | |
| (3) Parodontalt ligament/Cancellous bone | |
| Sträv | (1) Kortikalt ben/expander |
| (2) Cancellous bone/Expander |
Tabell 2: Anslutningstyperna för varje struktur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Riktningen för den buckala osteotomin i SARPE kan antingen vara ett horisontellt snitt från näsöppningen innan man kliver ner vid maxillära strävpelaren eller ett rampat snitt från den piriforma kanten mot strävpelaren som motsvarar den överkäkens första molar, som beskrivs av Betts2. Hur som helst sträcker sig osteotomin långt under överkäkens zygomatiska process. De flesta aktuella FEA-studier på SARPE använder dock ett horisontellt snitt som sträcker sig bakåt på samma nivå som den piriforma kanten 6,7,12,14. Detta avviker från vad som vanligtvis utförs kliniskt och förändrar förhållandena i FEA, såsom hemimaxillae masscentrum och osteotomins riktning och kontaktyta. Eftersom expansionskraften inte alltid färdas genom masscentrum, kommer rotation att ske med hemimaxillae under FEA. Men i det kliniska scenariot kan kollision vid osteotomilinjen inträffa, och det resulterande rotationscentrum kan därefter ändras. Därför, för att ge ett kliniskt tillämpligt resultat, är det absolut nödvändigt att osteotomin i FEA efterliknar det kirurgiska mönstret som utförs i verkligheten. Modellen som introducerades i den aktuella studien gör det möjligt för forskare att bygga osteotomin i olika vinklar (figur 3) för att verkligen representera vad som görs kliniskt.
Den kritiska skillnaden mellan denna studie och tidigare litteratur är att istället för att låta de två ytorna på osteotomin komma i kontakt med varandra vid noll friktion, introducerade den nuvarande modellen en modifiering genom att inkludera tjocklek på osteotomiplanet, vilket ofta förbises i aktuell litteratur 6,7,8,10,11,12 . Tidigare forskning har bortsett från det gap som bildas av en piezoelektrisk såg eller en kirurgisk borr under osteotomi, ett kritiskt förbiseende eftersom det påverkar hemimaxillae frihet samt svängning eller rotation av hemimaxillae i händelse av en benkollision. Dessutom tar den inte hänsyn till det potentiella motståndet eller de dämpande effekterna som kan uppstå från bildandet av benförhårdnader eller osteoidvävnad under den första läkningen18. Designen som introduceras i den aktuella studien tar itu med detta problem genom att införa ett 1 mm tjockt mellanrum mellan skallen och hemimaxillae för att återspegla bredden på den kirurgiska borr som används i författarnas institut. För att ytterligare simulera krafter från den sårläkande vävnaden implementerades fjädrar (1 mm långa, fjäderkonstanten k = 60 N/mm) för att länka och suspendera hemimaxillerna vid gallernoderna, samt för att simulera mjukvävnadsmotstånd vid osteotomigapet, och därigenom applicera kompression och spänning under expansionen. Detta tillvägagångssätt ger betydande fördelar när det gäller att generera en kliniskt relevant FEA-modell. Det är värt att notera att tjockleken på gapet bör justeras baserat på de kirurgiska instrument som används när framtida forskargrupper planerar att använda denna modell för dataanalys. Fjädrarnas utformning måste också anpassas därefter.
Slutligen lider nästan alla tillgängliga FEA-studier av SARPE av otillräcklig aktivering vid expandern. SARPE utförs nästan alltid på patienter som behöver minst 5 mm maxillär expansion2. Expansionsmönstret, som kan påverkas av kollision vid osteotomistället, är beroende av mängden aktivering vid expandern. Expansionen på 1 mm i de flesta FEA-studier 6,8,9,11,12, vilket resulterar i endast 0,5 mm tvärförskjutning på varje sida, är otillräcklig för att representera effekterna av större aktiveringsmängder kliniskt. För att övervinna denna begränsning utfördes ett preliminärt test för att bestämma en kraft som på ett adekvat sätt skulle expandera hemimaxillerna i en symmetrisk modell, med den resulterande kraften inom intervallet för kliniska kraftnivåer från snabba maxillära expanders19, vilket ytterligare bevisade den kliniska relevansen av denna modell. Denna kraft användes sedan för aktivering i alla efterföljande undergrupper, vilket gav stora insikter i den kliniska expansionen av överkäken under SARPE.
Det finns inneboende begränsningar i denna studie som måste erkännas. Den primära begränsningen är frånvaron av motstånd från omgivande mjukvävnad. Dessa inkluderade motstånd från svalgområdet, den uttänjda gommen och tryck från kinden och läppen. Motstånd i den bakre mjukvävnaden bör inte ignoreras. Kliniskt ses vanligtvis ett solfjäderformat expansionsmönster, även hos patienter som genomgick pterygomaxillär fissurfrisättning, vilket indikerar stark bakre mjukdelsresistens20. Det är dock svårt att ta hänsyn till mjukvävnadsresistens i en finita elementanalys eftersom motståndet förändras när vävnaderna deformeras under aktiv expansion21. En annan begränsning var avsaknaden av domkraftsskruv i expandern. Den styva metallstången i domkraftsskruven binder de två hemimaxillerna till en enhet, vilket kan minska rotationsfriheten för hemimaxillerna. Sist men inte minst kanske vår design inte är indicerad i vissa speciella fall, såsom patienter med gomspalt eller andra kraniofaciala missbildningar som orsakar betydande maxillär asymmetri eller systemiska sjukdomar som kan påverka Youngs modul i patientens ben.
Icke desto mindre introducerade de metoder som presenterades i denna studie flera modifieringar, inklusive förbättringar i vinklingen av den buckala osteotomin, gapet vid osteotomistället, som återspeglar tjockleken på det kirurgiska instrumentet, och mängden aktivering vid expandern, vilket kan producera en uppsättning mer kliniskt relevanta FEA-modeller som liknar de kirurgiska ingreppen i SARPE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna deklarerar att det inte föreligger någon intressekonflikt.
Acknowledgments
Denna studie stöddes av American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (för CL), American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (för CL), University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph och Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research (för CL), J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant från Institutionen för ortodonti, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (för C.L.) och International Orthodontic Foundation Young Research Grant (för 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).
