垂直 V 形弯曲力系统: 3D 弹性和刚性矩形矫正线的体外评价
Summary
本文提出的方法是建立和验证体外3D 模型, 能够测量由两个支架之间放置的 V 形弯曲的不同矫正线所产生的力系统。另外的目标是比较这个力系统与不同类型的矫正线和以前的模型。
Abstract
正确理解各种正畸器械所产生的力系统, 可以使病人的治疗效率和可预测性。将复杂的多支架装置减少到简单的双支架系统, 以进行力系统评估, 将是朝这个方向迈出的第一步。然而, 这方面的正畸生物力学大部分限于2D 实验研究, 计算机建模/分析或理论外推现有模型。本协议的目的是设计、构造和验证一种体外3D 模型, 能够测量在两个支架之间放置 V 形弯曲的弓产生的力和力矩。另外的目标是比较不同类型的矫正线在他们自己和以前的模型中产生的力系统。为此, 我们模拟了一个 2 x 4 装置, 代表一个臼齿和一个门牙。正畸导线测试仪 (OWT) 是由两个多轴力传感器或负载细胞 (纳米传感器) 构成的, 正畸支架连接。负载单元能够测量所有三平面空间中的力系统。测试了两种类型的矫正线, 不锈钢和β钛三不同大小 (0.016 x 0.022 英寸, 0.017 x 0.025 英寸和 0.019 x 0.025 英寸)。每根导线接受一个垂直的 V 弯被系统地安置在一个特定位置以预定义的角度。类似的 V 形弯曲在不同的矫正线上复制, 在11个不同的位置之间的磨牙和切牙附件。这是第一次在体外尝试使用 V 形弯曲对不同矫正线的正畸装置进行模拟。
Introduction
临床正畸治疗的一个重要方面是了解 multibracket 装置产生的力系统。明确了解基本的生物力学原理有助于提供可预测的结果, 并尽量减少潜在的副作用1。近年来, 随着支架位置和设计的增加, 在矫正线中放置弯曲的趋势越来越远;然而, 综合正畸治疗仍需要在矫正线中放置弯曲。弯曲, 当放置在不同的类型和大小的矫正线, 可以创建各种力量系统, 适合不同类型的牙齿运动。虽然在考虑多齿时, 力系统会变得相当复杂, 但一个有用的起点可能涉及简单的双支架系统。
迄今为止, V 型弯曲力学主要是在第二阶分析, 利用数学模型1,2,3,4,5和/或基于计算机的分析/模拟6. 这已经对涉及相邻支架的拱导线的二阶相互作用所涉及到的力系统有了基本的理解 (图 1)。然而, 这些方法施加一定的边界条件, 以运行模拟, 可能不会在实际的临床情况下, 可能会发生偏差。最近, 提出了一种新的体外模型, 涉及力传感器, 以测量三维 (3D) 的力量和创造的时刻, 不仅评估第二级弓支架相互作用, 但也在第三级7。然而, 不同类型的矫正线对沿切牙磨牙弓的不同弯曲位置的力系统的影响没有得到评价。此外, 这项研究仅涉及弹性正畸矫正线的评价, 这不是牙齿运动发生的主要矫正线。因此, 本研究的目的是评估在不同位置的方形不锈钢和β钛矫正线在一个3D 设置涉及磨牙和切牙支架所产生的力系统。临床医生需要知道的力量系统应用于牙列时, 具体组合的弓支架组合被用来修复错用。
本文研究了三平面空间的正畸力系统, 模仿临床实际。据了解, 临床上测量力系统是极其困难的;因此, 这种测量必须在体外进行。假设在实验室中由 V 形弯曲产生的力系统在病人口中被复制是相似的。创建了一个工作流来评估如何配置实验设置 (图 2)。
正畸钢丝测试仪 (OWT) 是一种创新产品, 由正畸的分工与生物工程 & 北京大学生物动态实验室, 康涅狄格健康, 法明顿, CT, 美国 (图 3) 合作开发。它的目的是准确模仿上颌牙齿的安排, 在口腔内和一些内部的条件, 同时提供测量的力量系统创建的所有三平面空间。OWT 的主要机械部件是数据采集装置 (数据采集器)、纳米力/扭矩传感器、湿度传感器、温度传感器和个人电脑。测试装置放置在具有温度/湿度控制的玻璃外壳内。这允许部分模拟口腔内环境。该数据采集器作为三传感器的接口: 湿度传感器、力/力矩传感器、热敏电阻以及位于平台上的传感器的测试设备 (图 3)。这些链接与一个软件程序。软件是可视化编程的平台和开发环境, 用于控制不同类型的硬件。它被选择自动化的正畸线测试仪。
在检测仪器上设置了一系列铝钉, 以表示上颌牙弓的牙齿。两个代表右中央切牙和右第一磨牙的钉子连接到传感器/负载单元 (S1 和 S2)。负载单元是一种机械装置, 可以测量所有三个平面 (x-y) 中应用到它的力和力矩: fx、fy和 fz;mx, my, 和 mz。该钉是有系统地定位, 以创建牙科弓形式。每一个 peg 是由一个精确记录的测量分离, 用平均牙齿宽度计算, 在患者正畸治疗。为实验选择的形状是由标准模板创建的 “卵球形” 拱形式。
Protocol
Representative Results
Discussion
正畸矫正线已研究了不同的方式8,9,10,11。他们也被评估了各种机械性能, 但他们很少被分析, 以确定的力量系统, 他们将创建12,13,14,15。三点弯曲试验普遍用于评价正畸矫正线;然而, 它们通常是在没有任何?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者希望感谢所有使这项工作成为可能的同事, 特别是 Drs. 阿迪亚齐柏和拉文答腊。作者感谢北京大学生物动态 & 生物工程实验室在康涅狄格健康方面所提供的设施在这个项目的发展。
Materials
| Force/Torque Sensors/Transducers | Nano17 F/T Sensors, ATI Industrial Automation, Apex, NC, USA | Part of the OWT | |
| CHS Series Humidity Sensor Units | TDK Corporation | Part of the OWT | |
| Temperature sensors | (Murata NTSDXH103FPB30 thermistor) Murata Manufacturing Co., Ltd | Part of the OWT | |
| LabVIEW 7.1. | Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, Version 7.1 | Software Program | |
| Self-Ligating brackets | Empower Series, American Orthodontics. | Orthodontic Brackets | |
| Stainless steel archwires | Ultimate Wireforms, Inc. in Bristol, CT | Archwires | |
| Beta-Titanium Archwires | Ultimate Wireforms, Inc. in Bristol, CT | Archwires | |
| Data acquisition device (DAQ) | National Instruments (NI) USB 6210 | Part of the OWT | |
| Ortho Form III (Archform template) | 3M Oral Care, St. Paul, MN, USA | Ovoid arch form | |
| Weingart Plier | Hu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, IL | Orthodontic Plier | |
| Light wire Plier | Hu-Friedy Mfg. Co., LLC Chicago, IL | Orthodontic Plier |
Referencias
- Burstone, C. J., Koenig, H. A. Force systems from an ideal arch. Am J Orthod. 65 (3), 270-289 (1974).
- Koenig, H. A., Burstone, C. J. Force systems from an ideal arch: Large deflection considerations. Angle Orthod. 59 (1), 11-16 (1989).
- Burstone, C. J., Koenig, H. A. Creative wire bending: The force system from step and V bends. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 93 (1), 59-67 (1988).
- Ronay, F., Kleinert, W., Melsen, B., Burstone, C. J. Force system developed by V bends in an elastic orthodontic wire. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 96 (4), 295-301 (1989).
- Demange, C. Equilibrium situations in bend force systems. Am J Orthod and Dentofac Orthop. 98 (4), 333-339 (1990).
- Isaacson, R. J., Lindauer, S. J., Conley, P. Responses of 3-dimensional arch wires to vertical V bends: Comparisons with existing 2-dimensional data in the lateral view. Semin Orthod. 1 (1), 57-63 (1995).
- Upadhyay, M., Shah, R., Peterson, D., Takafumi, A., Yadav, S., Agarwal, S. Force system generated by elastic archwires with vertical V bends: A three-dimensional analysis. Eur J Orthod. 39 (2), 202-208 (2017).
- Gurgel, J. A., Kerr, S., Powers, J. M., LeCrone, V. Force-deflection properties of superelastic nickel-titanium archwires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 120 (4), 378-382 (2001).
- Gurgel, J. A., Kerr, S., Powers, J. M., Pinzan, A. Torsional properties of commercial nickel-titanium wires during activation and deactivation. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 120 (1), 76-79 (2001).
- Hazel, R. J., Rohan, G. J., West, V. C. Force relaxation in orthodontic arch wires. Am J Orthod. 86 (5), 396-402 (1984).
- Lundgren, D., Owman-Moll, P., Kurol, J., Martensson, B. Accuracy of orthodontic force and tooth movement measurements. Br J Orthod. 23 (3), 241-248 (1996).
- Goldberg, A. J., Burstone, C. J. An evaluation of beta titanium alloys for use in orthodontic appliances. J Dent Res. 58 (2), 593-600 (1979).
- Kusy, R. P., Whitley, J. Q. Thermal and mechanical characteristics of stainless steel, titanium-molybdenum, and nickel titanium archwires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 131 (2), 229-237 (2007).
- Kapila, S., Sachdeva, R. Mechanical properties and clinical applications of orthodontic wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 96 (2), 100-109 (1989).
- Verstrynge, A., Humbeeck, J. V., Willems, G. In-vitro evaluation of the material characteristics of stainless steel and beta-titanium orthodontic wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 130 (4), 460-470 (2006).
- Tominaga, J. Y., Tanaka, M., Koga, Y., Gonzales, C., Kobayashi, M., Yoshida, N. Optimal loading conditions for controlled movement of anterior teeth in sliding mechanics. Angle. 79 (6), 1102-1107 (2009).
- Cattaneo, P. M., Dalstra, M., Melsen, B. The finite element method: A tool to study orthodontic tooth movement. J Dent Res. 84 (5), 428-433 (2005).
- Fotos, P. G., Spyrakos, C. C., Bernard, D. O. Orthodontic forces generated by a simulated archwire appliance evaluated by the finite element method. Angle Orthod. 60 (4), 277-282 (1990).
- Geramy, A. Alveolar bone resorption and the center of resistance modification (3-D analysis by means of the finite element method. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 117 (4), 399-405 (2000).
