Ein Finite-Elemente-Ansatz zur Bestimmung des Widerstandszentrums von Maxillary Teeth
Summary
Diese Studie skizziert die notwendigen Werkzeuge für die Verwendung von niedrig dosierten dreidimensionalen Kegelstrahl-basierten Patientenbildern der Maxilla und der Kieferzähne, um Finite-Elemente-Modelle zu erhalten. Diese Patientenmodelle werden dann verwendet, um die CRES aller Kieferzähne genau zu lokalisieren.
Abstract
Das Zentrum des Widerstands (CRES) gilt als grundlegender Bezugspunkt für vorhersehbare Zahnbewegungen. Die Methoden zur Schätzung der CRES der Zähne reichen von traditionellen radiographischen und physikalischen Messungen bis hin zu In-vitro-Analysen an Modellen oder Kadaverproben. Techniken mit Finite-Elemente-Analyse von hochdosierten Mikro-CT-Scans von Modellen und Einzelzähnen haben viel Versprechen gezeigt, aber mit neueren, niedrig dosierten und niedrig auflösenden Kegelstrahltomographie (CBCT)-Bildern wurde wenig getan. Auch die CRES für nur wenige ausgewählte Zähne (d. h. maxilläre zentrale Schneidezähne, Vordere und erste Molaren) wurden beschrieben; der Rest wurde weitgehend ignoriert. Es ist auch notwendig, die Methodik der Bestimmung des CRES im Detail zu beschreiben, damit es leicht zu replizieren und aufzubauen ist.
Diese Studie verwendete routinemäßige CBCT-Patientenbilder für die Entwicklung von Werkzeugen und einen Workflow, um Finite-Elemente-Modelle für die Lokalisierung der CRES von Kieferzähnen zu erhalten. Die CBCT-Volumenbilder wurden manipuliert, um dreidimensionale (3D) biologische Strukturen zu extrahieren, die für die Bestimmung der CRES der Kieferzähne durch Segmentierung relevant sind. Die segmentierten Objekte wurden gereinigt und in ein virtuelles Netz aus Tetraeder (tet4) Dreiecken mit einer maximalen Kantenlänge von 1 mm mit 3matic Software umgewandelt. Die Modelle wurden weiter in ein Volumennetz aus Tetraedern mit einer maximalen Kantenlänge von 1 mm für die Finite-Elemente-Analyse umgewandelt. Die Engineering-Software Abaqus wurde verwendet, um die Modelle vorzuverarbeiten, um eine Baugruppe zu erstellen und Materialeigenschaften, Interaktionsbedingungen, Randbedingungen und Lastanwendungen festzulegen. Die Belastungen simulierten bei der Analyse die Belastungen und Belastungen des Systems und halfen bei der Lokalisierung des CRES. Diese Studie ist der erste Schritt zur genauen Vorhersage der Zahnbewegung.
Introduction
Das Zentrum des Widerstands (CRES) eines Zahnes oder Zahnsegments ist analog zum Massenmittelpunkt eines freien Körpers. Es ist ein Begriff, der aus dem Bereich der Mechanik von starren Körpern entlehnt ist. Wenn eine einzelne Kraft am CRESangewendet wird, erfolgt die Übersetzung des Zahnes in Richtung der Einwirkungslinie der Kraft1,2. Die Position des CRES hängt nicht nur von der Anatomie und den Eigenschaften des Zahnes ab, sondern auch von seiner Umgebung (z.B. Parodontalband, umgebender Knochen, angrenzende Zähne). Der Zahn ist ein zurückhaltender Körper, so dass seine CRES ähnlich dem Zentrum der Masse eines freien Körpers. Bei der Manipulation von Geräten betrachten die meisten Kieferorthopäden die Beziehung des Kraftvektors zum CRES eines Zahnes oder einer Gruppe von Zähnen. In der Tat wird die Frage bestimmt, ob ein Objekt Kipp- oder Körperbewegungen anzeigt, wenn es einer einzigen Kraft vorgelegt wird, hauptsächlich durch die Position des CRES des Objekts und den Abstand zwischen dem Kraftvektor und dem CRES. Wenn dies genau vorhergesagt werden kann, werden die Behandlungsergebnisse erheblich verbessert. So kann eine genaue Schätzung von CRES die Effizienz der kieferorthopädischen Zahnbewegung erheblich verbessern.
Seit Jahrzehnten beschäftigt sich das kieferorthopädische Feld mit der Forschung über die Lage der CRES eines bestimmten Zahnes, Segments oder Bogens1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Diese Studien sind jedoch in vielerlei Hinsicht begrenzt. Die meisten Studien haben die CRES für nur wenige Zähne bestimmt, wobei die Mehrheit ausgelassen wurde. So wurden beispielsweise der maxilläre Zentralschneidemittelund und das Maxillary Schneidesegment recht ausführlich bewertet. Auf der anderen Seite gibt es nur wenige Studien über den Oberkiefer und zuerst Molaren und keine für die restlichen Zähne. Außerdem haben viele dieser Studien die Position des CRES auf der Grundlage generischer anatomischer Daten für Zähne, Messungen aus zweidimensionalen (2D) Röntgenaufnahmen und Berechnungen auf 2D-Zeichnungen8bestimmt. Darüber hinaus verwendet ein Teil der aktuellen Literatur generische Modelle oder dreidimensionale (3D) Scans von dentiformischen Modellen anstelle von menschlichen Daten4,8. Da sich die Kieferorthopädie in die 3D-Technologie für die Planung von Zahnbewegungen verlagert, ist es entscheidend, dieses Konzept zu überdenken, um ein wissenschaftliches 3D-Verständnis der Zahnbewegung zu entwickeln.
Mit dem technologischen Fortschritt, der zu einer erhöhten Rechenleistung und Modellierungsfähigkeit führt, hat die Fähigkeit, komplexere Modelle zu erstellen und zu studieren, zugenommen. Die Einführung von Computertomographie-Scanning und Kegelstrahl-Computertomographie (CBCT)-Scanning hat Modelle und Berechnungen aus der 2D-Welt in 3D geschoben. Gleichzeitige Erhöhungen der Rechenleistung und Softwarekomplexität haben es Forschern ermöglicht, 3D-Röntgenaufnahmen zu verwenden, um genaue anatomische Modelle für den Einsatz in fortschrittlicher Software zu extrahieren, um die Zähne, Knochen, Parodontalbänder (PDL) und verschiedene andere Strukturen7,,8,,9,,10,13,14,,15zu segmentieren. Diese segmentierten Strukturen können in ein virtuelles Netz umgewandelt werden, um die Reaktion eines Systems zu berechnen, wenn eine bestimmte Kraft oder Verschiebung darauf angewendet wird.
Diese Studie schlägt eine spezifische, reproduzierbare Methodik vor, die verwendet werden kann, um hypothetische kieferorthopädische Kraftsysteme zu untersuchen, die auf Modellen angewendet werden, die aus CBCT-Bildern von lebenden Patienten abgeleitet sind. Bei der Verwendung dieser Methode können die Forscher dann die CRES verschiedener Zähne abschätzen und die biologische Morphologie von Zahnstrukturen wie Zahnanatomie, Anzahl der Wurzeln und deren Ausrichtung im 3D-Raum, Massenverteilung und Struktur parodontaler Anhänge berücksichtigen. Eine allgemeine Übersicht dieses Prozesses ist in Abbildung 1dargestellt. Damit soll der Leser an dem logischen Prozess der Erstellung von 3D-Zahnmodellen zur Lokalisierung des CRESausgerichtet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Studie zeigt eine Reihe von Werkzeugen, um einen konsistenten Workflow für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) von Modellen von Kieferzähnen aus CBCT-Bildern von Patienten abgeleitet zu etablieren, um ihre CRESzu bestimmen. Für den Arzt wäre eine klare und unkomplizierte Karte der CRES der Kieferzähne ein unschätzbares klinisches Werkzeug, um Zahnbewegungen zu planen und Nebenwirkungen vorherzusagen. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) wurde 197317in der zahnbiomechan…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten den Charles Burstone Foundation Award für die Unterstützung des Projekts würdigen.
Materials
| 3-matic software | Materialise, Leuven, Belgium. | Cleaning and meshing | |
| Abaqus/CAE software, version 2017 | Dassault Systèmes Simulia Corp., Johnston, RI, USA. | Finite Element Analysis | |
| Mimics software, version 17.0 | Materialise, Leuven, Belgium. | Segmentation of teeth and bone |
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