Подход к элементу Finite для поиска Центра Сопротивления челюстно-лицевых зубов
Summary
Это исследование излагает необходимые инструменты для использования низких доз трехмерных конуса луч на основе пациентов изображения челюсти и челюстно-лицевых зубов для получения конечных моделей элементов. Эти модели пациентов затем используются для точного определенияВИЭ всех челюстных зубов.
Abstract
Центр сопротивления (CRES) считается фундаментальной точкой отсчета для предсказуемого движения зуба. Методы, используемые для оценки CВИЭ зубов варьируются от традиционных радиографических и физических измерений до анализа in vitro на моделях или образцах трупов. Методы, связанные с конечным анализом элементов высокодозных микро-КТ моделей и одиночных зубов, показали много обещанных, но мало что было сделано с новыми, низкими дозами и низкой разрешением конусного пучка компьютерной томографии (CBCT). Кроме того, были описаныВИЭ Для всего лишь нескольких избранных зубов (т.е. верхнечелюстного центрального резца, собачьего и первого молярного); остальные были в значительной степени проигнорированы. Необходимо также подробно описать методологию определенияВИЭ С, с тем чтобы ее стало легко воспроизвести и развить.
В этом исследовании использовались обычные изображения пациентов CBCT для разработки инструментов и рабочего процесса для получения моделей конечных элементов для определения местонахождения CВИЭ челюстно-лицевых зубов. Объемные изображения CBCT были обработаны для извлечения трехмерных (3D) биологических структур, имеющих отношение к определениюВИЭ челюстно-лицевых зубов путем сегментации. Сегментированные объекты были очищены и преобразованы в виртуальную сетку, состоящую из тетраэдра (tet4) треугольников, имеющих максимальную длину края 1 мм с 3matic программным обеспечением. Модели были дополнительно преобразованы в твердую объемную сетку тетраэдронов с максимальной длиной края 1 мм для использования в анализе конечных элементов. Инженерное программное обеспечение, Abaqus, было использовано для предварительной обработки моделей для создания сборки и набора свойств материала, условий взаимодействия, условий границы и приложений нагрузки. Нагрузки при анализе моделируют напряжения и нагрузки на систему, помогая в обнаруженииВИЭC. Это исследование является первым шагом в точном прогнозировании движения зуба.
Introduction
Центр сопротивления (СРИз)зуба или сегмента зубов аналогин центру массы свободного тела. Это термин, заимствованный из области механики жестких тел. При применении одной силы вВИЭС, перевод зуба в направлении линии действия силы происходит1,,2. Положение СВИЭ зависит не только от анатомии зуба и свойств, но и от его окружающей среды (например, пародонтальной связки, окружающих костей, смежных зубов). Зуб является сдержанным телом, что делает его CВИЭ похож на центр массы свободного тела. При манипулировании приборами большинство ортодонтов учитывают связь силового вектора сВИЭ зуба или группы зубов. Действительно, будет ли объект отображать опрокидывания или телесные движения при представлении в одну силу в основном определяется расположением CВИЭ объекта и расстояние между вектором силы и CReS. Если это можно точно предсказать, результаты лечения будут значительно улучшены. Таким образом, точная оценкаВИЭ С может значительно повысить эффективность ортодонтического движения зуба.
На протяжении десятилетий, ортодонтическое поле было пересмотра исследований относительно расположения CВИЭ данного зуба, сегмента, или арки1,,2,3,4,5,6,,7,8,9,10,11,12. Тем не менее, эти исследования были ограничены в своем подходе во многих отношениях. Большинство исследований определили CВИЭ всего за несколько зубов, оставляя большинство. Например, довольно обширная оценка верхнечелюстного центрального резца и сегмента верхнечелюстного резца. С другой стороны, Есть только несколько исследований на верхнечелюстной кбыля и первый моляр и ни одного для остальных зубов. Кроме того, многие из этих исследований определили местоположениеВИЭ на основе общих анатомических данных по зубам, измерений с двухмерных (2D) радиографов и расчетов по 2D чертежам8. Кроме того, некоторые из текущей литературы использует общие модели или трехмерные (3D) сканирование моделей зубной формы, а не человеческие данные4,8. Как ортодонтики переходит в 3D-технологии для планирования движения зуба, очень важно вернуться к этой концепции для разработки 3D, научное понимание движения зубов.
С технологическими достижениями, приводяк к увеличению вычислительной мощности и возможностей моделирования, способность создавать и изучать более сложные модели возросла. Внедрение компьютерной томографии и конусно-лучевой компьютерной томографии (CBCT) имеет тяговые модели и расчеты из 2D мира в 3D. Одновременное увеличение вычислительной мощности и сложности программного обеспечения позволило исследователям использовать 3D-рентгенографы для извлечения точных анатомических моделей для использования в продвинутом программном обеспечении для сегментирования зубов, костей, пародонтальной связки (PDL) и различных других структур7,,8,8, 9,,10,13,,14,15. Эти сегментированные структуры могут быть преобразованы в виртуальную сетку для использования в инженерном программном обеспечении для расчета реакции системы при применении к ней данной силы или смещения.
Это исследование предлагает конкретную, реплицируемую методологию, которая может быть использована для изучения гипотетических ортодонтических силовых систем, применяемых на моделях, полученных из изображений CBCT живых пациентов. Используя эту методологию, исследователи могут затем оценитьВИЭ различных зубов и принять во внимание биологическую морфологию стоматологических структур, таких как анатомия зубов, количество корней и их ориентация в 3D пространстве, массовое распределение и структуру пародонтальных вложений. Общий контур этого процесса показан на рисунке 1. Это сориентировать читателя на логический процесс, связанный с генерацией 3D моделей зубов для определения местоположения CRES.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это исследование показывает набор инструментов для создания последовательного рабочего процесса для конечного анализа элементов (FEA) моделей челюстно-лицевой зубы, полученные из CBCT изображения пациентов, чтобы определить их CReS. Для врача, четкая и простая карта CВИЭ челюст?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить премию Фонда Чарльза Берстона за поддержку проекта.
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 |
References
- Smith, R. J., Burstone, C. J. Mechanics of tooth movement. American Journal of Orthodontics. 85 (4), 294-307 (1984).
- Christiansen, R. L., Burstone, C. J. Centers of rotation within the periodontal space. American Journal of Orthodontics. 55 (4), 353-369 (1969).
- Tanne, K., Nagataki, T., Inoue, Y., Sakuda, M., Burstone, C. J. Patterns of initial tooth displacements associated with various root lengths and alveolar bone heights. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 100 (1), 66-71 (1991).
- Burstone, C. J., Pryputniewicz, R. J. Holographic determination of centers of rotation produced by orthodontic forces. American Journal of Orthodontics. 77 (4), 396-409 (1980).
- Dermaut, L. R., Kleutghen, J. P., De Clerck, H. J. Experimental determination of the Cres of the upper first molar in a macerated, dry human skull submitted to horizontal headgear traction. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 90 (1), 29-36 (1986).
- Tanne, K., Sakuda, M., Burstone, C. J. Three-dimensional finite element analysis for stress in the periodontal tissue by orthodontic forces. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 92 (6), 499-505 (1987).
- Meyer, B. N., Chen, J., Katona, T. R. Does the Cres depend on the direction of tooth movement?. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 137 (3), 354-361 (2010).
- Kojima, Y., Fukui, H. A finite element simulation of initial movement, orthodontic movement, and the centre of resistance of the maxillary teeth connected with an archwire. European Journal of Orthodontics. 36 (3), 255-261 (2014).
- Reimann, S., Keilig, L., Jäger, A., Bourauel, C. Biomechanical finite-element investigation of the position of the centre of resistance of the upper incisors. European Journal of Orthodontics. 29 (3), 219-224 (2007).
- Viecilli, R. F., Budiman, A., Burstone, C. J. Axes of resistance for tooth movement: Does the Cres exist in 3-dimensional space?. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 143 (2), 163-172 (2013).
- Ammar, H. H., Ngan, P., Crout, R. J., Mucino, V. H., Mukdadi, O. M. Three-dimensional modeling and finite element analysis in treatment planning for orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (1), 59-71 (2011).
- Sia, S., Koga, Y., Yoshida, N. Determining the center of resistance of maxillary anterior teeth subjected to retraction forces in sliding mechanics. An in vivo study. Angle Orthodontics. 77 (6), 999-1003 (2007).
- Cattaneo, P. M., Dalstra, M., Melsen, B. Moment-to-force ratio, center of rotation, and force level: a finite element study predicting their interdependency for simulated orthodontic loading regimens. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 133 (5), 681-689 (2008).
- Tominaga, J. Y., et al. Effect of play between bracket and archwire on anterior tooth movement in sliding mechanics: A three-dimensional finite element study. Journal of Dental Biomechanics. 3, 1758736012461269 (2012).
- Cai, Y., Yang, X., He, B., Yao, J. Finite element method analysis of the periodontal ligament in mandibular canine movement with transparent tooth correction treatment. BMC Oral Health. 15 (106), (2015).
- Pauwels, R., Araki, K., Siewerdsen, J. H., Thongvigitmanee, S. S. Technical aspects of dental CBCT: state of the art. Dentomaxillofacial Radiology. 44 (1), 20140224 (2015).
- Farah, J. W., Craig, R. G., Sikarskie, D. L. Photoelastic and finite element stress analysis of a restored axisymmetric first molar. Journal of Biomechanics. 6 (5), 511-520 (1973).
- van Driel, W. D., van Leeuwen, E. J., Von den Hoff, J. W., Maltha, J. C., Kuijpers-Jagtman, A. M. Time-dependent mechanical behavior of the periodontal ligament. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 214 (5), 497-504 (2000).
- Bourauel, C., et al. Simulation of orthodontic tooth movements. A comparison of numerical models. Journal of Orofacial Orthopedics. 60 (2), 136-151 (1999).
- Schneider, J., Geiger, M., Sander, F. G. Numerical experiments on longtime orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 121 (3), 257-265 (2002).
- Ten Cate, A. R. . Oral histology, development, structure and function (5th ed). , (1998).
- McCormack, S. W., Witzel, U., Watson, P. J., Fagan, M. J., Gröning, F. The Biomechanical Function of Periodontal Ligament Fibres in Orthodontic Tooth Movement. PLoS One. 9 (7), e102387 (2014).
- Huang, H., Tang, W., Yan, B., Wu, B., Cao, D. Mechanical responses of the periodontal ligament based on an exponential hyperelastic model: a combined experimental and finite element method. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 19 (2), 188-198 (2016).
- Yang, J. A new device for measuring density of jaw bones. Dentomaxillofacial Radiology. 31 (5), 313-316 (2002).
- Gradl, R., et al. Mass density measurement of mineralized tissue with grating-based X-ray phase tomography. PLoS One. 11 (12), e01677979 (2016).
- Jiang, F., Kula, K., Chen, J. Estimating the location of the center of resistance of canines. Angle Orthodontics. 86 (3), 365-371 (2016).
- Nyashin, Y., et al. Center of resistance and center of rotation of a tooth: experimental determination, computer simulation and the effect of tissue nonlinearity. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 19, 229-239 (2016).
- Toms, S. R., Eberhardt, A. W. A nonlinear finite element analysis of the periodontal ligament under orthodontic tooth loading. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 123 (6), 657-665 (2003).
- Osipenko, M. A., Nyashin, M. Y., Nyashin, Y. I. Centre of resistance and centre of rotation of a tooth: the definitions, conditions of existence, properties. Russian Journal of Biomechanics. 3 (1), 5-15 (1999).
- Dathe, H., Nägerl, H., Dietmar, K. M. A caveat concerning center of resistance. Journal of Dental Biomechanics. 4, 1758736013499770 (2013).
- Hohmann, A., et al. Influence of different modeling strategies for the periodontal ligament on finite element simulation results. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 775-783 (2011).
