Finite Element Analysis Model til vurdering af ekspansionsmønstre fra kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion
Summary
Et sæt nye endelige elementmodeller af kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion (SARPE), der kunne udføre en klinisk krævet mængde ekspanderaktivering med forskellige vinkler af bukkal osteotomi, blev skabt til yderligere analyse af ekspansionsmønstrene for hemimaxillae i alle tre dimensioner.
Abstract
Kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion (SARPE) blev introduceret for at frigive knogleresistens for at lette skeletekspansion hos skeletmodne patienter. Imidlertid er asymmetrisk ekspansion mellem venstre og højre side blevet rapporteret hos 7,52% af alle SARPE-patienter, hvoraf 12,90% måtte gennemgå en anden operation for korrektion. De ætiologier, der fører til asymmetrisk ekspansion, forbliver uklare. Finite element analyse er blevet brugt til at evaluere stress forbundet med SARPE i maxillofacial strukturer. Da en kollision af knoglen på LeFort I-osteotomistederne først forekommer efter en vis ekspansion, repræsenterer de fleste af de eksisterende modeller imidlertid ikke virkelig kraftfordelingen, da ekspansionsmængden af disse eksisterende modeller sjældent overstiger 1 mm. Derfor er der behov for at skabe en ny endelig elementmodel af SARPE, der kan udføre en klinisk krævet mængde ekspanderaktivering til yderligere analyse af ekspansionsmønstrene for hemimaxillae i alle tre dimensioner. En tredimensionel (3D) kraniemodel fra keglestrålecomputertomografi (CBCT) blev importeret til Mimics og konverteret til matematiske enheder for at segmentere det maksillære kompleks, maksillære første premolarer og maksillære første molarer. Disse strukturer blev overført til Geomagic til overfladeudjævning og annullering af knogle- og periodontal ledbåndsdannelse. Den højre halvdel af det maksillære kompleks blev derefter bevaret og spejlet for at skabe en perfekt symmetrisk model i SolidWorks. En Haas-ekspander blev konstrueret og båndet til de maksillære første premolarer og første kindtænder. Finite element analyse af forskellige kombinationer af bukkale osteotomier i forskellige vinkler med 1 mm clearance blev udført i Ansys. Der blev udført en konvergenstest, indtil den ønskede ekspansion på begge sider (mindst 6 mm i alt) var opnået. Denne undersøgelse lægger grundlaget for at evaluere, hvordan bukkal osteotomi-vinkling påvirker ekspansionsmønstrene for SARPE.
Introduction
Kirurgisk assisteret hurtig palatal ekspansion (SARPE) er en almindeligt anvendt teknik til tværgående udvidelse af den maksillære knoglestruktur og tandbuen hos skeletmodne patienter1. Operationen involverer en LeFort I-osteotomi, en mid-palatal kortikotomi og eventuelt frigivelsen af pterygoid-maxillær fissur2. Imidlertid er uønskede ekspansionsmønstre fra SARPE, såsom ujævn ekspansion mellem venstre og højre hemimaxillae3 og dentoalveolær proces buccal tipping / rotation4, blevet rapporteret, hvilket kan føre til svigt af SARPE, og nogle gange endda kræve yderligere operationer til korrektion5. Tidligere undersøgelser har vist, at variationen i circum-maxillære osteotomier kan spille en væsentlig rolle i post-SARPE ekspansionsmønster2,3, da kollisionerne mellem knogleblokkene på Le Fort I osteotomistederne kan bidrage til den ujævne modstandskraft af lateral ekspansion af hemimaxillae og til rotationen af hemimaxillae med de alveolære kanter under snittet, der bevæger sig indad, mens den dentoalveolære proces udvider3, 4. Derfor er der behov for at undersøge virkningerne af forskellige osteotomiretninger, især bukkalosteotomi, på ekspansionsmønstre efter SARPE.
Flere FEA-modeller (finite element analysis) er blevet oprettet for at evaluere kraftfordelingen under SARPE. Mængden af ekspansion i disse modeller er dog begrænset til op til 1 mm, hvilket er langt under den krævede kliniske mængde 6,7,8,9,10,11,12. Utilstrækkelig udvidelse i FEA-modeller kan føre til fejlagtige forudsigelser af post-SARPE-resultater. Mere specifikt kan kollisionen mellem knoglerne på osteotomistedet, som rapporteret af Chamberland og Proffit4, muligvis ikke demonstreres, hvis ekspanderen ikke drejes tilstrækkeligt, hvilket muligvis ikke afspejler den sande kliniske virkelighed. Med den begrænsede ekspansion, der blev bygget i de tidligere modeller, var resultatevalueringerne af disse modeller fokuseret på stressanalyse. Imidlertid udføres stressanalysen af FEA inden for tandpleje normalt under statisk belastning med de mekaniske egenskaber af materialer, der er indstillet som isotrope og lineært elastiske, hvilket yderligere begrænser den kliniske relevans af FEA-undersøgelserne13.
Desuden overvejede de fleste af disse undersøgelser ikke tykkelsen af det kirurgiske instrument på osteotomistedet 6,7,8,10,11,12, hvilket ofte satte friktionen til nul ved snittene som en del af grænsebetingelserne. Denne indstilling forenkler imidlertid kontakterne mellem det hårde og bløde væv. Det kan betydeligt påvirke fordelingen af kraft og det resulterende ekspansionsmønster af hemimaxillae.
Ikke desto mindre har ingen tilgængelig litteratur undersøgt effekten af osteotomi på post-SARPE asymmetri ved hjælp af endelige elementanalyse (FEA) modeller. Alle de nuværende undersøgelser anvendte modeller med symmetriske osteotomimønstre 6,7,8,9,10,11,12,14, som ikke afspejler virkeligheden i klinisk praksis, hvor osteotomierne kan variere på hver side af kraniet. Manglen på litteratur, der undersøger effekten af asymmetriske osteotomier på post-SARPE-asymmetri, repræsenterer et betydeligt videnshul, der skal løses.
Derfor er målet med denne undersøgelse at udvikle en ny FEA-model af SARPE, der virkelig kan efterligne de kliniske tilstande, herunder ekspansionsmængden og osteotomigabet, og undersøge ekspansionsmønstrene for hemimaxillae i alle tre dimensioner med forskellige designs af osteotomi. En sådan tilgang ville give værdifuld indsigt i mekanikken bag post-SARPE-ekspansionsmønstre og tjene som et nyttigt værktøj for klinikere i planlægningen og udførelsen af SARPE-procedurer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Retningen af bukkalosteotomi i SARPE kan enten være et vandret snit fra næseåbningen, før man træder ned ved det maksillære støtteområde eller et rampet snit fra piriformranden mod støttebenet svarende til den maksillære første molar, som beskrevet af Betts2. Uanset hvad, osteotomi strækker sig langt under den zygomatiske proces af maxilla. Imidlertid bruger de fleste nuværende FEA-undersøgelser af SARPE et vandret snit, der strækker sig bagud på samme niveau som piriformranden<sup…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev støttet af 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 Department of Orthodontics, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (for CL) og International Orthodontic Foundation Young Research Grant (for CL).
Materials
| 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. Closing the gap. Nature. 550 (7677), S194-S195 (2017).
- 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).
