Eindige-elementenanalysemodel voor het beoordelen van uitzettingspatronen van chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie

Summary

Een reeks nieuwe eindige-elementenmodellen van chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie (SARPE) die een klinisch vereiste hoeveelheid expanderactivering konden uitvoeren met verschillende hoeken van buccale osteotomie werd gemaakt voor verdere analyse van de expansiepatronen van de hemimaxillae in alle drie de dimensies.

Abstract

Chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie (SARPE) werd geïntroduceerd om de botweerstand op te heffen om skeletexpansie bij skeletrijpe patiënten te vergemakkelijken. Asymmetrische expansie tussen de linker- en rechterkant werd echter gemeld bij 7,52% van alle SARPE-patiënten, waarvan 12,90% een tweede operatie moest ondergaan voor correctie. De etiologieën die leiden tot asymmetrische expansie blijven onduidelijk. Eindige-elementenanalyse is gebruikt om de spanning geassocieerd met SARPE in de maxillofaciale structuren te evalueren. Aangezien een botsing van het bot op de osteotomieplaatsen van LeFort I echter pas optreedt na een bepaalde mate van uitzetting, geven de meeste bestaande modellen de krachtverdeling niet echt weer, aangezien de uitzettingshoeveelheid van deze bestaande modellen zelden groter is dan 1 mm. Daarom is er behoefte aan een nieuw eindige-elementenmodel van SARPE dat een klinisch vereiste hoeveelheid expanderactivering zou kunnen uitvoeren voor verdere analyse van de expansiepatronen van de hemimaxillae in alle drie de dimensies. Een driedimensionaal (3D) schedelmodel van cone beam computertomografie (CBCT) werd geïmporteerd in Mimics en omgezet in wiskundige entiteiten om het maxillaire complex, de maxillaire eerste premolaren en de maxillaire eerste molaren te segmenteren. Deze structuren werden overgebracht naar Geomagic voor het gladmaken van het oppervlak en het maken van poreuze botten en parodontale ligamenten. De rechterhelft van het maxillaire complex werd vervolgens behouden en gespiegeld om een perfect symmetrisch model in SolidWorks te creëren. Er werd een Haas-expander geconstrueerd en gebandeerd op de maxillaire eerste premolaren en eerste kiezen. Eindige-elementenanalyse van verschillende combinaties van buccale osteotomieën onder verschillende hoeken met een speling van 1 mm werd uitgevoerd in Ansys. Er werd een convergentietest uitgevoerd totdat de gewenste hoeveelheid uitzetting aan beide zijden (minimaal 6 mm in totaal) was bereikt. Deze studie legt de basis voor het evalueren van hoe buccale osteotomie-angulatie de expansiepatronen van SARPE beïnvloedt.

Introduction

Chirurgisch geassisteerde snelle palatinale expansie (SARPE) is een veelgebruikte techniek voor het transversaal uitbreiden van de maxillaire benige structuur en de tandboog bij skeletvolwassen^patiënten1. De operatie omvat een LeFort I-osteotomie, een mid-palatinale corticotomie en, optioneel, het loslaten van de pterygoïde-maxillaire spleet². Er zijn echter ongewenste expansiepatronen van SARPE gemeld, zoals ongelijkmatige expansie tussen linker- en rechterhemimaxillae³ en dentoalveolaire processus buccale kanteling/rotatie⁴, die kunnen leiden tot het falen van SARPE en soms zelfs tot aanvullende operaties voor correctie⁵. Eerdere studies hebben aangetoond dat de variatie in circum-maxillaire osteotomieën een belangrijke rol kan spelen in post-SARPE expansiepatroon^2,3, aangezien de botsingen tussen de botblokken op de Le Fort I osteotomieplaatsen kunnen bijdragen aan de ongelijke weerstandskracht van laterale expansie van de hemimaxillae en aan de rotatie van de hemimaxillae waarbij de alveolaire randen onder de snede naar binnen bewegen terwijl de processus dentoalveolair uitzet ^{3, 4}. okt. Daarom is het nodig om de effecten van verschillende osteotomierichtingen, met name de buccale osteotomie, op post-SARPE-expansiepatronen te onderzoeken.

Er zijn verschillende eindige-elementenanalyse (FEA)-modellen opgezet om de krachtverdeling tijdens SARPE te evalueren. De hoeveelheid expansie die in deze modellen is ingesteld, is echter beperkt tot maximaal 1 mm, wat ver onder de vereiste klinische hoeveelheid 6,7,8,9,10,11,12 ligt. Ontoereikende uitbreiding in FEA-modellen kan leiden tot foutieve voorspellingen van post-SARPE-uitkomsten. Meer specifiek kan de botsing tussen de botten op de plaats van de osteotomie, zoals gerapporteerd door Chamberland en Proffit⁴, niet worden aangetoond als de expander niet voldoende wordt gedraaid, wat mogelijk niet de werkelijke klinische realiteit weerspiegelt. Met de beperkte hoeveelheid expansie die in de vorige modellen was ingebouwd, waren de uitkomstevaluaties van deze modellen gericht op stressanalyse. De stressanalyse van FEA in de tandheelkunde wordt echter meestal uitgevoerd onder statische belasting, waarbij de mechanische eigenschappen van materialen zijn ingesteld als isotroop en lineair elastisch, wat de klinische relevantie van de FEA-onderzoeken verder beperkt¹³.

Bovendien hielden de meeste van deze onderzoeken geen rekening met de dikte van het chirurgisch instrument op de plaats van de osteotomie 6,7,8,10,11,12^, waarbij de wrijving bij de sneden vaak op nul werd gezet als onderdeel van de randvoorwaarden. Deze instelling vereenvoudigt echter de contacten tussen de harde en zachte weefsels. Het kan een aanzienlijke invloed hebben op de krachtverdeling en het resulterende expansiepatroon van de hemimaxillae.

Desalniettemin is er geen beschikbare literatuur die het effect van osteotomie op post-SARPE-asymmetrie heeft onderzocht met behulp van eindige-elementenanalyse (FEA)-modellen. Alle huidige studies gebruikten modellen met symmetrische osteotomiepatronen 6,7,8,9,10,11,12,14^, die niet de realiteit van de klinische praktijk weerspiegelen waar de osteotomieën aan elke kant van de schedel kunnen verschillen. Het gebrek aan literatuur over het effect van asymmetrische osteotomieën op post-SARSE-asymmetrie vormt een belangrijke kennislacune die moet worden aangepakt.

Daarom is het doel van deze studie om een nieuw FEA-model van SARPE te ontwikkelen dat de klinische omstandigheden echt kan nabootsen, inclusief de expansiehoeveelheid en de osteotomiekloof, en de expansiepatronen van de hemimaxillae in alle drie de dimensies kan onderzoeken met verschillende ontwerpen van de osteotomie. Een dergelijke benadering zou waardevol inzicht verschaffen in de mechanismen die ten grondslag liggen aan post-SARPE-expansiepatronen en dienen als een nuttig hulpmiddel voor clinici bij de planning en uitvoering van SARPE-procedures.

Protocol

Deze studie maakte gebruik van een reeds bestaand, geanonimiseerd, CBCT-beeld van vóór de behandeling van een patiënt die SARPE had als onderdeel van de behandelplannen. De studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki en goedgekeurd door de Institutional Review Board (protocol #853608). 1. Monsterverwerving en tandsegmentatie Verkrijg een menselijk CBCT-beeld van het hoofd in een natuurlijke hoofdpositie die het maxillaire complex van d…

Representative Results

Het demonstratiemodel maakte gebruik van het CBCT-beeld van een 47-jarige vrouw met maxillaire deficiëntie. In het gegenereerde model blijven de anatomische structuur van de neusholte, de maxillaire sinus en de parodontale ligamentruimte voor de expander-verankerde tanden (eerste premolaar en eerste kies) behouden (figuur 1). Om de chirurgische ingreep nauwkeurig te simuleren, werden het neustussenschot, de zijwanden van de neusholte en de pterygomaxillaire splee…

Discussion

De richting van de buccale osteotomie in SARPE kan ofwel een horizontale snede zijn vanuit de neusopening voordat deze naar beneden stapt bij het maxillaire steunbeergebied of een getrapte snede van de piriforme rand naar de steunbeer die overeenkomt met de maxillaire eerste kies, zoals beschreven door Betts². Hoe dan ook, de osteotomie strekt zich uit tot ver onder het jukbeen van de bovenkaak. De meeste huidige FEA-studies over SARPE gebruiken echter een horizontale snede die zich naar achteren …

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.