Finite-Elemente-Analysemodell zur Beurteilung von Expansionsmustern bei chirurgisch unterstützter Gaumenschnellexpansion

Summary

Für die weitere Analyse der Expansionsmuster der Hemimaxillen in allen drei Dimensionen wurde eine Reihe neuartiger Finite-Elemente-Modelle der chirurgisch assistierten schnellen Gaumenexpansion (SARPE) erstellt, die eine klinisch erforderliche Menge an Expanderaktivierung mit verschiedenen Winkeln der bukkalen Osteotomie durchführen können.

Abstract

Die chirurgisch assistierte schnelle Gaumenexpansion (SARPE) wurde eingeführt, um knöcherne Resistenzen zu lösen und die Skelettexpansion bei skelettreifen Patienten zu erleichtern. Eine asymmetrische Ausdehnung zwischen linker und rechter Seite wurde jedoch bei 7,52 % aller SARPE-Patienten berichtet, von denen sich 12,90 % einer zweiten Operation zur Korrektur unterziehen mussten. Die Ätiologien, die zu einer asymmetrischen Ausbreitung führen, sind nach wie vor unklar. Die Finite-Elemente-Analyse wurde verwendet, um die mit SARPE verbundene Spannung in den maxillofazialen Strukturen zu bewerten. Da eine Kollision des Knochens an den LeFort I-Osteotomiestellen jedoch erst nach einer gewissen Ausdehnung erfolgt, stellen die meisten der vorhandenen Modelle die Kraftverteilung nicht wirklich dar, da die Ausdehnung dieser bestehenden Modelle selten 1 mm überschreitet. Daher besteht die Notwendigkeit, ein neuartiges Finite-Elemente-Modell von SARPE zu erstellen, das eine klinisch erforderliche Menge an Expanderaktivierung für die weitere Analyse der Expansionsmuster der Hemimaxillen in allen drei Dimensionen durchführen könnte. Ein dreidimensionales (3D) Schädelmodell aus der Kegelstrahl-Computertomographie (DVT) wurde in Mimics importiert und in mathematische Einheiten umgewandelt, um den Oberkieferkomplex, die oberen ersten Prämolaren und die oberen ersten Molaren zu segmentieren. Diese Strukturen wurden in Geomagic übertragen, um die Oberfläche zu glätten und spongiöse Knochen und parodontale Bänder zu bilden. Die rechte Hälfte des Oberkieferkomplexes wurde dann beibehalten und gespiegelt, um ein perfekt symmetrisches Modell in SolidWorks zu erstellen. Es wurde ein Haas-Expander konstruiert und an den ersten Prämolaren und ersten Molaren des Oberkiefers befestigt. Die Finite-Elemente-Analyse verschiedener Kombinationen von bukkalen Osteotomien in verschiedenen Winkeln mit 1 mm Abstand wurde in Ansys durchgeführt. Es wurde ein Konvergenztest durchgeführt, bis die gewünschte Ausdehnung auf beiden Seiten (insgesamt mindestens 6 mm) erreicht war. Diese Studie legt den Grundstein für die Bewertung, wie die Angulation der bukkalen Osteotomie die Expansionsmuster der SARPE beeinflusst.

Introduction

Die chirurgisch assistierte schnelle Gaumenerweiterung (SARPE) ist eine häufig verwendete Technik zur transversalen Erweiterung der knöchernen Struktur des Oberkiefers und des Zahnbogens bei skelettreifen Patienten¹. Die Operation umfasst eine LeFort I-Osteotomie, eine mittelpalatinale Kortikotomie und optional die Befreiung der Pterygoid-Oberkiefer-Fissur². Es wurden jedoch unerwünschte Expansionsmuster von SARPE berichtet, wie z. B. eine ungleichmäßige Ausdehnung zwischen linker und rechter Hemimaxillone³ und dentoalveolärer Processus buccal kipping/rotation⁴, die zum Versagen der SARPE führen und manchmal sogar zusätzliche Operationen zur Korrektur⁵ erfordern können. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Variation der circummaxillären Osteotomien eine signifikante Rolle beim Post-SARPE-Expansionsmuster spielen kann^2,3, da die Kollisionen zwischen den Knochenblöcken an den Le Fort I-Osteotomiestellen zu der ungleichmäßigen Widerstandskraft der lateralen Ausdehnung der Hemimaxillen und zur Rotation der Hemimaxillen beitragen können, wobei sich die Alveolarränder unterhalb des Schnitts nach innen bewegen, während sich der Dentoalveolarfortsatz ausdehnt ^{3, 4}. Anmelden Daher ist es notwendig, die Auswirkungen verschiedener Osteotomierichtungen, insbesondere der bukkalen Osteotomie, auf Post-SARPE-Expansionsmuster zu untersuchen.

Es wurden mehrere Finite-Elemente-Analyse-Modelle (FEA) erstellt, um die Kraftverteilung während der SARPE zu bewerten. Die Höhe des Expansionssatzes ist bei diesen Modellen jedoch auf bis zu 1 mm begrenzt, was weit unter der erforderlichen klinischen Menge 6,7,8,9,10,11,12 liegt. Eine unzureichende Erweiterung der FEM-Modelle kann zu fehlerhaften Vorhersagen der Ergebnisse nach dem SARPE führen. Genauer gesagt kann die Kollision zwischen den Knochen an der Osteotomiestelle, wie von Chamberland und Proffit⁴ berichtet, möglicherweise nicht nachgewiesen werden, wenn der Expander nicht ausreichend gedreht ist, was möglicherweise nicht die wahre klinische Realität widerspiegelt. Aufgrund der begrenzten Ausdehnung, die in den vorherigen Modellen eingebaut wurde, konzentrierten sich die Ergebnisbewertungen dieser Modelle auf die Spannungsanalyse. Die Spannungsanalyse der FEA in der Zahnmedizin wird jedoch in der Regel unter statischer Belastung durchgeführt, wobei die mechanischen Eigenschaften der Materialien als isotrop und linear elastisch eingestellt sind, was die klinische Relevanz der FEA-Studien weiter einschränkt¹³.

Darüber hinaus wurde in den meisten dieser Studien die Dicke des chirurgischen Instruments an der Osteotomiestelle 6,7,8,10,11,12 nicht berücksichtigt^, so dass die Reibung an den Schnitten als Teil der Randbedingungen oft auf Null gesetzt wurde. Diese Einstellung vereinfacht jedoch die Kontakte zwischen Hart- und Weichgewebe zu sehr. Sie kann die Kraftverteilung und das daraus resultierende Expansionsmuster der Hemimaxillen erheblich beeinflussen.

Nichtsdestotrotz gibt es keine verfügbare Literatur, die den Effekt der Osteotomie auf die Post-SARPE-Asymmetrie mit Hilfe von Finite-Elemente-Analyse-Modellen (FEA) untersucht hat. Alle aktuellen Studien verwendeten Modelle mit symmetrischen Osteotomiemustern 6,7,8,9,10,11,12,14, die nicht die Realität der klinischen Praxis widerspiegeln^, in der die Osteotomien auf jeder Seite des Schädels unterschiedlich sein können. Der Mangel an Literatur, die den Effekt von asymmetrischen Osteotomien auf die Post-SARPE-Asymmetrie untersucht, stellt eine erhebliche Wissenslücke dar, die geschlossen werden muss.

Daher ist es das Ziel dieser Studie, ein neuartiges FEM-Modell von SARPE zu entwickeln, das die klinischen Bedingungen, einschließlich der Expansionsmenge und der Osteotomielücke, wirklich nachahmen kann, und die Expansionsmuster der Hemimaxillen in allen drei Dimensionen mit verschiedenen Designs der Osteotomie zu untersuchen. Ein solcher Ansatz würde wertvolle Einblicke in die Mechanismen liefern, die den Expansionsmustern nach SARPE zugrunde liegen, und als nützliches Werkzeug für Kliniker bei der Planung und Durchführung von SARPE-Verfahren dienen.

Protocol

In dieser Studie wurde ein bereits vorhandenes, anonymisiertes DVT-Bild vor der Behandlung eines Patienten verwendet, der SARPE als Teil der Behandlungspläne hatte. Die Studie wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt und vom Institutional Review Board genehmigt (Protokoll #853608). 1. Probenentnahme und Zahnsegmentierung Nehmen Sie ein humanes DVT-Bild des Kopfes in einer natürlichen Kopfposition auf, das den Oberkieferkomplex des Pa…

Representative Results

Das Demonstrationsmodell verwendete das DVT-Bild einer 47-jährigen Frau mit Oberkieferinsuffizienz. Im generierten Modell bleibt die anatomische Struktur der Nasenhöhle, der Kieferhöhle und des parodontalen Ligamentraums für die expanderverankerten Zähne (erster Prämolar und erster Molaren) erhalten (Abbildung 1). Um den chirurgischen Eingriff genau zu simulieren, wurden in allen Simulationen die Nasenscheidewand, die Seitenwände der Nasenhöhle und die Pte…

Discussion

Die Richtung der bukkalen Osteotomie bei SARPE kann entweder ein horizontaler Schnitt von der Nasenöffnung vor dem Abtreten im Bereich des Oberkieferstrebepfeilers oder ein rampierter Schnitt vom piriformen Rand in Richtung des Strebepfeilers sein, der dem Oberkiefer des ersten Molaren entspricht, wie von Betts² beschrieben. In jedem Fall erstreckt sich die Osteotomie weit unterhalb des Jochbeinfortsatzes des Oberkiefers. Die meisten aktuellen FEA-Studien zu SARPE verwenden jedoch einen horizonta…

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.