Endelig elementanalysemodell for vurdering av ekspansjonsmønstre fra kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon

Summary

Et sett med nye endelige elementmodeller av kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon (SARPE) som kunne utføre en klinisk nødvendig mengde ekspansjonsaktivering med forskjellige vinkler av bukkal osteotomi, ble opprettet for videre analyse av ekspansjonsmønstrene til hemimaxillae i alle tre dimensjoner.

Abstract

Kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon (SARPE) ble introdusert for å frigjøre benresistens for å lette skjelettekspansjon hos skjelettmodne pasienter. Imidlertid er asymmetrisk ekspansjon mellom venstre og høyre side rapportert hos 7,52 % av alle SARPE-pasienter, hvorav 12,90 % måtte gjennomgå en ny operasjon for korreksjon. Etiologiene som fører til asymmetrisk ekspansjon er fortsatt uklare. Elementanalyse har blitt brukt til å evaluere stresset forbundet med SARPE i de maksillofacial strukturer. Imidlertid, da en kollisjon av beinet på LeFort I-osteotomistedene først skjer etter en viss ekspansjon, representerer de fleste av de eksisterende modellene ikke virkelig kraftfordelingen, gitt at ekspansjonsmengden til disse eksisterende modellene sjelden overstiger 1 mm. Derfor er det behov for å lage en ny endelig elementmodell av SARPE som kan utføre en klinisk nødvendig mengde ekspansjonsaktivering for videre analyse av ekspansjonsmønstrene til hemimaxillae i alle tre dimensjoner. En tredimensjonal (3D) skallemodell fra kjeglestrålecomputertomografi (CBCT) ble importert til Mimics og omdannet til matematiske enheter for å segmentere det maksillære komplekset, de maksillære første premolarene og de maksillære første jekslene. Disse strukturene ble overført til Geomagic for overflateutjevning og kansellering av bein og periodontale ligamentdannelser. Den høyre halvdelen av maxillarkomplekset ble deretter beholdt og speilet for å skape en perfekt symmetrisk modell i SolidWorks. En Haas-ekspander ble konstruert og båndlagt til de maksillære første premolarene og de første jekslene. Elementanalyse av ulike kombinasjoner av bukkale osteotomier i ulike vinkler med 1 mm clearance ble utført i Ansys. En konvergenstest ble utført til ønsket ekspansjonsmengde på begge sider (minst 6 mm totalt) ble oppnådd. Denne studien legger grunnlaget for å evaluere hvordan bukkal osteotomi vinkling påvirker ekspansjonsmønstrene til SARPE.

Introduction

Kirurgisk assistert rask palatal ekspansjon (SARPE) er en mye brukt teknikk for tverrgående utvidelse av maxillarbenstrukturen og tannbuen hos skjelettmodne pasienter¹. Operasjonen innebærer en LeFort I osteotomi, en mid-palatal kortikotomi, og eventuelt frigjøring av pterygoid-maxillary fissur². Imidlertid er det rapportert uønskede ekspansjonsmønstre fra SARPE, som ujevn ekspansjon mellom venstre og høyre hemimaxillae³ og dentoalveolær prosess bukkal tipping/rotasjon⁴, noe som kan føre til svikt med SARPE, og noen ganger til og med kreve ytterligere operasjoner for korreksjon⁵. Tidligere studier har indikert at variasjonen i sirkum-maksillære osteotomier kan spille en betydelig rolle i post-SARPE ekspansjonsmønster^2,3, da kollisjonene mellom beinblokkene på Le Fort I osteotomisteder kan bidra til ujevn motstandskraft av lateral ekspansjon av hemimaxillae og til rotasjon av hemimaxillae med alveolære kanter under kuttet som beveger seg innover mens dentoalveolar prosessen utvides ^{3, 4}. Derfor er det behov for å undersøke effekten av ulike osteotomiretninger, spesielt bukkal osteotomi, på ekspansjonsmønstre etter SARPE.

Flere finite element analysis (FEA) modeller har blitt satt opp for å evaluere kraftfordelingen under SARPE. Imidlertid er utvidelsesmengden satt i disse modellene begrenset til opptil 1 mm, som er langt under den nødvendige kliniske mengden 6,7,8,9,10,11,12. Utilstrekkelig ekspansjon i FEA-modeller kan føre til feilaktige prediksjoner av post-SARPE-utfall. Mer spesifikt kan kollisjonen mellom beinene på osteotomistedet, som rapportert av Chamberland og Proffit⁴, ikke demonstreres dersom ekspanderen ikke er tilstrekkelig dreid, noe som kanskje ikke gjenspeiler den sanne kliniske virkeligheten. Med den begrensede utvidelsen som var bygget i de tidligere modellene, ble utfallsevalueringene av disse modellene fokusert på stressanalyse. Imidlertid utføres stressanalysen av FEA i tannbehandling vanligvis under statisk belastning med de mekaniske egenskapene til materialer satt som isotrop og lineært elastisk, noe som ytterligere begrenser den kliniske relevansen av FEA-studiene¹³.

Videre vurderte de fleste av disse studiene ikke tykkelsen på det kirurgiske instrumentet på osteotomistedet 6,7,8,10,11,12^, og satte ofte friksjonen til null ved kuttene som en del av grensebetingelsene. Imidlertid overforenkler denne innstillingen kontaktene mellom det harde og myke vevet. Det kan betydelig påvirke fordelingen av kraft og det resulterende ekspansjonsmønsteret til hemimaxillae.

Likevel har ingen tilgjengelig litteratur undersøkt effekten av osteotomi på post-SARPE-asymmetri ved hjelp av modeller for endelig elementanalyse (FEA). Alle de aktuelle studiene benyttet modeller med symmetrisk osteotomimønster 6,7,8,9,10,11,12,14^, som ikke gjenspeiler virkeligheten i klinisk praksis der osteotomiene kan variere på hver side av skallen. Mangelen på litteratur som undersøker effekten av asymmetriske osteotomier på post-SARPE-asymmetri representerer et betydelig kunnskapshull som må håndteres.

Derfor er målet med denne studien å utvikle en ny FEA-modell av SARPE som virkelig kan etterligne de kliniske forholdene, inkludert ekspansjonsmengden og osteotomigapet, og undersøke ekspansjonsmønstrene til hemimaxillae i alle tre dimensjoner med ulike design av osteotomi. En slik tilnærming vil gi verdifull innsikt i mekanikken som ligger til grunn for ekspansjonsmønstre etter SARPE og tjene som et nyttig verktøy for klinikere i planlegging og gjennomføring av SARPE-prosedyrer.

Protocol

Denne studien benyttet et eksisterende, avidentifisert, CBCT-bilde før behandling av en pasient som hadde SARPE som en del av behandlingsplanene. Studien ble gjennomført i samsvar med Helsinkideklarasjonen og godkjent av Institutional Review Board (protokoll #853608). 1. Prøveinnsamling og tannsegmentering Skaff deg et humant CBCT-bilde av hodet i en naturlig hodestilling som inkluderer pasientens maksillære kompleks, inkludert det maksillære basalbenet, det mak…

Representative Results

Demonstrasjonsmodellen benyttet CBCT-bildet av en 47 år gammel kvinne med maksillærmangel. I den genererte modellen er den anatomiske strukturen i nesehulen, den maksillære sinus og det periodontale ligamentrommet for de ekspanderende forankrede tennene (første premolar og første molar) bevart (figur 1). For å simulere den kirurgiske prosedyren nøyaktig ble neseseptumet, sideveggene i nesehulen og pterygomaxillærfissuren skilt fra den maksillære kroppen i…

Discussion

Retningen av bukkal osteotomi i SARPE kan enten være et horisontalt kutt fra neseåpningen før det går ned ved det maksillære støtteområdet eller et ramped kutt fra piriforme randen mot støtet som tilsvarer den maksillære første jekslen, som beskrevet av Betts². Uansett strekker osteotomien seg godt under den zygomatiske prosessen til maxillaen. Imidlertid bruker de fleste nåværende FEA-studier på SARPE et horisontalt kutt som strekker seg posteriort på samme nivå som den piriforme k…

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.