Modelo de Análise por Elementos Finitos para Avaliação de Padrões de Expansão da Expansão Rápida do Palato Assistida Cirurgicamente

Summary

Um conjunto de novos modelos de elementos finitos de expansão palatal rápida cirurgicamente assistida (PEAR) que poderiam realizar uma quantidade clinicamente necessária de ativação do expansor com vários ângulos de osteotomia bucal foi criado para uma análise mais aprofundada dos padrões de expansão das hemimaxilas nas três dimensões.

Abstract

A expansão rápida do palato cirurgicamente assistida (PEAR) foi introduzida para liberar resistência óssea para facilitar a expansão esquelética em pacientes esqueleticamente maduros. Entretanto, expansão assimétrica entre os lados esquerdo e direito foi relatada em 7,52% de todos os pacientes com SRPE, dos quais 12,90% tiveram que ser submetidos a uma segunda cirurgia para correção. As etiologias que levam à expansão assimétrica permanecem obscuras. A análise por elementos finitos tem sido utilizada para avaliar o estresse associado ao PEAR nas estruturas maxilofaciais. No entanto, como a colisão do osso nos sítios de osteotomia LeFort I ocorre somente após certa expansão, a maioria dos modelos existentes não representa verdadeiramente a distribuição de força, uma vez que a quantidade de expansão desses modelos existentes raramente excede 1 mm. Portanto, há necessidade de criar um novo modelo de elementos finitos do SARPE que possa realizar uma quantidade clinicamente necessária de ativação do expansor para uma análise mais aprofundada dos padrões de expansão das hemimaxilas nas três dimensões. Um modelo tridimensional (3D) de crânio da tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) foi importado para o Mimics e convertido em entidades matemáticas para segmentar o complexo maxilar, os primeiros pré-molares superiores e os primeiros molares superiores. Essas estruturas foram transferidas para o Geomagic para alisamento da superfície e criação de osso esponjoso e ligamento periodontal. A metade direita do complexo maxilar foi então retida e espelhada para criar um modelo perfeitamente simétrico no SolidWorks. Um expansor Haas foi construído e colado aos primeiros pré-molares superiores e primeiros molares. A análise por elementos finitos de várias combinações de osteotomias bucais em diferentes ângulos com clearance de 1 mm foi realizada em Ansys. Um teste de convergência foi realizado até que a quantidade desejada de expansão em ambos os lados (pelo menos 6 mm no total) fosse alcançada. Este estudo estabelece as bases para avaliar como a angulação da osteotomia bucal influencia os padrões de expansão do SARPE.

Introduction

A expansão rápida do palato cirurgicamente assistida (PEAR) é uma técnica comumente utilizada para expansão transversal da estrutura óssea maxilar e da arcada dentária em pacientes esqueleticamente^maduros1. A cirurgia envolve osteotomia LeFort I, corticotomia palatina média e, opcionalmente, liberação da fissura pterigomaxilar². Entretanto, padrões de expansão indesejada do PEAR, como expansão desigual entre as hemimaxilas direita e esquerda³ e inclinação/rotação bucal do processo dentoalveolar⁴, têm sido relatados, o que pode levar à falha do PEAR e, às vezes, até mesmo necessitar de cirurgias adicionais para correção⁵. Estudos prévios indicaram que a variação nas osteotomias circum-maxilares pode desempenhar um papel significativo no padrão de expansão pós-SARPE^2,3, uma vez que as colisões entre os blocos ósseos nos sítios de osteotomia Le Fort I podem contribuir para a força de resistência desigual da expansão lateral das hemimaxilas e para a rotação das hemimaxilas com as bordas alveolares abaixo do corte movendo-se para dentro enquanto o processo dentoalveolar se expande ^{3, 4º}. Portanto, há necessidade de investigar os efeitos das diferentes direções da osteotomia, especialmente da osteotomia bucal, sobre os padrões de expansão pós-SARPE.

Vários modelos de análise por elementos finitos (FEA) foram montados para avaliar a distribuição de força durante o SARPE. Entretanto, a quantidade de expansão ajustada nesses modelos é limitada a até 1 mm, muito abaixo da quantidade clínica necessária6,7,8,9,10,11,12. A expansão inadequada em modelos de FEA pode levar a previsões errôneas de desfechos pós-SARPE. Mais especificamente, a colisão entre os ossos no local da osteotomia, como relatado por Chamberland e Proffit⁴, pode não ser demonstrada se o expansor não for girado adequadamente, o que pode não refletir a verdadeira realidade clínica. Com a quantidade limitada de expansão construída nos modelos anteriores, as avaliações de resultados desses modelos foram focadas na análise de estresse. No entanto, a análise de tensões da AEF em odontologia é usualmente realizada sob carga estática com as propriedades mecânicas de materiais fixados como isotrópicos e linearmente elásticos, o que restringe ainda mais a relevância clínica dos estudos de AFE¹³.

Além disso, a maioria desses estudos não considerou a espessura do instrumental cirúrgico no local da osteotomia6,7,8,10,11,12^, muitas vezes colocando o atrito em zero nos cortes como parte das condições de contorno. No entanto, essa configuração simplifica demais os contatos entre os tecidos duros e moles. Pode afetar significativamente a distribuição de força e o padrão de expansão resultante das hemimaxilas.

No entanto, não há literatura disponível para investigar o efeito da osteotomia na assimetria pós-SARPE utilizando modelos de análise por elementos finitos (FEA). Todos os estudos atuais empregaram modelos com padrões simétricos de osteotomia6,7,8,9,10,11,12,14, que não refletem a realidade da prática clínica^, onde as osteotomias podem diferir em cada lado do crânio. A escassez de literatura que examine o efeito das osteotomias assimétricas na assimetria pós-SARPE representa uma lacuna significativa de conhecimento que deve ser abordada.

Portanto, o objetivo deste estudo é desenvolver um novo modelo de FEA de SARPE que possa realmente mimetizar as condições clínicas, incluindo a quantidade de expansão e o gap de osteotomia, e investigar os padrões de expansão das hemimaxilas nas três dimensões com vários desenhos da osteotomia. Tal abordagem forneceria informações valiosas sobre a mecânica subjacente aos padrões de expansão pós-SARPE e serviria como uma ferramenta útil para os clínicos no planejamento e execução de procedimentos SARPE.

Protocol

Este estudo utilizou uma imagem pré-existente, desidentificada, pré-tratamento de TCFC de um paciente que tinha SRAG como parte dos planos de tratamento. O estudo foi conduzido de acordo com a Declaração de Helsinque e aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa (protocolo #853608). 1. Aquisição da amostra e segmentação dentária Adquirir uma imagem de TCFC humana da cabeça em uma posição natural da cabeça que inclua o complexo maxilar do paciente, inclui…

Representative Results

O modelo demonstrativo utilizou a imagem da TCFC de uma mulher de 47 anos com deficiência maxilar. No modelo gerado, a estrutura anatômica da cavidade nasal, do seio maxilar e do espaço do ligamento periodontal para os dentes ancorados em expansores (primeiro pré-molar e primeiro molar) estão preservados (Figura 1). Para simular o procedimento cirúrgico com precisão, o septo nasal, as paredes laterais da cavidade nasal e a fissura pterigomaxilar foram separ…

Discussion

A direção da osteotomia bucal no PESAR pode ser um corte horizontal da abertura nasal antes de descer na área do contraforte maxilar ou um corte rampa da borda piriforme em direção ao contraforte correspondente ao primeiro molar superior, como descrito por Betts². De qualquer forma, a osteotomia se estende bem abaixo do processo zigomático da maxila. Entretanto, a maioria dos estudos atuais da FEA sobre PEAR utiliza um corte horizontal que se estende posteriormente no mesmo nível da borda<s…

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.