גישה אלמנט סופי לאיתור מרכז העמידות של שיניים מקסלסת
Summary
מחקר זה מתאר את הכלים הדרושים לניצול מינון נמוך שלושה מימדים מבוססי קרן חרוט תמונות החולה של לסת ואת השיניים מקסימום כדי להשיג מודלים של אלמנט סופי. מודלים אלה מטופלים משמשים אז כדי לאתר במדויק את ה-C RES של כל השיניים הלסתהגבוהה .
Abstract
מרכז ההתנגדות (CRES) נחשב לנקודת ההתייחסות הבסיסית לתנועת שיניים צפויה. השיטות ששימשו להערכת טווחהשיניים משמשות ממדידות רדיוגרפיות ופיזיות מסורתיות לניתוח מחוץ לתחום של דגמים או דגימות גופה. טכניקות הקשורות ניתוח האלמנט הסופי של סריקות מיקרו-CT במינון גבוה של מודלים ושיניים בודדות הראו הרבה הבטחה, אבל מעט נעשה עם חדש, במינון נמוך, וברזולוציה נמוכה קרן קונוס מחושב ממוחשבת (CBCT) תמונות. כמו כן, את CRES עבור רק כמה שיניים בחירה (כלומר, חותכת מרכזית הלסת המרכזית, כלבים, ו טוחנת הראשונה) תוארו; את השאר התעלמו במידה רבה. יש גם צורך לתאר את המתודולוגיה של קביעת הפרטים CRES בפירוט, כך שיהיה קל לשכפל ולבנות על.
מחקר זה השתמש בתמונות החולה CBCT שגרתית לפיתוח כלים וזרימת עבודה כדי להשיג מודלים של אלמנט סופי לאיתורמדרס C של שיניים מקסימום. The CBCT תמונות הנפח היו מניפולציות כדי לחלץ תלת מימדי (3D) מבנים ביולוגיים רלוונטיים בקביעת CRES של שיניים מקסימום הלסת על ידי פילוח. האובייקטים מקוטע נוקו והומרו שינוי וירטואלי מורכב משולשים (tet4) בעל אורך קצה מירבי של 1 מ”מ עם תוכנה 3matic. המודלים הומרו עוד לרשת נפחי מוצק של הטטרהדרוונים עם אורך קצה מירבי של 1 מ”מ לשימוש בניתוח אלמנט סופי. התוכנה ההנדסית, Abaqus, שימש לעבד מראש את המודלים כדי ליצור הרכבה ולהגדיר מאפייני חומרים, האינטראקציה תנאים, תנאי גבול, ולטעון יישומים. העומסים, כאשר מנותח, מדומה הלחצים והזנים על המערכת, סיוע באיתורבמילC. מחקר זה הוא הצעד הראשון בחיזוי מדויק של תנועת השן.
Introduction
מרכז ההתנגדות (CRES) של שן או קטע של שיניים הוא מקביל למרכז המסה של גוף חופשי. זהו מונח שושאל מתחום המכניקה של גופים נוקשים. כאשר מוחל כוח בודד ב-CRES, תרגום השן לכיוון קו הפעולה של הכוח מתרחש1,2. המיקום של CRES תלוי לא רק על האנטומיה של השן ותכונות אלא גם על סביבתו (למשל, ברצועה חניכיים, העצם שמסביב, שיניים סמוכות). השן היא גוף מרוסן, מה שהופך את CRES שלה דומה למרכז מסה של גוף חופשי. בטיפול במכשירים, רוב האורתוקטורים מחשיבים את מערכת היחסים של וקטור הכוח ל-CRES של השן או לקבוצת שיניים. ואכן, האם האובייקט יציג מפנה או תנועה גופנית כאשר הוגשו לכוח יחיד נקבעת בעיקר על-ידי מיקום ה-Cres של האובייקט והמרחק בין וקטור הכוח לבין ה-cres. אם זה ניתן לחזות במדויק, תוצאות הטיפול יהיה שיפור משמעותי. כך, הערכה מדויקת של CRES יכול מאוד לשפר את היעילות של תנועת שיניים אורתודונטית.
במשך עשורים, השדה האורתודונטי הגיע לידי ביקור מחקר בנוגע למיקוםהג של שן נתונה, קטע, או קשת1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. עם זאת, מחקרים אלה הוגבלה בגישתם במובנים רבים. רוב המחקרים קבעו אתמגרש ה-C עבור כמה שיניים בלבד, ומשאירים את הרוב. לדוגמה, החותכת המרכזית של הלסת הראשית ופלח חותכת הלסת הראשי הוערכו באופן נרחב למדי. מצד שני, יש רק כמה מחקרים על הכלב הלסת הטוחנת הראשונה ושום דבר עבור השיניים הנותרות. כמו כן, רבים ממחקרים אלה קבעו את המיקום של CRES מבוסס על נתונים אנטומיים גנרי לשיניים, מדידות דו מימדי (2d) צילומי רנטגן, חישובים על ציורים 2d8. בנוסף, חלק מהספרות הנוכחית משתמשת במודלים כלליים או בסריקות תלת-ממדיות (3d) של דגמי שיניים במקום בנתונים אנושיים4,8. כמו אורתודונטיה משתנה לתוך טכנולוגיית תלת-ממד לתכנון תנועת השן, זה חיוני לחזור על קונספט זה כדי לפתח 3D, הבנה מדעית של תנועת השן.
עם החידושים הטכנולוגיים וכתוצאה מכך יכולת חישוב מוגברת ויכולות מידול, היכולת ליצור וללמוד דגמים מורכבים יותר גדל. המבוא של סריקת טומוגרפיה ממוחשבת ו קונוס מחושב קרן (CBCT) סריקה יש מודלים דחף חישובים מהעולם 2D לתוך 3D. מגדילה סימולטני בכוח המחשוב ומורכבות התוכנה הרשו לחוקרים להשתמש רדיוגרפים 3d כדי לחלץ מודלים אנטומיים מדויקים לשימוש בתוכנה מתקדמת כדי פלח את השיניים, עצם, ברצועה חניכיים (PDL), ומבנים אחרים שונים7,8,9,10,13,14,15. ניתן להמיר מבנים מקוטעת אלה לרשת שינוי וירטואלית לשימוש בתוכנות הנדסיות כדי לחשב את תגובת המערכת כאשר מוחל עליו כוח או תזוזה מסוימים.
מחקר זה מציע מתודולוגיה מסוימת, הניתנת לשכפול, אשר ניתן ליישם כדי לבחון מערכות היפותטי כוח אורתודונטי מיושם על מודלים הנגזרים מתמונות CBCT של חולים חיים. ב ניצול מתודולוגיה זו, החוקרים יכולים אז להעריך את CRES של שיניים שונות ולקחת בחשבון את המבנה הביולוגי של מבני שיניים, כגון אנטומיה השן, מספר שורשים האוריינטציה שלהם בחלל 3d, התפלגות המוני, ומבנה של מצורפים חניכיים. מיתאר כללי של תהליך זה מוצג באיור 1. הדבר מכוון את הקורא לתהליך הלוגי המעורב ביצירת דגמי שיניים תלת-ממדיים לאיתור ה-CRES.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה מראה מערכת של כלים כדי ליצור זרימת עבודה עקבית עבור ניתוח אלמנט סופי (שמציעות) של מודלים של שיניים מקסימום נגזר מתמונות CBCT של חולים כדי לקבועבטרסשלהם C. עבור המרפאה, מפה ברורה וישירה של מיל C של השיניים הלסתהגבוהה יהיה כלי קליני יסולא בפז לתכנן תנועות השן ולחזות תופעות לו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר בפרס על קרן צ’רלס בורסטון על תמיכה בפרויקט.
Materials
| 3-matic software | Materialise, Leuven, Belgium. | Cleaning and meshing | |
| Abaqus/CAE software, version 2017 | Dassault Systèmes Simulia Corp., Johnston, RI, USA. | Finite Element Analysis | |
| Mimics software, version 17.0 | Materialise, Leuven, Belgium. | Segmentation of teeth and bone |
References
- Smith, R. J., Burstone, C. J. Mechanics of tooth movement. American Journal of Orthodontics. 85 (4), 294-307 (1984).
- Christiansen, R. L., Burstone, C. J. Centers of rotation within the periodontal space. American Journal of Orthodontics. 55 (4), 353-369 (1969).
- Tanne, K., Nagataki, T., Inoue, Y., Sakuda, M., Burstone, C. J. Patterns of initial tooth displacements associated with various root lengths and alveolar bone heights. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 100 (1), 66-71 (1991).
- Burstone, C. J., Pryputniewicz, R. J. Holographic determination of centers of rotation produced by orthodontic forces. American Journal of Orthodontics. 77 (4), 396-409 (1980).
- Dermaut, L. R., Kleutghen, J. P., De Clerck, H. J. Experimental determination of the Cres of the upper first molar in a macerated, dry human skull submitted to horizontal headgear traction. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 90 (1), 29-36 (1986).
- Tanne, K., Sakuda, M., Burstone, C. J. Three-dimensional finite element analysis for stress in the periodontal tissue by orthodontic forces. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 92 (6), 499-505 (1987).
- Meyer, B. N., Chen, J., Katona, T. R. Does the Cres depend on the direction of tooth movement?. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 137 (3), 354-361 (2010).
- Kojima, Y., Fukui, H. A finite element simulation of initial movement, orthodontic movement, and the centre of resistance of the maxillary teeth connected with an archwire. European Journal of Orthodontics. 36 (3), 255-261 (2014).
- Reimann, S., Keilig, L., Jäger, A., Bourauel, C. Biomechanical finite-element investigation of the position of the centre of resistance of the upper incisors. European Journal of Orthodontics. 29 (3), 219-224 (2007).
- Viecilli, R. F., Budiman, A., Burstone, C. J. Axes of resistance for tooth movement: Does the Cres exist in 3-dimensional space?. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 143 (2), 163-172 (2013).
- Ammar, H. H., Ngan, P., Crout, R. J., Mucino, V. H., Mukdadi, O. M. Three-dimensional modeling and finite element analysis in treatment planning for orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (1), 59-71 (2011).
- Sia, S., Koga, Y., Yoshida, N. Determining the center of resistance of maxillary anterior teeth subjected to retraction forces in sliding mechanics. An in vivo study. Angle Orthodontics. 77 (6), 999-1003 (2007).
- Cattaneo, P. M., Dalstra, M., Melsen, B. Moment-to-force ratio, center of rotation, and force level: a finite element study predicting their interdependency for simulated orthodontic loading regimens. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 133 (5), 681-689 (2008).
- Tominaga, J. Y., et al. Effect of play between bracket and archwire on anterior tooth movement in sliding mechanics: A three-dimensional finite element study. Journal of Dental Biomechanics. 3, 1758736012461269 (2012).
- Cai, Y., Yang, X., He, B., Yao, J. Finite element method analysis of the periodontal ligament in mandibular canine movement with transparent tooth correction treatment. BMC Oral Health. 15 (106), (2015).
- Pauwels, R., Araki, K., Siewerdsen, J. H., Thongvigitmanee, S. S. Technical aspects of dental CBCT: state of the art. Dentomaxillofacial Radiology. 44 (1), 20140224 (2015).
- Farah, J. W., Craig, R. G., Sikarskie, D. L. Photoelastic and finite element stress analysis of a restored axisymmetric first molar. Journal of Biomechanics. 6 (5), 511-520 (1973).
- van Driel, W. D., van Leeuwen, E. J., Von den Hoff, J. W., Maltha, J. C., Kuijpers-Jagtman, A. M. Time-dependent mechanical behavior of the periodontal ligament. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 214 (5), 497-504 (2000).
- Bourauel, C., et al. Simulation of orthodontic tooth movements. A comparison of numerical models. Journal of Orofacial Orthopedics. 60 (2), 136-151 (1999).
- Schneider, J., Geiger, M., Sander, F. G. Numerical experiments on longtime orthodontic tooth movement. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 121 (3), 257-265 (2002).
- Ten Cate, A. R. . Oral histology, development, structure and function (5th ed). , (1998).
- McCormack, S. W., Witzel, U., Watson, P. J., Fagan, M. J., Gröning, F. The Biomechanical Function of Periodontal Ligament Fibres in Orthodontic Tooth Movement. PLoS One. 9 (7), e102387 (2014).
- Huang, H., Tang, W., Yan, B., Wu, B., Cao, D. Mechanical responses of the periodontal ligament based on an exponential hyperelastic model: a combined experimental and finite element method. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 19 (2), 188-198 (2016).
- Yang, J. A new device for measuring density of jaw bones. Dentomaxillofacial Radiology. 31 (5), 313-316 (2002).
- Gradl, R., et al. Mass density measurement of mineralized tissue with grating-based X-ray phase tomography. PLoS One. 11 (12), e01677979 (2016).
- Jiang, F., Kula, K., Chen, J. Estimating the location of the center of resistance of canines. Angle Orthodontics. 86 (3), 365-371 (2016).
- Nyashin, Y., et al. Center of resistance and center of rotation of a tooth: experimental determination, computer simulation and the effect of tissue nonlinearity. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 19, 229-239 (2016).
- Toms, S. R., Eberhardt, A. W. A nonlinear finite element analysis of the periodontal ligament under orthodontic tooth loading. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 123 (6), 657-665 (2003).
- Osipenko, M. A., Nyashin, M. Y., Nyashin, Y. I. Centre of resistance and centre of rotation of a tooth: the definitions, conditions of existence, properties. Russian Journal of Biomechanics. 3 (1), 5-15 (1999).
- Dathe, H., Nägerl, H., Dietmar, K. M. A caveat concerning center of resistance. Journal of Dental Biomechanics. 4, 1758736013499770 (2013).
- Hohmann, A., et al. Influence of different modeling strategies for the periodontal ligament on finite element simulation results. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 775-783 (2011).
