Modello di analisi agli elementi finiti per la valutazione dei modelli di espansione da espansione palatale rapida assistita chirurgicamente

Summary

Per un’ulteriore analisi dei modelli di espansione palatale rapida assistita chirurgicamente assistita (SARPE) in grado di eseguire una quantità clinicamente richiesta di attivazione dell’espansore con vari angoli di osteotomia buccale, è stata creata una serie di nuovi modelli a elementi finiti di espansione delle emimascelle in tutte e tre le dimensioni.

Abstract

L’espansione palatale rapida assistita chirurgicamente (SARPE) è stata introdotta per rilasciare la resistenza ossea e facilitare l’espansione scheletrica nei pazienti scheletricamente maturi. Tuttavia, l’espansione asimmetrica tra il lato sinistro e quello destro è stata riportata nel 7,52% di tutti i pazienti con SARPE, di cui il 12,90% ha dovuto subire un secondo intervento chirurgico per la correzione. Le eziologie che portano all’espansione asimmetrica rimangono poco chiare. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per valutare lo stress associato a SARPE nelle strutture maxillo-facciali. Tuttavia, poiché una collisione dell’osso nei siti di osteotomia di LeFort I si verifica solo dopo una certa quantità di espansione, la maggior parte dei modelli esistenti non rappresenta veramente la distribuzione della forza, dato che la quantità di espansione di questi modelli esistenti raramente supera 1 mm. Pertanto, è necessario creare un nuovo modello ad elementi finiti di SARPE che possa eseguire una quantità clinicamente richiesta di attivazione dell’espansore per un’ulteriore analisi dei modelli di espansione delle emimascelle in tutte e tre le dimensioni. Un modello tridimensionale (3D) del cranio della tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT) è stato importato in Mimics e convertito in entità matematiche per segmentare il complesso mascellare, i primi premolari mascellari e i primi molari mascellari. Queste strutture sono state trasferite in Geomagic per la levigatura della superficie e la creazione di osso spongioso e legamento parodontale. La metà destra del complesso mascellare è stata quindi mantenuta e specchiata per creare un modello perfettamente simmetrico in SolidWorks. È stato costruito un espansore Haas e fasciato ai primi premolari mascellari e ai primi molari. L’analisi agli elementi finiti di varie combinazioni di osteotomie buccali a diversi angoli con gioco di 1 mm è stata eseguita in Ansys. È stato condotto un test di convergenza fino a raggiungere la quantità desiderata di espansione su entrambi i lati (almeno 6 mm in totale). Questo studio pone le basi per valutare come l’angolazione dell’osteotomia buccale influenzi i modelli di espansione di SARPE.

Introduction

L’espansione palatale rapida chirurgicamente assistita (SARPE) è una tecnica comunemente usata per espandere trasversalmente la struttura ossea mascellare e l’arcata dentale in pazienti scheletricamente maturi¹. L’intervento prevede un’osteotomia di LeFort I, una corticotomia medio-palatale e, facoltativamente, il rilascio della fessura pterigoideo-mascellare². Tuttavia, sono stati riportati modelli di espansione indesiderati da SARPE, come l’espansione irregolare tra emimascelle sinistra e destra³ e il ribaltamento/rotazione buccale del processo dentoalveolare⁴, che potrebbero portare al fallimento di SARPE e, talvolta, anche richiedere ulteriori interventi chirurgici per la correzione⁵. Studi precedenti hanno indicato che la variazione delle osteotomie circummascellari può svolgere un ruolo significativo nel modello di espansione post-SARPE^2,3, poiché le collisioni tra i blocchi ossei nei siti di osteotomia di Le Fort I possono contribuire alla forza di resistenza irregolare dell’espansione laterale delle emimascelle e alla rotazione delle emimascelle con i bordi alveolari sotto il taglio che si muovono verso l’interno mentre il processo dentoalveolare^si espande ^{3, 4}. Introduzione Pertanto, è necessario studiare gli effetti di diverse direzioni dell’osteotomia, in particolare l’osteotomia buccale, sui modelli di espansione post-SARPE.

Diversi modelli di analisi agli elementi finiti (FEA) sono stati impostati per valutare la distribuzione delle forze durante SARPE. Tuttavia, la quantità di espansione impostata in questi modelli è limitata fino a 1 mm, che è molto al di sotto della quantità clinica richiesta 6,7,8,9,10,11,12. Un’espansione inadeguata dei modelli FEA può portare a previsioni errate degli esiti post-SARPE. Più specificamente, la collisione tra le ossa nel sito dell’osteotomia, come riportato da Chamberland e Proffit⁴, potrebbe non essere dimostrata se l’espansore non è adeguatamente ruotato, il che potrebbe non riflettere la vera realtà clinica. Con la quantità limitata di espansione incorporata nei modelli precedenti, le valutazioni dei risultati di questi modelli si sono concentrate sull’analisi delle sollecitazioni. Tuttavia, l’analisi dello stress della FEA in odontoiatria viene solitamente condotta sotto carico statico con le proprietà meccaniche dei materiali impostate come isotrope e linearmente elastiche, il che limita ulteriormente la rilevanza clinica degli studi FEA¹³.

Inoltre, la maggior parte di questi studi non ha considerato lo spessore dello strumento chirurgico nel sito di osteotomia 6,7,8,10,11,12^, spesso impostando l’attrito a zero in corrispondenza dei tagli come parte delle condizioni al contorno. Tuttavia, questa impostazione semplifica eccessivamente i contatti tra i tessuti duri e molli. Può avere un impatto significativo sulla distribuzione della forza e sul conseguente modello di espansione degli emimascellari.

Tuttavia, nessuna letteratura disponibile ha indagato l’effetto dell’osteotomia sull’asimmetria post-SARPE utilizzando modelli di analisi agli elementi finiti (FEA). Tutti gli studi attuali hanno utilizzato modelli con modelli di osteotomia simmetrici 6,7,8,9,10,11,12,14^, che non riflettono la realtà della pratica clinica in cui le osteotomie possono differire su ciascun lato del cranio. La mancanza di letteratura che esamini l’effetto delle osteotomie asimmetriche sull’asimmetria post-SARPE rappresenta una significativa lacuna di conoscenza che deve essere affrontata.

Pertanto, l’obiettivo di questo studio è quello di sviluppare un nuovo modello FEA di SARPE che possa veramente imitare le condizioni cliniche, tra cui la quantità di espansione e il gap osteotomico, e indagare i modelli di espansione degli emimascellari in tutte e tre le dimensioni con vari disegni dell’osteotomia. Un tale approccio fornirebbe preziose informazioni sui meccanismi alla base dei modelli di espansione post-SARPE e servirebbe come strumento utile per i medici nella pianificazione e nell’esecuzione delle procedure SARPE.

Protocol

Questo studio ha utilizzato un’immagine CBCT preesistente, de-identificata, pre-trattamento di un paziente che aveva SARPE come parte dei piani di trattamento. Lo studio è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki e approvato dall’Institutional Review Board (protocollo #853608). 1. Acquisizione del campione e segmentazione dei denti Acquisire un’immagine CBCT umana della testa in una posizione naturale della testa che includa il complesso mascel…

Representative Results

Il modello dimostrativo ha utilizzato l’immagine CBCT di una donna di 47 anni con deficit mascellare. Nel modello generato, la struttura anatomica della cavità nasale, del seno mascellare e lo spazio del legamento parodontale per i denti ancorati all’espansore (primo premolare e primo molare) sono preservati (Figura 1). Per simulare accuratamente la procedura chirurgica, il setto nasale, le pareti laterali della cavità nasale e la fessura pterigomascellare sono …

Discussion

La direzione dell’osteotomia buccale in SARPE può essere un taglio orizzontale dall’apertura nasale prima di scendere nell’area del contrafforte mascellare o un taglio a rampa dal bordo piriforme verso il contrafforte corrispondente al primo molare mascellare, come descritto da Betts². In entrambi i casi, l’osteotomia si estende ben al di sotto del processo zigomatico del mascellare. Tuttavia, la maggior parte degli attuali studi FEA su SARPE utilizzano un taglio orizzontale che si estende poster…

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.