Un approccio a elementi finiti per localizzare il centro di resistenza dei denti mascellari

Summary

Questo studio delinea gli strumenti necessari per l’utilizzo di immagini paziente a base di fascio tridimensionale a basso dosaggio della mascella e dei denti mascellari per ottenere modelli di elementi finiti. Questi modelli di pazienti vengono quindi utilizzati per localizzare con precisione il_RES C di tutti i denti mascellari.

Abstract

Il centro di resistenza (C_RES) è considerato il punto di riferimento fondamentale per il movimento prevedibile dei denti. I metodi utilizzati per stimare il_RES C dei denti vanno dalle tradizionali misurazioni radiografiche e fisiche all’analisi in vitro su modelli o campioni di cadaveri. Le tecniche che prevedono l’analisi finita degli elementi di scansioni micro-CT ad alta dose di modelli e denti singoli hanno mostrato un sacco di promesse, ma poco è stato fatto con immagini più recenti, a basso dosaggio e a bassa risoluzione della tomografia computerizzata a fascio di cono (CBCT). Inoltre, il_RES C solo per pochi denti selezionati (cioè, incisivo centrale mascellare, canino, e primo molare) sono stati descritti; il resto sono stati in gran parte ignorati. È inoltre necessario descrivere la metodologia per determinare il_RES C in dettaglio, in modo che diventi facile da replicare e basarsi.

Questo studio ha utilizzato immagini di routine del paziente CBCT per lo sviluppo di strumenti e un flusso di lavoro per ottenere modelli di elementi finiti per l’individuazione del_RES C dei denti mascellari. Le immagini del volume CBCT sono state manipolate per estrarre strutture biologiche tridimensionali (3D) rilevanti nel determinare il_RES C dei denti mascellari per segmentazione. Gli oggetti segmentati sono stati puliti e convertiti in una mesh virtuale costituita da triangoli tetraedrici (tet4) con una lunghezza massima del bordo di 1 mm con software 3matico. I modelli sono stati ulteriormente convertiti in una solida rete volumetrica di tetraedri con una lunghezza massima del bordo di 1 mm per l’uso nell’analisi degli elementi finiti. Il software di progettazione, Abaqus, è stato utilizzato per pre-elaborare i modelli per creare un assieme e impostare le proprietà del materiale, le condizioni di interazione, le condizioni di contorno e caricare le applicazioni. I carichi, una volta analizzati, simulavano le sollecitazioni e le sollecitazioni del sistema, aiutando ad individuare il C_RES. Questo studio è il primo passo nella previsione accurata del movimento dei denti.

Introduction

Il centro di resistenza (C_RES) di un dente o di un segmento di denti è analogo al centro di massa di un corpo libero. È un termine preso in prestito dal campo della meccanica dei corpi rigidi. Quando viene applicata una singola forza al_RESC , la traslazione del dente nella direzione della linea d’azione della forza avviene^1,2. La posizione del_RES C dipende non solo dall’anatomia e dalle proprietà del dente, ma anche dal suo ambiente (ad esempio, legamento parodontale, osso circostante, denti adiacenti). Il dente è un corpo sobrio, rendendo il suo C_RES simile al centro di massa di un corpo libero. Nella manipolazione degli apparecchi, la maggior parte degli ortodontisti considerano la relazione del vettore di forza con il_RES C di un dente o di un gruppo di denti. Infatti, se un oggetto visualizzerà il ribaltamento o il movimento corporeo quando viene sottoposto a una singola forza è determinato principalmente dalla posizione del_RES C dell’oggetto e dalla distanza tra il vettore di forza e il_RESC . Se questo può essere previsto con precisione, i risultati del trattamento saranno notevolmente migliorati. Pertanto, una stima accurata del C_RES può migliorare notevolmente l’efficienza del movimento ortodontico dei denti.

Per decenni, il campo ortodontico ha rivisitato la ricerca riguardante la posizione del_RES C di un dato dente, segmento, o arco^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}. Tuttavia, questi studi sono stati limitati nel loro approccio in molti modi. La maggior parte degli studi hanno determinato il_RES C solo per pochi denti, tralasciando la maggior parte. Ad esempio, l’incisivo centrale mascellare e il segmento dell’incisivo mascellare sono stati valutati in modo piuttosto estensivo. D’altra parte, ci sono solo pochi studi sul canino mascellare e primo molare e nessuno per i denti rimanenti. Inoltre, molti di questi studi hanno determinato la posizione del_{C RES} sulla base di dati anatomici generici per i denti, misurazioni da radiografie bidimensionali (2D) e calcoli su disegni 2D⁸. Inoltre, parte della letteratura attuale utilizza modelli generici o scansioni tridimensionali (3D) di modelli dentiformi anziché dati umani^4,8. Poiché l’ortodonzia si sposta nella tecnologia 3D per pianificare il movimento dei denti, è fondamentale rivedere questo concetto per sviluppare una comprensione 3D e scientifica del movimento dei denti.

Con i progressi tecnologici che hanno portato ad una maggiore potenza di calcolo e capacità di modellazione, la capacità di creare e studiare modelli più complessi è aumentata. L’introduzione della scansione tomografia computerizzata e della tomografia computerizzata a fascio di coni (CBCT) ha modelli e calcoli di spinta dal mondo 2D al 3D. Aumenti simultanei della potenza di calcolo e della complessità del software hanno permesso ai ricercatori di utilizzare radiografie 3D per estrarre modelli anatomici accurati da utilizzare in software avanzato per segmentare i denti, l’osso, il legamento parodontale (PDL) e varie altre strutture^7,8,9,10,13^,1414,15. Queste strutture segmentate possono essere convertite in una mesh virtuale da utilizzare nel software di progettazione per calcolare la risposta di un sistema quando viene applicata una determinata forza o spostamento.

Questo studio propone una metodologia specifica e replicabile che può essere utilizzata per esaminare ipotetici sistemi di forza ortodontici applicati su modelli derivati da immagini CBCT di pazienti vivi. Utilizzando questa metodologia, i ricercatori possono quindi stimare il_RES C di vari denti e prendere in considerazione la morfologia biologica delle strutture dentali, come l’anatomia dentale dei denti, il numero di radici e il loro orientamento nello spazio 3D, la distribuzione di massa e la struttura degli attaccamenti parodontali. Una struttura generale di questo processo è illustrata nella Figura 1. Questo per orientare il lettore al processo logico coinvolto nella generazione di modelli di denti 3D per l’individuazione del C_RES.

Protocol

È stata ottenuta un’esenzione dal comitato di revisione istituzionale per la valutazione dei volumi CBCT archiviati nella Divisione di radiologia orale e maxillo-facciale (IRB n. 17-071S-2). 1. Selezione del volume e criteri Acquisire un’immagine CBCT della testa e del viso16. Esaminare l’immagine per l’allineamento dei denti, i denti mancanti, le dimensioni voxel, il campo visivo e la qualità complessiva dell’immagine. Assicurarsi che la…

Representative Results

Al fine di verificare la segmentazione e la struttura manuale come descritto nella sezione Procedure (passaggio 2), un primo molare mascellare è stato estratto da un cranio asciutto ed è stata scattata un’immagine CBCT. Il software di elaborazione e modifica delle immagini Mimics è stato utilizzato per delineare manualmente il dente come descritto nel passaggio 2. Successivamente, è stata eseguita la meshing, i modelli segmentati sono stati puliti con software 3matico e sono stati imp…

Discussion

Questo studio mostra una serie di strumenti per stabilire un flusso di lavoro coerente per l’analisi degli elementi finiti (FEA) dei modelli di denti mascellari derivati dalle immagini CBCT dei pazienti per determinare il loro C_RES. Per il medico, una mappa chiara e diretta del_RES C dei denti mascellare sarebbe uno strumento clinico inestimabile per pianificare i movimenti dei denti e prevedere gli effetti collaterali. Il metodo degli elementi finiti (FEM) è stato introdotto nella ricerca biomeccan…

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