JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Biologia

Maksiller Dişlerin Direnç Merkezini Bulmak İçin Sonlu Elemanlar Yaklaşımı

Published: April 08, 2020
doi:
10.3791/60746
, , , , ,
1Division of Orthodontics,University of Connecticut Health, 2Private Practice, Miami, FL, 3Department of Biomedical Engineering,University of Connecticut, 4Department of Mechanical Engineering,University of Connecticut

Summary

Bu çalışma, sonlu eleman modelleri elde etmek için maksilla ve maksiller dişlerin düşük doz üç boyutlu koni ışın tabanlı hasta görüntülerini kullanmak için gerekli araçları özetlerir. Bu hasta modelleri daha sonra doğru tüm maksiller dişlerin CRES bulmak için kullanılır.

Abstract

Direnç merkezi (CRES)öngörülebilir diş hareketi için temel referans noktası olarak kabul edilir. Dişlerin CRES’ini tahmin etmek için kullanılan yöntemler, geleneksel radyografik ve fiziksel ölçümlerden modeller de veya kadavra örnekleri üzerinde in vitro analizine kadar değişmektedir. Modellerin ve tek dişlerin yüksek doz mikro-CT taramalarının sonlu eleman analizini içeren teknikler çok fazla umut vaat etmiştir, ancak daha yeni, düşük dozlu ve düşük çözünürlüklü koni ışını bilgisayarlı tomografi (CBCT) görüntüleri ile çok az şey yapılmıştır. Ayrıca, sadece birkaç seçilmiş dişler için CRES (yani, maksiller merkezi kesici diş, köpek ve ilk azı dişleri) tanımlanmıştır; geri kalanı büyük ölçüde göz ardı edilmiştir. CRES’i ayrıntılı olarak belirleme metodolojisini açıklamak da gerekir, böylece çoğaltılması ve üzerine inşa etmek kolaylaşır.

Bu çalışmada, maksiller dişlerin CRES’ini bulmak için sonlu eleman modelleri elde etmek için aletler ve iş akışı geliştirmek için rutin CBCT hasta görüntüleri kullanılmıştır. CBCT hacim görüntüleri segmentasyon ile maksiller dişlerin CRES belirlenmesinde ilgili üç boyutlu (3D) biyolojik yapıları ayıklamak için manipüle edildi. Parçalı nesneler temizlendi ve 3matic yazılım ile maksimum kenar uzunluğu 1 mm olan dört yüzlü (tet4) üçgenler oluşan sanal bir örgü dönüştürüldü. Modeller, sonlu elemanlar analizinde kullanılmak üzere maksimum kenar uzunluğu 1 mm olan katı hacimsel bir dörtyüzlü örgüye dönüştürüldü. Mühendislik yazılımı, Abaqus, bir derleme oluşturmak ve malzeme özellikleri, etkileşim koşulları, sınır koşulları ve yükleme uygulamaları ayarlamak için modelleri önişlemek için kullanılmıştır. Yükler, analiz edildiğinde, cRESyerini yardımcı, sistem üzerinde stres ve suşları simüle . Bu çalışma diş hareketinin doğru tahmin ilk adımıdır.

Introduction

Bir dişin veya diş segmentinin direnç merkezi (CRES)serbest bir cinin kütle merkezine benzer. Katı cisimlerin mekaniği alanından ödünç alınan bir terimdir. CRES’detek bir kuvvet uygulandığında, kuvvetin etki hattı yönünde dişin çevirisi1,2oluşur. CRES’in konumu sadece dişin anatomisine ve özelliklerine değil, aynı zamanda çevresine de bağlıdır (örn. periodontal ligament, çevreleyen kemik, komşu dişler). Diş, cRES’ini serbest bir bedenin kütle merkezine benzeterek ölçülü bir cisimdir. Cihazların manipülasyon, çoğu ortodontists bir diş veya diş bir grup CRES kuvvet vektör ü arasındaki ilişkiyi düşünün. Gerçekten de, bir cismin tek bir kuvvete gönderildiğinde devrilme veya bedensel hareket gösterip göstermeyeceği esas olarak cismin CRES’inin konumu ve kuvvet vektörü ile CRESarasındaki mesafe ile belirlenir. Bu doğru tahmin edilebilir, tedavi sonuçları büyük ölçüde iyileşmiş olacaktır. Böylece, CRES doğru bir tahmin büyük ölçüde ortodontik diş hareketinin verimliliğini artırabilir.

On yıllardır, ortodontik alan belirli bir diş, segment veya kemer1,2,3,4,5,6,7,,8,9,10,11,12CRES konumu ile ilgili araştırma revisiting olmuştur. Ancak, bu çalışmalar birçok yönden yaklaşımları sınırlı olmuştur. Çoğu çalışma, cres sadece birkaç diş için, çoğunluğu dışarıda bırakarak belirledik. Örneğin, maksiller santral kesici ve maksiller kesici parça oldukça kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. Öte yandan, maksiller köpek ve ilk azı dişleri ve kalan dişler için hiçbiri üzerinde sadece birkaç çalışma vardır. Ayrıca, bu çalışmaların çoğu dişler için genel anatomik verilere dayalı CRES yerini belirledik, iki boyutlu ölçümler (2D) radyografiler, ve 2D çizimler üzerinde hesaplamalar8. Buna ek olarak, bazı mevcut literatür de jenerik modelleri veya insan verileri4,8yerine dentiform modellerin üç boyutlu (3D) taramaları kullanır. Ortodonti diş hareketini planlamak için 3D teknolojiye kayırken, diş hareketinin bilimsel bir 3Boyutlu anlayışını geliştirmek için bu kavramı yeniden gözden geçirmek çok önemlidir.

Hesaplama gücünün ve modelleme yeteneklerinin artmasıyla sonuçlanan teknolojik gelişmelerle, daha karmaşık modeller oluşturma ve inceleme becerisi artmıştır. Bilgisayarlı tomografi tarama ve koni-Kiriş bilgisayarlı tomografi (CBCT) tarama giriş 3D dünyadan itme modelleri ve hesaplamalar vardır. Bilgisayar gücü ve yazılım karmaşıklığı eşzamanlı artışlar araştırmacılar diş segmenti gelişmiş yazılım, kemik, periodontal ligament (PDL) ve çeşitli diğer yapılar7,8,9,,10,13,14,15kullanılmak üzere doğru anatomik modeller ayıklamak için 3D radyografi kullanmak için izin verdi. Bu parçalı yapılar, belirli bir kuvvet veya yer değiştirme uygulandığında bir sistemin yanıtını hesaplamak için mühendislik yazılımında kullanılmak üzere sanal bir kafese dönüştürülebilir.

Bu çalışma, canlı hastaların CBCT görüntülerinden elde edilen modellere uygulanan varsayımsal ortodontik kuvvet sistemlerini incelemek için kullanılabilen özel, çoğaltılabilir bir metodoloji önermektedir. Bu metodolojiyi kullanarak, araştırmacılar daha sonra çeşitli dişlerin CRES tahmin ve diş anatomisi, kök sayısı ve 3D alanda bunların yönelimi, kitle dağılımı ve periodontal ekleri yapısı gibi diş yapılarının biyolojik morfolojisi dikkate alabilir. Bu işlemin genel bir anahat Şekil 1gösterilir. Bu, cRESbulmak için 3D diş modellerinin üretimi dahil mantıksal süreç okuyucu yönlendirmek için.

Protocol

Oral ve Maksillofasiyal Radyoloji Bölümü’nde (IRB No. 17-071S-2) arşivlenmiş CBCT hacimlerinin değerlendirilmesi için kurumsal inceleme kurulu muafiyeti elde edilmiştir. 1. Hacim seçimi ve kriterler Baş ve yüz16bir CBCT görüntü edinin. Diş hizalaması, eksik dişler, voksel boyutu, görüş alanı ve görüntünün genel kalitesi için görüntüyü inceleyin. Voxel boyutunun 350 μm’den (0,35 mm) büyük olmadığından emin…

Representative Results

İşlemler bölümünde (adım 2) açıklandığı şekilde segmentasyon ve manuel anahat doğrulamak için, kuru bir kafatasından maksiller ilk azı azı çıkarıldı ve cbct görüntüsü alındı. Görüntü işleme ve düzenleme yazılımı Mimics, 2. Daha sonra meshleme yapıldı, segmentli modeller 3matic yazılımla temizlendi ve analiz için Abaqus’a ithal edildi. Dişlerin FE modeli nde yapılan doğrusal ve hacimsel ölçümlerde ve laboratuvarda ölçülen gerçek dişte anla…

Discussion

Bu çalışma, hastaların CRES’lerinibelirlemek için hastaların CBCT görüntülerinden elde edilen maksiller diş modellerinin sonlu elemananalizi (FEA) için tutarlı bir iş akışı oluşturmak için bir takım araçlar göstermektedir. Klinisyen için, maksiller dişlerin CRES açık ve basit bir harita diş hareketleri planlamak ve yan etkileri tahmin paha biçilmez bir klinik araç olacaktır. Sonlu elemanlar yöntemi (FEM) diş biyomekanik araştırma tanıtıldı1973 17…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar projeyi desteklemek için Charles Burstone Vakfı Ödülü kabul etmek istiyorum.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Smith, R. J., Burstone, C. J. Mechanics of tooth movement. American Journal of Orthodontics. 85 (4), 294-307 (1984).
  2. Christiansen, R. L., Burstone, C. J. Centers of rotation within the periodontal space. American Journal of Orthodontics. 55 (4), 353-369 (1969).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Bourauel, C., et al. Simulation of orthodontic tooth movements. A comparison of numerical models. Journal of Orofacial Orthopedics. 60 (2), 136-151 (1999).
  20. 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).
  21. Ten Cate, A. R. . Oral histology, development, structure and function (5th ed). , (1998).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Yang, J. A new device for measuring density of jaw bones. Dentomaxillofacial Radiology. 31 (5), 313-316 (2002).
  25. Gradl, R., et al. Mass density measurement of mineralized tissue with grating-based X-ray phase tomography. PLoS One. 11 (12), e01677979 (2016).
  26. Jiang, F., Kula, K., Chen, J. Estimating the location of the center of resistance of canines. Angle Orthodontics. 86 (3), 365-371 (2016).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Dathe, H., Nägerl, H., Dietmar, K. M. A caveat concerning center of resistance. Journal of Dental Biomechanics. 4, 1758736013499770 (2013).
  31. 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).

Tags

Finite Element ApproachCenter Of ResistanceMaxillary Teeth3D LocationCBCT Image SegmentationTooth MovementMulti-bracket AssemblyData OptimizationCurve ModuleSurface CleaningMeshing

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Luu, B., Cronauer, E. A., Gandhi, V., Kaplan, J., Pierce, D. M., Upadhyay, M. A Finite Element Approach for Locating the Center of Resistance of Maxillary Teeth. J. Vis. Exp. (158), e60746, doi:10.3791/60746 (2020).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image