JoVE Journal Biology

Biology

نهج عنصر محدود لتحديد موقع مركز مقاومة الأسنان الفكية

Published: April 8, 2020 doi: 10.3791/60746

Bill Luu¹, Edward Anthony Cronauer², Vaibhav Gandhi¹, Jonathan Kaplan³, David M. Pierce^3,4, Madhur Upadhyay¹

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

توضح هذه الدراسة الأدوات اللازمة لاستخدام جرعة منخفضة ثلاثية الأبعاد مخروط ية على أساس صور المريض من الأسنان الفكية والأسنان الفكية للحصول على نماذج عنصر محدود. ثم يتم استخدام هذه النماذج المريض لتحديد بدقة_RES C من جميع الأسنان الفكية.

Abstract

ويعتبر مركز المقاومة (C_RES)كنقطة مرجعية أساسية لحركة الأسنان التي يمكن التنبؤ بها. وتتراوح الطرق المستخدمة لتقدير_{الأسنان الـ C RES} من القياسات الإشعاعية والفيزيائية التقليدية إلى التحليل المختبري على النماذج أو عينات الجثث. وقد أظهرت التقنيات التي تنطوي على تحليل العناصر المحدودة من جرعة عالية من الأشعة المقطعية الدقيقة من النماذج والأسنان واحد الكثير من الوعد، ولكن لم يتم سوى القليل مع أحدث، جرعة منخفضة، وانخفاض القرار مخروط شعاع التصوير المقطعي (CBCT) الصور. أيضا، تم وصف_RES C لعدد قليل من الأسنان المختارة (أي القاطع المركزي الفكي، والكلاب، والضرس الأول). أما البقية فقد تم تجاهلها إلى حد كبير. وهناك أيضاً حاجة إلى وصف منهجية تحديد_{النظام التنظيمي الاستراتيجية بالتفصيل،} بحيث يصبح من السهل تكراره والبناء عليه.

استخدمت هذه الدراسة صور المريض الروتينية CBCT لتطوير الأدوات وسير العمل للحصول على نماذج العناصر المحدودة لتحديد موقع_RES C من الأسنان الفكية. تم التلاعب بصور حجم CBCT لاستخراج الهياكل البيولوجية ثلاثية الأبعاد (3D) ذات الصلة في تحديد_RES C للأسنان الفكية عن طريق التقسيم. تم تنظيف الكائنات المجزأة وتحويلها إلى شبكة افتراضية تتكون من مثلثات رباعية التهيدرال (tet4) ذات طول حافة أقصى يبلغ 1 مم مع برامج 3matic. تم تحويل النماذج كذلك إلى شبكة الحجمية الصلبة من رباعي الهيدرونمع مع أقصى طول حافة 1 ملم لاستخدامها في تحليل العناصر المحدودة. تم استخدام البرنامج الهندسي ، Abaqus ، لمعالجة النماذج مسبقًا لإنشاء تجميع وتعيين خصائص المواد وظروف التفاعل وظروف الحدود وتطبيقات التحميل. الأحمال، عند تحليلها، محاكاة الضغوط والضغوط على النظام، مما يساعد في تحديد موقع_RESC . هذه الدراسة هي الخطوة الأولى في التنبؤ الدقيق لحركة الأسنان.

Introduction

مركز المقاومة (C_RES)من الأسنان أو جزء من الأسنان مشابه لمركز كتلة الجسم الحر. وهو مصطلح مستعار من مجال ميكانيكا الأجسام الجامدة. عندما يتم تطبيق قوة واحدة في_RESC ، فإن ترجمة السن في اتجاه خط عمل القوة يحدث¹^،². موقف_RES C لا يعتمد فقط على تشريح الأسنان وخصائصها ولكن أيضا على بيئته (على سبيل المثال، الرباط اللثة، والعظام المحيطة، والأسنان المجاورة). الأسنان هو جسم مقيد ، مما يجعل_RES C مشابهلمركز كتلة الجسم الحر. في التلاعب بالأجهزة ، ينظر معظم أخصائيي تقويم الأسنان في علاقة متجه القوة_{بـ C RES} للأسنان أو مجموعة من الأسنان. في الواقع، ما إذا كان الجسم سوف تظهر البقشيش أو حركة جسدية عند تقديمه إلى قوة واحدة يتم تحديدها أساسا من خلال موقع_RES C من الكائن والمسافة بين متجه القوة_وRESC . إذا كان من الممكن التنبؤ بذلك بدقة ، سيتم تحسين نتائج العلاج بشكل كبير. وبالتالي ، فإن التقدير الدقيق لـ C_RES يمكن أن يعزز بشكل كبير كفاءة حركة الأسنان التقويمية.

على مدى عقود ، كان مجال تقويم الأسنان يعيد النظر في الأبحاث المتعلقة بموقع_RES C من سن معين ، شريحة ، أو قوس¹^،²^،³^،⁴^،⁵^،⁶،⁷^،⁸^,^،⁹^،¹⁰^،¹¹^،¹². ومع ذلك، كانت هذه الدراسات محدودة في نهجها من نواح عديدة. وقد حددت معظم الدراسات_RES C لعدد قليل فقط من الأسنان، مع ترك الغالبية. على سبيل المثال، تم تقييم قاطعة الفك العلوي المركزي وقاطعة الفك العلوي على نطاق واسع جدا. من ناحية أخرى ، لا يوجد سوى عدد قليل من الدراسات على الكلاب الفكية والضرس الأول ولا شيء للأسنان المتبقية. أيضا، حددت العديد من هذه الدراسات موقع_RES C استنادا إلى البيانات التشريحية العامة للأسنان، والقياسات من الصور الإشعاعية ثنائية الأبعاد (2D)، والحسابات على الرسومات 2D⁸. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم بعض الأدبيات الحالية نماذج عامة أو مسح ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) لنماذج dentiform بدلاً من البيانات البشرية⁴^،⁸. كما التحولات تقويم الأسنان إلى تكنولوجيا 3D لتخطيط حركة الأسنان، فمن الأهمية بمكان لإعادة النظر في هذا المفهوم لتطوير 3D، فهم علمي لحركة الأسنان.

ومع التقدم التكنولوجي الذي أدى إلى زيادة القدرة الحاسوبية وقدرات النمذجة، زادت القدرة على إنشاء ودراسة نماذج أكثر تعقيدا. إدخال المسح المقطعي المحوسب ومسح التصوير المقطعي المخروطي (CBCT) له نماذج وحسابات دافعة من العالم 2D إلى ثلاثي الأبعاد. وقد سمحت الزيادات في وقت واحد في قوة الحوسبة وتعقيد البرمجيات الباحثين لاستخدام التصوير الشعاعي ثلاثي الأبعاد لاستخراج نماذج تشريحية دقيقة لاستخدامها في برامج متقدمة لتقسيم الأسنان والعظام والرباط اللثة (PDL) ، وهياكل أخرى مختلفة⁷^،⁸^،⁹^،¹⁰^،¹³^،¹⁴^،^15. يمكن تحويل هذه الهياكل المجزأة إلى شبكة افتراضية لاستخدامها في البرامج الهندسية لحساب استجابة النظام عند تطبيق قوة معينة أو الإزاحة عليه.

تقترح هذه الدراسة منهجية محددة قابلة للتكرار يمكن استخدامها لدراسة أنظمة قوة تقويم الأسنان الافتراضية المطبقة على النماذج المشتقة من صور CBCT للمرضى الأحياء. عند استخدام هذه المنهجية ، يمكن للمحققين بعد ذلك تقدير_RES C من الأسنان المختلفة ومراعاة المورفولوجيا البيولوجية لهياكل الأسنان ، مثل تشريح الأسنان ، وعدد الجذور واتجاهها في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، والتوزيع الشامل ، وبنية المرفقات اللثة. ويرد مخطط عام لهذه العملية في الشكل 1. هذا لتوجيه القارئ إلى العملية المنطقية التي ينطوي عليها توليد نماذج الأسنان 3D لتحديد موقع_RESC .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

وتم الحصول على إعفاء من مجلس الاستعراض المؤسسي لتقييم مجلدات CBCT المحفوظة في شعبة الأشعة الفموية والفكينية (IRB رقم 17-071S-2).

1- اختيار الحجم ومعاييره

الحصول على صورة CBCT من الرأس والوجه¹⁶.
فحص الصورة لمحاذاة الأسنان ، والأسنان المفقودة ، وحجم voxel ، ومجال الرؤية ، والجودة الشاملة للصورة.
تأكد من أن حجم voxel لا يزيد عن 350 ميكرومتر (0.35 مم).

2. تجزئة الأسنان والعظام

تحميل ملفات DICOM الخام من صورة CBCT في برامج Mimics للتجزئة(الشكل 2). انقر فوق صورة > مشروع المحاصيل. اقتصاص الصورة لتشمل فقط الأسنان الفكية والأسنان الفكية.
ملاحظة: يجب أن يكون مجال الرؤية كبيرًا بما يكفي لالتقاط الأسنان الفكية والماكسيلية. تأكد من أن الصورة تتضمن تيجان الأسنان ، والحنك الصلب حتى أرضية الأنف ، والجيوب الأنفية الفكية ، وأسطح الوجه للأسنان الفكية ، والمدى الخلفي للحنك الصلب وأنبوبالفك العلوي.
انقر على الحق في علامة التبويب للقناع وإنشاء قناع جديد للصورة. إعادة تسمية القناع كما UL1، UL2، ...، UL7 للجانب الأيسر وUR1، UR2، ...، UR7 للجانب الأيمن، استنادا إلى الأسنان من الفائدة.
تحديد الأسنان ذات الاهتمام على صورة CBCT الملثمين (انظر طرق العرض). استخدم أداة مسح القناع لمحو القناع. قد يكون البرنامج غير قادر على التمييز بين الأسنان والعظام لأن القيم الرمادية للاثنين متشابهة.
ملاحظة: أداة العتبة في Mimics غير قادر على تقسيم الأسنان والعظام بشكل منفصل. لذلك، مطلوب أسلوب مختلف للتجزئة.
انقر على أداة تحرير شريحة متعددة (Ctrl + M). حدد طريقة العرض(محوري ، كورونال، أو Sagittal). تسليط الضوء يدويا (أي التعادل) بعض الشرائح حسب الاقتضاء.
ملاحظة: إبراز المزيد من الشرائح يضيف المزيد من التفاصيل إلى البنية.
انقر فوق أداة الاستيفاء لملء وحدة التخزين للشرائح التي تم تخطيها وتطبيقها.
إنشاء وحدة التخزين 3D للسن عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على القناع وتحديد الخيار لحساب وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد.
كرر الخطوات 2.2-2.6 لكل سن من القوس الفكى.
حدد جميع الأسنان الفكية ثلاثية الأبعاد، UL7-UR7. انقر بزر الماوس الأيمن لتحديد التنعيم. تعيين عامل التنعيم إلى 0.4 والتكرارات إلى 4.
لتقسيم عظام الفك العلوي انقر بزر الماوس الأيمن على علامة التبويب للقناع. إنشاء قناع جديد للصورة.
من القائمة المنسدلة لمجموعات العتبة المحددة مسبقًا، حدد مخصصًا. ضبط قيمة عتبة لتشمل العظام الفكية كاملة. تأكد من التحقق من مربع الثقوب التعبئة قبل تطبيق العتبة.
ملاحظة: الثقوب الصغيرة من ≤ 1 ملم في العظام القشرية مقبولة، لأنه يمكن إزالتها بسهولة في مراحل لاحقة.
انقر على أداة النمو المنطقة الديناميكية لملء الثقوب الكبيرة المرئية في القناع. حدد قناع العظام الفكية كهدف للأداة بالإضافة إلى تحديد مربع طبقة متعددة. استخدم 50 لقيم Min و 150 لقيم Max. اضغط باستمرار على مفتاح التحكم أثناء النقر على مناطق العظام القشرية التي لم يتم تمييزها في القناع.
انقر بزر الماوس الأيمن على قناع العظام الفكية لوظيفة القناع السلس. كرر هذه الخطوة 3x للحصول على أفضل النتائج.
إنشاء وحدة التخزين 3D لmaxilla عن طريق النقر بزر الماوس الأيمن على القناع وتحديد الخيار لحساب وحدة التخزين 3D.
حدد عظم الفك العلوي ثلاثي الأبعاد. انقر بزر الماوس الأيمن لتحديد التنعيم. تعيين عامل التنعيم إلى ~ 0.4 والتكرارات إلى 4.
حدد العظام الفكية ثلاثية الأبعاد وانقر بزر الماوس الأيمن لتحديد التفاف. تعيين 0.2 مم لأصغر التفاصيل و 1 مم لمسافة سد الفجوة. تحقق من خيار حماية الجدران الرقيقة. اضغط موافق.
إعادة تسمية العظام الفكية 3D "ماكسيلا".

3. التنظيف والشبكات

حدد الكائنات ثلاثية الأبعاد ونسخ(Ctrl + C).
افتح البرنامج 3matic، ولصق(Ctrl + V)الكائنات ثلاثية الأبعاد المحددة. وسوف تظهر في شجرة الكائن ومنطقة العمل من 3matic كبنية 3D(الشكل 3).
انقر فوق علامة التبويب إصلاح من شريط الأدوات واستخدم الخيار السلس. ضمن مربع العمليات حدد الكائن (الكيانات) ثلاثية الأبعاد المطلوبة وتطبيق المعلمات الافتراضية.
انقر فوق علامة التبويب إنهاء من شريط الأدوات واستخدم خيار التنعيم المحلي. ضمن مربع العمليات حدد الكائن (الكيانات) ثلاثية الأبعاد المطلوبة. استخدم المؤشر لتنعيم المناطق المطلوبة يدويًا.
نسخ من الأسنان. على شجرة الكائن حدد جميع الأسنان، انقر بزر الماوس الأيمن، وحدد مكررة.
حدد كافة الأسنان المكررةوالمجموعة واسم المجلد "المجموعة 1". المجموعة الأصلية ستكون بمثابة الأسنان النهائية للتحليل.
للحصول على الأسنان المكررة في المجموعة 1، انقر فوق وحدة المنحنى وخيار إنشاء منحنى. رسم منحنى يدويا حول تقاطع الأسمنتواليامينا (CEJ) لجميع الأسنان المكررة.
حدد الكيانات المنحنى وكفاف والحدود ضمن خيار المنحنى السلس.
فصل الأسطح التاج والجذر إلى أجزائها الخاصة عن طريق تحديد خيار تقسيم الأسطح بواسطة المنحنيات والنقر على اليسار على الكائن ثلاثي الأبعاد لتحديده.
توليد PDL من بنية جذر الأسنان عن طريق تقسيم الأسنان إلى جذر وتاج في CEJ.
1. تكرار الكائنات ثلاثية الأبعاد من المجموعة 1 (التي تم إنشاؤها في الخطوة 3.6) كمجموعة 2. بالنسبة للمجموعة 2، في مربع شجرة الكائن، انقر على الكائن. من القائمة السطحية حذف سطح التاج. تنفيذ هذه الخطوة لكافة الكائنات في المجموعة 2.
2. للمجموعة 2، انقر على وحدة التصميم > جوفاء. تطبيق المعلمات المطلوبة(الجدول 1).
3. انقر على وحدة الإصلاح > إصلاح المعالج. انقر على الأجزاء الفردية، وتحديث، واتبع التوجيهات المعينة.
4. كرر الخطوة 3.10.3 لجميع الأجزاء. إعادة تسمية كافة الأجزاء في المجموعة 2 كـ "UL1_PDL" إلى "UL7_PDL" و "UR1_PDL" إلى "UR7_PDL".
في المجموعة 1، من مربع شجرة الكائن، انقر على الكائن. من قائمة السطح حذف سطح الجذر.
حدد خيار ملء ثقب عادي وحدد كفاف. انقر على كفاف سيئة وتطبيق. سيتم ملء المساحة بأكملها.
حدد وحدة التصميم > إزاحة محلية وحدد سطح التاج بأكمله. تحقق من الخيارات التالية: الاتجاه (حدد خارجي)، مسافة الإزاحة (حدد 0.5)، والمسافة المتضائلة (حدد 2.0). تطبيق.
كرر الخطوة 3.13.
كرر الخطوات 3.11-3.14 لكل سن من القوس الفكى.
رميش(الشكل 3)
1. انقر فوق وحدة Remesh > إنشاء جمعية غير متعددة > الكيان الرئيسي > ماكسيلا من شجرة الكائن. حدد الكيان المتقاطع لكافة الكائنات من 3.4 (الأسنان الأصلية) وحدد تطبيق.
2. انقر فوق وحدة Remesh. تقسيم التجميع غير المتعددة.
3. كرر الخطوات 3.16.1-3.16.2 باستخدام كيان متقاطع ككافة الكائنات من المجموعة 1 وتطبيق.
4. كخطوة اختيارية، فقط إذا لزم الأمر، حدد وحدة النهاية > تريم > كيان > ماكسيلا. حدد الهيكل الزائد (أي الضوضاء) وتطبيق.
5. انقر فوق وحدة الإصلاح > إصلاح المعالج > ماكسيلا > تحديث. اتبع التوجيهات المعطاة.
6. كرر الخطوة 3.16.1 باستخدام كيان متقاطع ككافة الكائنات من المجموعة 2 وتطبيق.
7. انقر فوق وحدة Remesh > Remesh التكيفي. حدد كافة الكيانات المتقاطعة من 3.16.6 وتطبيق.
8. انقر فوق وحدة Remesh > تقسيم الجمعية غير المتعددة.
9. انقر فوق وحدة Remesh > إنشاء تجميع غير متعدد > الكيان الرئيسي > الكائن الفردي (PDL) من المجموعة 2 من شجرة الكائن. حدد الكيان المتقاطع > حدد الكائن المعني من الخطوة 3.4 (المقابلة لنوع الأسنان هذا) وتطبيق.
10. انقر فوق وحدة Remesh > Remesh التكيفي. حدد الكيان المتقاطع من 3.16.9 وتطبيق.
11. انقر فوق وحدة Remesh > تقسيم الجمعية غير المتعددة.
12. كرر الخطوات 3.16.9-3.16.11 لكل سن.
انقر فوق وحدة Remesh > جودة الحفاظ على تقليل المثلثات. في شجرة الكائن حدد جميع الكيانات (أي الأسنان وPDLs وMaxilla) وتطبيق.
انقر فوق وحدة Remesh > إنشاء شبكة حجم > حدد الكيان. اختيار المعلمات شبكة.
كرر الخطوة 3.18 لجميع الكيانات (أي الأسنان وPDLs وMaxilla).
تصدير يدويا المدخلات (.inp) الملفات من 3Matic إلى Abaqus(الشكل 4).

4- تحليل العناصر المحدودة

ملاحظة: يمكن العثور على كافة البرامج النصية بيثون المخصصة في المرفقات التكميلية. تم إنشاؤها باستخدام وظيفة إدارة الماكرو في Abaqus.

إعداد المعالجة المسبقة
1. فتح Abaqus وحدد النموذج القياسي. انقر فوق ملف > تعيين دليل العمل > حدد موقع لتخزين الملفات.
2. انقر فوق ملف > تشغيل البرنامج النصي وحدد Model_setup_Part1.py
3. في الدليل النموذجي تحديد مسار الملف لتحميل ملفات .inp على Abaqus.
4. انقر على نماذج > محاكاة > أجزاء > ماكسيلا > الأسطح.
5. قم بتسمية السطح في مربع الحوار "UL1 _socket".
6. ضمن تحديد منطقة السطح اختر حسب الزاوية. إضافة "15" كزاوية.
7. تأكد من تحديد كافة مناطق المقبس. اضغط على القيام به عند الانتهاء.
8. كرر الخطوات 4.1.4-4.1.7 للمآخذ الفردية.
9. انقر على نماذج > محاكاة > أجزاء. ثم حدد UL1 > الأسطح. اسم السطح "UL1".
10. ضمن تحديد منطقة السطح اختر "بشكل فردي". حدد السن على الشاشة واضغط على القيام به.
11. كرر الخطوات 4.1.9-4.1.10 لجميع الأسنان.
12. انقر على نماذج > محاكاة > أجزاء. ثم حدد UL1_PDL > الأسطح. اسم السطح "UL1_PDL_inner".
13. ضمن تحديد منطقة السطح اختر حسب الزاوية. إضافة "15" كزاوية.
  ملاحظة: إذا تم العثور على خطأ أثناء المحاكاة النهائية، قم بتقليل الزاوية وإعادة تحديد السطح.
14. تأكد من تحديد كامل مساحة السطح الداخلي لـ PDL. اضغط على القيام به عند الانتهاء.
15. حدد UL1_PDL > الأسطح. اسم السطح "UL1_PDL_outer".
16. ضمن تحديد منطقة السطح اختر حسب الزاوية. إضافة "15" كزاوية.
  ملاحظة: إذا تم العثور على خطأ أثناء المحاكاة النهائية، قم بتقليل الزاوية وإعادة تحديد السطح.
17. تأكد من تحديد مساحة السطح الخارجي بالكامل لـ PDL. اضغط على القيام به عند الانتهاء.
18. كرر الخطوات 4.1.13-4.1.19 لجميع PDLs.
19. انقر على ملف > تشغيل البرنامج النصي وحدد Model_setup_Part2.py
20. انقر على نماذج > محاكاة > BCs. اسم BC_all، ثم حدد الخطوة كـ Initial. ضمن الفئة، حدد "ميكانيكي"، وتحت "أنواع الخطوة المحددة" حدد "الإزاحة/الدوران". اضغط على متابعة.
21. ضمن تحديد المناطق لشرط الحدود حدد حسب الزاوية. إضافة "15" كزاوية. تحقق من إنشاء مجموعة. حدد مآخذ فردية للأسنان 14. اضغط على القيام به.
  ملاحظة: ساعد هذا على محاكاة حركة الأسنان الفورية.
22. انقر على نماذج > محاكاة > تجميع > مجموعات > إنشاء مجموعة. قم بتسمية المجموعة "U1_y_force".
23. في تحديد العقد للمجموعة اختر بشكل فردي.
  ملاحظة: تم تطبيق قوة مركزة نيوتن واحد على عقدة الأسنان المحددة عشوائياً في اتجاه Y إيجابية (محاكاة قوة distalization) أو الاتجاه Z إيجابية (محاكاة قوة تدخلية).
24. حدد عقدة في وسط التاج على سطح buccal من القاطع المركزي العلوي (U1) واضغط على القيام به.
25. انقر فوق مجموعات > إنشاء مجموعة. قم بتسمية المجموعة "U1_z_force".
26. كرر الخطوات 4.1.23-4.1.24.
27. كرر الخطوات 4.1.22-4.1.26 لجميع الأسنان.
  ملاحظة: قبل إنشاء مجموعة لسن معين كما هو الحال في 4.1.25، انتقل إلى مثيل > استئناف لهذا السن.
إعداد الطراز
1. انقر على نماذج > محاكاة > التجميع > مثيلات. حدد كافة المثيلات وانقر فوق استئناف.
2. انقر على أدوات > الاستعلام > نقطة / عقدة. حدد عقدة في وسط قاطعة مركزية تم اختيارها عشوائيًا واضغط على Done.
3. ضمن مركز الأوامر في أسفل الصفحة، قم بنسخ إحداثيات X و Y و Z للعقدة المحددة في الخطوة 4.2.2.
4. ضمن شريط الأدوات الرأسي حدد ترجمة مثيل وحدد التجميع بأكمله (أي كافة المثيلات) على الشاشة. اضغط على القيام به.
5. في تحديد نقطة بداية لمربع متجه الترجمة، قم بلصق الإحداثيات المنسوخة في الخطوة 4.2.3 أو أدخل قيم X و Y و Z. انقر فوق إدخال.
6. ضمن تحديد نقطة نهاية لمتجه الترجمة أو أدخل X و Y و Z:أدخل الإحداثيات "0.0" و "0.0" و "0.0". انقر فوق إدخال.
7. لموقف المثيل، اضغط موافق.
8. انقر على أدوات > استعلام > نقطة / عقدة وحدد عقدة مباشرة فوق خط الوسط من القواطع المركز. أدخل "تم".
9. ضمن مركز الأوامر في أسفل الصفحة، قم بنسخ إحداثيات X و Y و Z للعقدة المحددة في الخطوة 4.2.8.
10. ضمن شريط الأدوات الرأسي حدد ترجمة مثيل وحدد التجميع بأكمله (أي كافة المثيلات) على الشاشة. أدخل "تم".
11. لصق الإحداثيات المنسوخة في تحديد نقطة بداية لمتجه الترجمة - أو أدخل مربع X و Y و Z. انقر فوق إدخال.
12. ضمن تحديد نقطة نهاية لمتجه الترجمة - أو أدخل X، Y، Z:إدراج الإحداثيات كما تم نسخها في الخطوة 4.2.9. تغيير تنسيق X إلى 0.0. انقر فوق إدخال.
13. لموقف المثيل، اضغط موافق.
14. انقر على ملف > تشغيل البرنامج النصي وحدد Model_setup_Part3.py. إدراج خصائص المواد أو تغييرها.
15. انقر على نماذج > محاكاة > المواد وانقر فوق العظام / PDL / الأسنان. إدراج خصائص محددة الأنسجة.
16. انقر على ملف > تشغيل البرنامج النصي وحدد Functions.py.
معالجة النموذج
1. انقر على ملف > تشغيل البرنامج النصي وحدد Job_submission.py.
  ملاحظة: وحدة الوظيفة حيث يقوم المستخدم بإعداد إجراء واحد أو أكثر على الطراز، ومدير الوظائف هو المكان الذي يتم فيه بدء تحليل الطراز، ويظهر التقدم، ويتم ملاحظة الإكمال.
2. في مربع الحوار بعنوان قمع الكل، أدخل الجانبين (L أو R) من الأسنان على أساس القيود (تحت النماذج > المحاكاة > القيود). اضغط موافق.
3. في مربع الحوار بعنوان تقديم الوظيفة أدخل "Y" لتشغيل التحليل للسن / الأسنان المحددة. اضغط موافق.
4. في مربع الحوار بعنوان اتجاهات التحليل أدخل "Y" لتحديد تطبيق القوة. اضغط موافق.
تجهيز آخر لتقدير _ReS C
1. اختيار ملف > تشغيل السيناريو > Bulk_process.py.
2. في مربع الحوار بعنوان تحليل وظائف متعددة أدخل "Y" للأسنان / الأسنان المحددة. اضغط موافق.
3. في مربع الحوار بعنوان اتجاهات التحليل أدخل "Y" لتحديد تطبيق القوة. اضغط موافق.
4. في مربع الحوار بعنوان الحصول على إدخال إدخال رقم أسنان محدد كما هو موضح في مثيلات مسماة (على سبيل المثال، UL1 أو UL5، الخ). اضغط موافق.
5. تحقق من الإحداثيات الخاصة بـ Force About Point والموقع المقدر في مربع الأوامر. إذا لم تكن متشابهة، ثم كرر الخطوات 4.3.1-4.4.
  ملاحظة: بعد تشغيل الوظائف لكل خطوة، تم تشغيل خوارزمية المعرفة من قبل المستخدم التي تم إنشاؤها في Python داخل واجهة Abaqus لتحليل نظام قوة التفاعل واللحظات اللاحقة التي تم إنشاؤها نتيجة لتطبيق التحميل. الخوارزمية تلقائياً يقترح موقع عقدة جديدة لتطبيق تحميل بحيث يتم إنشاء لحظة من حجم شبه صفر داخل نظام القوة. يستمر هذا في عملية تكرارية، حتى يتم العثور على موقع العقدة الذي ينشئ لحظة الأقرب إلى الصفر عند تطبيق قوة من خلالها أو تقديرها. يتم وصف الخوارزمية بالتفصيل في قسم المناقشة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

من أجل التحقق من التقسيم والدليل على النحو المبين في قسم الإجراءات (الخطوة 2) ، تم استخراج الضرس الأول الفكالأول من جمجمة جافة ، وتم التقاط صورة CBCT. تم استخدام برنامج معالجة الصور وتحريرMimics ليحدد الأسنان يدويًا كما هو موضح في الخطوة 2. وفي وقت لاحق، تم إجراء عمليات التشابك، وتنظيف النماذج المجزأة باستخدام برامج ثلاثية الأبعاد، وتم استيرادها إلى أباقوس لتحليلها. لم نجد أي فرق كبير في القياسات الخطية والحجمية التي تم إجراؤها على نموذج FE للسن والأسنان الفعلية التي تم قياسها في المختبر(الوثيقة التكميلية 4).

للتحقق من صحة الخوارزمية المعرفة من قبل المستخدم في تحديد_RES C لكائن ، تم استخدام نموذج مبسط لشعاع مغطى داخل غمد في المراحل الأولية لإنشاء البرنامج النصي(الشكل 5A). وكانت المغطى الفولاذية مقيداً بثلاث درجات من حرية التشرد، وكانت العقد في واجهة الحزمة/الغمد مربوطة ببعضها البعض. تم تحديد العقد لتطبيق القوة بشكل عشوائي، وتم تطبيق الروتين الفرعي بطريقة تكرارية حتى تقارب الحل. في النموذج المبسط ، تم المغطى بطول 30 وحدة وعرض 10 وحدات في الغمد. باتباع الخوارزمية المحددة وحساباتها، تم التنبؤ_{بـ C RES} من شعاع النموذج(الشكل 5B). واتفق هذا مع الحسابات النظرية (انظر الوثيقة التكميلية 3). وهكذا، تم تطوير صحة الخوارزمية المعرفة من قبل المستخدم والتحقق منها في هذا النموذج المبسط وتم تنفيذها في وقت لاحق لتحديد_RES C من الأسنان الفكية.

ويبين الجدول 2 خصائص المواد المعينة للهياكل. الاختلافات في نمذجة الخصائص المادية للPDL والعظام يمكن أن تؤثر على الموقع النهائي_للRES C من الأسنان. PDL anisotropy المتعلقة اتجاه الألياف، والاختلافات في نسبة بواسون، وأنماط التحميل، والحجم يمكن أيضا أن تحدث فرقا. تم تعيين PDL خصائص غير خطية ومفرطة المرونة وفقًا لنموذج Ogden (μ1 = 0.07277 ، α1 = 16.95703 ، D1 = 3 × 10^-7)²²^،²³. كما تم تعيين كثافات محددة = 1.85 غ/سم³ للعظام؛ 2.02 غ/سم³ للأسنان؛ و 1 ز/سم³ لPDL (أي كثافة المياه، لأن PDL يتكون في الغالب من الماء)²⁴^،²⁵.

لتوحيد ناقلات القوة وتحديد موقع_RESC ، تم إنشاء نظام إحداثيات الديكارتية (X-Y-Z) وتعريفه بالتوجهات التالية: Y-axis (محور anteroposterior أو labiolingual) موجه على طول الغرزة المتوسطة مع الجزء الخلفي في الاتجاه الإيجابي ، Z-المحور في الاتجاه الرأسي (محور superio-السفلي أو occluso-gingival) مع الجزء المتفوق أو gingival من النموذج في الاتجاه الإيجابي ، والمحور X في الاتجاه العرضي (محور buccolingual) مع الجزء buccal في الاتجاه الإيجابي(الشكل 6).

تم تطبيق نظام الإحداثيات هذا بطريقتين: 1) تم إنشاء نظام إحداثيات عالمي بأصله (O) يقع بين أسطح الوجه للقواطع المركزية أسفل الحليمة القاطعة الموجودة على خط يقسم العرض بين القاطعة والمولفي في الطائرة X-Y؛ (2) تم إنشاء نظام إحداثيات عالمي مع أصله (O) يقع بين أسطح الوجه للقواطع المركزية تحت الحليمة القاطعة الموجودة على خط يقسم العرض ينقسم بين القاطعين والمولفيفي في الطائرة X-Y. 2) تم بناء أنظمة الإحداثيات المحلية مع أصل 'R' لكل سن. تم تعريف نقطة "R" المحددة لكل سن على أنها المركز الهندسي على سطح البوتشال للتاج. تم اختيار هذا الموقع لتقريب أقرب موقع حيث يمكن للمشغل وضع قوس لتطبيق قوات تقويم الأسنان. تظهر النتائج التمثيلية في الشكل 7.

وترد_{الـ C RES} الموجودة بالنسبة لنظم الإحداثيات العالمية والمحلية في الجدول 3 والجدول 4. كانت مواقع_RES C التي تم الحصول عليها على طول الإحداثي X عندما تم تطبيق نظام قوة على طول إحداثيات Y و Z مختلفة عن بعضها البعض(الجدول 5). ومع ذلك، كان متوسط الفرق صغيرًا (0.88 ± 0.54 مم).

الشكل 1: مخطط تدفق التصميم. سير العمل من ثلاث خطوات لتحديد موقع C_RES. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: تخطيط برنامج Mimics عرض الأسنان الفكية في جميع وجهات النظر الثلاثة (X-Y-Z) وكنموذج الحجمي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: الخطوات المعنية لتوليد الرباط اللثة (PDL) باستخدام تجميع غير متعدد من البرامج 3matic. وحدة Remesh(A)إنشاء تجميع غير متعدد،(B)يتم تعيين Maxilla ككيان رئيسي،(C)يتم تعيين PDL ككيان متقاطع،(D)Remesh التكيفي،(E)تقسيم الفك العلوي وPDL،(F)اتبع الخطوات B-F لPDL ككيان رئيسي والأسنان المحددة ككيان متقاطع،(G)إنشاء شبكة حجم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: تخطيط برنامج أباقوس. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: نموذج مبسط لشعاع الصلب. (أ)الشعاع المغطى بغمد من الصلب يستخدم لاختبار دقة الخوارزمية المحددة. (ب)موقع_{C RES} من الشعاع المغطى كما هو متوقع من قبل الخوارزميات المحددة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: نظام الإحداثيات لتقدير_ReS C بالنسبة إلى نقطة المنشأ العالمية (O) ونقطة المنشأ المحلية (R) لكل سن. هذا هو مثال على premolar الثانية الفكية. تم استخدام هذه الطريقة لكل سن في القوس. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: تمثيل ثلاثي الأبعاد_{لـ C RES} من الأسنان الفكية. (أ)القاطع المركزي. (ب)قاطعة جانبية. (ج)الكلاب. (د)premolar الأولى. (E)premolar الثاني. (و)الضرس الأول. (ز)الأضراس الثاني. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نوع جوفاء:	كلاهما (خارج وداخل)
المسافه	0.2
أصغر التفاصيل:	0.05
الحد:	التحقق
تنظيف على الحدود:	التحقق
عامل التنظيف:	1.1

الجدول 1: معلمات أداة جوفاء.

هيكل	معامل مرن (MPa)	نسبة بواسون	كثافة محددة (ز/سم³⁾
الاسنان	17000	0.3	2.02
العظام	17000	0.3	1.85
Pdl	0.05	راجع النص	1

الجدول 2: الخصائص المادية لنموذج العنصر المحدود.

رقم الأسنان	طول الأسنان	طول الجذر	x	Y	Z
UL1	25.2	15.1	3.4	11.0	12.9
UL2	26.0	16.8	8.8	13.2	14.3
UL3	29.1	19.5	15.1	18.0	15.6
UL4	23.8	15.7	18.4	21.5	10.6
UL5	24.8	18.2	20.9	28.2	10.1
UL6	22.0	16.4	25.8	38.7	11.6
UL7	21.4	15.0	27.4	43.2	11.4
UR1	24.9	14.6	-4.6	10.8	13.2
UR2	26.3	16.7	-9.9	13.0	13.6
UR3	30.9	21.1	-15.6	17.7	14.2
UR4	22.9	16.7	-19.0	21.9	9.2
UR5	23.4	16.7	-21.1	29.4	8.8
UR6	22.2	16.3	-23.9	39.6	9.8
UR7	20.8	15.9	-21.7	47.0	10.4

الجدول 3: موقع ثلاثي الأبعاد (X-Y-Z)_{لـ RES} C للأسنان الفكية فيما يتعلق بالنقطة العالمية O.

رقم الأسنان	طول الأسنان	طول الجذر	x	Y	Z
UL1	25.2	15.1	-1.1	10.9	9.4
UL2	26.0	16.8	-5.5	9.4	10.4
UL3	29.1	19.5	-5.7	9.3	13.2
UL4	23.8	15.7	-6.4	5.7	9.0
UL5	24.8	18.2	-6.7	7.0	9.5
UL6	22.0	16.4	-6.9	8.3	10.4
UL7	21.4	15.0	-8.6	3.3	7.3
UR1	24.9	14.6	0.5	10.8	11.1
UR2	26.3	16.7	5.0	10.3	9.3
UR3	30.9	21.1	5.7	8.5	12.0
UR4	22.9	16.7	5.3	5.3	9.3
UR5	23.4	16.7	5.3	6.5	9.1
UR6	22.2	16.3	5.6	7.8	10.1
UR7	20.8	15.9	9.5	4.3	8.6

الجدول 4: موقع ثلاثي الأبعاد (X-Y-Z)_{لـ RES} C للأسنان الفكية فيما يتعلق بنقطة R محلية لكل سن يجري تقييم_RES C. هنا، R هو المركز الهندسي للسطح buccal من التاج.

رقم الأسنان	السنة المالية	Fz	الفرق
UL1	-1.36	-0.80	0.56
UL2	-5.73	-5.23	0.5
UL3	-6.00	-5.45	0.55
UL4	-6.11	-6.65	0.54
UL5	-5.95	-7.40	1.46
UL6	-6.18	-7.67	1.49
UR1	0.36	0.67	0.31
UR2	5.23	4.77	0.46
UR3	5.93	5.38	0.55
UR4	4.57	6.01	1.44
UR5	5.88	4.69	1.91
UR6	5.19	5.98	0.79

الجدول 5: الاختلاف في مركز موقف المقاومة على طول المحور س عند تطبيق القوة على طول محاور Y-(Fy) و Z (Fz).

الوثيقة التكميلية 1: مخطوطات بيثون للخوارزميات المستخدمة لFEA. يرجى الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على الحق للتحميل).

الوثيقة التكميلية 2: لمحة عامة عن تحليل نظام القوة. يرجى الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على الحق للتحميل).

الوثيقة التكميلية 3: التقدير النظري لمركز كتلة شعاع بسيط مغطى بغمد. يرجى الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على الحق للتحميل).

الوثيقة التكميلية 4: نموذج عنصر محدود من الأضرار الأول ماكسي المستخرجة. يرجى الضغط هنا لعرض هذا الملف (انقر على الحق للتحميل).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تظهر هذه الدراسة مجموعة من الأدوات لإنشاء سير عمل ثابت لتحليل العناصر المحدودة (FEA) من نماذج الأسنان الفكية المستمدة من صور CBCT للمرضى لتحديد_RESC . بالنسبة للطبيب ، فإن خريطة واضحة ومباشرة_{لـ ReS} C للأسنان الفكية ستكون أداة سريرية لا تقدر بثمن لتخطيط حركات الأسنان والتنبؤ بالآثار الجانبية. تم إدخال طريقة العنصر المحدود (FEM) في أبحاث الأسنان الميكانيكية الحيوية في عام 1973¹⁷، ومنذ ذلك الحين تم تطبيقها لتحليل حقول الإجهاد والإجهاد في هياكل دعم الفيولار⁶^،⁷^،⁸^،⁹^،¹⁰^،11^،^12.¹¹ كما يتضح من عدد الخطوات الموضحة في سير العمل(الشكل 1)، وإنشاء نماذج العناصر المحدودة مهمة معقدة. ولذلك، كان لا بد من تبسيط بعض جوانب المنهجية.

أولاً ، تم النظر في حركة الأسنان فقط في مقبس الفيولار من خلال افتراض أن ارتشاف وapposition من عظم الفيولار لم يحدث. يسمى هذا النوع من التشريد⁴ الأولية أو حركة الأسنان لحظية¹⁸. وقد لوحظ أن PDL هو كيان حاسم في إزاحة الأسنان الفورية. يمكن افتراض العظام والأسنان بشكل معقول لتكون جامدة لتحديد ضغوط PDL لحركة الأسنان¹⁵. لذلك ، لهذه الدراسة تم تقييد توزيع الإجهاد داخل مقبس الأسنان. تسمح أداة إنشاء شرط الحدود للمستخدم بتعيين شروط الحدود للنموذج أو تطبيق القيود. يتم تعيين نقاط مختارة درجات صفر من الحرية لضمان بقاء النموذج جامدًا في هذا المجال. وبالتالي ، تم القضاء على وقت التحليل لحساب تشوه العظام وإعادة تشكيل العناصر الصلبة للعظم السفيولار المشوه الذي تم القيام به في الدراسات السابقة ،¹⁹^،^20.

ثانياً، جرت محاولة للحفاظ على دقة الصورة عند مستويات معتدلة. وكان حجم voxel صورة CBCT 0.27 ملم. هذا ليس فقط أبقى جرعة الإشعاع في الحد الأدنى ولكن أيضا خفض العبء الحسابي لتجميع مصفوفة صلابة العالمية لعناصر رباعية التهيدرال. ومع ذلك ، كان الجانب السلبي هو أن قرار CBCT لم يكن كافيالالتقاط PDL بدقة وبوضوح على عمليات المسح الضوئي. ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى متوسط سمك PDL حوالي 0.15 مم-0.38 مم (متوسط: 0.2 مم)²¹ وكان حجم voxel الصورة 0.27 ملم. هذا القصور مع عمليات مسح CBCT خلق مسألتين: 1) لا يمكن تقسيم PDL من تلقاء نفسه; و 2) تقسيم العظام والأسنان باستخدام العتبات لم يكن ممكنا بسبب عدم وجود تغيير قيمة رمادية متميزة بين البلدين. ونتيجة لذلك، لم يتمكن البرنامج من التمييز بين الأسنان والعظام لأن القيم الرمادية كانت متشابهة. وبعبارة أخرى، لم تتمكن Mimics من تقسيم الأسنان والعظام بشكل منفصل. لذلك، تم تطوير طريقة مختلفة للتجزئة. بعد محاولة العديد من الأدوات ، مثل المنطقة تنمو أو تقسيم أداة في Mimics ، تم تحديد أن أفضل طريقة لتقسيم الأسنان كان عن طريق تسليط الضوء يدويا على بنية الأسنان على كل شريحة من CBCT. هنا شريحة متعددة تحرير أداة عرضت ميزة الكفاءة. بدلاً من الاضطرار إلى تمييز كل شريحة يدويًا ، يجب على المستخدم فقط تمييز بعض الشرائح. لهذا السبب ، كان أفضل طريقة لتقسيم الأسنان ، لأنها وفرت أكبر دقة في الحصول على صور جيدة لتشريح الأسنان بطريقة متسقة.

لأن Mimics لم يتمكن من تقسيم PDL في بسبب انخفاض دقة الصور CBCT ، كان من الضروري أن تنمو PDL من بنية جذر الأسنان. وهذا يتطلب تقسيم الأسنان إلى جذر وتاج في CEJ. بمجرد أن نمت ، كان PDL شيدت أساسا اثنين من السطوح موازية لبعضها البعض متباعدة 0.2 ملم ، حيث كان أحد السطحين في اتصال حميم مع العظام والآخر مع الجذر. كان من الأهمية بمكان أن تكون الأسطح مرتبطة معًا في تحليل العناصر المحدودة بحيث تم نشر حمولة تمت إضافتها إلى الأسنان من خلال PDL حتى العظم. رفض البرنامج الهندسي النماذج التي كانت أسطحها متباعدة للغاية أو تتقاطع أكثر من اللازم ، لأن هذا جعل ربط الأسطح مستحيلًا وإبطال نموذج FEA.

ثالثاً، تم الحفاظ على جميع أسطح الموديل على نحو سلس وخالي نسبياً من التضاريس السطحية الصغيرة التي لا يستهان بها للتحليل النموذجي الشامل، مثل إسقاط عظمة إضافية قبالة السطح القشري المنقب. عناصر دقيقة على إسقاطات التشريح إضافة مضاعفات لا لزوم لها إلى شبكة من النموذج النهائي عن طريق تقليل حجم العناصر في المناطق المعقدة من التشريح غرامة، وبالتالي زيادة عدد العناصر في النموذج. عناصر أصغر وأكثر عددا زيادة الجهد الحوسبة في التحليل النهائي للعناصر المحدودة.

وكانت مواقع_{النظام الـ C RES} عندما طُبقت القوة في اتجاهي Y و Z مختلفة، وتمثلت في الاختلافات في مواقعها على طول اتجاه X. ومع ذلك ، كان الفرق صغيرًا(الجدول 5)وكان سريريًا وقليلًا إحصائيًا. لذلك، يمكن استخدام موقع_ReS C محسوبة في اتجاه واحد للاتجاه الآخر. وقد أظهرت الأعمال السابقة أيضا أنه عند تقييمها في 3D نقطة واحدة_لRES C لا يلاحظ¹⁰^،²⁶^،²⁷. ولذلك، اقتُرح أنه بدلاً من وجود مصطلح محدد من المصطلحات C_RES يمكن أن يكون مصطلحاً أفضل هو "نصف قطر المقاومة". يمكن أن يعزى هذا الاختلاف إلى عدد من العوامل، مثل مورفولوجيا الجذر، وشروط الحدود، وخصائص المواد، ونقطة تطبيق التحميل.

تحليل أنظمة القوة باستخدام خوارزميات مخصصة
المفاهيم الرياضية، الاشتقاقات النظرية، والمحاكاة الحاسوبية لتحديد موقع_RES C من الأسنان قد وصفت سابقا بالتفصيل²⁷^،²⁸^،²⁹^،³⁰. من أجل تحليل أنظمة القوة التي تم إنشاؤها بواسطة الأحمال المختلفة المطبقة والتنبؤ_{بـ C RES} للأسنان ، تمت كتابة خوارزمية مخصصة وتشغيلها داخل Abaqus (انظر ملفات الترميز التكميلية). تمت كتابة هذه الخوارزمية باستخدام Python ، وتقبل البيانات من قاعدة بيانات إخراج برنامج FEA (.odb file) كإدخال ، وتعالج البيانات ، وتوفر قيمًا لللحظات التي تم إنشاؤها في النظام بواسطة التحميل المطبق. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يقدر مواقع العقدة التي تؤدي إلى توليد لحظة أقل داخل النظام. يسمح هذا للمستخدم بتشغيل المحاكاة بطريقة تكرارية حتى تتلاقى التقديرات على موقع واحد.

الخوارزمية الوصول إلى الإحداثيات العقدية، والإزاحة الإجمالية لكل عقدة، وقوات التفاعل في كل عقدة نتيجة للتحميل المطبق في كل خطوة. يتم تلخيص قوات رد الفعل في نفس اتجاه تطبيق التحميل الأصلي وقوات التفاعل في الاتجاه المعاكس في كل من العقد في النظام لتحديد ناقلات القوة الإجمالية التي تعمل على الأسنان أثناء المحاكاة. يتم حساب اللحظات الناتجة فيما يتعلق بتطبيق نقطة القوة لكل قوة رد فعل في كل عقدة ويتم تلخيصها أيضًا بنفس الطريقة التي يتم بها تجميع قوات رد الفعل. وهكذا، يتم حساب متجه قوة إجمالية في نفس اتجاه تطبيق التحميل الأصلي واللحظة الناتجة التي تم إنشاؤها بواسطة متجه القوة حول تطبيق نقطة القوة، وكذلك متجه القوة في الاتجاه المعاكس واللحظة الناتجة عنه. لأن النظام في توازن ثابت، مجموع جميع القوى واللحظات يساوي صفر. ومع ذلك ، فإن انهيار قوى التفاعل واللحظات على هذا النحو يسمح بحساب المواقع الفعالة حيث تعمل هذه القوى المجمعة كنقاط محورية في النظام ، وتوفر نقطة الوسط بين هذه النقاط المحورية تقريبًا لتطبيق نقطة القوة الأقرب إلى_ReSC .

من أجل إجراء هذه الحسابات، يتم تقسيم حجم اللحظات الناتجة حسب حجم قواتكل منها لإعطاء حجم المسافة (متجه R) من النقاط المحورية إلى نقطة تطبيق القوة. يتم تحديد اتجاه متجه R عبر منتج متقاطع لللحظة وناقلات القوة ، حيث يجب أن يكون كل ذلك متعامدة مع بعضها البعض ، ويتم تحديد متجه الوحدة عن طريق القسمة على حجم المنتج العرضي. يتم ضرب متجه الوحدة R في مقدار متجه R الذي تم حسابه مسبقًا لينتج التقدير الإجمالي في الفضاء ثلاثي الأبعاد لإحداثيات كل نقطة محورية بالنسبة إلى النقطة الأصلية لتطبيق القوة. توفر نقطة الوسط بين هذين المتجهين تقدير موقع تطبيق النقطة التالية للقوة في التكرار التالي. يتم إرفاق معلومات إضافية في الوثيقة التكميلية 2.

يتم تحديد تقدير_RES C عندما تضاف اللحظات الناتجة في النظام إلى الصفر تقريبًا. بالنسبة للدراسة الحالية، يتم هذا التحديد من خلال العثور على أدنى المكونات الإيجابية والسلبية X من اللحظات المحسوبة ومتوسط الاثنين. بسبب الموقع الذي تم إنشاؤه عشوائيًا للعقد ، والمسافة المتأصلة بين أي عقدتين (0.5 مم) ، من الصعب العثور على موقع يتم فيه إنشاء لحظة صفر دقيقة(الجدول 5).

القيود
على الرغم من جهودنا الحثيثة، هناك بعض القيود على هذه الدراسة. أولاً، لأنه لا يمكن تصور PDL على CBCT، فإنه لا يمكن تجزئة من تلقاء نفسها، ولدت من سطح جذر الأسنان بسماكة موحدة من 0.2 ملم. وقد أظهرت دراسات عنصر محدود أن النمذجة موحدة مقابل غير موحدة يؤثر على نتيجة FEA، وأن النمذجة غير موحدة متفوقة³⁰^،³¹. ثانياً، كان عدد الخطوات لإنشاء نموذج دقيق طويلاً. هذا هو الحد من حيث مدى سرعة النماذج التي يمكن إجراؤها، مما يحد من إمكانية استخدام هذه الأدوات لخطط العلاج الشخصي للمرضى على أساس كل حالة على حدة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن البرامج المطلوبة لتوليد هذه النماذج مكلفة وتقتصر على الموارد المتاحة في مؤسسة تعليمية أو شركة كبيرة. وعلاوة على ذلك، بمجرد أن تم إجراء النماذج، الحوسبة قوية جدا كان من الضروري لتشغيل FEA. وبالتالي، لا يمكن أن تكون هذه الطريقة أداة تخطيط علاج قابلة للتطبيق حتى تتوفر التكنولوجيا اللازمة على نطاق واسع.

يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على استخدام هذه النماذج لإجراء تحليلات العناصر المحدودة على الأسنان الفكية لتحديد_RES C للقوس ومجموعات الأسنان ، وخاصة تلك المجموعات من الأسنان التي يتم التلاعب بها عادة في تقويم الأسنان ، مثل الجزء الأمامي في حالة استخراج أو الجزء الخلفي للتسلل في مرضى اللدغة المفتوحة. وبمجرد تحديد_{نظام RES} C لهذه النماذج، ينبغي تطوير نماذج إضافية من صور إضافية لـ CBCT لإضافتها إلى البيانات الموجودة. ومع وجود مجموعة بيانات كافية لمواقع_{C RES،} يمكن إنشاء خرائط حرارية للإشارة إلى وضع عام لنظام_{إعادة التوطين} C يمكن أن يكون مرجعاً لا يقدر بثمن للأطباء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

ويود المؤلفان أن ينوها بجائزة مؤسسة تشارلز بورستون لدعمها المشروع.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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

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). , St. Louis Mosby. (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).

Cite this Article

Luu, B., Cronauer, E. A., Gandhi,… More

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).

Less

Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions

View Video

Biology

نهج عنصر محدود لتحديد موقع مركز مقاومة الأسنان الفكية

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

PLAYLIST

Diagnostic Procedure

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

PLAYLIST Diagnostic Procedure

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

PLAYLIST

Diagnostic Procedure