نهج عنصر محدود لتحديد موقع مركز مقاومة الأسنان الفكية
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 بدقةRES C من جميع الأسنان الفكية.
Abstract
ويعتبر مركز المقاومة (CRES)كنقطة مرجعية أساسية لحركة الأسنان التي يمكن التنبؤ بها. وتتراوح الطرق المستخدمة لتقديرالأسنان 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 وصفRES 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 تحديدالنظام 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 موقعRES C من الأسنان الفكية. تم التلاعب بصور حجم CBCT لاستخراج الهياكل البيولوجية ثلاثية الأبعاد (3D) ذات الصلة في تحديدRES 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 موقعRESC . هذه الدراسة هي الخطوة الأولى في التنبؤ الدقيق لحركة الأسنان.
Introduction
مركز المقاومة (CRES)من الأسنان أو جزء من الأسنان مشابه لمركز كتلة الجسم الحر. وهو مصطلح مستعار من مجال ميكانيكا الأجسام الجامدة. عندما يتم تطبيق قوة واحدة فيRESC ، فإن ترجمة السن في اتجاه خط عمل القوة يحدث1،2. موقفRES 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 يجعلRES C مشابهلمركز كتلة الجسم الحر. في التلاعب بالأجهزة ، ينظر معظم أخصائيي تقويم الأسنان في علاقة متجه القوةبـ 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 موقعRES C من الكائن والمسافة بين متجه القوةوRESC . إذا كان من الممكن التنبؤ بذلك بدقة ، سيتم تحسين نتائج العلاج بشكل كبير. وبالتالي ، فإن التقدير الدقيق لـ CRES يمكن أن يعزز بشكل كبير كفاءة حركة الأسنان التقويمية.
على مدى عقود ، كان مجال تقويم الأسنان يعيد النظر في الأبحاث المتعلقة بموقعRES 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 الدراساتRES 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 موقعRES 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 تقديرRES 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 موقعRESC .
Protocol
Representative Results
Discussion
تظهر هذه الدراسة مجموعة من الأدوات لإنشاء سير عمل ثابت لتحليل العناصر المحدودة (FEA) من نماذج الأسنان الفكية المستمدة من صور CBCT للمرضى لتحديدRESC . بالنسبة للطبيب ، فإن خريطة واضحة ومباشرةلـ ReS C للأسنان الفكية ستكون أداة سريرية لا تقدر بثمن لتخطيط حركات الأسنان والتنبؤ بالآثار ال?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفان أن ينوها بجائزة مؤسسة تشارلز بورستون لدعمها المشروع.
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).
