JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Biology

En finite element tilgang til lokalisering af center for modstand af maxillary tænder

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

Denne undersøgelse skitserer de nødvendige værktøjer til at udnytte lav-dosis tre-dimensionelle kegle stråle-baserede patient billeder af maxilla og maxillary tænder for at opnå finite element modeller. Disse patientmodeller bruges derefter til præcist at lokalisere CRES af alle maxillary tænder.

Abstract

Modstandscentret (CRES)betragtes som det grundlæggende referencepunkt for forudsigelig tandbevægelse. De metoder, der anvendes til at anslå Tandternes CRES, spænder fra traditionelle radiografiske og fysiske målinger til in vitro-analyse af modeller eller kadaverprøver. Teknikker, der involverer finite element analyse af høj-dosis mikro-CT-scanninger af modeller og enkelte tænder har vist en masse løfte, men lidt er blevet gjort med nyere, lav-dosis, og lav opløsning kegle stråle computertomografi (CBCT) billeder. Også CRES for kun et par udvalgte tænder (dvs. maxillary centrale fortænder, hunde, og første molar) er blevet beskrevet; resten er stort set blevet ignoreret. Der er også behov for at beskrive metoden til fastlæggelse af CRES i detaljer, så det bliver let at kopiere og bygge videre på.

Denne undersøgelse brugte rutinemæssige CBCT patient billeder til at udvikle værktøjer og en arbejdsgang for at opnå finite element modeller til lokalisering af CRES af maxillary tænder. CBCT volumen billeder blev manipuleret til at udtrække tre-dimensionelle (3D) biologiske strukturer er relevante for bestemmelse af CRES af maxillary tænder ved segmentering. De segmenterede objekter blev renset og omdannet til en virtuel maske, der består tetrahedral (tet4) trekanter med en maksimal kantlængde på 1 mm med 3matic software. Modellerne blev yderligere omdannet til en fast volumetrisk maske af tetrahedroner med en maksimal kantlængde på 1 mm til brug i finite element analyse. Den tekniske software, Abaqus, blev brugt til at forbehandle modellerne for at oprette en samling og angive materialeegenskaber, interaktionsforhold, grænsebetingelser og belastningsprogrammer. Belastningerne, når de analyseres, simuleret de belastninger og belastninger på systemet, medvirken til at lokalisere CRES. Denne undersøgelse er det første skridt i nøjagtig forudsigelse af tand bevægelse.

Introduction

Centrum for modstand (CRES)af en tand eller segment af tænder svarer til midten af massen af en fri krop. Det er et begreb lånt fra inden for mekanik af stive organer. Når der anvendes en enkelt kraft ved CRES, sker der en oversættelse af tanden i retning af kraftens virkningslinje1,2. Placeringen af CRES afhænger ikke kun af tandens anatomi og egenskaber, men også af dens omgivelser (f.eks parodontale ledbånd, omgivende knogle, tilstødende tænder). Tanden er en behersket krop, hvilket gør sin CRES ligner centrum af massen af en fri krop. I manipulation af apparater, de fleste ortodontister overveje forholdet mellem den kraft vektor til CRES af en tand eller en gruppe af tænder. Om et objekt vil vise deponering eller kropslig bevægelse, når det underkastes en enkelt kraft, bestemmes hovedsagelig af placeringen afobjektets C-RES og afstanden mellem kraftvektoren og CRES. Hvis dette kan forudsiges nøjagtigt, vil behandlingsresultaterne blive væsentligt forbedret. Således kan en nøjagtig vurdering af CRES i høj grad øge effektiviteten af ortodontiske tand bevægelse.

I årtier har det ortodontiske felt været at revidere forskning vedrørende placeringen af CRES af en given tand, segment, eller bue1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Disse undersøgelser har imidlertid været begrænsede i deres tilgang på mange måder. De fleste undersøgelser har bestemt CRES for kun et par tænder, udelader de fleste. For eksempel er maxillary centrale fortænder og maxillary fortænder segment blevet evalueret ganske omfattende. På den anden side er der kun et par undersøgelser af maxillary hunde og første kindtand og ingen for de resterende tænder. Desuden har mange af disse undersøgelser fastslået placeringen af CRES baseret på generiske anatomiske data for tænder, målinger fra to-dimensionelle (2D) røntgenbilleder, og beregninger på 2D tegninger8. Desuden bruger nogle af den aktuelle litteratur generiske modeller eller tredimensionale (3D) scanninger af dentiform modeller snarere end menneskelige data4,8. Som ortodonti skifter til 3D-teknologi til planlægning af tand bevægelse, er det afgørende at revidere dette koncept for at udvikle en 3D, videnskabelig forståelse af tand bevægelse.

Med teknologiske fremskridt resulterer i øget beregningsmæssige magt og modellering kapaciteter, evnen til at skabe og studere mere komplekse modeller er steget. Indførelsen af computertomografi scanning og kegle-beam computertomografi (CBCT) scanning har stak modeller og beregninger fra 2D verden i 3D. Samtidige stigninger i computerkraft og software kompleksitet har gjort det muligt for forskere at bruge 3D-røntgenbilleder til at udtrække nøjagtige anatomiske modeller til brug i avanceret software til at segmentere tænder, knogler, parodontale ledbånd (PDL), og forskellige andre strukturer7,8,9,10,13,14,15. Disse segmenterede strukturer kan omdannes til en virtuel maske til brug i teknisk software til at beregne et systems respons, når der anvendes en given kraft eller forskydning på det.

Denne undersøgelse foreslår en specifik, replikerbar metode, der kan bruges til at undersøge hypotetiske ortodontiske kraftsystemer anvendes på modeller stammer fra CBCT billeder af levende patienter. Ved at udnytte denne metode, efterforskere kan derefter vurdere CRES af forskellige tænder og tage hensyn til den biologiske morfologi af dental strukturer, såsom tandanatomi, antallet af rødder og deres orientering i 3D-rum, massedistribution, og struktur parodontale vedhæftede filer. En generel oversigt over denne proces er vist i figur 1. Dette er for at orientere læseren til den logiske proces, der er involveret i generering af 3D-tand modeller til lokalisering af CRES.

Protocol

Der blev opnået fritagelse for en institutionel gennemgangsinstans for vurdering af CBCT-mængder arkiveret i Afdelingen for Oral og Maxillofacial Radiology (IRB nr. 17-071S-2). 1. Udvælgelse af mængder og kriterier Erhverve en CBCT billede af hoved og ansigt16. Undersøg billedet for tandjustering, manglende tænder, voxelstørrelse, synsfelt og billedets overordnede kvalitet. Sørg for, at voxel-størrelsen ikke er større end 350 μm …

Representative Results

For at kontrollere segmentering og manuel skitsering som beskrevet i afsnittet Procedurer (trin 2), en maxillary første kindtand blev udvundet fra et tørt kranium, og en CBCT billede blev taget. Billedbehandlings- og redigeringssoftwaren Mimics blev brugt til manuelt at skitsere tanden som beskrevet i trin 2. Efterfølgende blev meshing udført, de segmenterede modeller blev rengjort med 3matic software, og de blev importeret til Abaqus til analyse. Vi fandt ikke nogen signifikant forsk…

Discussion

Denne undersøgelse viser et sæt værktøjer til at etablere en konsekvent arbejdsgang for finite element analyse (FEA) af modeller af maxillary tænder stammer fra CBCT billeder af patienter til at bestemme deres CRES. For klinikeren, en klar og ligetil kort over CRES af maxillary tænder ville være en uvurderlig klinisk værktøj til at planlægge tand bevægelser og forudsige bivirkninger. Finite element-metoden (FEM) blev indført i tandbiomekanisk forskning i 197317, o…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne anerkende Charles Burstone Foundation Award for at støtte projektet.

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

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image