En begrenset element tilnærming for å finne sentrum for motstand av maksillære tenner

Summary

Denne studien skisserer de nødvendige verktøyene for å utnytte lavdose tredimensjonale kjeglestrålebaserte pasientbilder av maxilla og maksillære tenner for å oppnå begrensede elementmodeller. Disse pasientmodellene brukes deretter til å nøyaktig lokalisere C_RES av alle maksillære tenner.

Abstract

Motstandssenteret (C_RES)regnes som det grunnleggende referansepunktet for forutsigbar tannbevegelse. Metodene som brukes til å estimere C_RES av tenner varierer fra tradisjonelle radiografiske og fysiske målinger til in vitro analyse på modeller eller prøver. Teknikker som involverer begrenset elementanalyse av høydose mikro-CT-skanninger av modeller og enkelttenner har vist mye løfte, men lite har blitt gjort med nyere, lavdose og lavoppløsnings kjeglestrålecomputertomografi (CBCT) bilder. C_RES for bare noen få utvalgte tenner (dvs. maksillær sentral fortenner, hundeog første molar) har blitt beskrevet; resten har i stor grad blitt ignorert. Det er også behov for å beskrive metodikken for å bestemme C_RES i detalj, slik at det blir lett å gjenskape og bygge videre på.

Denne studien brukte rutinemessige CBCT-pasientbilder for å utvikle verktøy og en arbeidsflyt for å oppnå begrensede elementmodeller for å finne C_RES av maksillære tenner. CBCT-volumbildene ble manipulert til å trekke ut tredimensjonale (3D) biologiske strukturer som var relevante for å bestemme C_RES av de maksillære tennene etter segmentering. De segmenterte objektene ble rengjort og omgjort til et virtuelt nett som består av tetrahedral (tet4) trekanter med en maksimal kantlengde på 1 mm med 3matisk programvare. Modellene ble videre omgjort til et solid volumetrisk nett av tetrahedrons med en maksimal kantlengde på 1 mm for bruk i begrenset elementanalyse. Ingeniørprogramvaren, Abaqus, ble brukt til å forhåndsbehandle modellene for å opprette en montering og angi materialegenskaper, samhandlingsforhold, grenseforhold og lastapplikasjoner. Lastene, når de ble analysert, simulerte påkjenningene og stammene på systemet, og hjalp til med å finne C_RES. Denne studien er det første trinnet i nøyaktig prediksjon av tannbevegelse.

Introduction

Sentrum av motstand (C_RES) av en tann eller segment av tenner er analogt med midten av massen av en fri kropp. Det er et begrep lånt fra feltet av mekanikk av stive kropper. Når en enkelt kraft påføres ved C_RES, oversettelse av tannen i retning av virkningslinjen av kraften skjer^1,2. Posisjonen til C_RES avhenger ikke bare av tannens anatomi og egenskaper, men også på miljøet (f.eks periodontal ligament, omkringliggende bein, tilstøtende tenner). Tannen er en behersket kropp, noe som gjør sin C_RES lik sentrum av masse av en fri kropp. Ved manipulering av apparater vurderer de fleste kjeveortopede forholdet mellom kraftvektoren til C_RES av en tann eller en gruppe tenner. Faktisk, om et objekt vil vise tipping eller kroppslig bevegelse når det sendes til en enkelt kraft bestemmes hovedsakelig av plasseringen av C_RES av objektet og avstanden mellom kraftvektoren og C_RES. Hvis dette kan forutsies nøyaktig, vil behandlingsresultatene bli sterkt forbedret. Dermed kan en nøyaktig estimering av C_RES i stor grad øke effektiviteten av ortodontisk tannbevegelse.

I flere tiår har ortodontisk feltet vært revisiting forskning om plasseringen av C_RES av en gitt tann, segment, eller bue^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}. Disse studiene har imidlertid vært begrenset i deres tilnærming på mange måter. De fleste studier har bestemt C_RES for bare noen få tenner, utelater flertallet. For eksempel har den maksillære sentrale fortenneren og det maksillære snittsegmentet blitt evaluert ganske omfattende. På den annen side er det bare noen få studier på maksillærhunde og første molar og ingen for de gjenværende tennene. Også mange av disse studiene har bestemt plasseringen av C_RES basert på generiske anatomiske data for tenner, målinger fra todimensjonale (2D) radiografer, og beregninger på 2D-tegninger⁸. I tillegg bruker noe av den nåværende litteraturen generiske modeller eller tredimensjonale (3D) skanninger av dentiformmodeller i stedet for menneskelige data^4,8. Som ortodontika skifter til 3D-teknologi for planlegging tannbevegelse, er det avgjørende å besøke dette konseptet for å utvikle en 3D, vitenskapelig forståelse av tannbevegelse.

Med teknologiske fremskritt som resulterer i økt beregningskraft og modelleringevner, har evnen til å skape og studere mer komplekse modeller økt. Innføringen av computertomografiskanning og kjeglestråle computertomografi (CBCT) skanning har skyvemodeller og beregninger fra 2D-verdenen til 3D. Samtidige økninger i datakraft og programvarekompleksitet har gjort det mulig for forskere å bruke 3D-radiografer til å trekke ut nøyaktige anatomiske modeller for bruk i avansert programvare for å segmentere tennene, bein, periodontal ligament (PDL), og ulike andre strukturer^{7,8,9,10,13,14,15}. Disse segmenterte strukturene kan konverteres til et virtuelt nett for bruk i teknisk programvare for å beregne responsen fra et system når en gitt kraft eller forskyvning brukes på det.

Denne studien foreslår en bestemt, replikerbar metodikk som kan brukes til å undersøke hypotetiske kjeveortopediske kraftsystemer som brukes på modeller avledet fra CBCT-bilder av levende pasienter. Ved bruk av denne metodikken kan etterforskerne deretter estimere C_RES av ulike tenner og ta hensyn til den biologiske morfologien til tannstrukturer, som tannanatomi, antall røtter og deres orientering i 3D-rom, massefordeling og struktur av periodontale vedlegg. En generell oversikt over denne prosessen vises i figur 1. Dette er for å orientere leseren til den logiske prosessen som er involvert i generering av 3D-tannmodeller for å finne C_RES.

Protocol

Et institusjonelt gjennomgangsstyrefritak ble innhentet for evaluering av CBCT-volumer arkivert i Division of Oral og Maxillofacial Radiology (IRB No. 17-071S-2). 1. Volumvalg og kriterier Skaffe et CBCT bilde av hodet og ansiktet16. Undersøk bildet for tannjustering, manglende tenner, voxel størrelse, synsfelt og generell kvalitet på bildet. Kontroller at voxelstørrelsen ikke er større enn 350 μm (0,35 mm). <p class="jove_t…

Representative Results

For å verifisere segmentering og manuell disposisjon som beskrevet i Prosedyrer-delen (trinn 2), ble en maksillær første molar hentet fra en tørr hodeskalle, og et CBCT-bilde ble tatt. Bildebehandlings- og redigeringsprogramvaren Mimics ble brukt til å skissere tannen manuelt som beskrevet i trinn 2. Deretter ble meshing utført, de segmenterte modellene ble rengjort med 3matic programvare, og de ble importert til Abaqus for analyse. Vi fant ingen signifikant forskjell i de lineære …

Discussion

Denne studien viser et sett med verktøy for å etablere en konsekvent arbeidsflyt for begrenset elementanalyse (FEA) av modeller av maksillære tenner avledet fra CBCT-bilder av pasienter for å bestemme deres C_RES. For klinikeren ville et klart og enkelt kart over C_RES av maksillære tenner være et uvurderlig klinisk verktøy for å planlegge tannbevegelser og forutsi bivirkninger. Den begrensede elementmetoden (FEM) ble introdusert i dental biomekanisk forskning i 1973¹⁷,…

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