Uma abordagem de elemento finito para localizar o Centro de Resistência dos Dentes Maxilais

Summary

Este estudo descreve as ferramentas necessárias para utilizar imagens de pacientes baseadas em feixe de cone tridimensional de baixa dose de pacientes da maxila e dos dentes maxileares para obter modelos de elementos finitos. Esses modelos de pacientes são então usados para localizar com precisão o C_RES de todos os dentes maxilares.

Abstract

O centro de resistência (C_RES) é considerado como o ponto de referência fundamental para o movimento dentário previsível. Os métodos utilizados para estimar o C_RES dos dentes variam desde medidas radiográficas e físicas tradicionais até análises in vitro em modelos ou amostras de cadáveres. Técnicas que envolvem a análise de elementos finitos de micro-tomografias de alta dose de modelos e dentes únicos têm mostrado muita promessa, mas pouco tem sido feito com imagens mais recentes, de baixa dose e de baixa resolução de tomografia computadorizada de feixe de cone (CBCT). Além disso, o C_RES para apenas alguns dentes selecionados (ou seja, incisivo central maxilar, canino e primeiro molar) foram descritos; o resto foram largamente ignorados. Há também a necessidade de descrever a metodologia de determinação da C_RES em detalhes, para que se torne fácil de replicar e construir.

Este estudo utilizou imagens rotineiras de pacientes cbct para o desenvolvimento de ferramentas e um fluxo de trabalho para obter modelos de elementos finitos para localizar o C_RES dos dentes maxilos. As imagens de volume CBCT foram manipuladas para extrair estruturas biológicas tridimensionais (3D) relevantes na determinação do C_RES dos dentes maxilos por segmentação. Os objetos segmentados foram limpos e convertidos em uma malha virtual composta por triângulos tetraédricos (tet4) com comprimento máximo de borda de 1 mm com software 3matic. Os modelos foram ainda convertidos em uma malha volumétrica sólida de tetraedros com um comprimento máximo de borda de 1 mm para uso na análise de elementos finitos. O software de engenharia, Abaqus, foi usado para pré-processar os modelos para criar um conjunto e definir propriedades de materiais, condições de interação, condições de limite e aplicações de carga. As cargas, quando analisadas, simularam as tensões e tensões no sistema, auxiliando na localização do C_RES. Este estudo é o primeiro passo na previsão precisa do movimento dentário.

Introduction

O centro de resistência (C_RES)de um dente ou segmento de dentes é análogo ao centro de massa de um corpo livre. É um termo emprestado do campo da mecânica de corpos rígidos. Quando uma única força é aplicada no C_RES, a tradução do dente na direção da linha de ação da força ocorre^1,2. A posição do C_RES depende não apenas da anatomia e propriedades do dente, mas também de seu ambiente (por exemplo, ligamento periodontal, osso circundante, dentes adjacentes). O dente é um corpo contido, tornando seu C_RES semelhante ao centro de massa de um corpo livre. Na manipulação de aparelhos, a maioria dos ortodontistas considera a relação do vetor de força com o C_RES de um dente ou um grupo de dentes. De fato, se um objeto exibirá inclinação ou movimento corporal quando submetido a uma única força é determinado principalmente pela localização do C_RES do objeto e a distância entre o vetor de força e o C_RES. Se isso puder ser previsto com precisão, os resultados do tratamento serão muito melhorados. Assim, uma estimativa precisa de C_RES pode aumentar muito a eficiência do movimento do dente ortodôntico.

Durante décadas, o campo ortodôntico vem revisitando pesquisas sobre a localização do C_RES de um determinado dente, segmento ou arco^{1,,2,,3,,44,5,,6,,7,,88,99,10,,11,,12}. No entanto, esses estudos têm sido limitados em sua abordagem de muitas maneiras. A maioria dos estudos determinou o C_RES para apenas alguns dentes, deixando de fora a maioria. Por exemplo, o incisivo central maxilo e o segmento do incisivo maxilo foram avaliados extensivamente. Por outro lado, há apenas alguns estudos sobre o canino maxilar e o primeiro molar e nenhum para os dentes restantes. Além disso, muitos desses estudos determinaram a localização do C_RES com base em dados anatômicos genéricos para dentes, medidas de radiografias bidimensionais (2D) e cálculos em desenhos 2D⁸. Além disso, algumas das literaturas atuais utilizam modelos genéricos ou escaneamentos tridimensionais (3D) de modelos dentiformes em vez de dados humanos^4,8. À medida que a ortodontia se transforma em tecnologia 3D para o planejamento do movimento dentário, é crucial revisitar esse conceito para desenvolver uma compreensão científica 3D do movimento dentário.

Com os avanços tecnológicos resultando em maior poder computacional e capacidades de modelagem, a capacidade de criar e estudar modelos mais complexos aumentou. A introdução da tomografia computadorizada e da tomografia computadorizada de cone-feixe (CBCT) tem modelos de impulso e cálculos do mundo 2D em 3D. Aumentos simultâneos no poder da computação e na complexidade do software permitiram aos pesquisadores usar radiografias 3D para extrair modelos anatômicos precisos para uso em software avançado para segmentar os dentes, osso, ligamento periodontal (PDL), e várias outras estruturas^{7,88,9,,10,,13,,14,,15}. Essas estruturas segmentadas podem ser convertidas em uma malha virtual para uso em software de engenharia para calcular a resposta de um sistema quando uma determinada força ou deslocamento é aplicado a ele.

Este estudo propõe uma metodologia específica e replicável que pode ser utilizada para examinar sistemas hipotéticos de força ortodôntica aplicados em modelos derivados de imagens CBCT de pacientes vivos. Ao utilizar essa metodologia, os pesquisadores podem então estimar o C_RES de vários dentes e levar em consideração a morfologia biológica das estruturas dentárias, como anatomia dentária, número de raízes e sua orientação em espaço 3D, distribuição de massa e estrutura de anexos periodontais. Um esboço geral deste processo é mostrado na Figura 1. Isto é para orientar o leitor para o processo lógico envolvido na geração de modelos dentários 3D para localização do C_RES.

Protocol

Foi obtida isenção do conselho de revisão institucional para avaliação dos volumes cbct arquivados na Divisão de Radiologia Oral e Maxilofacial (IRB nº 17-071S-2). 1. Seleção de volumes e critérios Adquira uma imagem CBCT da cabeça e do rosto16. Examine a imagem para alinhamento dentário, dentes perdidos, tamanho do voxel, campo de visão e qualidade geral da imagem. Certifique-se de que o tamanho do voxel não é maior que 350 …

Representative Results

Para verificar a segmentação e o delineamento manual descritos na seção Procedimentos (etapa 2), foi extraído um primeiro molar maxilar de um crânio seco e uma imagem CBCT. O software de processamento e edição de imagens Mimics foi usado para delinear manualmente o dente conforme descrito na etapa 2. Posteriormente, foram realizados os modelos segmentados com software 3matic, sendo importados para Abaqus para análise. Não encontramos diferença significativa nas medidas lineares…

Discussion

Este estudo mostra um conjunto de ferramentas para estabelecer um fluxo de trabalho consistente para análise de elementos finitos (FEA) de modelos de dentes maxileares derivados de imagens CBCT de pacientes para determinar sua_RESC . Para o médico, um mapa claro e direto do C_RES dos dentes maxilos seria uma ferramenta clínica inestimável para planejar os movimentos dentários e prever efeitos colaterais. O método de elemento finito (FEM) foi introduzido em pesquisa biomecânica dentária em 1973…

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