Un enfoque de elementos finitos para localizar el centro de resistencia de los dientes maxilares

Summary

Este estudio describe las herramientas necesarias para utilizar imágenes de pacientes tridimensionales basadas en haz de cono de dosis baja de los dientes maxilares y maxilares para obtener modelos de elementos finitos. Estos modelos de pacientes se utilizan para localizar con precisión el C_RES de todos los dientes maxilares.

Abstract

El centro de resistencia (C_RES)se considera como el punto de referencia fundamental para el movimiento de dientes predecible. Los métodos utilizados para estimar el_{C RES} de los dientes van desde mediciones radiográficas y físicas tradicionales hasta análisis in vitro en modelos o muestras de cadáveres. Las técnicas que implican el análisis de elementos finitos de tomografías computarizadas micro-CT en dosis altas de modelos y dientes individuales han demostrado muchas promesas, pero poco se ha hecho con imágenes más nuevas, de dosis bajas y de tomografía computarizada por haz de cono de baja resolución (CBCT). Además, se han descrito el_ReS C para sólo unos pocos dientes seleccionados (es decir, incisivo central maxilar, canino y primer molar); el resto han sido ignorados en gran medida. También es necesario describir la metodología de determinación del_RES C en detalle, de modo que sea fácil de replicar y aprovechar.

Este estudio utilizó imágenes rutinarias de pacientes CBCT para el desarrollo de herramientas y un flujo de trabajo para obtener modelos de elementos finitos para localizar el_{C RES} de dientes maxilares. Las imágenes de volumen CBCT fueron manipuladas para extraer estructuras biológicas tridimensionales (3D) relevantes para determinar el_{C RES} de los dientes maxilares por segmentación. Los objetos segmentados se limpiaron y convirtieron en una malla virtual formada por triángulos tetraédricos (tet4) con una longitud máxima de borde de 1 mm con software 3matic. Los modelos se convirtieron además en una malla volumétrica sólida de tetraedros con una longitud de borde máxima de 1 mm para su uso en el análisis de elementos finitos. El software de ingeniería, Abaqus, se utilizó para preprocesar los modelos para crear un ensamblaje y establecer propiedades de material, condiciones de interacción, condiciones de contorno y aplicaciones de carga. Las cargas, cuando se analizan, simularon las tensiones y deformaciones unitarias en el sistema, ayudando a localizar el_RESC . Este estudio es el primer paso en la predicción precisa del movimiento dental.

Introduction

El centro de resistencia (C_RES)de un diente o segmento de dientes es análogo al centro de masa de un cuerpo libre. Es un término tomado del campo de la mecánica de cuerpos rígidos. Cuando se aplica una sola fuerza en el C_RES, la traducción del diente en la dirección de la línea de acción de la fuerza ocurre^1,2. La posición del C_RES depende no sólo de la anatomía y las propiedades del diente, sino también de su entorno (por ejemplo, ligamento periodontal, hueso circundante, dientes adyacentes). El diente es un cuerpo restringido, por lo que su C_RES es similar al centro de masa de un cuerpo libre. En la manipulación de aparatos, la mayoría de los ortodoncistas consideran la relación del vector de fuerza con el_{C RES} de un diente o un grupo de dientes. De hecho, si un objeto mostrará vuelco o movimiento corporal cuando se someta a una sola fuerza está determinado principalmente por la ubicación del C_RES del objeto y la distancia entre el vector de fuerza y el_ReSC . Si esto se puede predecir con precisión, los resultados del tratamiento mejorarán considerablemente. Por lo tanto, una estimación precisa de C_RES puede mejorar en gran medida la eficiencia del movimiento del diente de ortodoncia.

Durante décadas, el campo de la ortodoncia ha estado revisando la investigación sobre la ubicación de la C_RES de un diente dado, segmento, o arco^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}. Sin embargo, estos estudios han sido limitados en su enfoque de muchas maneras. La mayoría de los estudios han determinado el_RES C para sólo unos pocos dientes, dejando fuera la mayoría. Por ejemplo, el incisivo central maxilar y el segmento del incisivo maxilar se han evaluado ampliamente. Por otro lado, sólo hay unos pocos estudios sobre el canino maxilar y el primer molar y ninguno para los dientes restantes. Además, muchos de estos estudios han determinado la ubicación del_RES C basado en datos anatómicos genéricos para dientes, mediciones de radiografías bidimensionales (2D) y cálculos en dibujos 2D^8. Además, parte de la literatura actual utiliza modelos genéricos o escaneos tridimensionales (3D) de modelos dentiformes en lugar de datos humanos^4,8. A medida que la ortodoncia cambia a la tecnología 3D para planificar el movimiento dental, es crucial revisar este concepto para desarrollar una comprensión científica 3D del movimiento dental.

Con los avances tecnológicos que se traducen en una mayor potencia computacional y capacidades de modelado, la capacidad de crear y estudiar modelos más complejos ha aumentado. La introducción del escaneo de tomografía computarizada y el escaneo de tomografía computarizada de haz de cono (CBCT) tiene modelos de empuje y cálculos del mundo 2D en 3D. Los aumentos simultáneos en la potencia informática y la complejidad del software han permitido a los investigadores utilizar radiografías 3D para extraer modelos anatómicos precisos para su uso en software avanzado para segmentar los dientes, hueso, ligamento periodontal (PDL), y varias otras estructuras^{7,,8,,9,,10,13,,14,15}. Estas estructuras segmentadas se pueden convertir en una malla virtual para su uso en software de ingeniería para calcular la respuesta de un sistema cuando se le aplica una fuerza o desplazamiento determinado.

Este estudio propone una metodología específica y replicable que puede utilizarse para examinar los sistemas hipotéticos de fuerza ortodonte aplicados a modelos derivados de imágenes CBCT de pacientes vivos. Al utilizar esta metodología, los investigadores pueden estimar el_{C RES} de varios dientes y tener en cuenta la morfología biológica de las estructuras dentales, como la anatomía dental, el número de raíces y su orientación en el espacio 3D, la distribución de masa y la estructura de los accesorios periodontales. En la Figura 1se muestra un esquema general de este proceso. Esto es para orientar al lector al proceso lógico involucrado en la generación de modelos de dientes 3D para localizar el_RESC .

Protocol

Se obtuvo una exención de la junta de revisión institucional para evaluar los volúmenes del CBCT archivados en la División de Radiología Oral y Maxilofacial (IRB No 17-071S-2). 1. Selección de volumen y criterios Adquirir una imagen CBCT de la cabeza y la cara16. Examine la imagen para la alineación de los dientes, los dientes que faltan, el tamaño de los vóxeles, el campo de visión y la calidad general de la imagen. Asegúrese de…

Representative Results

Con el fin de verificar la segmentación y la esquematización manual como se describe en la sección Procedimientos (paso 2), se extrajo un primer molar maxilar de un cráneo seco, y se tomó una imagen CBCT. El software de procesamiento y edición de imágenes Mimics se utilizó para esbozar manualmente el diente como se describe en el paso 2. Posteriormente, se realizó el mallado, los modelos segmentados fueron limpiados con software 3matic, y fueron importados a Abaqus para su análi…

Discussion

Este estudio muestra un conjunto de herramientas para establecer un flujo de trabajo consistente para el análisis de elementos finitos (FEA) de modelos de dientes maxilares derivados de imágenes CBCT de pacientes para determinar su C_RES. Para el clínico, un mapa claro y directo del_RES C de los dientes maxilares sería una herramienta clínica invaluable para planificar los movimientos dentales y predecir efectos secundarios. El método de elementos finitos (FEM) se introdujo en la investigación …

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