En ändlig element strategi för att lokalisera Centrum för motstånd av maxillary tänder

Summary

Denna studie beskriver de nödvändiga verktygen för att använda låg dos tredimensionella kon stråle-baserade patientbilder av överkäken och maxillary tänder för att få finita element modeller. Dessa patientmodeller används sedan för att exakt lokalisera C_RES av alla maxillary tänder.

Abstract

Motståndets centrum (C_RES)betraktas som den grundläggande referenspunkten för förutsägbar tandrörelse. De metoder som används för att uppskatta C_RES av tänder sträcker sig från traditionella radiografi och fysiska mätningar till in vitro-analys på modeller eller kadaverprover. Tekniker som involverar finita element analys av hög dos mikro-CT skanningar av modeller och enstaka tänder har visat en hel del löfte, men lite har gjorts med nyare, låg dos, och låg upplösning konstråle datortomografi (KBCT) bilder. Dessutom har C_RES för endast ett fåtal utvalda tänder (dvs. maxillary centrala incisor, hund, och första molar) beskrivits; resten har i stort sett ignorerats. Det finns också ett behov av att beskriva metoden för att fastställa C_RES i detalj, så att det blir lätt att replikera och bygga vidare på.

Denna studie används rutinmässiga CBCT patientbilder för att utveckla verktyg och ett arbetsflöde för att få ändliga element modeller för att lokalisera C_RES av maxillary tänder. CBCT volym bilder manipulerades för att extrahera tredimensionella (3D) biologiska strukturer som är relevanta för att bestämma C_RES av maxillary tänderna genom segmentering. De segmenterade objekten rengjordes och omvandlades till ett virtuellt nät som bestod tetraedral (tet4) trianglar med en maximal kantlängd på 1 mm med 3matic programvara. Modellerna omvandlades ytterligare till ett fast volymetriskt nät av tetraeder med en maximal kantlängd på 1 mm för användning i finita elementanalys. Den tekniska programvaran, Abaqus, användes för att förbehandla modellerna för att skapa en sammansättning och ställa in materialegenskaper, interaktionsförhållanden, gränsförhållanden och belastningsapplikationer. Lasterna, när de analyseras, simulerade spänningar och påfrestningar på systemet, medhjälp till att lokalisera C_RES. Denna studie är det första steget i korrekt förutsägelse av tandrörelser.

Introduction

Mitten av motståndet (C_RES)av en tand eller segment av tänder är jämförbar med mitten av massan av en fri kropp. Det är en term som lånats från området mekanik stela kroppar. När en enda kraft appliceras vid C_RESsker översättning av tanden i riktning mot kraftens linje^1,2. Placeringen av C_RES beror inte bara på tandens anatomi och egenskaper utan också på dess miljö (t.ex. parodontala ligament, omgivande ben, intilliggande tänder). Tanden är en återhållsam kropp, vilket gör dess C_RES liknar mitten av massan av en fri kropp. I manipulering av apparater, de flesta ortodontister överväga förhållandet mellan kraftvektorn till C_RES av en tand eller en grupp tänder. Huruvida ett föremål kommer att visa deponering eller kroppsrörelser när det lämnas in till en enda kraft bestäms huvudsakligen av platsen för objektets C_RES och avståndet mellan kraftvektorn och C_RES. Om detta kan förutsägas exakt, behandlingsresultat kommer att förbättras avsevärt. Således kan en korrekt uppskattning av C_RES kraftigt öka effektiviteten av tandregleringstjänster tandrörelse.

I årtionden har det ortodontiska fältet varit att se över forskning om placeringen av C_RES av en viss tand, segment eller^{båge 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}. Emellertid, dessa studier har varit begränsade i sin strategi på många sätt. De flesta studier har fastställt C_RES för endast ett fåtal tänder, utelämna majoriteten. Till exempel har maxillary centrala incisor och maxillary incisor segmentet utvärderats ganska omfattande. Å andra sidan finns det bara ett fåtal studier på maxillary hund och första molar och ingen för de återstående tänderna. Dessutom har många av dessa studier fastställt placeringen av C_RES baserat på generiska anatomiska data för tänder, mätningar från tvådimensionella (2D) röntgenundersökningar, och beräkningar på 2D ritningar⁸. Dessutom använder en del av den aktuella litteraturen generiska modeller eller tredimensionella (3D) skanningar av dentiform modeller snarare än mänskliga data^4,8. Som tandregleringstjänster skiftar till 3D-teknik för planering tandrörelser, är det viktigt att se över detta koncept för att utveckla en 3D, vetenskaplig förståelse av tandrörelser.

Med tekniska framsteg som resulterar i ökad beräkningskraft och modelleringskapacitet har förmågan att skapa och studera mer komplexa modeller ökat. Införandet av datortomografi scanning och kon-beam datortomografi (CBCT) skanning har dragkraft modeller och beräkningar från 2D-världen till 3D. Samtidiga ökningar av datorkraft och programvara komplexitet har gjort det möjligt för forskare att använda 3D-röntgenbilder för att extrahera exakta anatomiska modeller för användning i avancerad programvara för att segmentera tänder, ben, parodontala ligament (PDL), och olika andra strukturer^{7,8,9,10,13,14,15}. Dessa segmenterade strukturer kan omvandlas till ett virtuellt nät för användning i teknisk programvara för att beräkna svaret från ett system när en viss kraft eller förskjutning tillämpas på det.

Denna studie föreslår en specifik, reproducerbar metod som kan användas för att undersöka hypotetiska tandregleringstjänster kraftsystem tillämpas på modeller som härrör från KBCT bilder av levande patienter. Vid utnyttjandet av denna metod, utredare kan sedan uppskatta C_RES av olika tänder och ta hänsyn till den biologiska morfologi av tandstrukturer, såsom tand anatomi, antal rötter och deras orientering i 3D-rymden, massdistribution, och struktur parodontala bilagor. En allmän översikt över denna process visas i figur 1. Detta för att orientera läsaren till den logiska processen som ingår i generering av 3D-tand modeller för att lokalisera C_RES.

Protocol

Ett undantag från styrelsen för institutionell granskning erhölls för utvärdering av CBCT-volymer som arkiverats vid avdelningen för oral och maxillofacial radiologi (IRB nr 17-071S-2). 1. Val av volym och kriterier Skaffa en KBCT bild av huvudet och ansiktet16. Undersök bilden för tandjustering, saknade tänder, voxel storlek, synfält, och övergripande kvalitet på bilden. Se till att voxelstorleken inte är större än 0,35 mm.<…

Representative Results

För att kontrollera segmentering och manuell beskriver som beskrivs i förfarandet avsnitt (steg 2), en maxillary första molar extraherades från en torr skalle, och en KBCT bild togs. Bildbehandlings- och redigeringsprogrammet Mimics användes för att manuellt beskriva tanden enligt beskrivningen i steg 2. Därefter utfördes maskor, de segmenterade modellerna rengjordes med 3matic programvara, och de importerades till Abaqus för analys. Vi hittade inte någon signifikant skillnad i …

Discussion

Denna studie visar en uppsättning verktyg för att upprätta ett konsekvent arbetsflöde för finita element analys (FEA) av modeller av maxillary tänder som härrör från KBCT bilder av patienter för att bestämma deras C_RES. För klinikern, en tydlig och okomplicerad karta över C_RES av maxillary tänderna skulle vara ett ovärderligt kliniskt verktyg för att planera tandrörelser och förutsäga biverkningar. Den finita elementmetoden (FEM) introducerades i dental biomekanisk forskning 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