Модель анализа методом конечных элементов для оценки паттернов расширения при хирургическом быстром расширении неба
Summary
Для дальнейшего анализа паттернов расширения полушарий во всех трех измерениях был создан набор новых конечно-элементных моделей хирургически ассистированного быстрого расширения неба (SARPE), которые могут выполнять клинически необходимую активацию экспандера с различными углами буккальной остеотомии.
Abstract
Хирургически ассистированное быстрое расширение неба (SARPE) было введено для снижения костной резистентности и облегчения расширения скелета у пациентов со зрелым скелетом. Тем не менее, асимметричное расширение между левой и правой сторонами было зарегистрировано у 7,52% всех пациентов с SARPE, из которых 12,90% пришлось пройти повторную операцию для коррекции. Этиология, приводящая к асимметричному расширению, остается неясной. Для оценки напряжений, связанных с SARPE в челюстно-лицевых структурах, был использован анализ методом конечных элементов. Однако, поскольку столкновение кости в местах остеотомии LeFort I происходит только после определенного расширения, большинство существующих моделей не отражают истинного распределения силы, учитывая, что величина расширения этих существующих моделей редко превышает 1 мм. Таким образом, существует необходимость в создании новой конечно-элементной модели SARPE, которая могла бы выполнять клинически необходимое количество экспандерной активации для дальнейшего анализа паттернов расширения полушарий во всех трех измерениях. Трехмерная (3D) модель черепа, полученная с помощью конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ), была импортирована в Mimics и преобразована в математические сущности для сегментации верхнечелюстного комплекса, верхнечелюстных первых премоляров и верхнечелюстных первых моляров. Эти структуры были перенесены в Geomagic для сглаживания поверхности и создания губчатой кости и периодонтальной связки. Затем правая половина верхнечелюстного комплекса была сохранена и зеркально отражена для создания идеально симметричной модели в SolidWorks. Был сконструирован эспандер Хааса, который был прикреплен к первым премолярам и первым молярам верхней челюсти. Конечно-элементный анализ различных комбинаций буккальных остеотомий под разными углами с клиренсом 1 мм выполнен в Ansys. Испытание на сходимость проводилось до тех пор, пока не была достигнута желаемая величина расширения с обеих сторон (всего не менее 6 мм). Это исследование закладывает основу для оценки того, как угол буккальной остеотомии влияет на паттерны расширения SARPE.
Introduction
Хирургическое быстрое расширение неба (SARPE) является широко используемым методом поперечного расширения костной структуры верхней челюсти и зубной дуги у пациентов со зрелым скелетом1. Операция включает в себя остеотомию по методу Лефорта I, средненебную кортикотомию и, при необходимости, освобождение крыловидно-верхнечелюстной щели2. Тем не менее, сообщалось о нежелательных моделях расширения, вызванных SARPE, таких как неравномерное расширение между левым и правымполушариями 3 и буккальное наклонение/ротация зубочелюстного отростка4, что может привести к отторжению SARPE, а иногда даже к необходимости дополнительных операций для коррекции5. Предыдущие исследования показали, что вариабельность околоверхнечелюстных остеотомий может играть значительную роль в паттерне расширения после SARPE2,3, поскольку столкновения между костными блоками в местах остеотомии Ле Фор I могут способствовать неравномерному сопротивлению латерального расширения получелюстей и вращению получелюстей, при этом альвеолярные края под разрезом смещаются внутрь, в то время как зубочелюстной отросток расширяется 3, 4. См. Таким образом, существует необходимость в исследовании влияния различных направлений остеотомии, особенно буккальной остеотомии, на паттерны расширения после SARPE.
Для оценки распределения сил во время SARPE было создано несколько моделей анализа методом конечных элементов (FEA). Тем не менее, величина расширения, установленная в этих моделях, ограничена до 1 мм, что намного ниже требуемой клинической величины 6,7,8,9,10,11,12. Неадекватное расширение моделей МКЭ может привести к ошибочным прогнозам результатов после SARPE. В частности, столкновение между костями в месте остеотомии, о котором сообщают Чемберленд и Proffit4, не может быть продемонстрировано, если экспандер не повернут адекватно, что может не отражать истинную клиническую реальность. В связи с ограниченным расширением, заложенным в предыдущих моделях, оценка результатов этих моделей была сосредоточена на анализе напряжений. Однако стресс-анализ МКЭ в стоматологии обычно проводится при статическом нагружении, при этом механические свойства материалов устанавливаются как изотропные и линейно-упругие, что еще больше ограничивает клиническую значимость исследований МКЭ13.
Кроме того, в большинстве этих исследований не учитывалась толщина хирургического инструмента в месте остеотомии 6,7,8,10,11,12, что часто сводило трение к нулю в местах разрезов как часть граничных условий. Однако эта настройка чрезмерно упрощает контакты между твердыми и мягкими тканями. Это может существенно повлиять на распределение силы и, как следствие, на характер расширения полушарий.
Тем не менее, в доступной литературе не изучалось влияние остеотомии на асимметрию после SARPE с использованием моделей анализа методом конечных элементов (FEA). Во всех современных исследованиях использовались модели с симметричными паттернами остеотомии 6,7,8,9,10,11,12,14, которые не отражают реалий клинической практики, где остеотомии могут отличаться на каждой стороне черепа. Отсутствие литературы, изучающей влияние асимметричной остеотомии на асимметрию после SARPE, представляет собой значительный пробел в знаниях, который необходимо устранить.
Таким образом, целью данного исследования является разработка новой модели МКЭ SARPE, которая может по-настоящему имитировать клинические условия, включая величину расширения и остеотомический разрыв, а также исследовать паттерны расширения полушарий во всех трех измерениях с различными конструкциями остеотомии. Такой подход позволил бы получить ценную информацию о механизмах, лежащих в основе паттернов расширения после SARPE, и послужил бы полезным инструментом для клиницистов при планировании и проведении процедур SARPE.
Protocol
Representative Results
Discussion
Направление буккальной остеотомии при SARPE может быть либо горизонтальным разрезом от носового отверстия перед опусканием в области верхнечелюстного контрфорса, либо наклонным разрезом от грушевидного края к контрфорсу, соответствующему первому моляру верхней челюсти, как описано в B…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано стипендией Фонда Американской ассоциации ортодонтов (AAOF) для развития ортодонтического факультета (для C.L.), Американской ассоциацией ортодонтов (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (для C.L.), Премией Джозефа и Жозефины Рабинович Школы стоматологической медицины Университета Пенсильвании за выдающиеся достижения в исследованиях (для C.L.), грантом J. Henry O’Hern Jr. Pilot Grant от Департамента ортодонтии, Школа стоматологической медицины Университета Пенсильвании (для C.L.) и Young Research Grant Международного ортодонтического фонда (для C.L.).
Materials
| Ansys | Ansys | Version 2019 | Ansys is a software for finite element analysis that can solve complicated models based on differential equations. The expansion results of different buccal osteotomy angles were analyzed through this software. |
| Geomagic Studio | 3D Systems | Version 10 | Geomagic Studio is a software for reverse engineering that can generate digital models based on physical scanning points. This study built cancellous bone and periodontal ligaments through this software. |
| Mimics | Materialise | Version 16 | Mimics is a medical 3D image-based engineering software that efficiently converts CT images to a 3D model. This study reconstructed a maxilla complex through the patient's DICOM images. |
| SolidWorks | Dassault Systèmes | Version 2018 | SolidWorks is a computer-aided design software for designers and engineers to create 3D models. A Haas expander was designed and drawn through this software in this study. |
References
- Mommaerts, M. Y. Transpalatal distraction as a method of maxillary expansion. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 37 (4), 268-272 (1999).
- Betts, N. J., Vanarsdall, R. L., Barber, H. D., Higgins-Barber, K., Fonseca, R. J. Diagnosis and treatment of transverse maxillary deficiency. The International Journal of Adult Orthodontics and Orthognathic Surgery. 10 (2), 75-96 (1995).
- Lin, J. H., et al. Asymmetric maxillary expansion introduced by surgically assisted rapid palatal expansion: A systematic review. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 80 (12), 1902-1911 (2022).
- Chamberland, S., Proffit, W. R. Short-term and long-term stability of surgically assisted rapid palatal expansion revisited. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 815-822 (2011).
- Verlinden, C. R., Gooris, P. G., Becking, A. G. Complications in transpalatal distraction osteogenesis: a retrospective clinical study. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 69 (3), 899-905 (2011).
- de Assis, D. S., et al. Finite element analysis of stress distribution in anchor teeth in surgically assisted rapid palatal expansion. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 42 (9), 1093-1099 (2013).
- Han, U. A., Kim, Y., Park, J. U. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution and displacement of the maxilla following surgically assisted rapid maxillary expansion. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 37 (3), 145-154 (2009).
- Lee, S. C., et al. Effect of bone-borne rapid maxillary expanders with and without surgical assistance on the craniofacial structures using finite element analysis. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 145 (5), 638-648 (2014).
- Möhlhenrich, S. C., et al. Simulation of three surgical techniques combined with two different bone-borne forces for surgically assisted rapid palatal expansion of the maxillofacial complex: a finite element analysis. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 46 (10), 1306-1314 (2017).
- Nowak, R., Olejnik, A., Gerber, H., Frątczak, R., Zawiślak, E. Comparison of tooth- and bone-borne appliances on the stress distributions and displacement patterns in the facial skeleton in surgically assisted rapid maxillary expansion-A finite element analysis (FEA) study. Materials (Basel). 14 (5), 1152 (2021).
- Shi, Y., Zhu, C. N., Xie, Z. Displacement and stress distribution of the maxilla under different surgical conditions in three typical models with bone-borne distraction: a three-dimensional finite element analysis. Journal of Orofacial Orthopedics/Fortschritte der Kieferorthopadie. 81 (6), 385-395 (2020).
- Tomazi, F. H. S., et al. The Hyrax appliance with tooth anchorage variations in surgically assisted rapid maxillary expansion: a finite element analysis. Oral and Maxillofacial Surgery. , (2022).
- Trivedi, S. Finite element analysis: A boon to dentistry. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research. 4 (3), 200-203 (2014).
- Sankar, S. G., et al. A comparison of different osteotomy techniques with and without pterygomaxillary disjunction in surgically assisted maxillary expansion utilizing modified hybrid rapid maxillary expansion device with posterior implants: A finite element study. National Journal of Maxillofacial Surgery. 12 (2), 171-180 (2021).
- Han, U. A., Kim, Y., Park, J. U. Three-dimensional finite element analysis of stress distribution and displacement of the maxilla following surgically assisted rapid maxillary expansion. Journal of Craniomaxillofacial Surgery. 37 (3), 145-154 (2009).
- Esen, A., Soganci, E., Dolanmaz, E., Dolanmaz, D. Evaluation of stress by finite element analysis of the midface and skull base at the time of midpalatal osteotomy in models with or without pterygomaxillary dysjunction. British Journal of Oral & Maxillofacial Surgery. 56 (3), 177-181 (2018).
- Huzni, S., Oktianda, F., Fonna, S., Rahiem, F., Angriani, L. The use of frictional and bonded contact models in finite element analysis for internal fixation of tibia fracture. Frattura ed Integrità Strutturale. 61, 130-139 (2022).
- Holmes, D. Closing the gap. Nature. 550 (7677), S194-S195 (2017).
- Lombardo, L., et al. Evaluation of the stiffness characteristics of rapid palatal expander screws. Progress in Orthodontics. 17 (1), 36 (2016).
- Zandi, M., Miresmaeili, A., Heidari, A., Lamei, A. The necessity of pterygomaxillary disjunction in surgically assisted rapid maxillary expansion: A short-term, double-blind, historical controlled clinical trial. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 44 (9), 1181-1186 (2016).
- Möhlhenrich, S. C., et al. Three-dimensional effects of pterygomaxillary disconnection during surgically assisted rapid palatal expansion: a cadaveric study. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, and Oral Radiology. 121 (6), 602-608 (2016).
