Finita elementanalysmodell för bedömning av expansionsmönster från kirurgiskt assisterad snabb palatal expansion
Summary
En uppsättning nya finita elementmodeller av kirurgiskt assisterad snabb palatal expansion (SARPE) som kunde utföra en kliniskt erforderlig mängd expanderaktivering med olika vinklar av buckal osteotomi skapades för vidare analys av expansionsmönstren för hemimaxillae i alla tre dimensionerna.
Abstract
Kirurgiskt assisterad snabb gomexpansion (SARPE) introducerades för att frigöra benmotstånd för att underlätta skelettexpansion hos skelettmogna patienter. Asymmetrisk expansion mellan vänster och höger sida har dock rapporterats hos 7,52 % av alla SARPE-patienter, varav 12,90 % var tvungna att genomgå en andra operation för korrigering. De etiologier som leder till asymmetrisk expansion är fortfarande oklara. Finita elementanalys har använts för att utvärdera spänningen associerad med SARPE i de maxillofaciala strukturerna. Men eftersom en kollision av benet vid LeFort I-osteotomiställena inträffar först efter en viss expansion, representerar de flesta av de befintliga modellerna inte riktigt kraftfördelningen, med tanke på att expansionsmängden för dessa befintliga modeller sällan överstiger 1 mm. Därför finns det ett behov av att skapa en ny finita elementmodell av SARPE som kan utföra en kliniskt erforderlig mängd expanderaktivering för vidare analys av expansionsmönstren hos hemimaxillae i alla tre dimensionerna. En tredimensionell (3D) skallmodell från cone beam computed tomography (CBCT) importerades till Mimics och omvandlades till matematiska enheter för att segmentera maxillärkomplexet, maxillärens första premolarer och maxillärens första molarer. Dessa strukturer överfördes till Geomagic för ytutjämning och skapande av spongiösa ben och parodontala ligament. Den högra halvan av maxillärkomplexet behölls sedan och speglades för att skapa en perfekt symmetrisk modell i SolidWorks. En Haas-expander konstruerades och bandades till överkäkens första premolarer och första molarer. Finita elementanalys av olika kombinationer av buckala osteotomier i olika vinklar med 1 mm spelrum utfördes i Ansys. Ett konvergenstest utfördes tills önskad utvidgningsmängd på båda sidor (minst 6 mm totalt) uppnåddes. Denna studie lägger grunden för att utvärdera hur buckal osteotomivinkling påverkar expansionsmönstren för SARPE.
Introduction
Kirurgiskt assisterad snabb gomexpansion (SARPE) är en vanligt förekommande teknik för tvärgående expansion av den maxillära benstrukturen och tandbågen hos skelettmogna patienter1. Operationen innebär en LeFort I-osteotomi, en kortikotomi i mitten av gommen och, eventuellt frigöring, frigöring av pterygoid-maxillär fissur2. Emellertid har oönskade expansionsmönster från SARPE, såsom ojämn expansion mellan vänster och höger hemimaxillae3 och dentoalveolär process buckal tippning/rotation4, rapporterats, vilket kan leda till misslyckande av SARPE, och ibland till och med kräva ytterligare operationer för korrigering5. Tidigare studier har indikerat att variationen i cirkum-maxillära osteotomier kan spela en betydande roll i post-SARPE-expansionsmönster2,3, eftersom kollisionerna mellan benblocken vid Le Fort I-osteotomiställena kan bidra till den ojämna motståndskraften från lateral expansion av hemimaxillerna och till rotationen av hemimaxillerna med de alveolära kanterna under snittet som rör sig inåt medan den dentoalveolära processen expanderar 3, 4. veckor Därför finns det ett behov av att undersöka effekterna av olika osteotomiriktningar, särskilt den buckala osteotomin, på expansionsmönster efter SARPE.
Flera finita elementanalysmodeller (FEA) har satts upp för att utvärdera kraftfördelningen under SARPE. Mängden expansion som ställs in i dessa modeller är dock begränsad till upp till 1 mm, vilket är långt under den erforderliga kliniska mängden 6,7,8,9,10,11,12. Otillräcklig expansion i FEA-modeller kan leda till felaktiga förutsägelser av post-SARPE-resultat. Mer specifikt kan kollisionen mellan benen vid osteotomistället, som rapporterats av Chamberland och Proffit4, inte demonstreras om expandern inte är tillräckligt vriden, vilket kanske inte återspeglar den verkliga kliniska verkligheten. Med den begränsade expansionen som byggts in i de tidigare modellerna var utfallsutvärderingarna av dessa modeller inriktade på stressanalys. Stressanalysen av FEA inom tandvården utförs dock vanligtvis under statisk belastning med materialens mekaniska egenskaper inställda som isotropa och linjärt elastiska, vilket ytterligare begränsar den kliniska relevansen av FEA-studierna13.
Dessutom tog de flesta av dessa studier inte hänsyn till tjockleken på det kirurgiska instrumentet vid osteotomistället 6,7,8,10,11,12, vilket ofta satte friktionen till noll vid snitten som en del av randvillkoren. Den här inställningen förenklar dock kontakterna mellan de hårda och mjuka vävnaderna. Det kan avsevärt påverka kraftfördelningen och det resulterande expansionsmönstret hos hemimaxillae.
Ändå har ingen tillgänglig litteratur undersökt effekten av osteotomi på post-SARPE-asymmetri med hjälp av finita elementanalysmodeller (FEA). Alla aktuella studier använde modeller med symmetriska osteotomimönster 6,7,8,9,10,11,12,14, som inte återspeglar verkligheten i klinisk praxis där osteotomierna kan skilja sig åt på varje sida av skallen. Bristen på litteratur som undersöker effekten av asymmetriska osteotomier på post-SARPE-asymmetri utgör en betydande kunskapslucka som måste åtgärdas.
Därför är målet med denna studie att utveckla en ny FEA-modell av SARPE som verkligen kan efterlikna de kliniska förhållandena, inklusive expansionsmängden och osteotomigapet, och undersöka expansionsmönstren för hemimaxillerna i alla tre dimensionerna med olika utformningar av osteotomin. Ett sådant tillvägagångssätt skulle ge värdefull insikt i den mekanik som ligger till grund för expansionsmönstren efter SARPE och fungera som ett användbart verktyg för kliniker vid planering och genomförande av SARPE-procedurer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Riktningen för den buckala osteotomin i SARPE kan antingen vara ett horisontellt snitt från näsöppningen innan man kliver ner vid maxillära strävpelaren eller ett rampat snitt från den piriforma kanten mot strävpelaren som motsvarar den överkäkens första molar, som beskrivs av Betts2. Hur som helst sträcker sig osteotomin långt under överkäkens zygomatiska process. De flesta aktuella FEA-studier på SARPE använder dock ett horisontellt snitt som sträcker sig bakåt på samma nivå…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av American Association of Orthodontists Foundation (AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award (för CL), American Association of Orthodontists (AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award (för CL), University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph och Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research (för CL), J. Henry O’Hern Jr. Pilot Grant från Institutionen för ortodonti, University of Pennsylvania School of Dental Medicine (för C.L.) och International Orthodontic Foundation Young Research Grant (för 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).
