Abstract
sfondo
Questo studio ha utilizzato il metodo degli elementi finiti 3D per studiare gli spostamenti e le sollecitazioni nel legamento parodontale del cane del cane (PDL ) durante canino traduzione, inclinazione e rotazione con trattamento di correzione dente trasparente.
Metodi
modelli elementi finiti sono stati sviluppati per simulare trattamenti ortodontici dinamici della traduzione, inclinazione e rotazione del canino inferiore sinistro con sistema di correzione dente trasparente . A tratti simulazioni statiche sono state eseguite per replicare il processo dinamico di trattamenti ortodontici. Le tendenze di distribuzione e il cambio di spostamenti e tensioni nel PDL del cane del cane durante i tre tipi di movimenti dentali sono stati ottenuti sono stati osservati
. Risultati
spostamenti massimi alla corona e parte centrale in caso di traduzione, alla corona di il caso di inclinazione, e nella parte corona e radice nel caso di rotazione. Il massimo relativo von Mises e tensioni principali sono stati trovati principalmente alla cervice del Pdl nei casi di traduzione e inclinazione. Nel caso di traduzione, trazione è stata osservata principalmente sulle superfici mesiali e distali vicino al lato linguale e sollecitazione di compressione si trova nella parte inferiore della superficie labiale. Nel caso di inclinazione, trazione è stata principalmente osservata al labiale collo dell'utero e linguale apice e sollecitazione di compressione si trovava al collo dell'utero linguale e apice labiale. In caso di rotazione, sollecitazione von Mises era principalmente situato alla cervice e all'interno della superficie linguale, trazione era situato sulla superficie distale, e sollecitazione di compressione è stato rilevato sulla superficie mesiale. Il valore di sollecitazione e lo spostamento rapidamente diminuito nei primi passi e poi ha raggiunto un plateau.
Tipo di movimento conclusioni iOffer Canine influenza in modo significativo la distribuzione di spostamento e sollecitazioni di cane nel PDL del canino. Le variazioni di spostamento del canino e tensioni nel PDL del cane erano esponenziale nel trattamento di correzione dei denti trasparente.
Sfondo
L'obiettivo principale dell'ortodonzia è quello di ottenere la corretta posizione dei denti in arcata per ottenere l'occlusione corretta con il migliori caratteristiche funzionali ed estetiche.
Dal suo avvento nel 1999, il sistema di correzione dei denti trasparente è diventata una scelta trattamento accettato per i medici. Questo sistema si basa su apparecchi sequenziali chiari (Allineatori) in materiale termoplastico trasparente con tecniche di scansione e imaging computerizzati [1]. Pertanto sistema di correzione dei denti trasparente ha le sue peculiari biomeccanica distinta da quella dei ortodonzia convenzionali. Le forze ortodontiche di tecnologia di correzione dente trasparente derivano principalmente dalla forza di rimbalzo della deformazione elastica del allineatore.
Poiché si tratta di un metodo relativamente nuovo, alcuni aspetti sono ancora sufficientemente studiati. Precedenti studi in merito alla correzione dei denti trasparente sono prevalentemente concentrate sui rapporti individuali di casi [2-7] o sugli aspetti tecnici o specifiche per il materiale [8-13], oppure indirizzato igiene orale [14, 15] e la qualità della vita [15, 16] . Tuttavia, le indagini sulle questioni biomeccanici riguardanti questa tecnologia sono pochi e lontani tra [17, 18]. movimento ortodontico ha dimostrato di essere un processo estremamente complesso che coinvolge una successione di reazioni fisiche, biochimiche e cellulari, portando a rimodellamento osseo [19]. A parte i processi biochimici durante il rimodellamento osseo, la biomeccanica del movimento dentale è un argomento importante nella ricerca ortodontico [20]. Uno degli interessi particolari per gli ortodontisti in questo campo dell'ingegneria è il calcolo delle sollecitazioni sviluppate sul dente e dei tessuti circostanti durante il movimento ortodontico. Altri studi si sono concentrati sullo studio delle sollecitazioni all'interno del PDL indotti dalle forze ortodontiche [21-26]. Troppo stress elevato provocherebbe la necrosi del PDL e che può rallentare la velocità di movimento dei denti.
Il metodo degli elementi finiti (FE) viene utilizzato per capire la biomeccanica di dispositivi ortodontici, perché permette la stima delle sollecitazioni, deformazioni e deformazioni in diverse strutture tissutali, come osso alveolare, legamento parodontale (PDL), e denti, durante il trattamento [27-30]. Diversi studi hanno impiegato FE sulla meccanica ortodontiche [31-35].
La maggior parte degli studi Fe movimento dentale ortodontico si sono concentrati sulla valutazione statica di stato di caricamento iniziale, mentre dinamica di lungo periodo analisi FE è stato raramente eseguita. movimento ortodontico non è un processo one-step, e le alterazioni nelle risposte meccaniche dei tessuti si verificano quando il dente viene simulata meccanicamente durante il movimento ortodontico.
Questo studio ha lo scopo di (1) simulare il processo dinamico della traduzione, l'inclinazione , e la rotazione del canino inferiore con il trattamento di correzione dei denti trasparente utilizzando il metodo 3D FE a tratti statica e (2) studiare i modelli di distribuzione e cambiare le tendenze di spostamento e di sollecitazioni di cane nel PDL del cane durante il movimento dei denti.
Metodi
Generation di elementi finiti modello
modellazione di modelli 3D
I modelli FE dei tessuti mandibolari stabiliti nelle nostre indagini precedenti sono stati utilizzati in questo studio [30]. I modelli 3D Fe (Fig. 1), che comprendono i denti mandibolari anteriori, PDL, e osso alveolare, sono stati sviluppati secondo la tomografia computerizzata sequenziale (CT, /Brilliance64 Philips) immagini (0,5 mm intervalli) della normale cranio di un volontario . La geometria dei modelli mandibola e dei denti sono stati ricostruiti con imita (Materialise) e software Geomagic Studio (Geomagic). I denti sono stati spostati leggermente traslazione utilizzando il software 3-matic (Materialise) per eliminare il contatto tra i denti. Gli strati mm di spessore 0,25 intorno alla radice del dente sono stati creati per rappresentare la PDL, come indicato in studi precedenti [30, 36-38]. Infine, i modelli costruiti sono stati importati al software FE ABAQUS per ulteriori analisi. Figura. 1 finiti modello agli elementi del tessuto mandibolare, Aligner (a), dentizione (b), legamento parodontale (c), della mandibola (d), il modello (e), del carico e condizione al contorno (f)
Il canino mandibolare sinistra assemblare (numero 33) è stato selezionato come il dente trattato. Un sistema di coordinate locale è stato creato come mostrato in Fig. 1 (e) da applicare e misurare i movimenti del cane. L'origine era situato nell'interfaccia della corona e la radice. L'asse coordinata Z è stato coincidente con l'asse lungo canino. L'asse Y è situato nella direzione labiale-linguale, e l'asse X è stato posizionato in direzione mesio-distale. Sono stati studiati tre tipi di movimento dentale: traduzione 0,25 millimetri nella direzione negativa dell'asse Y (da labiale al lato linguale), 2 ° di rotazione (attorno all'asse lungo canino, la parte distale si sposta dal lato labiale al lato linguale), e 2 ° di inclinazione lungo l'asse X (la corona si sposta dal lato linguale al lato labiale). Gli importi dei carichi indotti dal allineatore sono stati determinati utilizzando la quantità di spostamento cooperato allineatore.
Lo spessore allineatore è stata assunta 0.8 mm e il processo allineatore modellazione ortodontico era come segue [36, 39] :( 1 ) Ottenere i modelli dentizione-PDL-mandibolare post-trattamento. Il canino spostato nella posizione desiderata del caso utilizzando il software 3-matic.
(2) ispessimento di corone. Le corone del modello ottenuti nella Fase 1 sono stati ispessiti di 0,8 mm in direzione normale delle corone utilizzando il Geomagic Studio.
(3) La fusione delle corone addensato. Le corone ispessite ottenuti sono stati importati in ABAQUS e uniti nel suo complesso (booleano aggiungere operazione).
(4) Sottraendo i modelli post-trattamento dei modelli corona ispessite unite. La dentatura-PDL-mandibola modello di post-trattamento corrispondente (ottenuto nel passaggio 1) è stato sottratto (un'operazione booleana) dal modello ottenuto nel passaggio 3 per ottenere modelli di allineatori.
Figura 2 descrive le quattro fasi del processo di modellizzazione, con il caso di traduzione come esempio. Figura. 2 Il processo di modellazione di allineatori in caso di traduzione
proprietà materiali
Le proprietà meccaniche del dente, Pdl, e osso alveolare sono stati presume essere elastico lineare, omogeneo e isotropo e definito secondo studi precedenti [36, 39 ], come mostrato nella tabella 1 1.Table Le proprietà del materiale e dei numeri delle unità e dei nodi di modelli FE
Materiale
Modulo di elasticità /MPa
rapporto
di Poisson
Numero di elementi
Numero di nodi
Denti
18600
0.31
15457
26371
alveolare ossea
13700
0.30
51502
80282
parodontale ligament
0.68
0.49
12891
26396
Aligner
816.31
0.30
19256
37024
Dieci-nodo elemento tetraedrica è stato adottato nei modelli FE, e il numero degli elementi e nodi per ogni componente del modello sono presentati nella Tabella 1. Gli elementi sono stati esaminati con Mesh Verificare il comando in ABAQUS per assicurare la convergenza del modello FE. Caricando e condizioni al contorno
L'interazione delle corone e di allineamento sono stati assunti senza attrito e ogni dente non sono entrati in contatto con i loro denti adiacenti. Le superfici di fondo e posteriore della mandibola sono stati fissati. Circa 5000 nodi sono stati limitati come mostrato in Fig. 1 (f).
Simulazione del processo di movimento dei denti
In questa indagine, rimodellamento osseo è stato ipotizzato per adattarsi alla deformazione dente e la struttura circostante prodotta dalla forza ortodontico. A tratti simulazioni statiche sono state condotte per replicare dinamico movimento dentale ortodontico. Una simulazione statica è stato operato in un unico passaggio. Il cane deforme, PDL, e osso alveolare nell'ultimo passaggio della simulazione statica sono stati ottenuti e utilizzati come modello per la simulazione statica successivo. I modelli utilizzati in ogni passaggio sono rappresentati in Fig. 3. Fig. 3 I modelli utilizzati in ogni fase
Risultati
Durante la simulazione, il caso di traduzione composto da 61 passaggi, il caso inclinazione aveva 15 punti, e il caso di rotazione avuto 16 passi per. Spostamento iniziale del Canine
Il canino del modelli spostamento differito nel processo di trattamento ortodontico. La tabella 2 mostra la variazione posizione nelle cilindrate massime e minime del canino in ogni case.Table 2 Il cambiamento di massima del cane e lo spostamento minimo localizzazione
Casi
partire
Successivo
finale
Traduzione
spostamento massimo
corona apicale
corona apicale
Medio parte
minimo spostamento
Root parte
cervice & amp
di Corona; parte apicale della radice
Corona parte
inclinazione
spostamento massimo
Corona parte
parte Corona
Corona parte
cilindrata minima
Root parte
Corona parte
parte Corona
rotazione
spostamento massimo
Corona parte
Crown & amp; Parte centrale
Crown & amp; Parte centrale
cilindrata minima
corona apicale & amp; Root apice
Root lato distale & amp; corona apicale
Root lato distale & amp; corona apicale
Figura 4 descrive i modelli di distribuzione spostamento a inizio, metà e fasi finali. Figura 5 illustra cambiare tendenze spostamento massimo del cane durante il movimento ortodontico nei tre casi movimento. Figura. 4 Cilindrata tendenza distribuzione in canino, all'inizio, più tardi, e fasi finali
Fig. 5 La tendenza cambiamento di spostamento massimo del cane durante il trattamento ortodontico, caso di traduzione (a), caso inclinazione (b), caso rotazione (c) sottolinea del legamento parodontale
Figura 6 illustra i modelli di distribuzione delle sollecitazioni nei tre
tipi di movimento. Come le tendenze di distribuzione di stress erano simili in tutto il processo di movimento dei denti, sono stati esposti solo i modelli di distribuzione di un passo. I modelli in tre tensioni principali erano simili; Pertanto, solo il primo sforzo principio è stato presentato. Figura. modelli di distribuzione 6 sottolinea in PDL, traduzione sollecitazione von Mises (a), traduzione 1a tensione principale (b), l'inclinazione von-Mises lo stress (c), l'inclinazione 1 ° sollecitazione principale (d), la rotazione von-Mises lo stress (e), rotazione 1 ° tensione principale (f)
nel caso di traduzione, le tensioni più alte (von Mises, trazione e compressione) nel PDL di cane è stata concentrata al collo dell'utero durante il movimento dei denti. trazione è stata osservata principalmente sulla mesiali e distali vicino al lato linguale e sollecitazione di compressione si trova nella parte inferiore della superficie labiale.
In caso di inclinazione, la massima sollecitazione von Mises è stata concentrata cervice e apice. trazione concentrato soprattutto al labiale collo dell'utero e linguale apice, e sollecitazione di compressione è stata osservata al collo dell'utero linguale e apice labiale.
Nel caso di rotazione, la più alta sollecitazione von Mises è stato trovato principalmente al collo dell'utero e all'interno della superficie linguale. trazione era situato principalmente sulla superficie distale, e sollecitazione di compressione è stata osservata sulla superficie mesiale.
Figura 7, Fig. 8 e Fig. 9 attuali tendenze di cambiamento in tensioni nei tre casi durante il movimento ortodontico. Figura. 7 La tendenza cambiamento del PDL massima sollecitazione von Mises-del cane durante il trattamento ortodontico, caso di traduzione (a), caso inclinazione (b), caso rotazione (c)
Fig. 8 La tendenza cambiamento del PDL di stress più alto di trazione del cane durante il trattamento ortodontico, caso di traduzione (a), caso inclinazione (b), caso rotazione (c)
Fig. 9 La tendenza cambiamento del PDL più alta tensione di compressione del cane durante il trattamento ortodontico, caso di traduzione (a), caso inclinazione (b), caso rotazione (c)
Discussione
Ci sono solo alcuni rapporti circa la simulazione dinamica di ortodontico processo di movimento dei denti [33, 40]. Jing Y et al. [33] e Y. Qian et al. [40] ha preso lo stress normale e la tensione come i fattori di stimolo di rimodellamento osseo, tuttavia, trascurato l'effetto di shear stress e la tensione sul rimodellamento osseo. Inoltre loro simulazioni devono applicare il carico direttamente sul dente, e la necessità di prendere in considerazione la diminuzione dei carichi ortodontici.
Tuttavia, rimodellamento osseo è l'attività che l'osso mostra la capacità di adattarsi ad un cambiamento di carichi esterni, cioè osso ha un struttura ottimale nel caso di equilibrio meccanico, ed è in grado di rimodellamento sotto un carico modificato fino una configurazione ottimale adattata alla nuova condizione di equilibrio si ottiene [41, 42]. La presente inchiesta è stato operato sulla base di questo principio.
Calcolo del centro di rotazione (Crot) del dente può valutare l'effetto del sistema vigore il movimento dei denti. I modelli di distribuzione di spostamento erano diverse attraverso il processo di movimento dei denti, che ha indicato variano di centro di rotazione durante il processo di trattamento con sistema di correzione dei denti trasparente.
La posizione di spostamento minimo è la posizione approssimativa del centro di rotazione.
Il centro di rotazione per il caso di traduzione è situato alla radice all'inizio e successivamente spostato nella parte centrale e quindi parte corona. Il centro di rotazione per caso l'inclinazione spostato dalla radice alla corona parte. Che ha dimostrato la traduzione del cane e inclinazione sono stati raggiunti dal movimento tratti di inclinazione, la parte della corona spostata e poi la parte di radice spostato.
In caso di rotazione, il canino ruotato lungo l'asse lungo del cane, all'inizio, tuttavia, con il cane di movimento dell'asse di rotazione del cane deviato dall'asse lungo.
la sollecitazione massima (von Mises, trazione e compressione) quantità durante stato osservato il movimento dentale al primo passo nelle simulazioni. Lo stress alto era 75.93 Mpa per il caso di traduzione, seguita da 1,08 Mpa per il caso di inclinazione, e 0,5051 Mpa per il caso di rotazione. Lo stress nel caso di traduzione era superiore alla pressione ottimale di 0,0185 Mpa [43]. Tale risultato può essere attribuito allo spostamento di traduzione progettata in questo studio, che era di 0,25 mm maggiore e quindi non può operare un movimento traduzione appropriata. Tuttavia, nei casi di inclinazione e rotazione, lo stress più alto è stato leggermente superiore a quello dello stress appropriata ma questo stress elevato rapidamente diminuita durante il movimento dei denti e ha raggiunto un plateau in una serie di stress relativamente appropriato [21-26].
I modelli di distribuzione delle tensioni nel PDL sono simili in tutto il processo di movimento dentale in ciascun caso. Tuttavia, la distribuzione delle sollecitazioni e gli spostamenti sono stati determinati principalmente dal tipo di movimento del cane. La cilindrata massima per i casi di traduzione e di inclinazione è stato trovato principalmente alla corona, mentre lo spostamento minimo alla radice e corona. Lo spostamento massimo per il caso di rotazione si trovava alla corona e parte centrale. Per il cane ruotato lungo l'asse lungo, lo spostamento minimo è stato trovato alla apicale della corona e della radice.
Il più alto von Mises sottolinea per i casi di traduzione e di inclinazione sono stati trovati al collo dell'utero del PDL. La più alta sollecitazione von Mises per il caso di rotazione si trovava nella cervice al apicale del PDL.
Sollecitazioni di trazione per il caso di traduzione è stato osservato principalmente sulla mesiale e le superfici distali vicino al lato linguale, e sollecitazione di compressione si trovava al inferiore della superficie labiale. trazione per il caso di inclinazione è stato trovato principalmente al labiale collo dell'utero e linguale apice, e sollecitazione di compressione è stata osservata al collo dell'utero linguale e apice labiale. è stato osservato trazione per il caso di rotazione sulla superficie distale, e sollecitazione di compressione è stata collocata sulla superficie mesiale
. Le modifiche di spostamento massimo del cane e le sollecitazioni più alte PDL del canino durante ortodontico processo di movimento dei denti erano tutti esponenziale. Ciò significa che il cambiamento di forza ortodontico durante il movimento ortodontico può essere esponenziale del sistema di correzione dei denti trasparente. Questo risultato è coerente con il risultato dell'esperimento di Simon et al. [18].
Secondo i risultati della simulazione, il movimento ortodontico e forza ortodontico in sistema di correzione dente trasparente possono essere suddivisi in due fasi. Nella prima fase, il movimento del dente e la forza ortodontica erano la massima all'inizio e poi diminuire rapidamente. Nella seconda fase, il movimento dei denti e la forza ortodontica tenuti invariante.
Limiti di questo studio riguardano il ravvicinamento del comportamento del materiale del modello dente. Il rapporto sforzo-deformazione è suppone lineare, elastica, e isotropo. Anisotropico e il comportamento viscoelastico dei legamenti parodontali sono stati esclusi da questo modello. Alcuni lavori sembra suggerire che questa ipotesi, in particolare, è debole [44]. In secondo luogo, alcuna differenziazione è stata fatta tra cemento cellulare e acellulare.
Conclusione
tipo di movimento del cane ha avuto una grande influenza sulla distribuzione di spostamento e sollecitazioni di cane nel PDL di canino. I cambiamenti di spostamento del cane e sottolinea in PDL del cane erano esponenziale durante il movimento ortodontico in sistema di correzione dei denti trasparente
Abbreviazioni
FEM:.
Metodo degli elementi finiti
PDL:
parodontale legamento
FE:
elementi finiti
3D:
tridimensionale
CT:
tomografia computerizzata
Crot:
Centro di rotazione
Dichiarazioni
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto dal progetto di cinese Fujian Education Department (2012Y4007, JA11010, 2012Y41010014)
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concorrenti. interessi
Gli autori dichiarano di non avere interessi in gioco.
contributi degli autori
YC è il designer, supervisore e direttore di questo studio. XY e BH sono stati coinvolti nella stesura del manoscritto. JY è co-investigatore e recensione del manoscritto. Tutti gli autori hanno letto e approvato il manoscritto finale informazioni
Autori
Yongqing Cai, studente Docteral, Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Fuzhou, Fujian, Cina.; Xiaoxiang Yang, professore del dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Fuzhou, Fujian, Cina; Bingwei Lui, Professore, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Fuzhou, Fujian, Cina; Giugno Yao, Professore, Dipartimento di Ortodonzia, Fujian Medical University, Fujian, Cina
