arte abstracta
Fundo
Este estudo utilizou o método de elementos finitos 3D para investigar deslocamentos e tensões no ligamento periodontal do canino de caninos (PDL) durante canino tradução, inclinação e rotação com o tratamento de correção dentária transparente.
Métodos
modelos de elementos finitos foram desenvolvidos para simular tratamentos ortodônticos dinâmicos da tradução, inclinação e rotação do canino inferior esquerdo com sistema de correção de dente transparente. Piecewise simulações estáticas foram realizadas para replicar o processo dinâmico de tratamentos ortodônticos. A distribuição e mudanças de tendências de deslocamentos e tensões no PDL do canino do canino, durante os três tipos de movimentos dentários foram obtidos.
Resultados deslocamentos máximos foram observados na coroa e parte do meio, no caso de tradução, na coroa na no caso de inclinação, e na parte de coroa e da raiz, no caso de rotação. O máximo relativo von Mises e tensões principais foram encontrados principalmente no colo do útero do PDL nos casos de tradução e de inclinação. No caso de tradução, tensão de tracção foi observada principalmente nas superfícies mesial e distal perto do lado lingual e tensão de compressão foi localizado na parte inferior da superfície labial. No caso de inclinação, tensão foi observada principalmente na labial colo do útero e lingual ápice e tensão de compressão foi localizado no colo do útero lingual e ápice labial. No caso de rotação, von Mises foi localizado principalmente no colo do útero e no interior da superfície lingual, tensão de tracção foi localizada sobre a superfície distai, e uma tensão de compressão foi detectado na superfície mesial. O valor de tensão e deslocamento diminui rapidamente nos primeiros passos e, em seguida, atingido um patamar.
Tipo de movimento Conclusões
do Canine influencia significativamente a distribuição de deslocamento e tensões do canino no PDL do canino. Mudanças no deslocamento do canino e tensões no PDL do canino foram exponencial no tratamento de correção de dentes transparente.
Fundo
O objectivo principal da ortodontia é obter a posição correcta dos dentes na arcada dentária para obter a oclusão correta com o melhores características funcionais e estéticos.
Desde o seu surgimento, em 1999, o sistema de correção de dente transparente tornou-se uma opção de tratamento aceite para os clínicos. Este sistema baseia-se em aparelhos sequenciais claros (alinhadores) feitos de um material termoplástico transparente usando técnicas de exploração e de imagem assistida por computador [1]. Portanto, o sistema de correção dentária transparente tem suas próprias biomecânica peculiares distinta da ortodontia convencional. As forças ortodônticas de tecnologia de correção de dente transparente resultar principalmente de força de recuperação da deformação elástica do alinhador.
Uma vez que é um método relativamente novo, alguns aspectos ainda não estão suficientemente investigada. Estudos anteriores sobre a correção dos dentes transparente têm se concentrado predominantemente nos casos individuais [2-7] ou aspectos técnicos ou específicos de materiais [8-13], ou se dirigiam a higiene oral [14, 15] e qualidade de vida [15, 16] . No entanto, as investigações sobre as questões biomecânicas sobre esta tecnologia são poucos e distantes entre si [17, 18]. movimentação ortodôntica provou ser um processo extremamente complexo que envolve uma série de reacções físicas, bioquímicas e celulares, levando a remodelação óssea [19]. Além dos processos bioquímicos durante a remodelação óssea, a biomecânica do movimento dentário é um tópico importante na pesquisa ortodôntico [20]. Um dos interesses particulares de ortodontistas neste campo da engenharia é o cálculo de tensões desenvolvidas no dente e tecidos circundantes durante a movimentação ortodôntica. Outros estudos têm-se centrado em investigar as tensões dentro do PDL induzidas por forças ortodônticas [21-26]. Demasiado alto estresse poderia causar necrose do PDL e que pode diminuir a taxa de movimentação dentária.
O elemento finito (FE) é usado para compreender a biomecânica de aparelhos ortodônticos, pois permite a estimativa de tensões, deformações e deformações em diferentes estruturas de tecidos, tais como osso alveolar, ligamento periodontal (PDL), e os dentes, durante o tratamento [27-30]. Vários estudos têm empregado FE na mecânica ortodôntica [31-35].
A maioria dos estudos FE na movimentação ortodôntica têm-se centrado na avaliação estática do estado de carga inicial, enquanto que a análise FE dinâmica de longo prazo raramente tem sido realizada. movimentação ortodôntica não é um processo de uma etapa, e alterações nas respostas mecânicas dos tecidos ocorrer quando o dente é mecanicamente simulada durante a movimentação ortodôntica.
Este estudo objetivou (1) simular o processo dinâmico da tradução, a inclinação e rotação do canino inferior com o tratamento de correção dentária transparente usando o método 3D FE piecewise estática e (2) estudar os padrões de distribuição e alterar as tendências de deslocamento e tensões do canino no PDL do canino, durante o movimento dentário.
Métodos
Geração do modelo de elementos finitos
Modelagem de modelos 3D
os modelos FE de tecidos inferiores estabelecidos em nossas investigações anteriores foram utilizadas no estudo [30]. Os modelos 3D Fe (Fig. 1), que compreendem dentes inferiores anteriores, PDL e osso alveolar, foram desenvolvidas de acordo com a tomografia computadorizada sequencial (CT, Philips /Brilliance64) imagens (intervalos de 0,5 mm) do craniofacial normal de um voluntário . A geometria dos modelos de mandíbula e odontológicos foram reconstruídos com imita (materializa) e software Geomagic Studio (Geomagic). Os dentes foram translationally moveu-se ligeiramente usando o software 3-matic (Materialise) para eliminar o contato entre os dentes. As camadas de 0,25 mm de espessura em torno da raiz do dente foram criados para representar o PDL, como indicado em estudos anteriores [30, 36-38]. Finalmente, os modelos construídos foram importados para o software FE ABAQUS para análise posterior. FIG. 1 modelo de elementos finitos de tecido mandibular, alinhador (a), Dentição (b), ligamento periodontal (c), mandíbula (d), o modelo (e), a carga ea condição de contorno (f)
O canino inferior esquerdo montar (número 33) foi seleccionado como o dente tratado. Um sistema de coordenadas local foi criado como se mostra na fig. 1 (e) para aplicar e medir os movimentos de caninos. A origem foi localizado na interface da coroa e a raiz. As coordenadas do eixo Z foi coincidente com o eixo longo canino. O eixo Y foi localizado na direcção labial-lingual, e o eixo X foi posicionado no sentido mesiodistal. Três tipos de movimento de dente foram investigados: tradução 0,25 milímetros na direcção negativa do eixo Y (a partir do lado labial para o lado lingual), 2 ° de rotação (em torno do eixo longo canino, a parte distal move-se do lado labial para o lado lingual), e 2 ° de inclinação ao longo do eixo X (a coroa move-se do lado lingual para o lado labial). As quantidades de cargas induzidas pelo alinhador foram determinadas usando a quantidade de deslocamento colaborou no alinhador.
A espessura alinhador foi assumida como 0,8 mm e o processo de modelagem alinhador ortodôntico foi a seguinte [36, 39] :( 1 ) Obtendo os modelos dentição-PDL-mandibular pós-tratamento. O canino mudou-se para a posição desejada do caso usando o software 3-matic.
(2) espessamento das coroas. As coroas do modelo obtido no Passo 1 foram engrossada em 0,8 mm no sentido normal das coroas usando a Geomagic Studio.
(3) A fusão das coroas espessas. As coroas engrossados obtidos foram importados para o ABAQUS e fundiu-se como um todo (Boolean operação de adição).
(4) Subtraindo os modelos pós-tratamento dos modelos coroa engrossados mescladas. O modelo de dentição-PDL-mandibular pós-tratamento correspondente (obtido no passo 1) foi subtraída (operação booleana) a partir do modelo, obtido no passo 3 para obter modelos alinhador.
Figura 2 descreve as quatro etapas do processo de modelagem, com o case tradução como o exemplo. FIG. 2 O processo de modelagem de alinhador no caso de tradução
propriedades dos materiais
As propriedades mecânicas do dente, PDL, e osso alveolar foram assumidos como sendo linear elástico, homogéneo e isotrópico e definidos de acordo com estudos anteriores [36, 39 ], como mostra a Tabela 1 1.Table propriedades dos materiais e os números da unidade e do nó de modelos FE
material
Módulo de Elasticidade /MPa
relação
de Poisson
Número de elementos
Número de nós
Dentes
18600
0,31
15457
26371
alveolar óssea
13700
0,30
51502
80282
periodontal ligament
0.68
0.49
12891
26396
Aligner
816.31
0.30
19256
37024
Ten-node elemento tetraédrico foi adotado nos modelos FE, e os números dos elementos e nós para cada componente do modelo são apresentados na Tabela 1. Os elementos foram examinados com malha Verifique comando no ABAQUS para assegurar a convergência do modelo FE. Loading e condições de contorno
a interação das coroas e alinhador eram consideradas sem atrito e cada dente não entram em contato com os dentes adjacentes. A parte inferior e posterior superfícies da mandíbula também foram corrigidos. Aproximadamente 5000 gânglios foram restringidos, como mostrado na Fig. 1 (f).
Simulação do processo de movimentação dentária
Nesta investigação, foi assumido remodelação óssea para se adaptar à deformação dos dentes e da estrutura envolvente produzido por força ortodôntica. Piecewise simulações estáticas foram conduzidos para replicar movimentação ortodôntica dinâmico. Uma simulação estática foi operado num só passo. O canino deformado, PDL, osso alveolar e na última etapa de simulação estática foram obtidos e utilizados como modelo para a próxima simulação estática. Os modelos utilizados em cada passo são apresentados na Fig. 3. A fig. 3 Os modelos utilizados em cada etapa
Resultados
Durante a simulação, o caso de tradução constituído por 61 passos, o caso inclinação teve 15 etapas, eo caso de rotação tinha 16 etapas.
Deslocamento inicial de Canine
O canino de padrões de deslocamento diferente no processo de tratamento ortodôntico. A Tabela 2 mostra a mudança de localização nos deslocamentos máximos e mínimos do canino em cada case.Table 2 A mudança de localização mínimo deslocamento
Cases
máximo e canino Começando
Posterior
final
Tradução
deslocamento máximo
apical Crown apical
Crown
Oriente Part
deslocamento
parte Root mínima
colo & amp
da Coroa; parte apical da raiz
Crown parte
Inclinação
deslocamento máximo
parte Crown
parte Crown
Crown parte
deslocamento mínimo
parte Root
parte Crown
parte Crown
rotação
deslocamento máximo
parte Crown
Crown & amp; parte do meio
Crown & amp; parte do meio
deslocamento mínimo
Crown apical & amp; Root ápice
Root lado & amp distal; coroar apicais
Root lado distal & amp; coroa apical
Figura 4 descreve os padrões de distribuição de deslocamento no início, meio e etapas finais. A figura 5 ilustra mudar as tendências para o caudal máximo do canino, durante o movimento ortodôntico, nos três casos de movimento. FIG. 4 Cilindrada tendência de distribuição em canina no início, mais tarde, e as etapas finais
Fig. 5 A tendência mudança de deslocamento máximo do canino durante o tratamento ortodôntico, caso a tradução (a), caso inclinação (b), caso rotação (c)
Salienta do ligamento periodontal
Figura 6 explica os padrões de distribuição de estresse nos três tipos de movimento. Como as tendências de distribuição de estresse foram semelhantes em todo o processo de movimentação dentária, apenas os padrões de distribuição de um passo foram exibidos. Os padrões nas três tensões principais foram similares; por conseguinte, apenas o primeiro esforço princípio foi apresentada. FIG. padrões de distribuição 6 Salienta, em PDL, tradução von-Mises (a), tradução 1º de tensão principal (b), a inclinação von-Mises (c), a inclinação primeira tensão principal (d), a rotação von-Mises (E), rotação 1º de tensão principal (f)
no caso de tradução, as maiores tensões (von Mises, de tração e compressão) em PDL canino foi concentrada no colo do útero durante o movimento dentário. tensão de tracção foi observada principalmente na mesial e superfícies distais perto do lado lingual, e tensão de compressão foi localizado na parte inferior da superfície labial.
No caso de inclinação, a mais alta tensão de von Mises foi concentrada no colo do útero e do vértice. tensão de tração concentrada principalmente na labial colo do útero e lingual ápice e tensão de compressão foi observado no colo do útero lingual e ápice labial.
No caso de rotação, a mais alta tensão de von Mises foi encontrada principalmente no colo do útero e no interior superfície lingual. tensão de tracção foi localizado principalmente na superfície distai, e uma tensão de compressão foi observada na superfície mesial.
Figura 7, a Fig. 8, e A Fig. 9 actuais tendências de mudanças em tensões nos três casos, durante a movimentação ortodôntica. FIG. 7 A tendência mudança de PDL mais alta tensão de von Mises-canino durante o tratamento ortodôntico, caso a tradução (a), caso inclinação (b), caso rotação (c)
Fig. 8 A tendência mudança de PDL mais alta tensão de tração do canino durante o tratamento ortodôntico, caso a tradução (a), caso inclinação (b), caso rotação (c)
Fig. 9 A tendência mudança de PDL mais alta tensão de compressão do canino durante o tratamento ortodôntico, caso a tradução (a), caso inclinação (b), caso rotação (c)
Discussão
Há poucos relatos sobre a simulação dinâmica de ortodôntico processo de movimentação dentária [33, 40]. Jing Y et al. [33] e Y. Qian et al. [40] levou a tensão normal e tensão como os fatores de estímulo de remodelação óssea, no entanto, negligenciado o efeito da tensão de cisalhamento e pressão sobre a remodelação óssea. Além disso suas simulações preciso aplicar carga directamente no dente, e preciso considerar a diminuição das cargas ortodônticos.
No entanto, remodelação óssea é a actividade que o osso mostra a capacidade de se adaptar a uma mudança de cargas externas, ou seja, tem uma osso melhor estrutura no caso de equilíbrio mecânico, e é capaz de remodelação sob uma carga alterada até uma configuração ideal adaptado ao novo estado de equilíbrio é alcançado [41, 42]. A presente investigação foi operado com base nesse princípio.
Calcular o centro de rotação (Crot) do dente pode avaliar o efeito do sistema de forças no movimento dentário. Os padrões de distribuição de deslocamento eram diferentes durante o processo de movimento de dente, o que indicou variar do centro de rotação durante o processo de tratamento com o sistema de correcção de dentes transparente.
A localização de deslocamento mínimo é a localização aproximada do centro de rotação. O
centro de rotação para o caso de tradução foi localizado na raiz no início e mais tarde mudou-se para a parte do meio e, em seguida, parte coroa. O centro de rotação para o caso inclinação movido da raiz à coroa parte. Que demonstrou a canino tradução e inclinação foram atingidos pelo movimento piecewise inclinação, a parte coroa mudou primeiro e depois a parte de raiz movido.
No caso de rotação, o canino rodado junto longo eixo do canino no início, no entanto, com o canino de movimento do eixo de rotação do canino desviado do eixo longo.
a tensão máxima (von Mises, de tração e compressão) quantidade durante a movimentação dentária foi observada na primeira etapa nas simulações. A mais elevada tensão era 75,93 MPa, para o caso de tradução, seguido de 1,08 MPa, para o caso de inclinação, e 0,5051 MPa, para o caso de rotação. A tensão no caso de tradução foi maior do que a tensão óptima de 0,0185 Mpa [43]. Este resultado pode ser atribuído ao deslocamento de tradução concebida neste estudo, que foi de 0,25 mm maior e, portanto, não pode aplicar um movimento de translação apropriada. No entanto, nos casos de inclinação e rotação, o maior estresse foi ligeiramente maior do que a tensão apropriada, mas esta alta tensão diminui rapidamente durante a movimentação dentária e atingiu um patamar em uma escala de estresse relativamente adequada [21-26].
Os padrões de distribuição de tensões no PDL são semelhantes ao longo do processo de movimento dos dentes, em cada caso. No entanto, a distribuição de tensões e deslocamentos foram determinados principalmente por tipos de movimento do canino. O deslocamento máximo para os casos de tradução e de inclinação foi encontrado principalmente na coroa, enquanto que o deslocamento mínimo na raiz e coroa. O deslocamento máximo para o caso de rotação foi localizado na coroa e parte do meio. Para o canino rodado ao longo do eixo longo, o deslocamento mínimo foi encontrado no apical da coroa e radicular.
A maior von Mises para os casos de tradução e de inclinação foram encontrados no colo de PDL. A mais alta tensão de von Mises para o caso de rotação foi localizado no colo do útero ao apical do PDL.
Tensão de tração para o caso de tradução foi observada principalmente na superfícies mesial e distal perto do lado lingual, e tensão de compressão foi localizado no parte inferior da superfície labial. tensão de tração para o caso de inclinação foi encontrado principalmente na labial colo do útero e lingual ápice e tensão de compressão foi observado no colo do útero lingual e ápice labial. tensão de tração para o caso de rotação foi observada na superfície distal e tensão de compressão foi localizado na superfície mesial.
Mudanças de deslocamento máximo do canino e maiores tensões no PDL canino durante o processo de movimentação ortodôntica foram todos exponencial. Isso significa que a mudança de força ortodôntica durante o movimento dentário ortodôntico pode ser exponencial do sistema de correção de dente transparente. Este resultado é consistente com o resultado de experiência de Simon et al. [18].
De acordo com os resultados da simulação, a movimentação ortodôntica e força ortodôntica no sistema de correção de dente transparente pode ser dividido em duas fases. Na primeira fase, o movimento do dente e força ortodôntica foram a máxima no início e depois diminuiu rapidamente. Na segunda fase, o movimento do dente e força ortodôntica mantidos invariante.
As limitações deste estudo envolve a aproximação do comportamento do material do modelo de dente. A relação de tensão-deformação foi assumido como sendo linear, elástico, e isotrópico. Anisotrópica e comportamento viscoelástico dos ligamentos periodontais foi excluído a partir deste modelo. Alguns trabalhos parecem sugerir que esta hipótese em particular é fraco [44]. Em segundo lugar, não foi feita qualquer diferenciação entre cemento celular e acelular.
Conclusão
tipo de movimento do canino teve uma grande influência sobre a distribuição de deslocamento e tensões do canino na PDL canino. Alterações do deslocamento do canino e tensões no PDL canino foram exponencial durante a movimentação ortodôntica no sistema de correção de dente transparente
abreviações
FEM:.
Método dos elementos finitos
PDL:
periodontal ligamento
FE:
elementos finitos
3D:
tridimensional
CT:
A tomografia computadorizada
Crot:
centro de rotação
Declarações
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelo departamento de projeto da chinesa Fujian educação (2012Y4007, JA11010, 2012Y41010014)
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concorrentes. interesses
os autores declaram que não têm interesses conflitantes. contribuições
dos autores
YC é o designer, supervisor e condutor deste estudo. XY e BH ter sido envolvido na elaboração do manuscrito. JY é co-investigador e revisão do manuscrito. Todos os autores leram e aprovaram o manuscrito final informações
dos autores
Yongqing Cai, estudante Docteral, Departamento de Engenharia Química da Universidade Fuzhou, Fujian, China.; Xiaoxiang Yang, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Fuzhou, Fujian, China; Bingwei Ele, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Fuzhou, Fujian, China; Junho Yao, professor do Departamento de Ortodontia, Fujian Medical University, Fujian, China
