Zusammenfassung
Hintergrund
Diese Studie, die 3D-Finite-Elemente-Methode verwendet, um Hunde die Verschiebungen und Spannungen in der Eckzahn des Desmodont (PDL) untersuchen während Eckzahn der Übersetzung, Neigung und Drehung mit transparenten Zahnkorrektur Behandlung.
Methoden Finite-Elemente-Modelle
wurden entwickelt, um dynamische orthodontischen Behandlungen der Übersetzung, Neigung und Drehung des linken Unterkiefers Eckzahn mit transparenten Zahnkorrektursystem simulieren. Stückweise statische Simulationen wurden ausgeführt, um den dynamischen Prozess der orthodontischen Behandlungen zu replizieren. Die Verteilung und Veränderung Trends der Eckzahn der Verschiebungen und Spannungen in der PDL Hunde während der drei Arten von Zahnbewegungen erhalten.
Ergebnisse | Maximale Verschiebungen an der Krone und mittleren Teil der Übersetzung Fall beobachtet wurden, an der Krone in der Neigungs Fall ist, und an der Krone und Wurzelteil in der Rotations Fall. Die relative Maximum von Mises und Hauptspannungen wurden in erster Linie an der Zervix der PDL in der Übersetzung und Neigung Fälle gefunden. Im Übersetzungs Fall wurde Zugspannung hauptsächlich beobachtet auf der mesialen und distalen Oberflächen in der Nähe der lingualen Seite und Druckspannung wurde am Boden der labialen Fläche befindet. Im Neigungs Fall wurde Zugspannung in erster Linie an der Lippen- Gebärmutterhals und lingualen Spitze und Druckspannung beobachtet wurde, an der lingualen Gebärmutterhals und Lippen- Spitze gelegen. Im Rotations Fall wurde von Mises-Spannung hauptsächlich an der Zervix und innerhalb der lingualen Fläche, Zugspannung angeordnet auf der distalen Fläche angeordnet ist, und Druckspannung wurde auf der mesialen Oberfläche detektiert. Die Spannung und Verschiebung Wert verringert sich rasch in den ersten Schritten und erreichte dann ein Plateau.
Schlussfolgerungen
Canine der Bewegungsart deutlich die Verteilung der Eckzahn Verdrängung und Spannungen in den Eckzahn PDL beeinflusst. Änderungen in der Hunde der Verschiebung und Spannungen in der PDL Hunde waren exponentiell in transparenten Zahnkorrektur Behandlung.
Hintergrund
Das primäre Ziel der Kieferorthopädie ist die richtige Position der Zähne im Zahnbogen zu erhalten, die richtige Okklusion mit dem zu bekommen beste funktionale und ästhetische Funktionen.
Seit seiner Aufkommen im Jahr 1999, die transparente Zahnkorrektursystem hat eine akzeptierte Behandlung Wahl für Ärzte geworden. Dieses System basiert auf klaren sequentiellen Geräte (Aligner) aus einem lichtdurchlässigen thermoplastischen Material mit computergestützten Scan- und Bildgebungsverfahren [1]. Daher transparente Zahnkorrektur-System hat seine eigene besondere Biomechanik unterscheidet sich von der herkömmlichen Kieferorthopädie. Die orthodontische Kräfte der transparenten Zahnkorrektur-Technologie resultieren im Wesentlichen aus Rückprallkraft der elastischen Verformung des Ausrichters.
Da es sich um eine relativ neue Methode ist, werden einige Aspekte noch nicht ausreichend untersucht. Frühere Studien über transparente Zahnkorrektur sind auf Einzelfallberichten überwiegend konzentriert [2-7] oder technische oder materialspezifische Aspekte [8-13], oder sie gerichtet Mundhygiene [14, 15] und der Lebensqualität [15, 16] . Doch Untersuchungen über die biomechanischen Fragen in Bezug auf diese Technologie sind wenige und weit zwischen [17, 18]. Orthodontischen Zahnbewegung hat sich als ein äußerst komplexer Vorgang sein, um eine Folge von physikalischen, biochemischen und zellulären Reaktionen, die, was zu Knochenumbau [19]. Neben den biochemischen Prozessen bei den Knochenumbau, die Biomechanik der Zahnbewegung ist ein wichtiges Thema in der kieferorthopädischen Forschung [20]. Einer besonderen Interessen für Kieferorthopäden in diesem Bereich der Technik ist die Berechnung der Spannungen auf den Zahn und das umgebende Gewebe während Zahnbewegung entwickelt. Andere Studien haben sich auf die Untersuchung der Spannungen innerhalb der PDL fokussiert durch orthodontische Kräfte induziert [21-26]. Zu viel hoher Belastung würde Nekrose von PDL verursachen und dass die Rate der Zahnbewegung verlangsamen.
Die Finite-Elemente (FE) Methode verwendet wird, um die Biomechanik von Zahnspangen zu verstehen, weil es um die Schätzung von Spannungen, Dehnungen ermöglicht und Verformungen in verschiedenen Gewebestrukturen, wie Alveolarknochen, Desmodonts (PDL) und die Zähne, während der Behandlung [27-30]. Mehrere Studien haben FE auf orthodontische Mechanik eingesetzt [31-35].
Die Mehrheit der FE Studien über Zahnbewegung haben sich auf statische Auswertung der anfänglichen Ladezustand konzentriert, während dynamische Langzeit FE-Analyse nur selten durchgeführt wurde. KFO-Zahnbewegung ist kein Ein-Schritt-Verfahren, und Veränderungen in den mechanischen Reaktionen von Geweben auftreten, wenn der Zahn mechanisch während der orthodontischen Zahnbewegung simuliert wird.
Diese Studie zielte darauf ab, (1) simulieren den dynamischen Prozess der Übersetzung, Neigung und die Rotation des Unterkiefers Eckzahn mit transparenten Zahnkorrektur Behandlung durch abschnittsweise statische 3D-FE-Methode und (2) die Verteilungsmuster untersuchen und Trends der während der Zahnbewegung in der PDL Eckzahn des Eckzahnverlagerung und Spannungen verändern.
Methoden
Generierung
Modellierung von Finite-Elemente-Modell von 3D-Modellen
die FE-Modelle von Unterkiefers in unseren früheren Untersuchungen festgestellt Gewebe in der aktuellen Studie verwendet wurden [30]. Die 3D-FE-Modelle (Abb. 1), die unteren Frontzähne umfassen, PDL und Alveolarknochen, wurden nach dem sequentiellen Computertomographie entwickelt (CT, Philips /Brilliance64) Bilder (0,5 mm-Abständen) des normalen craniofacial eines Freiwilligen . Die Geometrie der Mandibula und Dentalmodelle wurden mit den MIMICS (Materialise) rekonstruiert und Geomagic Studio (Geomagic) Software. Die Zähne wurden bewegt translational leicht unter Verwendung des 3-matic (Materialise) Software Kontakt zwischen den Zähnen zu beseitigen. Die 0,25 mm dicke Schichten rund um die Zahnwurzel wurden geschaffen, um die PDL zu repräsentieren, wie in früheren Studien gezeigt, [30, 36-38]. Schließlich wurden die konstruierten Modelle zur weiteren Analyse an den FE-Software ABAQUS importiert. Feige. 1 Finite-Elemente-Modell des Unterkiefers Gewebe, Aligner (a), Gebiss (b), Desmodonts (c), Unterkiefer (d), montieren das Modell (e), Last- und Randbedingung (f)
der linken unteren Eckzahnes (Nummer 33) wurde als die behandelten Zahn ausgewählt. Ein lokales Koordinatensystem wurde, wie in gezeigt erstellt. 1 (e) zu übernehmen und canine Bewegungen messen. Der Ursprung wurde in der Grenzfläche der Krone und der Wurzel befindet. Die Z-Achse wurde mit dem Eckzahn langen Achse zusammenfällt. Die Y-Achse in der labial-lingualen Richtung angeordnet ist, und die X-Achse in der mesial-distalen Richtung positioniert. Drei Arten von Zahnbewegungen wurden untersucht: 0,25 mm Übersetzung in der negativen Richtung der Y-Achse (von der labialen Seite zur lingualen Seite), 2 ° Drehung (um die canine langen Achse, der distale Teil bewegt sich von der labialen Seite zur lingualen Seite) und 2 ° Neigung entlang der X-Achse (die Krone bewegt sich von der lingualen Seite der labialen Seite). Die Mengen der durch die Ausrichteinheit induzierten Lasten wurden unter Verwendung des Betrags der Verschiebung bestimmt in dem Ausrichter kooperiert.
Die Ausrichteinheit Dicke angenommen 0,8 mm sein, und die orthodontische Ausrichter Modellierungsprozess war wie folgt: [36, 39] :( 1 Beziehen) die Nachbehandlung Gebiss-PDL-Mandibula-Modelle. Der Eckzahn bewegt in die gewünschte Position des Gehäuses der 3-matic-Software.
(2) Eindickung von Kronen. Die Kronen des Modells in Schritt 1 erhalten wurden, wurden um 0,8 mm in der normalen Richtung der Kronen verdickt durch die Geomagic Studio.
(3), um die verdickte Kronen Vereinen. Die erhaltenen verdickten Kronen wurden in ABAQUS importiert und zusammengeführt als Ganzes (Boolean Add-Operation).
(4) die Nachbehandlung Modelle aus den fusionierten verdickte Krone Modelle subtrahieren. Die entsprechende Nachbehandlung Gebiss-PDL-Mandibula Modell (erhalten in Schritt 1) wurde abgezogen (Boolesche Operation) aus dem in Schritt erhaltenen Modell 3 bis Ausrichters Modelle erhalten.
2 beschreibt die vier Schritte des Modellierungsprozesses, mit dem Übersetzungs Fall als Beispiel. Feige. 2 Der Modellierungsprozess von Aligner in Übersetzung Fall
Materialeigenschaften, Die mechanischen Eigenschaften des Zahns, PDL und Alveolarknochen angenommen wurden linear elastisch, homogen zu sein, und isotrop und definiert nach den bisherigen Untersuchungen [36, 39 ], wie in Tabelle 1 1.Table Materialeigenschaften und Einheit und Knotennummern von FE-Modellen der
Elastizitätsmodul /MPa
Poisson-Verhältnis bei
Zahl gezeigt von Elementen
Anzahl der Knoten
Zähne
18600
0,31
15457
26371
Alveolarknochen
13700
0,30
51502
80282
parodontalen ligament
0.68
0.49
12891
26396
Aligner
816.31
0.30
19256
37024
Zehn-Knoten tetraedrische Element wurde in den FE-Modellen angenommen, und die Anzahl der Elemente und Knoten für jede Komponente des Modells sind in Tabelle 1 dargestellt Die Elemente mit Netzsucht wurden Befehl in ABAQUS Überprüfen Konvergenz des FE-Modells zu gewährleisten.
Laden und Randbedingungen
die Wechselwirkung der Kronen und Aligner wurden reibungs- sein angenommen und jeder Zahn kam nicht mit ihren benachbarten Zähne in Kontakt. Die unteren und hinteren Flächen des Unterkiefers wurden ebenfalls festgelegt. Ca. 5000 Knoten wurden beschränkt, wie in gezeigt. 1 (f).
Simulation der Zahnbewegung Prozess
In dieser Untersuchung wurde Knochenumbau angenommen auf den Zahn Verformung und der umgebenden Struktur durch orthodontische Kraft erzeugt anzupassen. Stückweise statische Simulationen wurden durchgeführt, um dynamische Zahnbewegung replizieren. Einer statischen Simulation wurde in einem Schritt betrieben. Der verformte canine, PDL und Alveolarknochen im letzten Schritt der statischen Simulation wurden als Modell für die nächste statischen Simulation erhalten und verwendet wird. Die Modelle in jedem Schritt verwendet werden, in Fig. 3. Fig. 3 Die Modelle in jedem Schritt
Ergebnisse verwendet
Während der Simulation umfasste die Übersetzung Fall 61 Stufen, die Neigung Fall 15 Stufen hatte, und die Rotation Fall hatte 16 Stufen.
Canine anfängliche Verschiebung
Der Eckzahn des Verdrängungsmuster unterschieden sich in der kieferorthopädischen Behandlung. Tabelle 2 zeigt die Position Änderung der maximalen und minimalen Verschiebungen des Hunde in jedem case.Table 2 Die Änderung der maximalen Hunde- und minimale Verschiebung Standort Hüllen
Beginning
Später
Finale
Übersetzung
Maximale Verschiebung
Crown apikal
Crown apikal
Mittelteil
Mindest Verschiebung
Root-Teil Bei
Crown Gebärmutterhals & amp; Root Apikalteil
Crown Teil
Neigung
Maximale Verschiebung
Crown Part
Crown Part
Crown Teil
Mindest Verschiebung
Wurzelteil
Crown Part
Crown Teil
Rotation
Maximale Verschiebung
Crown Part
Crown & amp; Mittelteil
Crown & amp; Mittelteil
Mindest Verschiebung
Crown apikal & amp; Wurzelspitze
Wurzel distalen Seite & amp; Krone apikal
Wurzel distalen Seite & amp; Krone apikal
Abbildung 4 beschreibt die Verschiebung Verteilungsmuster am Anfang, in der Mitte und letzten Schritte. 5 zeigt Trends in der maximalen Verschiebung der Eckzahn ändern während der orthodontischen Bewegung in den drei Bewegungs Fällen. Feige. 4 Hubraum Verteilung Trend in der Hunde am Anfang, später, und letzten Schritte zum Abb. 5 Die Veränderung Trend der Eckzahn maximale Verschiebung während der kieferorthopädischen Behandlung, Übersetzung Fall (a), Neigung Fall (b), Rotation Fall (c)
betont des Desmodonts
6 erläutert die Spannungsverteilung Muster in den drei Bewegungsarten. Da die Spannungsverteilung Trends in der gesamten Zahnbewegungsprozess ähnlich waren, nur die Verteilungsmuster von einem Schritt angezeigt wurden. Die Muster in den drei Hauptspannungen waren ähnlich; Daher wird nur die erste Hauptspannung wurde vorgestellt. Feige. 6 betont Verteilungsmuster in PDL, Übersetzung von-Mises-Spannung (a), Übersetzung 1. Hauptspannung (b), Neigung von-Mises-Spannung (c), Neigung 1. Hauptspannung (d), Rotation von-Mises-Spannung (e), Rotation 1. Hauptspannung (f)
im Übersetzungs Fall sind die höchsten Belastungen (von Mises, Zug- und Druck) in Eckzahn PDL wurde an der Zervix während der Zahnbewegung konzentriert. Zugspannung wurde hauptsächlich auf der mesialen und distalen Oberflächen in der Nähe der lingualen Seite beobachtet, und die Druckspannung wurde am Boden der labialen Fläche befindet.
Im Neigungs Fall wurde die höchste von Mises-Spannung in der Zervix und Spitze konzentriert. Zugspannung hauptsächlich an der labialen und lingualen apex Zervix konzentriert und Druckspannung wurde an der lingualen und labialen Zervix apex beobachtet.
Im Rotations Fall wurde die höchste von Mises-Spannung hauptsächlich an der Zervix und innerhalb der lingualen Oberfläche gefunden. Die Zugspannung wurde in erster Linie auf der distalen Oberfläche befindet, und Druckspannung wurde auf der Mesialfläche beobachtet.
7, Abb Figur. 8 und Fig. 9 vorhanden Veränderung Trends in Spannungen in den drei Fällen während der kieferorthopädischen Zahnbewegung. Feige. 7 Die Veränderung Trend der Eckzahn PDL höchste von-Mises-Spannung während der kieferorthopädischen Behandlung, Übersetzung Fall (a), Neigung Fall (b), Rotation Fall (c)
Abb. 8 Die Veränderung Trend der Eckzahn PDL höchste Zugspannung während der kieferorthopädischen Behandlung, Übersetzung Fall (a), Neigung Fall (b), Rotation Fall (c)
Abb. 9 Die Veränderung Trend der Eckzahn PDL höchste Druckspannung während der kieferorthopädischen Behandlung, Übersetzung Fall (a), Neigung Fall (b), Rotation Fall (c)
Diskussion
Es gibt nur wenige Berichte über die dynamische Simulation von orthodontischen Zahnbewegung Prozess [33, 40]. Jing Y et al. [33] und Y. Qian et al. [40] nahm die normale Spannung und Dehnung als Knochenumbau Stimulus Faktoren, vernachlässigt jedoch die Wirkung von Scherspannung und die Belastung für den Knochenumbau. Darüber hinaus ihre Simulationen Belastung direkt auf den Zahn anwenden müssen, und müssen die orthodontischer Belastungen verringert berücksichtigen.
Jedoch Knochenumbau ist die Aktivität, die Knochen zeigt die Fähigkeit zu einer Änderung der externen Belastungen anzupassen, hat also Knochen ein optimale Struktur im Fall des mechanischen Gleichgewicht ist und in der Lage Remodeling unter einem geänderten Last, bis eine optimale Konfiguration in den neuen Gleichgewichtszustand erreicht wird angepasst [41, 42]. Das wurde bei dieser Untersuchung basiert auf diesem Prinzip betrieben.
Berechnung der Drehzentrum (Crot) des Zahns kann die Wirkung des Kraftsystems auf der Zahnbewegung zu bewerten. Die Verteilungsmuster der Verschiebung unterschieden durch den Prozess der Zahnbewegung, die während des Behandlungsprozesses mit transparenten Zahnkorrektursystem variieren Drehzentrum angezeigt.
Die Lage des minimalen Verdrängung ist die ungefähre Lage des Rotationszentrums.
Die Rotationszentrum für die Übersetzung Fall wurde an der Wurzel am Anfang befindet und zog später in den mittleren Teil und dann Kronenteil. Das Rotationszentrum für Neigungs Fall bewegt von Wurzelteil zu krönen. Dass die Hunde des demonstriert Übersetzung und Neigung durch abschnittsweise Neigungsbewegung erreicht wurden, bewegte sich der Kronenteil zuerst und dann die Wurzelteil bewegt.
Drehung Fall der Hund entlang der Eckzahn langen Achse am Anfang gedreht wird, jedoch mit dem Eckzahn des Bewegung der Drehachse abweicht Hunde- von der langen Achse.
die maximale Spannung (von Mises, Zug- und Druck) Menge während der Zahnbewegung beim ersten Schritt in den Simulationen beobachtet wurde. Die höchste Belastung war 75,93 Mpa für die Übersetzung Fall, gefolgt von 1,08 MPa für die Neigung Fall und 0,5051 Mpa für die Rotation Fall. Die Spannung in der Übersetzungs Fall war höher als die optimale Spannung von 0,0185 Mpa [43]. Dieses Ergebnis kann in dieser Studie entwickelt, um die Übersetzungsverschiebung zurückzuführen, die 0,25 mm größer und somit wurde, kann nicht eine entsprechende Translationsbewegung arbeiten. Doch in der Neigung und Drehung Fällen war die höchste Belastung etwas höher als die entsprechende Spannung, aber diese hohe Belastung schnell verringert während der Zahnbewegung und erreichte ein Plateau in einem relativ geeigneten Spannungsbereich [21-26]., Die Verteilungsmuster von Spannungen in der PDL sind in der gesamten Zahnbewegung Prozess in jedem Fall ähnlich. Allerdings wurden die Verteilung der Spannungen und Verschiebungen vor allem durch die Hunde des Bewegungsarten bestimmt. Die maximale Verschiebung für die Übersetzung und Neigung Fällen wurde in erster Linie an der Krone, während die minimale Verschiebung an der Wurzel und Krone gefunden. Die maximale Verschiebung für die Rotation Fall wurde an der Krone und Mittelteil befindet. Für den Eckzahn entlang der langen Achse gedreht wurde die minimale Verschiebung am apikalen der Krone und Wurzel gefunden.
Die höchste von Mises für die Übersetzung und Neigungs Fällen betont wurden bei den Gebärmutterhals der PDL gefunden. Die höchste von Mises-Spannung für die Rotation Fall wurde in den Gebärmutterhals in die apikal von PDL gelegen.
Zugspannung für die Übersetzung Fall wurde auf der mesialen und distalen Oberflächen in der Nähe der lingualen Seite hauptsächlich beobachtet und Druckspannung wurde an der sich Boden des Labialoberfläche. Zugspannung für die Neigung Fall wurde vor allem an der Lippen- Gebärmutterhals und lingualen Spitze gefunden und Druckspannung wurde auf der lingualen Gebärmutterhals und Lippen- Spitze beobachtet. Zugspannung für die Rotation Fall wurde auf der distalen Oberfläche beobachtet und Druckspannung wurde auf der Mesialfläche befindet.
Änderungen der Hunde maximale Verschiebung und höchsten Belastungen in Eckzahn PDL während der kieferorthopädischen Zahnbewegung Prozess waren alle exponentiell. Das bedeutet, dass die Änderung der orthodontischen Kraft während der kieferorthopädischen Zahnbewegung in der transparenten Zahnkorrektursystem exponentiell sein kann. Dieser Befund ist mit dem Versuchsergebnis von Simon et al konsistent. [18].
Nach den Simulationsergebnissen kann der Zahnbewegung und Kieferkraft in transparenten Zahnkorrektursystem in zwei Stufen unterteilt werden. In der ersten Stufe wird die Zahnbewegung und orthodontische Kraft waren das Maximum am Anfang und dann schnell verringert. In der zweiten Stufe wird der Zahnbewegung und Kieferkraft gehalten invariant.
Einschränkungen dieser Studie beinhalten die Annäherung des Materialverhaltens des Zahnmodells. Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung wurde angenommen, linear, elastisch und isotrop sein. Anisotrope und viskoelastische Verhalten der parodontalen Bänder wurde von diesem Modell ausgeschlossen. Einige arbeiten scheint darauf hinzudeuten, dass diese Annahme insbesondere schwach ist [44]. Zweitens wurde keine Unterscheidung zwischen zellulären und azellulären cementum gemacht.
Fazit
Die Bewegungsart des Eckzahn einen großen Einfluss auf den Vertrieb von Hunde- Verdrängung und Spannungen in der Hunde PDL hatte. Änderungen der Hunde Verdrängung und Spannungen in der Hunde PDL waren exponentiell während der kieferorthopädischen Zahnbewegung in transparenten Zahnkorrektursystem
Abkürzungen
FEM.
Finite-Elemente-Methode
PDL:
Desmodont
FE:
Finite-Elemente-
3D:
dreidimensionale
CT:
Computertomographie
CROT:
Mitte der Rotation
Erklärungen
Danksagungen
Diese Arbeit wurde durch das Projekt der chinesischen Fujian Abteilung Bildung unterstützt (2012Y4007, JA11010, 2012Y41010014)
öffnen AccessThis Artikel ist unter den Bedingungen der Creative Commons 4.0 Internationale License (http:. //Creative. org /Lizenzen /von /4 0 /), die uneingeschränkte Nutzung erlaubt, die Verteilung und Vervielfältigung in jedem Medium, vorausgesetzt, Sie geben entsprechende Gutschrift an den ursprünglichen Autor (en) und der Quelle, einen Link der Creative-Commons-Lizenz, und zeigen an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Creative Commons Public Domain Dedication Verzicht (http:. //Creative org /public /null /1 0 /) gilt für die Daten in diesem Artikel zur Verfügung gestellt, sofern nicht anders angegeben
Wettbewerb. Interessen
die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.
Beiträge der Autoren
YC der Designer, Supervisor und Leiter dieser Studie ist. XY und BH wurden bei der Ausarbeitung des Manuskripts beteiligt. JY ist Co-Investigator und das Manuskript überprüft. Alle Autoren gelesen und genehmigt haben das endgültige Manuskript
Autoren Informationen
Yongqing Cai, Docteral Student, Department of Chemical Engineering, Fuzhou Universität, Fujian, China. Xiaoxiang Yang, Professor, Fakultät für Maschinenbau, Fuzhou Universität, Fujian, China; Bingwei Er, Professor, Fakultät für Maschinenbau, Fuzhou Universität, Fujian, China; Juni Yao, Professor, Abteilung für Kieferorthopädie, Fujian Medical University, Fujian, China
