이 연구는 American Association of Orthodontists Foundation(AAOF) Orthodontic Faculty Development Fellowship Award(CL), American Association of Orthodontists(AAO) Full-Time Faculty Fellowship Award(CL), University of Pennsylvania School of Dental Medicine Joseph and Josephine Rabinowitz Award for Excellence in Research(CL), J. Henry O'Hern Jr. Pilot Grant, Department of Orthodontics, University of Pennsylvania School of Dental Medicine(CL용) 및 International Orthodontic Foundation Young Research Grant(CL용).

유한 요소 모델을 사용한 SARPE의 팽창 패턴 분석

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	<li>Mommaerts, M. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transpalatal+distraction+as+a+method+of+maxillary+expansion.">Transpalatal distraction as a method of maxillary expansion.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 37 (4), 268-272 (1999).</li><li>Betts, N. J., Vanarsdall, R. L., Barber, H. D., Higgins-Barber, K., Fonseca, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diagnosis+and+treatment+of+transverse+maxillary+deficiency.">Diagnosis and treatment of transverse maxillary deficiency.</a> The International Journal of Adult Orthodontics and Orthognathic Surgery. 10 (2), 75-96 (1995).</li><li>Lin, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asymmetric+maxillary+expansion+introduced+by+surgically+assisted+rapid+palatal+expansion:+A+systematic+review.">Asymmetric maxillary expansion introduced by surgically assisted rapid palatal expansion: A systematic review.</a> Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 80 (12), 1902-1911 (2022).</li><li>Chamberland, S., Proffit, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Short-term+and+long-term+stability+of+surgically+assisted+rapid+palatal+expansion+revisited.">Short-term and long-term stability of surgically assisted rapid palatal expansion revisited.</a> American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 139 (6), 815-822 (2011).</li><li>Verlinden, C. R., Gooris, P. G., Becking, A. 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N., Xie, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Journal of Orofacial Orthopedics/Fortschritte der Kieferorthopadie. 81 (6), 385-395 (2020).</li><li>Tomazi, F. H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Hyrax+appliance+with+tooth+anchorage+variations+in+surgically+assisted+rapid+maxillary+expansion:+a+finite+element+analysis.">The Hyrax appliance with tooth anchorage variations in surgically assisted rapid maxillary expansion: a finite element analysis.</a> Oral and Maxillofacial Surgery. , (2022).</li><li>Trivedi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+element+analysis:+A+boon+to+dentistry.">Finite element analysis: A boon to dentistry.</a> Journal of Oral Biology and Craniofacial Research. 4 (3), 200-203 (2014).</li><li>Sankar, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> National Journal of Maxillofacial Surgery. 12 (2), 171-180 (2021).</li><li>Han, U. A., Kim, Y., Park, J. 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C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+effects+of+pterygomaxillary+disconnection+during+surgically+assisted+rapid+palatal+expansion:+a+cadaveric+study.">Three-dimensional effects of pterygomaxillary disconnection during surgically assisted rapid palatal expansion: a cadaveric study.</a> Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, and Oral Radiology. 121 (6), 602-608 (2016).</li></ol>

저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.

SARPE에서 협측 절골술의 방향은 Betts2에 설명된 대로 상악 부벽 영역에서 아래로 내려가기 전에 비강 구멍에서 수평으로 절단하거나 상악 제1대구치에 해당하는 부벽을 향해 이상근 가장자리에서 경사 절개일 수 있습니다. 어느 쪽이든, 절골술은 상악의 접합돌기 아래로 훨씬 아래로 확장됩니다. 그러나 SARPE에 대한 대부분의 최신 FEA 연구는 이상근 림 6,7,12,14와 ...

SARPE(Surgically Assisted Rapid Palatal Expansion)는 골격적으로 성숙한 환자에서 상악골 구조와 치궁을 횡방향으로 확장하는 데 일반적으로 사용되는 기술이다1. 수술에는 LeFort I 절골술, 중간 구개 피질 절제술, 그리고 선택적으로 익상편-상악 열구의 해제가 포함됩니다2. 그러나, 좌측 및 우측 반악골3 사이의 불균일한팽창 및 치조골돌기 협측 팁핑/회전4과 같은 SARPE의 바람직하지 않은 팽창 패턴이 보고되었으며, 이는 SARPE의 실패로 이어질 수있으며, 때로는 교정을 위한 추가 수술이 필요할 수도 있다5. 이전 연구에서는 Le Fort I 절골술 부위의 뼈 블록 간의 충돌이 반악골의 측면 확장의 불균일한 저항력과 치조골 돌기가 확장되는 동안 절개 아래의 치조 가장자리가 안쪽으로 이동하는 반악골의 회전에 기여할 수 있기 때문에 상악 주위 절골술의 변화가 SARPE 후 확장 패턴2,3에서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사했습니다 3, 4입니다. 따라서 다양한 절골술 방향, 특히 협측 절골술이 SARPE 후 확장 패턴에 미치는 영향을 조사할 필요가 있습니다.
SARPE에서 힘 분포를 평가하기 위해 여러 유한 요소 해석(FEA) 모델이 설정되었습니다. 그러나 이러한 모델에서 설정된 확장량은 최대 1mm로 제한되며, 이는 필요한 임상량 6,7,8,9,10,11,12에 훨씬 못 미칩니다. FEA 모델의 부적절한 확장은 SARPE 이후 결과에 대한 잘못된 예측으로 이어질 수 있습니다. 보다 구체적으로, Chamberland와 Proffit4에 의해 보고된 바와 같이, 절골술 부위의 뼈 사이의 충돌은 확장기가 적절하게 회전되지 않으면 입증되지 않을 수 있으며, 이는 실제 임상 현실을 반영하지 않을 수 있습니다. 이전 모델에는 제한된 양의 확장이 구축되어 있었기 때문에 이러한 모델의 결과 평가는 응력 해석에 중점을 두었습니다. 그러나 치과에서 FEA의 응력 분석은 일반적으로 등방성 및 선형 탄성으로 설정된 재료의 기계적 특성으로 정적 하중 하에서 수행되며, 이는 FEA 연구의 임상적 관련성을 더욱 제한합니다13.
 더욱이, 이러한 연구의 대부분은 절골 부위 6,7,8,10,11,12 에서 수술 기구의 두께를 고려하지 않았으며, 종종 경계 조건의 일부로 절개부의 마찰을 0으로 설정했다. 그러나 이 설정은 경조직과 연조직 사이의 접촉을 과도하게 단순화합니다. 이는 힘의 분포와 그에 따른 반악골의 확장 패턴에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 유한요소분석(FEA) 모델을 사용하여 SARPE 이후 비대칭에 대한 절골술의 효과를 조사한 문헌은 없습니다. 현재의 모든 연구는 대칭 절골술 패턴 6,7,8,9,10,11,12,14를 가진 모델을 사용했는데, 이는 두개골의 양쪽에서 절골술이 다를 수 있는 임상 실습의 현실을 반영하지 않는다. 비대칭 절골술이 SARPE 이후 비대칭에 미치는 영향을 조사한 문헌의 부족은 해결해야 할 상당한 지식 격차를 나타냅니다.
따라서 본 연구의 목표는 확장량과 절골술 갭을 포함한 임상 조건을 진정으로 모방할 수 있는 SARPE의 새로운 FEA 모델을 개발하고, 절골술의 다양한 디자인으로 3차원 모두에서 반악골의 확장 패턴을 조사하는 것입니다. 이러한 접근 방식은 SARPE 이후 확장 패턴의 근간이 되는 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공하고 SARPE 절차의 계획 및 실행에 있어 임상의에게 유용한 도구 역할을 할 것입니다.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ansys</td>
			<td>Ansys</td>
			<td>Version 2019</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Geomagic Studio</td>
			<td>3D Systems</td>
			<td>Version 10</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mimics</td>
			<td>Materialise</td>
			<td>Version 16</td>
			<td>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&#39;s DICOM images.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks</td>
			<td>Dassault Syst&#232;mes</td>
			<td>Version 2018</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

finite element analysis model for assessing expansion patterns from surgically assisted rapid palatal expansion

골격적으로 성숙한 환자의 골격 확장을 촉진하기 위해 뼈 저항을 완화하기 위해 수술 보조 급속 구개 확장(SARPE)이 도입되었습니다. 그러나 전체 SARPE 환자의 7.52%에서 좌우 사이의 비대칭 팽창이 보고되었으며, 그 중 12.90%는 교정을 위해 두 번째 수술을 받아야 했습니다. 비대칭 팽창으로 이어지는 원인은 아직 불분명합니다. 유한 요소 분석은 악안면 구조에서 SARPE와 관련된 응력을 평가하는 데 사용되었습니다. 그러나 LeFort I 절골술 부위의 뼈 충돌은 일정량의 팽창 후에만 발생하기 때문에 이러한 기존 모델의 팽창량이 1mm를 거의 초과하지 않는다는 점을 감안할 때 대부분의 기존 모델은 힘 분포를 제대로 나타내지 않습니다. 따라서 3차원 모두에서 반악골의 확장 패턴에 대한 추가 분석을 위해 임상적으로 필요한 양의 확장기 활성화를 수행할 수 있는 SARPE의 새로운 유한 요소 모델을 만들 필요가 있습니다. 원뿔 빔 컴퓨터 단층 촬영(CBCT)의 3차원(3D) 두개골 모델을 Mimics로 가져와 수학적 엔터티로 변환하여 상악 복합체, 상악 제1소구치 및 상악 제1대구치를 분할했습니다. 이러한 구조는 표면 평활화와 해면 뼈 및 치주 인대 생성을 위해 Geomagic으로 옮겨졌습니다. 그런 다음 상악 복합체의 오른쪽 절반을 유지하고 미러링하여 SolidWorks에서 완벽하게 대칭 모델을 만들었습니다. Haas 확장기를 제작하여 상악 제1소구치와 제1대구치에 묶었습니다. 1mm의 간극을 가진 다양한 각도에서 협측 절골술의 다양한 조합에 대한 유한 요소 분석은 Ansys에서 수행되었습니다. 양면의 원하는 팽창량(총 6mm 이상)에 도달할 때까지 수렴 테스트를 수행했습니다. 이 연구는 협측 절골술이 SARPE의 확장 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위한 토대를 마련합니다.

Surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE) is a commonly used technique for transversely expanding the maxillary bony structure and the dental arch in skeletally mature patients1. The surgery involves a LeFort I osteotomy, a mid-palatal corticotomy, and, optionally, the release of the pterygoid-maxillary fissure2. However, undesired expansion patterns from SARPE, such as uneven expansion between left and right hemimaxillae3 and dentoalveolar process buccal tipping/rotation4, have been reported, which could lead to failure of SARPE, and sometimes, even requiring additional surgeries for correction5. Previous studies have indicated that the variation in circum-maxillary osteotomies may play a significant role in post-SARPE expansion pattern2,3, as the collisions between the bone blocks at the Le Fort I osteotomy sites can contribute to the uneven resisting force of lateral expansion of the hemimaxillae and to the rotation of the hemimaxillae with the alveolar edges below the cut moving inwards while the dentoalveolar process expands3,4. Therefore, there is a need to investigate the effects of different osteotomy directions, especially the buccal osteotomy, on post-SARPE expansion patterns.
Several finite element analysis (FEA) models have been set up to evaluate the force distribution during SARPE. However, the amount of expansion set in these models is limited to up to 1 mm, which is far below the required clinical amount6,7,8,9,10,11,12. Inadequate expansion in FEA models can lead to erroneous predictions of post-SARPE outcomes. More specifically, the collision between the bones at the osteotomy site, as reported by Chamberland and Proffit4, may not be demonstrated if the expander is not adequately turned, which may not reflect the true clinical reality. With the limited amount of expansion built in the previous models, the outcome evaluations of these models were focused on stress analysis. However, the stress analysis of FEA in dentistry is usually conducted under static loading with the mechanical properties of materials set as isotropic and linearly elastic, which further restricts the clinical relevance of the FEA studies13.
Furthermore, most of these studies did not consider the thickness of the surgical instrument at the osteotomy site6,7,8,10,11,12, often setting friction to zero at the cuts as part of the boundary conditions. However, this setting oversimplifies the contacts between the hard and soft tissues. It may significantly impact the distribution of force and the resulting expansion pattern of the hemimaxillae.
Nevertheless, no available literature has investigated the effect of osteotomy on post-SARPE asymmetry using finite element analysis (FEA) models. All the current studies employed models with symmetrical osteotomy patterns6,7,8,9,10,11,12,14, which do not reflect the reality of clinical practice where the osteotomies may differ on each side of the skull. The lack of literature examining the effect of asymmetrical osteotomies on post-SARPE asymmetry represents a significant knowledge gap that must be addressed.
Therefore, the goal of this study is to develop a novel FEA model of SARPE that can truly mimic the clinical conditions, including the expansion amount and osteotomy gap, and investigate the expansion patterns of the hemimaxillae in all three dimensions with various designs of the osteotomy. Such an approach would provide valuable insight into the mechanics underlying post-SARPE expansion patterns and serve as a useful tool for clinicians in the planning and execution of SARPE procedures.

저자 스포트라이트: 양악수술 기법 개선을 위한 새로운 유한 요소 해석 모델 개발 

외과적 보조 급속 구개 확장에서 확장 패턴을 평가하기 위한 유한 요소 해석 모델

SARPE is commonly used for maxillary expansion in skeletal immature patients. However, asymmetric expansion has been reported with unknown etiologies. This study aims to develop a novel FEA model of SARPE that can truly mimic the clinical conditions, and to investigate the expansion patterns of the hemi-maxilla in all three dimensions.Finite element analysis has been used in the dental and bioengineering field to allow in vitro simulation of surgeries, such as SARPE. In this study, four software were utilized to set up the FEA model and to predict expansion pattern. The most challenging part, which most previous studies link, is to simulate forces at the wound healing site across osteotomy surface.To achieve this, springs were set in our pilot study and is considered a novel design for SARPE FEA. This unified element model focused on its patient patterns, making it more realistic SARPE simulation through osteotomy gap creation and experience inclusion. It presents significant potential as the clinical tool for branding and its guiding SARPE procedures.Our interdisciplinary group will work diligently to develop cutting-edge 3D models that can provide valuable insights into personalized treatment strategies to analyze and improve orthognatic surgical technique by utilizing an engineering-assisted approach and to improve communication and collaboration between orthodontists and oral maxillofacial surgeons through engineering-assisted 3D imaging system.

시연 모델은 상악 결손이 있는 47세 여성의 CBCT 이미지를 활용했습니다. 생성된 모델에서는 비강, 상악동 및 확장기 고정 치아(제1 소구치 및 제1 대구치)를 위한 치주 인대 공간의 해부학적 구조가 보존됩니다(그림 1).
수술 과정을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 모든 시뮬레이션에서 비중격, 비강 측벽, 익상악골 열구를 상악체에서 분리했습니다. 또한 ?...

Watch this Scientific Journal Video about Development of a Novel Finite Element Analysis Model for Improved Orthognathic Surgical Techniques at JoVE.com

다양한 각도의 협측 절골술로 임상적으로 필요한 양의 확장기 활성화를 수행할 수 있는 외과적으로 보조 급속 구개 확장(SARPE)의 새로운 유한 요소 모델 세트가 3차원 모두에서 반악골의 확장 패턴에 대한 추가 분석을 위해 만들어졌습니다.

Surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE) was introduced to release bony resistance to facilitate skeletal expansion in skeletally mature ...

SARPE는 일반적으로 골격계 미성숙 환자의 상악 확장에 사용됩니다. 그러나 원인을 알 수 없는 비대칭 팽창이 보고되었습니다. 이 연구는 임상 조건을 진정으로 모방할 수 있는 SARPE의 새로운 FEA 모델을 개발하고 3차원 모두에서 반상악골의 확장 패턴을 조사하는 것을 목표로 합니다.유한 요소 분석은 SARPE와 같은 수술의 체외 시뮬레이션을 허용하기 위해 치과 및 생명 공학 분야에서 사용되었습니다. 이 연구에서는 FEA 모델을 설정하고 확장 패턴을 예측하기 위해 4개의 소프트웨어를 활용했습니다. 대부분의 이전 연구에서 가장 어려운 부분은 절골 표면을 가로질러 상처 치유 부위의 힘을 시뮬레이션하는 것입니다.이를 달성하기 위해 스프링은 파일럿 연구에서 설정되었으며 SARPE FEA의 새로운 설계로 간주됩니다. 이 통합 요소 모델은 환자 패턴에 초점을 맞춰 절골술 갭 생성 및 경험 포함을 통해 보다 사실적인 SARPE 시뮬레이션을 만들었습니다. 이는 브랜딩 및 SARPE 절차를 안내하는 임상 도구로서 상당한 잠재력을 제시합니다.우리의 학제 간 그룹은 엔지니어링 지원 접근 방식을 활용하여 양악 수술 기술을 분석 및 개선하고 엔지니어링 지원 3D 이미징 시스템을 통해 교정 의사와 구강 악안면 외과 의사 간의 의사 소통 및 협업을 개선하기 위해 개인화된 치료 전략에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있는 최첨단 3D 모델을 개발하기 위해 부지런히 노력할 것입니다.

finite-element-analysis-model-for-assessing-expansion-patterns-from

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Finite Element Analysis Model for Assessing Expansion Patterns from Surgically Assisted Rapid Palatal Expansion

889 조회수.  University of Pennsylvania. SARPE는 일반적으로 골격계 미성숙 환자의 상악 확장에 사용됩니다. 그러나 원인을 알 수 없는 비대칭 팽창이 보고되었습니다. 이 연구는 임상 조건을 진정으로 모방할 수 있는 SARPE의 새로운 FEA 모델을 개발하고 3차원 모두에서 반상악골의 확장 패턴을 조사하는 것을 목표로 합니다.유한 요소 분석은 SARPE와 같은 수술의 체외 시뮬레이션을 허용하기 위해 치과 및 생명 공?...