Подход к элементу Finite для поиска Центра Сопротивления челюстно-лицевых зубов

Резюме

Это исследование излагает необходимые инструменты для использования низких доз трехмерных конуса луч на основе пациентов изображения челюсти и челюстно-лицевых зубов для получения конечных моделей элементов. Эти модели пациентов затем используются для точного определения_ВИЭ всех челюстных зубов.

Аннотация

Центр сопротивления (C_RES) считается фундаментальной точкой отсчета для предсказуемого движения зуба. Методы, используемые для оценки C_ВИЭ зубов варьируются от традиционных радиографических и физических измерений до анализа in vitro на моделях или образцах трупов. Методы, связанные с конечным анализом элементов высокодозных микро-КТ моделей и одиночных зубов, показали много обещанных, но мало что было сделано с новыми, низкими дозами и низкой разрешением конусного пучка компьютерной томографии (CBCT). Кроме того, были описаны_ВИЭ Для всего лишь нескольких избранных зубов (т.е. верхнечелюстного центрального резца, собачьего и первого молярного); остальные были в значительной степени проигнорированы. Необходимо также подробно описать методологию определения_ВИЭ С, с тем чтобы ее стало легко воспроизвести и развить.

В этом исследовании использовались обычные изображения пациентов CBCT для разработки инструментов и рабочего процесса для получения моделей конечных элементов для определения местонахождения C_ВИЭ челюстно-лицевых зубов. Объемные изображения CBCT были обработаны для извлечения трехмерных (3D) биологических структур, имеющих отношение к определению_ВИЭ челюстно-лицевых зубов путем сегментации. Сегментированные объекты были очищены и преобразованы в виртуальную сетку, состоящую из тетраэдра (tet4) треугольников, имеющих максимальную длину края 1 мм с 3matic программным обеспечением. Модели были дополнительно преобразованы в твердую объемную сетку тетраэдронов с максимальной длиной края 1 мм для использования в анализе конечных элементов. Инженерное программное обеспечение, Abaqus, было использовано для предварительной обработки моделей для создания сборки и набора свойств материала, условий взаимодействия, условий границы и приложений нагрузки. Нагрузки при анализе моделируют напряжения и нагрузки на систему, помогая в обнаружении_ВИЭC. Это исследование является первым шагом в точном прогнозировании движения зуба.

Введение

Центр сопротивления (С_РИз)зуба или сегмента зубов аналогин центру массы свободного тела. Это термин, заимствованный из области механики жестких тел. При применении одной силы в_ВИЭС, перевод зуба в направлении линии действия силы происходит^1,,2. Положение С_ВИЭ зависит не только от анатомии зуба и свойств, но и от его окружающей среды (например, пародонтальной связки, окружающих костей, смежных зубов). Зуб является сдержанным телом, что делает его C_ВИЭ похож на центр массы свободного тела. При манипулировании приборами большинство ортодонтов учитывают связь силового вектора с_ВИЭ зуба или группы зубов. Действительно, будет ли объект отображать опрокидывания или телесные движения при представлении в одну силу в основном определяется расположением C_ВИЭ объекта и расстояние между вектором силы и C_ReS. Если это можно точно предсказать, результаты лечения будут значительно улучшены. Таким образом, точная оценка_ВИЭ С может значительно повысить эффективность ортодонтического движения зуба.

На протяжении десятилетий, ортодонтическое поле было пересмотра исследований относительно расположения C_ВИЭ данного зуба, сегмента, или арки^{1,,2,3,4,5,6,,7,8,9,10,11,12}. Тем не менее, эти исследования были ограничены в своем подходе во многих отношениях. Большинство исследований определили C_ВИЭ всего за несколько зубов, оставляя большинство. Например, довольно обширная оценка верхнечелюстного центрального резца и сегмента верхнечелюстного резца. С другой стороны, Есть только несколько исследований на верхнечелюстной кбыля и первый моляр и ни одного для остальных зубов. Кроме того, многие из этих исследований определили местоположение_ВИЭ на основе общих анатомических данных по зубам, измерений с двухмерных (2D) радиографов и расчетов по 2D чертежам^8. Кроме того, некоторые из текущей литературы использует общие модели или трехмерные (3D) сканирование моделей зубной формы, а не человеческие данные^4,8. Как ортодонтики переходит в 3D-технологии для планирования движения зуба, очень важно вернуться к этой концепции для разработки 3D, научное понимание движения зубов.

С технологическими достижениями, приводяк к увеличению вычислительной мощности и возможностей моделирования, способность создавать и изучать более сложные модели возросла. Внедрение компьютерной томографии и конусно-лучевой компьютерной томографии (CBCT) имеет тяговые модели и расчеты из 2D мира в 3D. Одновременное увеличение вычислительной мощности и сложности программного обеспечения позволило исследователям использовать 3D-рентгенографы для извлечения точных анатомических моделей для использования в продвинутом программном обеспечении для сегментирования зубов, костей, пародонтальной связки (PDL) и различных других структур^{7,,8,8, 9,,10,13,,14,15}. Эти сегментированные структуры могут быть преобразованы в виртуальную сетку для использования в инженерном программном обеспечении для расчета реакции системы при применении к ней данной силы или смещения.

Это исследование предлагает конкретную, реплицируемую методологию, которая может быть использована для изучения гипотетических ортодонтических силовых систем, применяемых на моделях, полученных из изображений CBCT живых пациентов. Используя эту методологию, исследователи могут затем оценить_ВИЭ различных зубов и принять во внимание биологическую морфологию стоматологических структур, таких как анатомия зубов, количество корней и их ориентация в 3D пространстве, массовое распределение и структуру пародонтальных вложений. Общий контур этого процесса показан на рисунке 1. Это сориентировать читателя на логический процесс, связанный с генерацией 3D моделей зубов для определения местоположения C_RES.

протокол

Для оценки объемов CBCT, архивированных в Отделе устной и челюстно-лицевой радиологии (IRB No 17-071S-2), было получено исключение из институционального совета по обзору.

1. Выбор тома и критерии

1. Приобретите изображение CBCT головы и лица¹⁶.
2. Изучите изображение на выравнивание зубов, отсутствующие зубы, размер вокселя, поле зрения и общее качество изображения.
3. Убедитесь, что размер вокселя не превышает 350 мкм (0,35 мм).

2. Сегментация зубов и костей

1. Загрузите необработанные файлы DICOM изображения CBCT в программное обеспечение Mimics для сегментации(рисунок 2). Нажмите изображение Обрезать изображение, чтобы включить только челюстно-лицевые и челюстно-лицевой зубы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Поле зрения должно быть достаточно большим, чтобы захватить челюстно-лицевые и челюстно-лицевые зубы. Убедитесь, что изображение включает в себя зубные коронки, жесткий вкус до носового пола, челюстно-лицевой пазухи, лицевые поверхности челюстно-лицевой зубы, и задней степени жесткого неба и челюстно-лицевой клубни.
2. Нажмите правой кнопкой мыши на вкладку для Маска и создайте новую маску для изображения. Переименуй маску как UL1, UL2, ..., UL7 для левой стороны и UR1, UR2, ..., UR7 для правой стороны, на основе зуба интереса.
3. Определите интересуемый зуб на замаскированном изображении CBCT (см. виды). Используйте инструмент Clear Mask, чтобы стереть маску. Программное обеспечение может быть не в состоянии различать зубы и кости, потому что серые значения двух похожи.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент порога в Mimics не способен сегментировать зубы и кости по отдельности. Поэтому требуется другой метод сегментации.
4. Нажмите на инструмент multiple Slice Edit (Ctrl и M). Выберите представление(Axial, Coronal, или Sagittal). Вручную выделите (т.е. нарисуйте) некоторые из срезов, как это считается необходимым.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выделение большего количества срезов добавляет больше деталей в структуру.
5. Нажмите на инструмент Interpolate, чтобы пополнить громкость для пропущенных ломтиков и применить.
6. Создайте 3D-том для зуба, нажав правой нажав на маску и выбрав опцию для расчета 3D тома.
7. Повторите шаги 2.2-2.6 для каждого зуба верхнечелюстной арки.
8. Выберите все 3D челюстно-лицевые зубы UL7-UR7. Нажмите правой кнопкой мыши, чтобы выбрать Сглаживание. Установите коэффициент сглаживания до 0,4, а итерации - до 4.
9. Чтобы сегментировать челюстные кости правой кнопкой мыши на вкладку для маска. Создайте новую маску для изображения.
10. Из меню выпадающих для предопределенных наборов порогов выберите Custom. Отрегулируйте пороговое значение, чтобы включить полную челюстную кость. Не забудьте проверить поле Fill Holes перед нанесением порога.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Небольшие отверстия в корковой кости в 1 мм являются приемлемыми, потому что они могут быть легко удалены на более поздних стадиях.
11. Нажмите на инструмент роста динамического региона, чтобы заполнить большие отверстия, видимые в маске. Выберите челюстно-лицевую костную маску в качестве мишени для инструмента в дополнение к выбору коробки с несколькими слоями. Используйте 50 для Мин и 150 для значений Max. Удерживайте клавишу Control при нажатии на области корковой кости, которые не были выделены в маске.
12. Нажмите правой кнопкой мыши на челюстно-лицевую костную маску для функции Smooth Mask. Повторите этот шаг 3x для достижения наилучших результатов.
13. Создайте 3D-том для челюсти, нажав правой нажав на маску и выбрав опцию для расчета 3D тома.
14. Выберите 3D челюстно-лицевую кость. Нажмите правой кнопкой мыши, чтобы выбрать сглаживание. Установите коэффициент сглаживания до 0,4, а итераций — до 4.
15. Выберите 3D верхнечелюстную кость и правый щелчок, чтобы выбрать Wrap. Установите 0,2 мм для мельчайших деталей и 1 мм для расстояния закрытия зазора. Проверьте вариант Защиты Тонкие стены. Пресс Ok.
16. Переименуй 3D челюстно-лицевую кость "Maxilla".

3. Очистка и сетка

1. Выберите 3D-объекты и скопируйте (Ctrl и C).
2. Откройте 3matic программное обеспечение, и вставьте (Ctrl и V) выбранных 3D-объектов. Они будут отображаться в дереве объекта и рабочей области 3matic как 3D структура(рисунок 3).
3. Нажмите на вкладку Fix из панели инструментов и используйте опцию Smooth. В поле операции выберите нужный 3D-объект (ы) или сущности и примените параметры по умолчанию.
4. Нажмите на вкладку Finish из панели инструментов и воспользуйтесь опцией Локального сглаживания. В поле операций выберите нужный 3D-объект (ы) или сущности. Используйте курсор, чтобы вручную сгладить нужные области.
5. Дублировать зубы. На объекте дерево выберите все зубы, нажмите правой кнопкой мыши, и выберите Duplicate.
6. Выберите все дублированные зубы,группу и назовите папку "группа 1". Оригинальный набор будет служить в качестве окончательного зубы для анализа.
7. Для дублированных зубов в группе 1 щелкните модуль кривого и опцию «Создание кривой». Вручную нарисуйте кривую вокруг цементоэнамеля соединения (CEJ) для всех дублированных зубов.
8. Выберите кривые, контурыи пограничные объекты в рамках опции Smooth Curve.
9. Разделите поверхность коронки и корня на свои собственные части, выбрав сплит-поверхности по опции Curves и нажав на 3D-объект для выбора.
10. Создайте PDL из корневой структуры зуба, разделив зуб на корень и коронку в CEJ.
    1. Дублировать 3D-объекты из группы 1 (генерируется в шаге 3.6) как группа 2. Для группы 2, в поле дерева объекта, нажмите на объект. С поверхности список удалить поверхность короны. Выполните этот шаг для всех объектов в группе 2.
    2. Для группы 2, нажмите на дизайн Модуль Применить желаемые параметры(таблица 1).
    3. Нажмите на Модуль Fix Нажмите на отдельные части, обновить и следовать за данные направления.
    4. Повторите шаг 3.10.3 для всех частей. Переименуй все части в группе 2 в «UL1_PDL» на «UL7_PDL» и «UR1_PDL» в «UR7_PDL».
11. В группе 1 из окна дерева объекта щелкните по объекту. Из списка поверхности удалите поверхность корня.
12. Выберите опцию Fill Hole Normal и выберите контур. Нажмите на Bad Contour и применить. Все пространство будет заполнено.
13. Выберите дизайн-модуль (Ru) и выберите всю поверхность короны. Проверьте следующие варианты: Направление (выберите внешний), Смещение Расстояние (выбрать 0,5), и уменьшение расстояния (выбрать 2.0). Применить.
14. Повторите шаг 3.13.
15. Повторите шаги 3.11-3.14 для каждого зуба верхнечелюстной арки.
16. Ремеш(рисунок 3)
    1. Нажмите на Remesh Модуль (Rumesh Модуль) (Rugtsh) и создайте немногообразную ассамблею (Gt) ; Главное Образование (Maxilla) с дерева объектов. Выберите пересекающуюся сущность для всех объектов от 3.4 (оригинальные зубы) и выберите Apply.
    2. Нажмите на модуль Remesh. Разделите немногообразную сборку.
    3. Повторите шаги 3.16.1-3.16.2 с использованием пересекающейся сущности, как и все объекты из группы 1 и применить.
    4. В качестве факультативного шага, только в случае необходимости, выберите Комплект Модуль Выберите избыткую структуру (т.е. шум) и примените.
    5. Нажмите на Fix Модуль (г-н Fix Модуль) Следуйте указаниям.
    6. Повторите шаг 3.16.1 с использованием пересекающейся сущности в качестве всех объектов из группы 2 и применить.
    7. Нажмите на remesh Модуль (ru). Выберите все пересекающиеся сущности от 3.16.6 и применить.
    8. Нажмите на Remesh Модуль (Sgt; Сплит Не-многообразная ассамблея.
    9. Нажмите на Remesh Модуль (Rumesh Модуль) (Rugtsh) (Rugtsh) (Rugtsh) (Rugtsh) (Rugtsh) (Ru) из группы 2 из дерева объекта. Выберите пересекающееся образование (Sgt; Выберите соответствующий объект, начиная со шага 3.4 (соответствует этому типу зуба) и применяйте.
    10. Нажмите Remesh Модуль (ru). Выберите пересекающуюся сущность от 3.16.9 и примените.
    11. Нажмите Remesh Модуль (Sgt; Сплит Не-многообразная ассамблея.
    12. Повторите шаги 3.16.9-3.16.11 для каждого зуба.
17. Нажмите на Remesh Модуль (Rumesh Module) (ru) В объекте дерево выберите все сущности (наивные зубы, PDL и Maxilla) и применить.
18. Нажмите Remesh Модуль (ru) — создание томной сетки( Выберите параметры сетки.
19. Повторите шаг 3.18 для всех сущностей (например, зубов, PDL и Maxilla).
20. Вручную экспортировать входные (.inp) файлы из 3Matic в Abaqus(рисунок 4).

4. Анализ конечных элементов

ПРИМЕЧАНИЕ: Все пользовательские скрипты Python можно найти в дополнительных вложениях. Они были созданы с помощью функции макроменеджера в Abaqus.

1. Настройка предварительной обработки
   1. Откройте Abaqus и выберите стандартную модель. Нажмите файл (ru) и установите каталог работы (Rugt; Select Location for File Storage).
   2. Нажмите файл (ru) и выполнить сценарий и выбрать Model_setup_Part1.py
   3. В каталоге модели указано путь файла для загрузки файлов .inp на Abaqus.
   4. Нажмите на модели , гнайт
   5. Назовите поверхность в диалоговом окне "UL1 _socket".
   6. Под выберите область поверхности выбрать по углу. Добавьте "15" в виде угла.
   7. Убедитесь, что все области розетки выбраны. Нажмите Сделано после завершения.
   8. Повторите шаги 4.1.4-4.1.7 для отдельных розеток.
   9. Нажмите на модели (ru) и моделирование. Затем выберите UL1 Назовите поверхность "UL1".
   10. При выборе региона поверхности выберите "Индивидуально". Выберите зуб на экране и нажмите готово.
   11. Повторите шаги 4.1.9-4.1.10 для всех зубов.
   12. Нажмите на модели (ru) и моделирование. Затем выберите UL1_PDL Назовите поверхность "UL1_PDL_inner".
   13. Под выберите область поверхности выбрать по углу. Добавьте "15" в виде угла.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Если ошибка обнаружена во время финального моделирования, уменьшите угол и переизберите поверхность.
   14. Убедитесь, что выбрана вся внутренняя площадь поверхности PDL. Нажмите Сделано после завершения.
   15. Выберите UL1_PDL Назовите поверхность "UL1_PDL_outer".
   16. Под выберите область поверхности выбрать по углу. Добавьте "15" в виде угла.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Если ошибка обнаружена во время финального моделирования, уменьшите угол и переизберите поверхность.
   17. Убедитесь, что выбрана вся внешняя площадь поверхности PDL. Нажмите Сделано после завершения.
   18. Повторите шаги 4.1.13-4.1.19 для всех PDLs.
   19. Нажмите на файл (ru) и выполнить сценарий и выбрать Model_setup_Part2.py
   20. Нажмите на модели (ru) и симуляция. Имя BC_all, затем выберите Шаг как первоначальный. В категории выберите "Механик" и под "Типы выбранного шага" выберите "Перемещение/Вращение". Нажмите Продолжить.
   21. В соответствии с отдельными регионами для условия границы выберите по углу. Добавьте "15" в виде угла. Проверьте создание набора. Выберите отдельные розетки для 14 зубов. Пресс сделано.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Это помогло имитировать мгновенное движение зуба.
   22. Нажмите на модели (gt; Моделирование) и сборка Назовите набор "U1_y_force".
   23. В Выберите узлы для набора выберите индивидуально.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Один Ньютон концентрированной силы была применена на случайно выбранных зубного узла либо в положительном направлении Y (имитируя силу дистилализации) или положительное направление (имитирующий интрузивную силу).
   24. Выберите узла в центре кроны на букальной поверхности верхнего центрального резца (U1) и нажмите done.
   25. Нажмите Наборы (gt; Создать набор. Назовите набор "U1_z_force".
   26. Повторите шаги 4.1.23-4.1.24.
   27. Повторите шаги 4.1.22-4.1.26 для всех зубов.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Прежде чем набор генерируется для конкретного зуба, как в 4.1.25, перейдите в инстанции
2. Настройка модели
   1. Нажмите на модели (gt; Моделирование) и сборка Выберите все инстанции и нажмите Резюме.
   2. Нажмите на Инструменты (ru) и запросы. Выберите узла в центре случайно выбранного центрального резца и нажмите Done.
   3. Под командным центром в нижней части страницы копируйте координаты X, Y и q узла, выбранного в шаге 4.2.2.
   4. Под вертикальной панелью инструментов выберите Translate Instance и выберите всю сборку (т.е. все экземпляры) на экране. Пресс сделано.
   5. В поле Select a Start Point для коробки Translation Vector вставьте скопированные координаты в шаге 4.2.3 или введите значения X, Y и q. Нажмите Введите.
   6. Под выберите конечную точку для вектора перевода или введите X, Y,: введите координаты "0.0", "0.0" и "0.0". Нажмите Введите.
   7. Для позиции instance,нажмите Ok.
   8. Нажмите на Инструменты (RuGT; Запрос) и выберите узл прямо над средней линией центровых резцов. Введите готово.
   9. Под командным центром в нижней части страницы копируйте координаты X, Y и q узла, выбранного в шаге 4.2.8.
   10. Под вертикальной панелью инструментов выберите Translate Instance и выберите всю сборку (т.е. все экземпляры) на экране. Введите готово.
   11. Вставьте скопированные координаты в отправную точку для вектор перевода - или Введите X, Y, поле. Нажмите Введите.
   12. Под выберите конечную точку для вектора перевода - или введите X, Y,: вставьте координаты, как скопированные в шаге 4.2.9. Измените x-координатку до 0.0. Нажмите Введите.
   13. Для позиции instance,нажмите Ok.
   14. Нажмите на файл (ru) и выполнить сценарий и выбрать Model_setup_Part3.py. Вставьте или измените свойства материала.
   15. Нажмите на модели (gt; Моделирование) и нажмите кнопку Кости / PDL / Зуб. Вставьте ткани специфические свойства.
   16. Нажмите на файл (ru) и выполнить сценарий и выбрать Functions.py.
3. Обработка модели
   1. Нажмите на файл (ru) и выполнить сценарий и выбрать Job_submission.py.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Модуль задания — это место, где пользователь настраивает одно или несколько действий на модели, а менеджер — где начинается анализ модели, отображается прогресс и отмечается завершение.
   2. В диалоговом поле под названием Подавить всех, введите стороны (L или R) зубов на основе ограничений (Под модели Пресс Ok.
   3. В диалоговом окне под названием Job Submission введите "Y" для выполнения анализа для указанных зубов/зубов. Пресс Ok.
   4. В диалоговом окне под названием Направления для анализа введите "Y", чтобы указать применение силы. Пресс Ok.
4. Послеобработка для оценки C _ВИЭ
   1. Выберите файл (ru) и запустить сценарий ( Bulk_process.py.
   2. В диалоговом окне под названием «Анализ нескольких вакансий» введите «Y» для указанных зубов/зубов. Пресс Ok.
   3. В диалоговом окне под названием Направления для анализа введите "Y" для указания применения силы. Пресс Ok.
   4. В диалоговом окне под названием Get Input введите конкретный номер зуба, указанный на названном Instances (например, UL1 или UL5 и т.д.). Пресс Ok.
   5. Проверьте координаты Сил о точке и предполагаемом местоположении в командном поле. Если они не похожи, то повторите шаги 4.3.1-4.4.4.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После выполнения заданий для каждого шага в интерфейсе Abaqus был запущен пользовательский алгоритм, созданный в интерфейсе Abaqus для анализа системы силы реакции и последующих моментов, созданных в результате применения нагрузки. Алгоритм автоматически предлагает новое местоположение узла для применения нагрузки таким образом, что в силовой системе создается момент почти нулевой величины. Это происходит в итеративном процессе, пока место узла, которое создает момент, близкий к нулю, когда сила применяется через него, не будет найдена или оценена. Алгоритм подробно описан в разделе Обсуждение.

Результаты

Для проверки сегментации и ручного изложения, как описано в разделе Процедуры (шаг 2), из сухого черепа был извлечен первый моляр верхнечелюсти, и было сделано изображение CBCT. Программное обеспечение для обработки и редактирования изображений Mimics использовалось для ру...

Обсуждение

Это исследование показывает набор инструментов для создания последовательного рабочего процесса для конечного анализа элементов (FEA) моделей челюстно-лицевой зубы, полученные из CBCT изображения пациентов, чтобы определить их C_ReS. Для врача, четкая и простая карта C_ВИЭ челюст?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-matic software	Materialise, Leuven, Belgium.		Cleaning and meshing
Abaqus/CAE software, version 2017	Dassault Systèmes Simulia Corp., Johnston, RI, USA.		Finite Element Analysis
Mimics software, version 17.0	Materialise, Leuven, Belgium.		Segmentation of teeth and bone