Finite element modeling of orthodontic tooth movement via stimulus-induced node motion
Ortodontik diş hareketlerinin stimulus temelli nod hareketleri temelinde sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi
- Tez No: 683976
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Ortodonti, diş ve çene düzensizliklerinin, diş maloklüzyonları gibi teşhis ve düzeltmelerinin yapıldığı bilim dalıdır. Ağız boşluğu karmaşık bir biyomekanik sistem olduğundan, diş-kemik yapılarının iç yapısını ve davranışını mekanik testlerle analiz etmek yıllar içinde zor olmuştur. Diş hekimliği alanında numerik yöntemlerinin geliştirilmesi ve uygulanması, ağız boşluğu biyomekaniğinin daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Karmaşık diş-kemik ortamında gerilme ve şekil değiştirme dağılımlarını incelemek için sonlu elemanlar analizileri kullanılmıştir ve farklı yükleme şartları, periodontal ligament ve diş hareketi arasındaki etkileşimler incelenmistir. Ağız boşluğunun belirli bir fenomenini tanımlamaya çalışan birçok sayısal model bu güne kadar geliştirilmiş olsa da, her yöntem ve modelin sınırları ve eksiklikleri vardır. Sonlu elemanlar analizi sırasında, analiz edilen sistemin yüklerini, sınır koşullarını ve malzeme özelliklerini, sonuçların doğruluğu ve güvenilirliğinden ödün verilmeyecek şekilde belirlemek önemlidir. Kemik adaptasyonu esas olarak mekanik uyaranlar tarafından tetiklendiği görülen bir süreçtir. Günlük rutinlerde kemik rezorbsiyonu ve formasyonu oranlarının bir dengede olduğu ve homeostatik dengeyi koruduğu bir durumdadır. Bununla birlikte, normal günlük yükler dışında tetiklemeler uygulandığında, denge durumu bozulur ve“görünür”bir yeniden modelleme/adaptasyon gözlenmeye başlar. Böylesi bir davranış kalıbı, çevreleyen kemik dokusunun denge durumunu etkileyerek birçok nedenden ötürü diş hareketini teşvik etmek için bir araç olarak da kullanılabilir. Ortodonti biliminde, yüke duyarlı/yük ile başlatılan bu kemik adaptasyonu fenomeni, değişmiş bir kemik morfolojisi ile sonuçlanan belirli bir süre için dişlere mekanik uyarılar uygulayarak hastalarda diş malpozisyonunu gidermek için kullanılır. Şu anda, bu prosedür esas olarak, diş hareketinin yönünü ve büyüklüğünü kontrol eden ortodontistin uzmanlığından büyük ölçüde etkilenen, çoğunlukla deneme yanılma yaklaşımlarına dayanmaktadır. Bununla birlikte, uzun vadeli ortodontik diş hareketinin doğru modellenmesi, kemik-diş ortamının davranışını ve etkileşimini tahmin etmeye izin verdiği için dental biyomekanik araştırmanın önemli bir aracı haline gelebilir. Bu tür öngörücü araçların varlığı, ortodontik diş hareketinin bu klinik prosedür sırasında dişler ve çevre dokular üzerindeki olumsuz biyolojik etkilerinden kaçınmaya da yardımcı olabilir. Uzun dönem ortodontik diş hareketini sonlu elemanlar metodu aracılığıyla analiz için diş-kemik ortamını ve modelin her bir bileşeni arasındaki etkileşimleri doğru bir şekilde kurmak önemlidir. Bu tez kapsamında, uzun vadeli ortodontik diş hareketini simüle etmek için, mekanik uyaran olarak kemiğin şekil degiştirme enerjisi yoğunluğu ile dış kemik adaptasyonunu içeren, kemik formasyonu ve rezorbsiyonunun kemik/diş arayüzünde node hareketleri ile modellenmesini içeren yeni bir sayısal yöntem önerilmiştir. İşlem, Abaqus UMESHMOTION altprogramı aracılığıyla gerçekleştirilir. Yeniden eriyen/eklenen kemiğin sürekli olarak güncellendiği ve eleman silme/oluşturmanın belirli aralıklarla gerçekleştirildiği geleneksel yeniden meshleme algoritmalarının aksine, önerilen yöntemde mevcut sonlu eleman ağ yapısı, kullanılan rezorpsiyon-formasyon denkleminin sağladığı hıza bağlı olarak yalnızca belirli bir mesafeye hareket ettirilir. Böylelikle, her adımda ağ yapısının yeniden oluşturulması probleminden kaçınılır ve ilk topoloji analiz boyunca korunur. Bu çalışmada, normal günlük yükler dikkate alınmamış ve kemiğin adaptasyon oranını belirlemek için kullanılan gerilme ve şekil degiştirme değerleri tamamen uygulanan ortodontik yüklerden kaynaklanmaktadır. Yani, kemiğe yönelik rutin aktivitelerden kaynaklanan günlük uyaran seviyesi“sıfır”referansı olarak alınır, dolayısıyla analizin yürütülmesi için“sıfır gerilme/sıfır şekil degiştirme ”durumu olarak alınır. Bu, kemik adaptasyonunun nötr (tepkisiz olduğu) aralık için şekil degiştirme enerjisi yoğunluğunun sıfır civarında eşik değerleriyle sonuçlanır. Maksiller kemiğin homeostatik dengesi sıfır olarak alındığından, ortodontik yüklemeden kaynaklanan herhangi bir uyarı (bir eşik aşıldıktan sonra) adaptasyon sürecinin başlaması için sinyal olarak alınır. Bu nedenle, şekil degiştirme enerjisi yoğunluğu değerlerinin sıfırdan farkli olan bir dengenin altında olup, bir ortalama uyarana göre kemiğin yetersiz yüklenmesi durumu bu çalışmanın kapsamında olmayıp, yöntemin genelliğini ise sınırlamamaktadır. Belirtilen bir referans değerin altındaki şekil degiştirme enerjisi yoğunluğu değerleri dikkate alınmamıştır, yani eşik uyarım seviyesine ulaşılamadığından kemik adaptasyonu tetiklenmemektedir. Formasyon ile rezorbsiyon arasındaki ayrım, diş/kemik arayüzünde periodontal ligamanın pozitif ve negatif gerilmeleri (yani çekme ve basma durumları) arasındaki farklılaşmadan geldiği varsayılmaktadır. Bu, periodontal ligaman ile etkileşime giren her bir eleman yüzeyinin gerilme durumunu tespit ederek elde edilebilir. Ortodontik diş hareketinin modellenmesi için sağ merkezi maksiller kesici dişin ve onu çevreleyen maksiller kemiğin 3 boyutlu bir modeli kullanılmıştır. Mümkün olduğunca anatomik olarak gerçekçi olmak için, maksiller kemik, literatürdeki mevcut ölçüm verilerine dayanarak kortikal ve trabeküler bölgelere ve diş geometrisi, literatürdeki verilere göre mine ve dentin olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Diş ve kemik için malzeme özellikleri lineer elastik, izotropik ve homojen olarak seçildi. Modelin her farklı bölgesi için tüm özellikler buna göre atandı. Kemik adaptasyon sürecinin malzeme özelliklerinden bağımsız olduğu varsayıldı. Periodontal ligaman, literatürde sıkça kullanılan ince bir katı 3 boyutlu eleman hacmi olarak modellenmemiş, bir temas modeli aracılığıyla modellenmiştir. Ortodontik diş hareketinin simülasyonu sırasında Abaqus Standard adaptif meshleme algoritması kullanıldı. Bu çalışmada ortodontik diş hareketinin süresi 1 hafta olarak seçilmiştir ve kemik formasyon/rezorbsiyon hızları literatürdeki deneysel çalışmalara göre kalibre edilmiştir. Modelin sayısal doğrulanması ilk olarak deplasman kontrollü ortodontik yükleme uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Kemik yüzeyindeki formasyon/rezorbsiyon miktarları, kemiğin şekil degiştirme enerjisi yoğunluğu değerleri ve periodontal ligamanın gerilme durumu incelenmiştir. Deplasman kontrollü ortodontik diş hareketin sonuçları, sonlu eleman ağ yapısının kontrollü düzenlenmesi ile kemik adaptasyonu tanımlanmasının mümkün olduğunu göstermektedir. Kullanılan teoriye ve sağlanan denge değerlerine bağlı olarak, kemik sınırında kemik formasyonunu ve rezorbsiyonunu tarif etmek ve bir dengeye ulaşmak mümkündür. Yaklaşımın başarılı bir şekilde uygulanmasının ardından dişe gerçek bir ortodontik yük senaryosu uygulandı. Sonuçlar, ortodontik yükün ani uygulanmasıyla maksiller soket içindeki şekil degiştirme enerjisi yoğunluğu değerlerinin de arttığını göstermektedir. Bu, kemik adaptasyon algoritmasını tetikler ve bu da zaman ilerledikçe şekil degiştirme enerjisi yoğunluğu değerlerinde kademeli düşüşe yol açar. Kemik, uygulanan yükleme süresi boyunca, öngörülen denge durumunu korumak için sürekli olarak kendini uyarlar ve yeni denge konumuna adapte olmaya çalısır. Dişe hem yer değiştirmeye bağlı hem de yüke bağlı ortodontik yükler uygulandı ve bunun sonucunda maksiller kemiğin yeniden şekillendiği görüldü. Adaptasyon hızı denklemi, literatürde bulunan klinik verilere kalibre edildi ve ortaya çıkan diş hareketi değerleri, klinik prosedürlerde gözlemlenen gerçek diş yer değiştirmelerine oldukça yakındı. Ortodontik diş hareketinin sayısal modellemesi, ortodontik tedavi süresince kemik-diş ortamının davranışını ve etkileşimini gözlemlemek için yararlı bir yöntem olarak görülmektedir. Bu yöntemin basitliği ve çok yönlülüğü, kişiye özgü kemik adaptasyon parametrelerinin kalibre edilmesine ve buna göre uzun vadeli ortodontik diş hareketi prosedürünün planlanmasına izin verir.
Özet (Çeviri)
Load induced bone adaptation process has been used in orthodontics to treat malocclusions in patients by generating stimuli outside of usual everyday loads, via so-called orthodontic loads, to promote tooth movement by affecting equilibrium state of the surrounding bone tissue. Accurate modeling of long term orthodontic tooth movement is an important aspect of dental biomechanical research since it allows to predict the behavior and interaction of bone-tooth environment in a non-destructive way. Existence of such predictive tools might also help to avoid the adverse effects of orthodontic tooth movement on teeth and the surrounding tissues during this clinical procedure. Analyzing long-term orthodontic tooth movement via finite element analysis is not an easy task and it is important to correctly set-up the tooth-bone environment and interactions between each constituent of the model. In the scope of this thesis a numerical method to simulate long-term orthodontic tooth movement is proposed. The method involves external bone remodeling with strain energy density of the bone taken as the mechanical stimulus, and bone apposition and resorption are modeled by nodal movements at the bone/tooth interface using Abaqus UMESHMOTION subroutine. Contrary to conventional re-meshing algorithms, where resorbed/apposed bone is being constantly updated and element deletion/creation is performed for each increment, the proposed method only moves the relevant nodes of the mesh without changing the initial topology. This way, a continuous re-meshing is avoided at each increment and computational power requirement is greatly reduced, which is of great importance during long-term orthodontic tooth movement simulations with anatomically exact and complex tooth-bone models. For this study, a 3D model of right central maxillary incisor tooth and its surrounding maxillary bone was used for the modeling of orthodontic tooth movement for a duration of 1 week. Two test cases were performed and the results from induced tooth motion were investigated. First test case was performed to present the numerical validity of the proposed method and the second test case was performed with loads similar to clinical applications. Results indicate tooth movement values that were quite close to clinical values provided in the literature and this method is easily applicable to validate various postulates of orthodontic tooth movement via adapting the stimulus-adaption rate relation and patient-specific planning of orthodontic patients as well. In this work, UMESHMOTION subroutine was implemented and external bone remodeling without change in initial topology has been achieved.
Benzer Tezler
- Üst çene posterior dişlerin şeffaf plak ve sabit ortodontik tedaviyle intrüzyonunda kortikotomi etkinliği: üç boyutlu sonlu elemanlar analizi
Corticotomy effectiveness in intrusion of upper jaw posterior TEETH with clear aligner and fixed orthodontic treatment: A THREE-dimensional finite element analysis
BÜŞRA BERBER GÖKMEN
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2023
Diş HekimliğiGaziantep ÜniversitesiOrtodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MERVE GÖYMEN
- Ortodontik şeffaf plak tekniği ile gerçekleştirilen kanin distalizasyonunun değerlendirilmesi: Üç boyutlu sonlu elemanlar analizi
Evaluation of canine distalization with orthodontic clear aligner technique: A three-dimensional finite element analysis
ASLIHAN DÜZGEN
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2021
Diş HekimliğiGaziantep ÜniversitesiOrtodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MERVE GÖYMEN
- Şeffaf plak tekniğinde kullanılan farklı kompozit ataşmanların ve üçüncü molar varlığının maksiller molar distalizasyonuna etkisinin sonlu elemanlar metodu ile incelenmesi
Investigation of the effect of different composite attachments used and the presence of the third molar on maxillary molar distalization in the clear aligner technique using the finite element method
ASLIHAN KUĞUOĞLU
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2023
Diş HekimliğiHacettepe ÜniversitesiOrtodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BENGİSU AKARSU GÜVEN
- Üst keser retraksiyonu ve en-masse retraksiyonununda interradiküler ve infrazigomatik mini vida ankrajı kullanımlarının biyomekanik etkileri ile diş hareketine olan etkilerinin sonlu elemanlar analizi yöntemi ile değerlendirilmesi
Evaluation of biomechanical and tooth movement effects of interradicular and infrazygomatic mini screw anchorages during upper incisor retraction and en-masse retraction with finite element analysis
RUŞEN ERDEM