Mechanische Charakterisierung des Parodontalligaments in vivo über die initiale Zahnbewegung durch einen Vergleich von Experiment und Simulation
Final Report Abstract
Das „Parodontalligament“ (PDL) oder „Wurzelhaut“ liegt zwischen Zahnwurzel und Kieferknochen. Als adaptives, viskoelastisches Bindegewebe von 0,1-0,3 mm Dicke bestimmt es die unmittelbare Reaktion des Zahnes auf von außen angreifende Kräfte. Setzt eine kieferorthopädische Therapie zu stark an, besteht die Gefahr der Schädigung des PDL bis hin zur Resorption der Zahnwurzel. Bei zu schwacher Einwirkung bleibt die Therapie wirkungslos. Projektziel war eine mechanische Charakterisierung des PDL in vivo durch einen Vergleich von Experiment und Simulation (Methode der Finiten Elemente) am Patienten über die Auswertung der „initialen Zahnbewegung“, also der unmittelbaren Reaktion auf Behandlungselemente. Die Aufgabe der FHOS/HAW bestand in der Erstellung „simulationsfähiger“ 3D-Modelle der dentalen Anatomie auf der Basis radiologischer Datensätze aus der Klinik, was wegen der geringen Dicke des PDL eine Herausforderung darstellte. Das Projekt wurde in Kooperation mit der Klinik für Kieferorthopädie und Orthodontie der Universität Ulm unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. F. G. Sander durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der Universität Ulm wurde ein Simulations-Workflow installiert. Wegen der verbesserten Auflösung von 0,125 mm3 und der geringeren Strahlenbelastung wurde die Radiologie von konventioneller Computertomografie (CT) auf Digitale Volumentomografie (DVT) umgestellt. An der FHOS wurde eine iterative Methodik zur DVT-basierten 3D-Rekonstruktion des PDL entwickelt. Nach Übergabe der Bildstapel und Modelle an die Universität Ulm wurden sie dort mit Unterstützung der Universität Exeter mit hybriden Volumengittern aus Hexaedern und Tetraedern vernetzt und mit der FE-Software Abaqus simuliert. Wegen der hohen Anforderungen wurde die Simulation einer systematischen Sensitivitätsanalyse unterzogen hinsichtlich a) der Geometrie des PDL, b) Modellierungsstrategie, c) Gittergenerierung, d) Randbedingungen der Simulation und e) linearer versus nichtlinearer Modellierung. Es stellte sich ein dominanter Einfluss der Geometrie des PDL, insbesondere am Hals, heraus. Bei den niedrigen Kräften der kieferorthopädischen Therapie stellte sich eine Berücksichtigung geometrischer Nichtlinearitäten als nicht erforderlich heraus. Der Vergleich von Experiment und Simulation zeigte, dass in diesem Rahmen viskoelastische oder adaptive Effekte vernachlässigt werden konnten, aber anders als erwartet traten – wegen der faserigen Struktur des PDL – anisotrope Effekte hervor. Die Dicke des PDL liegt mit 0,1-0,3 mm an der Grenze des faktischen Auflösungsvermögens der aktuell verfügbaren klinischen Radiologie. Deshalb wurde an der FHOS/HAW auch die Validierung untersucht, sowohl qualitativ, durch Überlagerung von CT und DVT, als auch quantitativ, durch einen Vergleich einer DVT-basierten 3D-Rekonstruktion mit einem klinischen Gipsabdruck (Abweichung ca. 0,5 mm), sowie von DVT-Datensätzen unterschiedlicher Scanner eines dentalen Humanpräparats (Abweichung teilweise im mm-Bereich). Die Ergebnisse entsprechen dem Stand der aktuellen Forschung (Mai 2012). Derzeit wird in drei zahnmedizinischen Promotionen eine DVT-basierte 3D-Modellierung des Ober- und Unterkiefers mit Schwerpunkt PDL durchgeführt. So sollen „3D-Karten“ des PDL-Status und seiner Sicht- und Auswertbarkeit im DVT entstehen.
Publications
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