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
- Finite Element Simulation of the Human Mandible: The Influence of the PDL on its Structural Behaviour. Int Poster J Dent Oral Med 2006, Vol 8 No 04, Poster 334
Kober C, Stübinger S, Erdmann B, Hellmich C, Radtke T, Sader R, Zeilhofer HF
- Highly refined 3D-reconstruction of dental anatomy for FEA preprocessing. In: 24th CADFEM Users' Meeting 2006, International Congress on FEM Technology with 2006 German ANSYS Conference, Stuttgart/Fellbach, Germany, 2006
Radtke T, Kober C, Sander C, Hohmann A, Geiger M, Boryor A, Sander M, Sander FG
- How does the Periodontal Ligament Influence Overall Stress/Strain Profiles of a Partially Edentulous Mandible. In: Davidovitch Z, Mah J, Suthanarak S (Eds.). Biological Mechanisms of Tooth Movement and Craniofacial Adaptation. Boston: Harvard Society for the Advancement of Orthodontics, 349-355, 2006
Kober C, Erdmann B, Hellmich C, Geiger M, Sader R, Zeilhofer HF
- Multimodal 3D-Reconstruction of Dental Anatomy based on CT and DVT. In: Proc. Gemeinsame Jahrestagung der Deutschen, Österreichischen und Schweizerischen Gesellschaft für Biomedizinische Technik [CD-ROM], 2006 Sept 6-9, Zurich, Switzerland. Berlin: De Gruyter; 2006. ISSN 0939-4990
Radtke T, Kober C, Sander C, Hohmann A, Geiger M, Boryor A, Sander M, Sander FG
- 3D validation of dental CBCT images using isosurface. In: Proc BMT 2007 41. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (DGBMT) im VDE [CD-ROM], 2007 Sept 26-29, Aachen, Germany. Berlin: De Gruyter; 2007. ISSN 0939-4990
Radtke T, Kober C, Sander C, Hohmann A, Geiger M, Boryor A, Sander M, Sander FG
- Comparison between measurements of CBCT isosurface and plaster cast. In: The Finite Element Method in Biomedical Engineering, Biomechanics and Related Fields, 14th Workshop, Univ. of Ulm, 2007 July 18-19. ISBN 978-3-9806183-9-7
Radtke T, Kober C, Sander C, Hohmann A, Geiger M, Boryor A, Sander M, Sander FG
- From „actual“ Cone Beam Computer Tomography Data to 3D-Model suitable for Finite Element Grid Generation. In: The Finite Element Method in Biomedical Engineering, Biomechanics and Related Fields, 14th Workshop, Univ. of Ulm, 2007 July 18-19. ISBN 978-3-9806183-9-7
Kober C, Radtke T, Sander C, Hohmann A, Geiger M, Boryor A, Sander M, Sander FG, Sader R
- Comparison between different imaging techniques for FE mesh generation with examples of human periodontal ligament. In: The Finite Element Method in Biomedical Engineering, Biomechanics and Related Fields, 15th Workshop, Univ. of Ulm, 2008 July 16-17. ISBN 978-3-941573-00-0
Hohmann A, Kober C, Boryor A, Geiger M, Wunderlich A, Sander C, Sander FG
- Finite Element Simulation of the Human Mandible: The Role of (Natural) Teeth. Int J Comput Dent 11(3): 169-74, 2008
Kober C, Stübinger S, Hellmich C, Sader R, Zeilhofer HF
- On the feasibility of using the finite element approach for the characterization of the dental periodontal ligament in vivo. J Med Biomech 23: 26-30, 2008
Hohmann A, Kober C, Radtke T, Young P, Geiger M, Boryor A, Sander C, Sander FG
- Correspondences of hydrostatic pressure in periodontal ligament with regions of root resorption: a clinical and a finite element study of the same human teeth. Comput Methods Programs Biomed. 93(2):155-61, 2009
Hohmann A, Wolfram U, Geiger M, Boryor A, Kober C, Sander C, Sander FG
- Effect of different meshes of the human PDL on initial tooth mobility with an outlook on AFAM with human PDL. In: The Finite Element Method in Biomedical Engineering, Biomechanics and Related Fields, 15th Workshop, Univ. of Ulm, 2009
Hohmann A, Kober C, Caron A, Boryor A, Geiger M, Sander C, Sander FG
- Influence of different modeling strategies for the periodontal ligament on finite element simulation results. Am J Orthod Dentofacial Orthop. 2011 Jun;139(6):775-83
Hohmann A, Kober C, Young P, Dorow C, Geiger M, Boryor A, Sander FM, Sander C, Sander FG
