Abstract
Background and objective
Once periodontitis has been completely resolved, one common follow-up method is to carry out orthodontic treatment to take advantage of the residual bone, i.e., via tooth intrusion. In this study, the biomechanical behavior of teeth in a reduced periodontium was studied by numerically simulating upper-incisor intrusion accomplished with various orthodontic mechanics.
Materials and methods
Using the finite element method, a patient-customized 3D model of a periodontally reduced dentition was generated in order to simulate tooth movement. The morphology of this upper-jaw model was derived from cone-beam computed tomography (CBCT) datasets of four patients. Material parameters were adopted from previous investigations, including teeth (E=20 GPa), periodontal ligament (PDL) (bilinear elastic; E1=0.05 MPa; E2=0.20 MPa; ε12=7%), and bone (homogeneous, isotropic; E=2 GPa). Two intrusion scenarios were used, the first drawing from Burstone’s segmented-arch technique to intrude four splinted incisors at a time, and the second one using cantilevers to intrude single incisors. The aforementioned PDL material parameters were varied in several ways to simulate different biological and biomechanical states of PDL. All simulations were recalculated with an idealized, periodontally intact model to assess the effect of bone loss by way of comparison.
Results
Single-tooth intrusion via cantilever mechanics was accompanied by less rotation than the segmented-arch approach. Both intrusion systems involved significantly greater degrees of tooth displacement and PDL load in the periodontally reduced model.
Conclusion
Periodontally reduced dentitions are associated with an increased load on periodontal tissue. This can be counteracted by reducing orthodontic force levels and by selecting mechanics that do not harm the tissue. In so doing, the use of numerical methods may greatly facilitate individualized computer-aided treatment-planning strategies.
Zusammenfassung
Hintergrund und Ziel
Häufig wird nach Ausheilung einer Parodontitis eine kieferorthopädische Behandlung durchgeführt, um das noch bestehende Knochenangebot beispielsweise durch eine Intrusion von Zähnen zu nutzen. In dieser Studie wurde das biomechanische Verhalten eines reduzierten Parodonts durch die numerische Simulation einer Intrusion der Oberkieferinzisivi mit verschiedenen kieferorthopädischen Intrusionsmechaniken untersucht.
Material und Methoden
Die Bewegungssimulationen wurden mit einem patientenindividualisierten, parodontal reduzierten 3-D-Finite-Elemente-Modell durchgeführt. Die Morphologie dieses Oberkiefermodells wurde auf Basis der DVT-Datensätze von vier Patienten generiert. Die Materialparameter von Zahn (E=20 GPa), Parodontalligament (bilinear elastisch, E1=0,05 MPa, E2=0,20 MPa, ε12=7%) und Knochen (homogen, isotrop, E=2 GPa) wurden aus früheren Untersuchungen übernommen. Simuliert wurden eine segmentierte Intrusion der vier verblockten Inzisivi in Anlehnung an die Segmentbogentechnik nach Burstone und eine isolierte Intrusion einzelner Inzisivi mit Cantilevern. Durch Variation der Materialparameter konnten verschiedene biologische und biomechanische Zustände des Parodontalligaments simuliert werden. Um den Einfluss des Knochenverlustes beurteilen zu können, wurden die Simulationen zum Vergleich auch mit einem idealisierten, parodontal gesunden FE-Modell gerechnet.
Ergebnisse
Die Intrusion mit der Cantilever-Mechanik zur Einzelzahnintrusion gestaltete sich rotationsärmer als das segmentierte Vorgehen. Bei beiden Intrusionsmechaniken waren im parodontal reduzierten FE-Modell eine deutliche Erhöhung der Zahnauslenkungen und Dehnungen im Parodontalligament erkennbar.
Schlussfolgerung
Der erhöhten parodontalen Belastung im parodontal reduzierten Gebiss sollte mit einer Reduktion der kieferorthopädischen Kräfte und der Auswahl einer gewebeschonenden Mechanik entgegengewirkt werden. Dabei kann der Einsatz numerischer Methoden künftig einen wichtigen Beitrag für die computergestützte, patientenindividualisierte Behandlungsplanung leisten.
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Compliance with ethical guidelines
Conflict of interest. A. Kettenbeil, S. Reimann, C. Reichert, L. Keilig, A. Jäger, and C. Bourauel state that there are no conflicts of interest. The accompanying manuscript does not include studies on humans or animals.
Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt. A. Kettenbeil, S. Reimann, C. Reichert, L. Keilig, A. Jäger und C. Bourauel geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren.
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Ann Kristin Kettenbeil and Susanne Reimann contributed equally to this article.
Ann Kristin Kettenbeil und Susanne Reimann haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.
This work was presented in part at the DGKFO 2012 annual meeting in Stuttgart (Germany) and was awarded a poster prize.
Die Arbeit wurde in Teilen auf der Jahrestagung der DGKFO 2012 in Stuttgart vorgestellt und mit einem Posterpreis ausgezeichnet.
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Kettenbeil, A., Reimann, S., Reichert, C. et al. Numerical simulation and biomechanical analysis of an orthodontically treated periodontally damaged dentition. J Orofac Orthop 74, 480–493 (2013). https://doi.org/10.1007/s00056-013-0182-8
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DOI: https://doi.org/10.1007/s00056-013-0182-8