13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

Prof. Dr. Dr.

Dr. med. dent.

Prof.  Dr.

Taktilometrie seromuköser Oberflächen der Mundhöhle zur Detektion maligner Tumorregionen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Die zunehmende Inzidenz bösartiger Tumore der Mundhöhle weckt den Bedarf nach einer einfach zu handhabenden Methode zur frühzeitigen Identifizierung gut- und bösartiger Läsionen, um einerseits Patienten mit gutartigen Befunden nicht zu beunruhigen und anderseits die adäquate Therapie im Falle maligner Anzeichen unverzüglich einleiten zu können. Ziele Es wird ein Verfahren zur Detektion maligner Zellbereiche in Läsionen der Mundschleimhaut entwickelt, das in der Klinik mit geringem zeitlichen Zusatzaufwand in der Routineuntersuchung angewandt werden kann. Materialien &amp; Methoden Der Kontaktdruckerhebung mit Sensor geht eine FEM-Analyse vereinfachter Zungenmodelle voraus, die maligne Bereiche oberflächennaher Läsionen durch höhere Gewebesteifigkeiten simulieren und im Druckprofil hervorheben kann. Im Weiteren wird eine optische und eine drucksensitive Sensorik verwendet, die das Lichtspektrum und die Druckverteilung auf der Läsion abbildet. Eine modifizierte Helmert-Transformation bringt die Signalmatrizen zur Deckung und führt sie zu einer ortstreuen vergleichenden Analyse mit Klassifizierung der benignen und malignen Objekte. Ergebnisse Sowohl FEM Simulationen als auch erste Kontaktdruckmessungen mit einem Standardsensor zeigen brauchbare Druckprofile, die eine Detektion maligner Bereiche in den Läsionen in Aussicht stellen. Zusammenfassung Die Vorarbeiten zeigen die prinzipielle Eignung des geplanten Verfahrens und unterstreichen die Notwendigkeit einer Förderung bis zur Anwendungsreife.

Mechanobiologie, regenerative und zelluläre Biomechanik

Vortrag

Einfluss parodontaler Schädigungen auf die Belastung des Zahnhalteapparates – eine numerische Untersuchung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Parodontitis ist eine Entzündung des Zahnhalteapparats, die unbehandelt zu erheblichem Knochenabbau bis zum Zahnverlust führen kann. Besonders bei bereits bestehender Wurzelresorption kann dies die Stabilität des Zahnes reduzieren. Ziel Der Einfluss von parodontitis-bedingtem Knochen- und Wurzelabbau auf die Belastung des Zahnhalteapparates beim Kauen sollte mittels FEM untersucht werden. Material und Methoden Finite-Elemente-Modelle der Unterkiefer-Front- und Eckzähne mit unterschiedlichem Schädigungsgrad wurden erstellt: 1) keine Wurzelresorption (WR0), mit 20 und 50 % Wurzelresorption (WR20, WR50), 2) kein Knochenabbau (KA0), mit 50 % und 80 % zirkulärem Knochenabbau (KA50, KA80) sowie mit vestibulärem Knochenabbau von 80 % bei lingual regulärer Knochenhöhe (KA80v). Eine Belastung von 100 N pro Zahn erfolgte in zwei Simulationsreihen: direkt auf die Zahnkrone in Richtung der Zahnachse sowie indirekt über eine schiefe Ebene auf die Krone, um den Kontakt mit dem jeweiligen Antagonisten widerzuspiegeln. Auslenkungen der Zahnkronen sowie Verzerrungen im Parodontalligament (PDL) wurden bestimmt. Ergebnis Direkte Belastung im Referenzmodell (WR0-KA0) erzeugte Auslenkungen von bis zu 50 µm. Vestibulärer Knochenabbau veränderte die Auslenkungen nicht. Zirkulärer Knochenabbau erhöhte die Bewegung auf bis zu 120 µm (WR0-KA50) beziehungsweise 280 µm (WR0-KA80). Maximale Verzerrungen im PDL lagen zwischen 5 % (Referenzmodell) und 17 % (WR0-KA80). Indirekte Belastung führte im Referenzmodell zu Bewegungen von bis zu 180 µm, bei vestibulärem Abbau bis zu 280 µm (WR50-KA80v). Zirkulärer Knochenabbau steigerte die Bewegung auf bis zu 2180 µm (WR20-KA80). Schlussfolgerungen Attachmentverlust in Folge einer Parodontitis beeinflusst die biomechanische Belastung unter funktionaler Last stark. Insbesondere bei nicht-axialer Krafteinleitung hat der zirkuläre Knochenabbau unabhängig von der Wurzelresorption einen deutlichen Einfluss auf die Beweglichkeit der Zähne.

Zahn- und Kieferbiomechanik

Automatische Anpassung von Verbindern bei mehrgliedrigen Brücken und Finite-Elemente-Analyse

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Bei mehrgliedrigen Brücken treten trotz Befolgung der Herstellerempfehlungen häufig Brüche im Bereich der Verbinder auf. In dieser Studie wurde untersucht, wie eine automatische patientenindividuelle Anpassung dieser Verbinder mit vertretbarem Aufwand erreicht werden kann. Ziele Ziel der Studie ist die Entwicklung einer robusten Methodik, die eine parametrisierte Anpassung der Verbinderregion bei n-gliedrigen Brücken mittels parametrischer Modellierung ermöglicht. Dies soll eine Anpassung der Verbinder&shy;quer&shy;schnitts&shy;fläche von verschiedenen Seiten ermöglichen. Materialien &amp; Methoden Um die Anpassung der Verbinderquerschnittsfläche zu erreichen, wurden die Positionen der Verbinder zunächst automatisiert detektiert und anschließend die Netzknoten, die sich in der Verbindungsregion befinden, auf Basis der Gleichungen (1) und (2) angepasst. Abbildung 1(c) veranschaulicht ein Beispiel für die Verringerung der Verbinderquerschnittsfläche von der okklusalen Seite durch die Berechnung einer neuen x-Koordinate für jeden Punkt ??−?kk?????. xnew(i)=x(i)-k(dyz(i)×B(dxy(i))).x(i) (1) B(t)=((w-t)3×w)+(3t(w-t)2×0.9w)+(3t2(w-t)×0.1w) (2) Es wurden verschiedene Anpassungsszenarien für eine viergliedrige Brücke generiert und die sich bei mechanischer Belastung ergebende Spannungs&shy;verteilung mittels FEM untersucht. Ergebnisse Die FE-Analyse zeigte, dass eine Reduzierung des Querschnitts des Verbinders von der gingivalen Seite einen großen Einfluss auf die Zugspannung hat, während eine Reduzierung von der okklusalen Seite einen signifikanteren Einfluss auf die Druckspannung hat. Zusammenfassung Die angestrebte parametrisierte Anpassung der Verbinder ließ sich erfolgreich umsetzen. Der Algorithmus stellt einen der nötigen Bausteine für künftig automatisch generierte patientenindividuelle CAD-Modelle für mehrgliedrige Brücken dar. Abbildung.1: Unterschiedliche Szenarien der Anpassung von Verbindern und Übersicht über die Methodik.

Prof.

PD Dr. med. Dr. med. dent.

Kopplung von muskuloskelettaler Mehrkörpersimulation und Finite-Elemente-Analyse zur Modellierung des menschlichen Kausystems

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die Kopplung der Finite-Elemente-Analyse (FEA) mit der muskuloskelettalen Mehrkörpersimulation (MMKS) ermöglicht eine nicht-invasive Betrachtung biomechanischer Parameter des Kausystems und verringert dabei die Limitationen der jeweiligen Modellierungsansätze. Während die FEA mechanische Feldgrößen (Verschiebung, Spannung) auf Gewebeebene berechnet, aber häufig auf statischen Lastfällen und nicht-personalisierten Muskelkräften beruht [1], kann die MMKS dynamische Randbedingungen während aktiver Bewegungen bereitstellen [2]. Ziel ist die Kopplung dieser beiden numerischer Ansätze zur Analyse des Einflusses personalisierter dynamischer Randbedingungen beim Beißen auf mechanische Feldgrößen im Unterkieferknochen. Daher wurde in der MMKS ein validiertes, invers-dynamisches Modell (AnyBodyTM Modeling System v.7.4.4) mit drei Freiheitsgraden und einer vertikalen Beißkraft von 441 N auf den ersten Molar verwendet. Der generische Unterkiefer wurde an die rekonstruierte Geometrie eines CT-gescannten Unterkiefers angepasst. In der FEA (Abaqus Standard v.2022) wurde diese Unterkiefergeometrie mit Tetraederelementen vernetzt und heterogene Materialeigenschaften zugewiesen. Die Bewegung, Beißkraft und Muskelkräfte aus der MMKS dienten als personalisierte Randbedingungen für die FEA. Die Datenanalyse der Feldgrößen zeigt einen wesentlichen Unterschied bei der Verwendung aktiver Lastfälle mit Unterkieferbewegung und heterogenen Materialeigenschaften im Vergleich zu bisherigen Studien. Die gegenläufige Verschiebung zweier Schnittflächen beträgt beispielsweise bei Fixierung der Kondylen [1] 0,15 mm und steigt im Rahmen des gekoppelten Modells auf 0,51 mm. Diese Arbeit verdeutlicht, dass die Integration dynamischer Randbedingungen aus der MMKS eine realitätsnahe Abschätzung der Feldgrößen in der FEA ermöglicht. Abb.1: Gekoppelte MMKS-FEA [1] Orassi et al., Front. bioeng. biotechnol., 9 (672176), 2021. [2] Saini et al., Comput Methods Biomech Biomed Engin., 23 (261–270), 2020.

Dipl.Ing.

M.Sc.

Über Kontaktberechnungen ermittelter Einfluss von Scanfehlern und Zahnbeweglichkeit auf die Passgenauigkeit von festsitzendem Zahnersatz

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Die Eignung von Ganzkieferscans zur Herstellung von festsitzendem Zahnersatz ist aktuell Gegenstand intensiver Forschung. Die Interpretation der Auswirkung von Scanungenauigkeiten auf die Passgenauigkeit von festsitzendem Zahnersatz ist dabei bislang nur eingeschränkt möglich. Ziel: Mittels einer Kontaktberechnung sollte die Passgenauigkeit von festsitzendem Zahnersatz, konstruiert auf Basis von Intraoralscans, ermittelt werden. Material und Methoden: Ein teilbezahntes Oberkiefermodell mit einem Restzahnbestand von 6 präparierten Zähnen (16, 13, 11, 21, 23 und 26) zur Aufnahme einer mit Vollkronen verankerten Ganzkieferbrücke wurde 30-mal mit einem Intraoralscanner gescannt. Für jeden Scan wurden mit einer dentalen Designsoftware eine Ganzkieferbrücke konstruiert. Die STL-Oberflächen der Brücken wurden unverändert in eine Finite-Elemente-Software übertragen und der Zementiervorgang auf das virtuelle Referenzmodell mit einer Gesamtkraft von 300 N und einer Zementfilmdicke von 25 mm mittels Kontaktberechnung simuliert. Für die gefundene Endposition wurden Spaltmaße ermittelt. Im Rahmen zusätzlicher Berechnungen wurde die Ganzkieferbrücke a) im Frontzahnbereich geteilt und b) als Best-Case-Szenario Einzelzahnkronen simuliert. Die Berechnungen wurden für Brücken mit (mZB) und ohne (oZB) Zahnbeweglichkeit und für Einzelzahnkronen oZB durchgeführt. Ergebnisse: Bei Ganzkieferbrücken und geteilten Ganzkieferbrücken konnte kein klinisch akzeptables Spaltmaß von maximal 120 µm an allen Pfeilerzähnen gleichzeitig gefunden werden. Bei den Ganzkieferbrücken betrug das maximale Spaltmaß im Randbereich 195 µm oZB und 138 µm mZB. Bei geteilten Ganzkieferbrücken betrug es 172 µm mZB und 119 µm oZB, bei Einzelzahnkronen 84 µm. Zusammenfassung: Mit Spaltmaßen im Randbereich von bis zu 195 µm kann die Herstellung von Ganzkieferbrücken und geteilten Ganzkieferbrücken auf Basis von Intraoralscans noch nicht empfohlen werden.

Automatische Anpassung von Okklusalflächen implantatgetragener Kronen durch Laplacian Mesh Editing

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die Implantatversorgung ist heutzutage eine gängige Behandlungsmethode in der Zahnmedizin. Bei der Gestaltung der Okklusalfläche einer implantatgetragenen Krone ist die Erstellung eines funktionalen Kaukontakts mit den Antagonisten für den Patienten relevant. Im Rahmen der Gestaltung der Okklusalfläche muss diese so angepasst werden, dass Kontakte in vorgegebenen Bereichen entstehen. Dabei dürfen Ästhetik und Kaufunktion nicht beeinträchtigt werden. Ein computergestützter, automatisierter Modellierungsansatz kann bei der Gestaltung helfen und kann die Notwendigkeit für Nacharbeiten an der Krone reduzieren. Ziel dieser Studie war es, einen Modellierungsansatz zu entwickeln, der die automatische Anpassung einer Okklusalfläche an bestimmte Okklusionskonzepte ermöglicht. In dieser Studie wurde die Okklusalfläche einer eingescannten, implantatgetragenen Krone angepasst. Auf Basis von Okklusionskonzepten aus der Literatur wurden zuerst nominelle Kontaktpunkte bestimmt. Die Lage der nominellen Kontaktpunkte auf der Krone wurde danach mithilfe eines Optimierungsverfahrens verbessert. Anschließend wurde die Form der Okklusalfläche hinsichtlich der gewünschten Kontaktpunkte mittels Laplacian Mesh Editing angepasst. Die Ergebnisse der Modifizierung wurden durch eine Kontaktanalyse mit der Finite Elemente Methode validiert. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich bei der Kontaktanalyse Orte mit hoher maximaler Hauptspannung an den gewünschten Kontaktpunkten einstellen. Dies deutet darauf hin, dass an diesen Orten ein Kontakt zwischen der Krone und den Antagonisten zustande kommt. Die vorgestellte Methode ermöglicht die automatisierte Anpassung einer implantatgetragenen Krone. Es ist geplant, die Methode als Basis für weitere Optimierungen einzusetzen. Hierbei sind Kontaktsituationen interessant, die zu geringen lateralen Reaktionskräften führen und die nicht zu übermäßigen Spannungskonzentrationen auf der Okklusalfläche führen.

In-vitro- und Finite-Elemente Modelle zur Simulation der Kraftübertragung am Beispiel von Retainerversorgungen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Die Lastabtragung bei zahnmedizinischen Restaurationen und Apparaturen hängt meist stark von den Steifigkeitsverhältnissen aller beteiligten Strukturen ab. Hier sollten verschiedene kieferorthopädische Retainervarianten im Unterkiefer untersucht werden. Ziel: Erstellung CAM-gefertigter in-vitro Modelle mit einstellbarer Zahnbeweglichkeit (ZB) und eines Finite-Elemente (FE)-Modells zur Belastungssimulation von Retainern. Material &amp; Methoden: Das CAM-gefertigte in-vitro Modell bestand aus einer 3D-gedruckten Basis (Biomed Clear Resin) und sechs künstlichen Zähnen (Eckzahn zu Eckzahn) aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (Trinia). Die Zahnwurzeln wurden adhäsiv mit den über Stützbalken nachgiebig in der Modellbasis gelagerten Sockeln verbunden. Für die Belastungstests wurden verschiedene Retainervarianten modellbasiert hergestellt und auf der oralen Seite verklebt. Bei mechanischer Alterung und Bruchlastprüfung wurde Zahn 31 belastet. In einem FE-Modell (ANSYS R22) mit identischer Zahngeometrie wurden standardisierte, elastisch gebettete Wurzeln modelliert über welche die gewünschten ZB eingestellt werden konnte. Diese lag analog zum in-vitro Modell in einem Bereich von 1-3 µm/N in axialer Richtung mit einem Verhältnis von horizontaler zu axialer ZB von 3-4. Retainer mit Kreis-Querschnitt wurden mit jedem Zahn über einen zylindrischen Klebeverbund angebracht. Variierende Biegesteifigkeiten wurden über den Retainer-Durchmesser und dessen E-Modul realisiert. Analog zum in-vitro Modell wurde Zahn 31 belastet. Ergebnisse: Die FE-Simulationen zeigten, dass die Kraftübertragung über den Klebeverbund mit zunehmender Retainer-Steifigkeit und ZB steigt, was ein Versagen des Klebeverbundes begünstigt. Analog stieg die Versagenswahrscheinlichkeit tendenziell für steife Retainervarianten in den in-vitro Testungen. Zusammenfassung: Anhand der erstellten Modelle können neuartige Retainervarianten vor einem klinischen Einsatz realitätsnah untersucht werden.

Neue biomechanische Aspekte der Ohrtrompete

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung: Die Dysfunktion der Ohrtrompete - Tuba Eustachii (ET) ist eine häufige medizinische Herausforderung, die oftmals ätiologisch unklar bleibt, da für die ET bislang weder die biomechanischen Einsichten noch diagnostische Optionen hinreichend sind. Über eine dreidimensionale Modellbildung ist eine weitere Ausfschlüsselung der biomechanischen Ventilfunktion der ET beabsichtigt. Methoden: Beim Einbetten eines Gewebeblockes einer Tuba Eustachii wurden Marker für die spätere Rekonstruktion gesetzt, nach Cone Beam CT-Scan (CBCT) Dünnschichtschnitte gesägt, Färbungen der Schnitte durchgeführt, die einzelnen Schnitte digitalisiert und segmentiert nach Gewebeentität, und schließlich ein kohärenter und orthotoper Datensatz erstellt. Ergebnisse: die 3D-Modellbildung erlaubte eine quantitative Analyse der segmentierten Kompartimente und Korrelation zum CBCT. Die korrekte Schnittzuordnung im Raum erbrachte neue Aspekte, wie bspw. eine leicht spiralige Konfiguration des Tubenknorpels und konsekutiv eine bessere Zuordnung der Tubenmuskulatur. Schlussfolgerung: Das verbesserte Verständnis der ET erlaubt weitere Ansätze neuer diagnostischer Verfahren und therapeutischer Ansätze.

Session 13
Zahn- und Kieferbiomechanik

Termin

Vorsitzende

Programm

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