DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-05909-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40197310
تاريخ النشر: 2025-04-07
المؤلف: Sena Yılmaz وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقويم الأسنان وطب الأسنان الوجهية
نظرة عامة
كان هدف هذه الدراسة هو تحليل القوى الناتجة عن أسلاك الأقواس ذات المنحنيات العكسية بأعماق وأبعاد مختلفة لبراغي من نوع روث ونوع MBT باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA). قام الباحثون بنمذجة أسلاك الأقواس بأبعاد 20 مم، 25 مم، و30 مم لبراغي روث بحجم فتحة 0.018 بوصة وبراغي MBT بحجم فتحة 0.022 بوصة. تم إجراء 12 تحليلًا ثابتًا خطيًا لتقييم حركات الأسنان على طول المحاور X وY وZ، والإزاحة الكلية، وضغوط فون ميسيس على الرباط اللثوي (PDL).
أشارت النتائج إلى أن برغي MBT بحجم فتحة 0.022 بوصة مع منحنى عكسي من سلك سباي يقيس 0.019 × 0.025 بوصة و0.021 × 0.025 بوصة بعمق 30 مم، بالإضافة إلى برغي روث بحجم فتحة 0.018 بوصة مع أسلاك من 0.017 × 0.025 بوصة و0.016 × 0.022 بوصة بنفس العمق، أنتجت أقوى القوى، مما أدى إلى إزاحة كبيرة وضغط على PDL. على العكس من ذلك، أظهرت بعض التكوينات، مثل برغي MBT بحجم فتحة 0.022 بوصة بعمق 20 مم وبرغي روث بحجم فتحة 0.018 بوصة مع أبعاد أسلاك مختلفة عند أعماق 20 مم و25 مم، تطبيقات قوى أكثر تحفظًا. تؤكد الدراسة على الدور الحاسم لاختيار تركيبات الأسلاك والبراغي المناسبة المصممة لتلبية احتياجات المرضى الفردية لتحسين العلاج التقويمي مع تقليل المخاطر على صحة اللثة.
في الختام، توفر هذه الأبحاث رؤى أساسية حول الآثار البيوميكانيكية لأنواع مختلفة من أسلاك الأقواس ذات المنحنيات العكسية على حركة الأسنان وضغط PDL. تؤكد على ضرورة الاختيار الدقيق لتركيبات الأسلاك والبراغي لتعزيز فعالية العلاج وتقليل احتمالية حدوث مضاعفات لثوية، مثل امتصاص الجذور. يجب أن تهدف التحقيقات المستقبلية إلى استكشاف الآثار طويلة الأمد لهذه التركيبات على معدلات الانتكاس وثبات الإطباق، مع إمكانية استخدام نماذج FEA محددة للمرضى مستمدة من مسح CBCT لتحسين الدقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يسهل دمج الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة تطوير بروتوكولات علاج شخصية، مما يحسن تطبيق القوة بناءً على الظروف التشريحية واللثوية الفردية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث منحنى سباي (COS)، وهو ميزة تشريحية حيوية في الأسنان البشرية تم وصفها لأول مرة بواسطة F. Graf von Spee في عام 1890. هذه الانحناءة الإطباقية الطبيعية، التي تربط بين رأس الفك السفلي، والأضراس الثانية، وحواف الأسنان القاطعة السفلية، ضرورية لمضغ فعال. تهدف العلاجات التقويمية غالبًا إلى تسطيح COS لتعزيز استقرار الإطباق وتصحيح العضات العميقة، وعادة ما تستخدم أسلاك الأقواس ذات المنحنيات العكسية. تتضمن نظامين بارزين للبراغي، روث وMBT، تصحيح COS في بروتوكولاتهما، حيث يركز نظام روث على التصحيح المفرط من خلال تعديلات العزم ويستخدم MBT قوى أخف وأسلاك أقواس مصممة خصيصًا.
تسلط الورقة الضوء على أهمية تصحيح COS من خلال طرق مثل استخراج الأضراس وغمر الأسنان القاطعة، مصممة لتلبية احتياجات المرضى الفردية، بما في ذلك الجماليات الوجهية واستقرار الإطباق. كما تتناول المضاعفات المحتملة الناجمة عن تطبيق القوى التقويمية على الأسنان ذات الدعم اللثوي الم compromised، والتي يمكن أن تؤدي إلى اضطرابات وعائية وتدهور لثوي. تم تقديم تحليل العناصر المحدودة (FEA) كأداة قيمة لتقييم توزيع الضغط وحركة الأسنان، مما يساعد أطباء التقويم في تحسين قوى العلاج وتقليل المخاطر مثل امتصاص الجذور. تهدف الدراسة إلى تقييم القوى المطبقة بواسطة أسلاك أقواس سباي ذات المنحنيات العكسية بأعماق مختلفة في أنواع براغي مختلفة، مما يساهم في تطوير خطط علاج تقويم شخصية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة لتحليل العناصر المحدودة (FEA) لنموذج عظم الفك السفلي، باستخدام أدوات وتقنيات حسابية متقدمة. تم اشتقاق نموذج العظم من مشروع الإنسان المرئي وتم معالجته باستخدام برنامج 3DSlicer، مع إجراء عمليات هندسة عكسية وعمليات CAD ثلاثية الأبعاد في ANSYS Spaceclaim. تم إجراء FEA على محطات عمل HP مزودة بمعالجات INTEL Xeon E-2286، وتم حل النماذج باستخدام LS-DYNA. تضمن نموذج الفك السفلي ميزات تشريحية متنوعة، بما في ذلك العظم القشري والترابيكولار، والأسنان، والأربطة اللثوية، مع معلمات محددة مثل سمك الرباط 0.2 مم وعمق منحنى سباي 2.4 مم.
تمت نمذجة مكونات التقويم، بما في ذلك البراغي وأسلاك الأقواس، وفقًا للمواصفات المعتمدة، مع توثيق قيم العزم، والزاوية، والدوران في الجداول المرفقة. حدد المؤلفون تفاعلات الاتصال بين السطح والسطح بين البراغي وأسلاك الأقواس، مع تضمين معامل احتكاك قدره 0.13 لأخذ المقاومة في الاعتبار أثناء نقل القوة. تم إنشاء هياكل الشبكة بدقة باستخدام عناصر مثلثية وأربعة الأوجه، مع أحجام تتراوح من 0.1 إلى 0.25 مم، مما يضمن دقة عالية في النماذج الرياضية. تم قياس القوى المطبقة على الأسنان القاطعة السفلية باستخدام مقياس Dentaurum، مع الإبلاغ عن أحجام محددة في التحليل. تتيح هذه الطريقة الشاملة فحصًا مفصلًا للتفاعلات البيوميكانيكية داخل الإطار التقويمي.
النتائج
تستكشف نتائج هذه الدراسة آثار القوى التقويمية المتنوعة على إزاحة الأسنان وضغط الرباط اللثوي (PDL) عبر 12 نموذجًا مختلفًا. يتم تصنيف النماذج إلى تلك التي تطبق قوى عدوانية (النماذج 1، 2، 7، و8) وتلك التي تستخدم أساليب أكثر تحفظًا (النماذج 5، 11، و12). يكشف التحليل عن اختلافات كبيرة في حجم القوة المطبقة وتأثيرها الناتج على حركة الأسنان، كما هو موضح في الرسوم البيانية المرفقة.
أظهرت النماذج 1 و2 أعلى إزاحة للأسنان القاطعة المركزية، بقيم قدرها $2.620 \times 10^{-4}$ مم و$2.821 \times 10^{-4}$ مم، على التوالي، مما يشير إلى أن القوى القوية تسهل حركة الأسنان الكبيرة. وبالمثل، أظهرت النماذج 7 و8 أيضًا إزاحات ملحوظة قدرها $2.361 \times 10^{-4}$ مم و$2.311 \times 10^{-4}$ مم. في المقابل، أظهرت النماذج 5 و10 و11 و12 إزاحات أقل بكثير، حيث سجلت النموذج 5 $1.044 \times 10^{-4}$ مم وسجلت النموذج 11 الأقل عند $1.004 \times 10^{-4}$ مم. من الجدير بالذكر أن النماذج 5 و6 لم تظهر فقط أدنى قيم للإزاحة ولكن أيضًا قللت من ضغط PDL، مما يشير إلى أن هذه النماذج توفر تطبيقًا أكثر تحكمًا وتوازنًا للقوى التقويمية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل الآثار البيوميكانيكية لأسلاك الأقواس ذات المنحنيات العكسية بأبعاد وأعماق مختلفة على حركة الأسنان وضغط الرباط اللثوي (PDL) باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA). أشارت النتائج إلى أن تركيبات الأسلاك والبراغي أثرت بشكل كبير على كل من إزاحة الأسنان وضغط PDL. على وجه التحديد، أظهرت النماذج التي تستخدم براغي روث مخرجات قوة أعلى، خاصة في تصحيح العضات العميقة، بينما أظهرت براغي MBT نتائج أكثر تحفظًا. تشير النتائج إلى أن تطبيقات القوة العدوانية (مثل النماذج 1، 2، 7، و8) أدت إلى إزاحة أكبر للأسنان وضغط PDL، مما يثير القلق بشأن المخاطر المحتملة مثل امتصاص الجذور ونخر الأنسجة. على العكس من ذلك، قدمت النماذج الأكثر تحفظًا (مثل النماذج 5، 9، 10، 11، و12) حركة أسنان أكثر أمانًا وتحكمًا مع ضغط PDL أقل، مما يجعلها مفضلة للمرضى الذين يعانون من حالات لثوية حساسة أو في المراحل النهائية من العلاج.
تؤكد الدراسة على أهمية التخطيط العلاجي الفردي في تقويم الأسنان، مشددة على الحاجة إلى تحقيق توازن بين حركة الأسنان الفعالة وتقليل الآثار السلبية. يُشجع الأطباء على مراعاة العوامل المحددة للمرضى، مثل هيكل العظم وصحة اللثة، عند اختيار تركيبات الأسلاك والبراغي. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على التجارب السريرية طويلة الأمد للتحقق من هذه النتائج واستكشاف دمج التقنيات المتقدمة مثل الذكاء الاصطناعي لبروتوكولات العلاج الشخصية. بشكل عام، تسهم هذه الأبحاث في تقديم رؤى قيمة حول تحسين استراتيجيات العلاج التقويمي مع حماية صحة اللثة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-025-05909-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40197310
Publication Date: 2025-04-07
Author(s): Sena Yılmaz et al.
Primary Topic: Orthodontics and Dentofacial Orthopedics
Overview
The objective of this study was to analyze the forces generated by reverse curve archwires of varying depths and dimensions for Roth-type and MBT-type brackets using finite element analysis (FEA). The researchers modeled archwires with dimensions of 20 mm, 25 mm, and 30 mm for Roth brackets with a 0.018″ slot size and MBT brackets with a 0.022″ slot size. A total of 12 linear static analyses were performed to assess tooth movements along the X, Y, and Z axes, total displacement, and von Mises stresses on the periodontal ligament (PDL).
The results indicated that the 0.022″ slot MBT bracket with a reverse curve of Spee wire measuring 0.019 × 0.025″ and 0.021 × 0.025″ at a depth of 30 mm, as well as the 0.018″ slot Roth bracket with wires of 0.017 × 0.025″ and 0.016 × 0.022″ at the same depth, produced the most aggressive forces, resulting in significant displacement and PDL stress. Conversely, certain configurations, such as the 0.022″ slot MBT bracket with a 20 mm depth and the 0.018″ slot Roth bracket with various wire dimensions at 20 mm and 25 mm depths, exhibited more conservative force applications. The study underscores the critical role of selecting appropriate wire-bracket combinations tailored to individual patient needs to optimize orthodontic treatment while minimizing risks to periodontal health.
In conclusion, this research provides essential insights into the biomechanical implications of different reverse curve archwires on tooth movement and PDL stress. It emphasizes the necessity for careful selection of wire-bracket combinations to enhance treatment efficacy and reduce the likelihood of periodontal complications, such as root resorption. Future investigations should aim to explore the long-term effects of these combinations on relapse rates and occlusal stability, potentially utilizing patient-specific FEA models derived from CBCT scans for improved accuracy. Additionally, the integration of artificial intelligence and machine learning could facilitate the development of personalized treatment protocols, optimizing force application based on individual anatomical and periodontal conditions.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the Curve of Spee (COS), a critical anatomical feature of human dentition first described by F. Graf von Spee in 1890. This natural occlusal curvature, which connects the mandibular condyle, second molars, and incisal edges of lower incisors, is essential for efficient mastication. Orthodontic treatments often aim to flatten the COS to enhance occlusal stability and correct deep bites, typically employing reverse curve archwires. Two prominent bracket systems, Roth and MBT, incorporate COS correction in their protocols, with Roth’s system focusing on overcorrection through torque adjustments and MBT utilizing lighter forces and specially designed archwires.
The paper highlights the significance of correcting the COS through methods such as molar extrusion and incisor intrusion, tailored to individual patient needs, including facial aesthetics and occlusal stability. It also addresses the potential complications arising from applying orthodontic forces to teeth with compromised periodontal support, which can lead to vascular disruptions and periodontal degradation. Finite Element Analysis (FEA) is introduced as a valuable tool for assessing stress distribution and tooth movement, aiding orthodontists in optimizing treatment forces and minimizing risks like root resorption. The study aims to evaluate the forces exerted by reverse curve Spee archwires of varying depths in different bracket types, ultimately contributing to the development of personalized orthodontic treatment plans.
Methods
In this section, the authors detail the methods employed for finite element analysis (FEA) of a mandibular bone model, utilizing advanced computational tools and techniques. The bone model was derived from the Visible Human Project and processed using 3DSlicer software, with subsequent reverse engineering and 3D CAD operations conducted in ANSYS Spaceclaim. The FEA was performed on HP workstations equipped with INTEL Xeon E-2286 processors, and the models were solved using LS-DYNA. The mandibular model incorporated various anatomical features, including cortical and trabecular bone, teeth, and periodontal ligaments, with specific parameters such as a ligament thickness of 0.2 mm and a Spee curve depth of 2.4 mm.
The modeling of orthodontic components, including brackets and archwires, adhered to established specifications, with torque, angulation, and rotation values documented in accompanying tables. The authors defined surface-to-surface contact interactions between the brackets and archwires, incorporating a friction coefficient of 0.13 to account for resistance during force transmission. Mesh structures were meticulously created using triangular and tetrahedral elements, with sizes ranging from 0.1 to 0.25 mm, ensuring high precision in the mathematical models. Forces applied to the lower incisor teeth were measured using a Dentaurum gauge, with specific magnitudes reported in the analysis. This comprehensive approach enables a detailed examination of the biomechanical interactions within the orthodontic framework.
Results
The results of this study investigate the effects of varying orthodontic forces on tooth displacement and periodontal ligament (PDL) stress across 12 different models. The models are categorized into those applying aggressive forces (Models 1, 2, 7, and 8) and those employing more conservative approaches (Models 5, 11, and 12). The analysis reveals significant differences in the magnitude of force applied and its consequent impact on tooth movement, as illustrated in the accompanying bar charts.
Models 1 and 2 exhibited the highest displacement for the central incisors, with values of $2.620 \times 10^{-4}$ mm and $2.821 \times 10^{-4}$ mm, respectively, indicating that strong forces facilitate substantial tooth movement. Similarly, Models 7 and 8 also demonstrated notable displacements of $2.361 \times 10^{-4}$ mm and $2.311 \times 10^{-4}$ mm. In contrast, Models 5, 10, 11, and 12 showed significantly lower displacements, with Model 5 recording $1.044 \times 10^{-4}$ mm and Model 11 the least at $1.004 \times 10^{-4}$ mm. Notably, Models 5 and 6 not only exhibited the lowest displacement values but also minimized PDL stress, suggesting that these models provide a more controlled and balanced application of orthodontic forces.
Discussion
In this study, the biomechanical effects of reverse curve archwires with varying dimensions and depths on tooth movement and periodontal ligament (PDL) stress were analyzed using finite element analysis (FEA). The results indicated that the wire-bracket combinations significantly influenced both tooth displacement and PDL stress. Specifically, models utilizing Roth brackets exhibited higher force outputs, particularly in correcting deep bites, while MBT brackets demonstrated more conservative outcomes. The findings suggest that aggressive force applications (e.g., Models 1, 2, 7, and 8) resulted in greater tooth displacement and PDL stress, raising concerns about potential risks such as root resorption and tissue necrosis. Conversely, more conservative models (e.g., Models 5, 9, 10, 11, and 12) provided safer, controlled tooth movement with lower PDL stress, making them preferable for patients with sensitive periodontal conditions or in the final stages of treatment.
The study underscores the importance of individualized treatment planning in orthodontics, emphasizing the need to balance effective tooth movement with the minimization of adverse effects. Clinicians are encouraged to consider patient-specific factors, such as bone structure and periodontal health, when selecting wire-bracket combinations. Future research should focus on long-term clinical trials to validate these findings and explore the integration of advanced technologies like artificial intelligence for personalized treatment protocols. Overall, this research contributes valuable insights into optimizing orthodontic treatment strategies while safeguarding periodontal health.