Dagmar Kobe

Simulation of orthodontic tooth movements

Orthodontic tooth movements are based on the ability of bone to react to mechanical stresses with the apposition and resorption of alveolar bone. Currently, the underlying biophysical, biochemical, and cellular processes are the subject of numerous studies. At present, however, an analytical description of orthodontic tooth movements including all components of the processes involved seems to be impossible. It was the aim of the present study to develop a mechanics-based phenomenological model capable of describing the alveolar bone remodeling.Thus, 2 different models were developed. The first is based on the assumption that deformations of the periodontal ligament (PDL) are the key stimulus to starting orthodontic tooth movement. The second supposes that deformations of the alveolar bone are the basis of orthodontic bone remodeling. Both models were integrated into a finite element package calculating stresses, strains and deformations of tooth and tooth supporting structures and from this simulating the movement of the tooth and its alveolus through the bone. Clinically induced canine retractions in 5 patients as well as force systems were exactly measured and the tooth movements were simulated using both models.The results show that the first model allows reliable simulation of orthodontic tooth movements, whereas the second is to be rejected.ZusammenfassungKieferorthopädische Zahnbewegungen beruhen auf der Fähigkeit des Knochens, auf äußere mechanische Reize mit einem Umbau des Kieferknochens zu reagieren. Die zugrundeliegenden Vorgänge laufen auf biophysikalischer, biochemischer und zellulärer Ebene ab und sind derzeit Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Eine geschlossene Beschreibung aller an der Zahnbewegung beteiligten Prozesse durch ein analytisches modell erscheint aufgrund der Komplexität zur Zeit nicht möglich. Wesentliche Erkenntnisse können jedoch bereits gewonnen werden, wenn es gelingt, ein auf der Mechanik basierendes Simulationsmodell aufzustellen, das die Knochenumbauvorgänge phänomenologisch darstellt.Zur Beschreibung der orthodontischen Zahnbewegung wurden daher zwei Modelle entwickelt. Grundlage des ersten Modells ist die Annahme, daß der mechanische Schlüsselreiz in Deformationen des parodontalen Ligaments zu sehen ist. Das zweite Modell basiert auf der Hypothese, daß Deformationen der Alveolarwand zum Knochenumbau und damit zur orthodontischen Zahnbewegung beitragen. Diese Modelle wurden in ein Finite-Elemente-Programmsystem integriert, das die Berechnung von Spannungen sowie Deformationen von Zahn und Zahnhalteapparat ermöglicht und hieraus die Bewegung des Zahns durch den Knochen berechnet. Zur Verifizierung wurden bei fünf Patienten Eckzahnretraktionen sowie die klinisch eingesetzten Kraftsysteme genau vermessen und mit Hilfe beider Modelle simuliert.Die Ergebnisse zeigen, daß das erste Modell eine gute Vorhersage der orthodontischen Zahnbewegung erlaubt, während die Annahme, daß die mechanischen Deformationen der Alveolarwand den Knochenumbau mitbestimmen, die klinische Realität nicht zutreffend beschreibt.

Assessment of the space for the lower wisdom teeth

SummaryFrom 13 patients a computed tomograph (CT-scan) and a panoramic radiograph (Orthophos, program 1, P1) were examined with respect to the spatial conditions of the lower wisdom teeth. In the panoramic radiograph the available space for the third molars of the lower jaw was determined by calculating the ratio (Q) of 2 distances: the mesiodistal crown diameter and the retromolar space. In the axial CT 3 different positions of the third molar were distinguished: third molar located anterior to the ramus mandibulae=sufficient space, partially within the ramus=restricted space, totally within the ramus=deficient space. These positions were compared with the findings in the panoramic radiograph, firstly in relation to the ramus and secondly in relation to a line (L) perpendicular to the occlusal plane at the intersection of the anterior border of the ramus and the crista temporalis. Furthermore, the mesial rotation of the third molar was measured and the relation of the bony structures surrounding the teeth were described. Comparison of the CT results with the quotients of the P1 showed that, for those wisdom teeth molars with an available space above 50% to under 100%, any of the 3 CT gradings was found. Assessing the projection of the ramus over the third molar as seen in the P1, 60% of the P1- and CT-results corresponded. The relation between the line L and the third molar showed coincidence in 76% of all cases. These results and the mesial rotation of the wisdom teeth as well as their different relation to the bony environment are possibly important factors concerning their eruption prognosis. The three-dimensional CT-scan gives new posibilities for further investigations of third-molar problems.ZusammenfassungVon 13 Patienten standen je ein axial geschichtetes Computertomogramm (CT) des Unterkiefers und eine Panoramaschichtaufnahme (Orthophos, Programm P1) zur Verfügung. Die Platzverhältnisse für die Unterkieferweisheitszähne wurden in der P1-Aufnahme metrisch über die Quotientenbildung zweier Strecken bestimmt. Im CT wurden drei M3-Positionen unterschieden: der M3 lag vor dem Ramus mandibulae=ausreichendes Platzangebot, teilweise im Ramus=eingeschränktes Platzangebot, im kaudalen Abschnitt des Ramus=mangelhaftes Platzangebot. Diese M3-Positionen wurden den Weisheitszähnen in der P1-Aufnahme zugeordnet: in bezug zum Ramus und in bezug auf das Lot (L) (eine Vertikale zur Okklusionslinie im projektorischen Schnittpunkt des vorderen Ramusrandes mit dem Schatten der Crista temporalis). Am CT wurde zudem die mesiale Rotation der M3 gemessen und die Beziehung der M3 zu den umgebenden Knochenstrukturen beschrieben. Der Vergleich zwischen CT-Befund und dem Quotienten zeigte, daß für Weisheitszähne mit einem retromolaren Platzangebot im Quotientenbereich über 50% bis unter 100% jede der drei Weisheitszahnpositionen im CT vorkam. Beim Vergleich der M3-Befunde in bezug auf die Ramusüberprojektion in der P1-Aufnahme mit der Beurteilung im CT stimmten 60% der M3 mit dem CT-Befund überein. Wurde der M3 in bezug auf das Lot beurteilt, so erhöhten sich die mit dem CT übereinstimmenden Befunde auf 76%. Diese Befunde sowie die in der P1-Aufnahme nicht erkennbare Mesialrotation der M3 und ihre unterschiedliche Beziehung zur knöchernen Umgebungsstruktur ergaben neue Aspekte, die möglicherweise die M3-Durchbruchsprognose beeinflussen. Die dreidimensionale Betrachtungsweise mit dem CT bietet neue Möglichkeiten für weitere Untersuchungen der M3-Problematik.

Modellentwicklungen für die Berechnung von Kraftsystemen kieferorthopädischer Behandlungselemente

EINLEITUNG: Im Verlauf einer kieferorthöpädischen Therapieplanung, ist die Kenntnis der durch die eingesetzten Behandlungselemente erzeugten Kräfte und Drehmomente (Kraftr Systeme) schon im Vorfeld der Behandlung wünschenswert. Diese Kraftsysteme ermöglichen eine Bewegung von Zähnen oder Zahngruppen durch den Kieferknochen um bis zu mehreren Millimetern im Fall von Translationen bzw. bis zu 90° im Fall von Rotationen. Im Rahmen des vorliegenden Beitrages wird die Entwicklung eines Modells zur Berechnung der Kraftsysteme kieferorthopädischer Behandlungselemente mit Hilfe der FiniteElemente-Methode (FEM) vorgestellt. Bisher durchgeführte Untersuchungen lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Zum einen wurden Behandlungselemente durch analytische Modelle beschrieben [7, 8], wobei die auftretenden Kräfte und Drehmomente direkt berechnet werden können. Andere Untersuchungen benutzten numerische Verfahren wie FEM [l, 2, 5, 9] oder FDM (Finite-Differenzen-Methode) [3] und basieren auf diskretisierten Modellen. In dieser Untersuchung, die Bestandteil eines Projektes zur kieferorthöpädischen Behandlungsplanung am Computer ist, wurden die Kraftsysteme mit Hilfe der Methode der Finken Elemente bestimmt. Zielsetzung ist es, alle Schritte einer kieferarthopädischen Behandlung am Computer zu simulieren, um so als Entscheidungshilfe für den Behandler zu dienen.

Calculation of isofluence contours for PDT application

The aim of this study was to calculate the light fluence for various PDT applications with a Monte Carlo method. Different applicator geometries and the related illuminations are computed in a 3D-multilayer tissue model. The applicators we calculated include various surface geometries, intensity and angular profiles as well as tissue parameter variations, and different wavelengths. The resulting fluence contours in conjunction with a certain dye concentration allow a prediction of the expected damage zone after PDT in the tumor tissue. To measure tissue parameters ex vivo we built up a spectrometer consisting of two integrating spheres. The light source we use is a cw Ti:sapphire laser tunable from about 670 nm to 760 nm without change of optics. We use a combination of direct and indirect measurements. By estimating the specular reflection and direct transmission from a tissue sample (approximately 490 micrometers ) we get the refractive index n and the extinction coefficient (mu) (tau ). We also measure the diffuse reflection as well as the diffuse transmission with the integrating spheres. To calculate the missing parameters (mu) a and g we use an inverse Monte Carlo simulation (MCS) with the Henyey-Greenstein phase function. Simulation of the tissue sample including the boundary and geometry effects leads to absorption coefficients that are up to a factor of 3 lower in comparison to good analytical models. The loss of diffuse light can be taken into consideration.