بخشی از مقاله
تحلیل اثر تغییر هندسه ایمپلنت بر بیومکانیک استخوان فک
چکیده :
مطالعه ی مکانیک ایمپلنت های کوتاه به تحلیل بیومکانیک ایمپلنت های دندانی مرتبط است و بررسی اثر تغییرات هندسی ایمپلنت - ها بر کارایی، دوام و ماندگاری آنها از چالش های روز در حوزه ی دندانپزشکی است؛ با این وجود، کمتر مطالعه ای به بررسی اثر تفاوت. های هندسی بر خروجی بیومکانیکی ایمپلنت ها و بافت استخوانی مجاور پرداخته است. هدف از مطالعه ی حاضر آنالیز برهمکنش بیومکانیکی ایمپلنت ها و استخوان فک با تمرکز روی اثرات بیومکانیکی استخوان اطراف ناحیه ی ایمپلنت با توجه به تغییرات هندسی پیچ ایمپلنت شامل زاویه ی کاهش (شیب ایمپلنت) و طول گامها به روش تحلیل المان محدود میباشد.
۴ مدل متفاوت هندسی از پیچ ایمپلنت بکمک نرم افزار SolidWorkS ساخته و با مدل سه بعدی واقعی از استخوان فک (بازسازی شده از روی تصاویر سیتی اسکن و بکمک نرم افزار MIMICS) ترکیب و همزمان با استفاده از ABAQUS (از نقطه نظر مکانیکی) و MATLAB (از نقطه نظر آماری) تحلیل شد .
نتایج این مطالعه نشان میدهد بیشتر شدن میزان زاویه ی پیچ سبب کاهش میزان تنش در بافت استخوانی مجاور ایمپلنت می شود (0.05>P) . این روند در ارتباط با طول گام نیز صادق است بطوریکه افزایش طول گام، کاهش تنش را در پی دارد (0.05>P). در پایان، فرضیه ای که نتایج این مطالعه به آن منجر می شود آن است که قطر پلتفرم ایمپلنت می تواند در روند توزیع تنش موثر باشد (0.01<P)؛ شاید مطالعات بعدی بتواند میزان صحت این فرضیه را بررسی کند.
کلمات کلیدی
هندسه ایمپلنت، المان محدود، بیومکانیک استخوان فک، تحلیل آماری
۱- مقدمه
تحلیل ایمپلنتهای دندانی و پیش بینی تنایج آن تابع عواملی چون فاکتورهای بیولوژیک (زیست شناختی)، فنی و بیومکانیکی است[۱, ۲. کنترل این فاکتورها به منظور محافظت از استخوان ۳, ۴] و کاهش مشکلات پروتزی [۵، مهم است چرا که می تواند به میزان نرخ موفقیت در باز توانی بکمک ایمپلنت اثرگذار باشد [۶].
با این اوصاف ، استفاده از ایمپلنت های کوتاه در باز توانی مشکلات فک و دندان مهم است [۷ ، از طرفی استفاده از تاج بلندتر در طراحی ایمپلنت دندانی مورد بررسی قرار گرفته است [۸] اما از نقطه نظر بیومکانیکی مطالعه ی چندانی بر ساختار پیچ ایمپلنت از نظر تفاوتهای هندسی طراحی شامل گام و شیب نفوذ صورت نگرفته است درحالیکه مطالعه روی ارتفاع تاج دندان ، فاکتورهایی بحرانی در توزیع تنش بکمک تکنیکهای تحلیلی مکانیکی مشخص شده اند [۹] و به صورت سه بعدی مدل تحت آنالیز المان محدود قرار گرفته اند [ ۱۰] از طرف دیگر ، مطالعات طولی کلینیکی و مرورهای سیستمیک نیز کمتر تفاوت اثر هندسه ی پیچ ها بر میزان بهینه بودن کارایی ایمپلنت - ها را مورد بررسی قرار داده اند [۱۱]؛ مطالعه بر روی اثر هندسه ی پیچ بر توزیع تنش، کرنش در ایمپلنتهای ستون فقرات در موارد زیادی انجام گرفته است [۱۱, ۱۲]؛ اما در حوزه ی ایمپلنتهای دندانی محدود است[۱۳]. درحقیقت شواهدی که دال بر مشکلاتی نظیر ازدست رفتن و تخریب در بازه ی زمانی کوتاهی پس از ایمپلنت شدن در نواحی مختلف فک باشد، حتی با وجود تکنیک کلینیکی بالا در ایمپلنت کردن، کم نیست .13-14
استفاده از المان محدود یک مدل سه بعدی بمنظور تحلیل بیومکانیکی شرایط و موقعیتهای متنوع بعنوان یکی از روش های تحلیل کلینیکی پذیرفته شده است [۱۷،۱۵
بعلاوه، استفاده از تحلیل های آماری ابزاری موثر و مفید در روشهای المان محدود شناخته میشود [۱۵ [
بنابراین مطالعه حاضر با هدف بررسی توزیع تنش و کرنش و تاثیر پذیرفتن آن از تغییرات هندسی پیچ ایمپلنت می باشد. تمامی مدلها از روی ایمپلنت های شناخته شده ی صنعتی موجود در حوزه دندانپزشکی ساخته شده است. فرض بر آن است که هندسه ی نزدیک - تر به مخروط (در مقایسه با استوانه)، توزیع تنش بهینه تری در استخوان فک را نتیجه میدهد .
۲- روش ها
۲ - ۱ - طراحی آزمایشگاهی این مطالعه برای در نظر گرفتن فاکتورهای هندسی برهمکنش بیومکانیکی استخوان فک طراحی شده است . در تحلیل هندسی پیچ ها از چهار مدل متنوع (موجود در صنعت) استفاده شده که تحت بارگذاری استاتیکی و همسان قرار گرفته اند . فاکتور مهم دیگر، استخوان فک و خصوصیات مکانیکی آن است که تحت پیچ هایی با هندسه ی متفاوت و بارگذاری یکسان تحلیل شده است، بنابراین از تحلیل واریانس دوطرفه استفاده شده است .
۲-۲ - مدل ها
روشهای مورد استفاده در مطالعه ی حاضر بهمراه شرایط مرزی آن، تابع مطالعات گذشته است [۱۵, ۱۷, ۱۹] در این مطالعه مدلهای سه بعدی از روی نمونه های صنعتی ساخته شده است (جدول ۱). هر مدل شامل یک برش سه بعدی از استخوان فک به همراه یک پیچ ایمپلنت شده در آن میباشد. مدل سازی استخوان فک بکمک نرمافزار میمیکس و بر مبنای بازسازی به روش ابر نقاط از روی تصویر سیتی - اسکن شده است . در مطالعه ی حاضر، چهار نوع متفاوت (از نقطه نظر هندسی) از ایمپلنتهای کمپانی های متفاوت را که در سال جاری جزو پرفروش - ترین ها بوده اند انتخاب شده که نمای مدل اصلی، نمای مدل شبیه - سازی شده و مشخصات هندسی آنها در جدول شماره ی ۱ آورده شده است. از بردن نام ایمپلنتها بمنظور پرهیز از خطا صرفنظر شده است. تمامی ایمپلنتهای درنظر گرفته شده تنها از نظر هندسه متفاوت بوده و همگی دارای خصوصیات مکانیکی یکسان از نقطه نظر آلیاژ بکار رفته در تولید آنها (صرفا بر مبنای اعتماد به سازندهها و بدون تست موازی مواد - هرچند تفاوت مواد در دنیای واقعی، تداخلی با هدف و فرضیه ی مطالعه ی حاضر ندارد) میباشند.
طراحی ایمپلنت ها بکمک نرمافزار SolidWorkS 2013 - 64bit انجام شده است که پس از مراحل طراحی با فرمت (parasolid (X_t ذخیره شده و نمایی کامل از آن در جدول ۲ قابل مشاهده است. برای ایجاد جسم استخوان فک به کمک نرمافزار میمیکس نسخه ۱. ۱۰ و با استفاده از عکس سیتیاسکن شده یک بیمار با فک سالم صورت پذیرفته است. عکس های سی تی اسکن شده ی بیمار با فرمت dCm. به نرم افزار میمیکس منتقل شده و سپس یک فایل به صورت ابر نقاط با فرمت متنی Xt tبعنوان اخرین خروجی نرم افزار میمیکس بدست آمد. با وارد کردن فایل ابرنقاط به دست آمده به نرم افزار SolidWorkS این ابرنقاط صفحه بندی و به جسم تبدیل شده و در نهایت با فرمت paraSOlid ذخیره گردید (شکل ۱). در ادامه، ترکیب مدلهای ایمپلنت و فک انجام در جای اصلی خود قرار داده شد که مجموعه روندهای فوق الذکر در شکل ۱ بخوبی قابل مشاهده است.
بارگذاری بر روی ایمپلنت با نیرویی معادل 400N و بصورت استاتیکی انجام شده است [۱] تکیهگاه در محل جداشدن فک در نظر گرفته شده و به صورت ثابت تعریف شده است (نحوه ی بارگذاری و تکیهگاهها در شکل ۱ آورده شده است). مش بندی به صورت شناور تعریف و تحلیل آن به صورت خطی در نظر گرفته شده است".
۳- نتایج
با توجه به اهمیت تنش در برهمکنش ایمپلنت و استخوان، تخمین و بررسی تنش های ناشی از اعمال بار روی ایمپلنت و توزیع آن در استخوان مجاور ایمپلنت بسیار حیاتی است. از مهمترین اثرات این بررسی می توان به تخمین و بهینه سازی ایمپلنت ها (از نقطه نظر طراحی هندسه و مواد) اشاره کرد که فاکتور مهمی برای پرهیز از اثر
پوشش تنش (SSE) دانست.
اثر پوشش تنش، یا همان SSE، یکی از مهمترین عوامل در خوردگی استخوان مجاور ایمپلنت و در نتیجه، آسیبهای ناشی از ایمپلنت شدن استخوان و فلز است که نهایتا منجر به از دست رفتن ایمپلنت "(LS) می شود. شکل ۲، توزیع تنش ون میزز در چهار پیچ ایمپلنت با هندسههای متفاوت را نشان می دهد. از طرفی، محاسبه تنشهای اصلی نیز
برای هر چهار پیچ (با زاویه ی کاهش و طول گامهای متفاوت) صورت گرفته و در نمودار شکل ۳ آورده شده است.
همانطور که از نحوه توزیع و مقادیر تنشهای اصلی پیداست، ماکزیمم تنش در ایمپلنت مدل C بیش از سایرین است؛ این ایمپلنت دارای کمترین طول گام بهمراه زاویه ی کاهش پایین است. از طرفی مینیمم تنش را نیز می توان در ایمپلنت نوع A مشاهده کرد که دارای طول گامی تقریبا دوبرابر مدل C و زاویه ی کاهش سه برابر آن است.
انتظار میرود (با توجه به فرض اولیه ی مطالعه ی پیش رو) زاویه ی کاهش بیشتر سبب کاهش تنش برشی در نواحی استخوانی فک در مجاور ایمپلنت شود. جداول شماره ی ۴ و ۵ به میزان متوسط تنش اصلی در چهار نوع پیچ ایمپلنت شده اشاره می کند.
آنچه در این جداول مورد توجه قرار گرفته اثرات همزمان (بصورت برهمکنش) میان طول گام، قطر پلتفرم و زاویه ی کاهش است. در محاسبات انجام شده بمنظور تعیین متوسط تنش اصلی از تستهای آماری شامل تحلیل واریانس دوطرفه (بررسی "میزان تاثیر تغییرات" "طول گام" و "زاویه کاهش" بر مقادیر تنش و کرنش) و همچنین آنالیز توکی (بمنظور تخمین و تعیین پاسخهای محسوس) بکمک نرم افزار متلب استفاده شده است. نتایج این تستها در قالب انحراف معیار در جداول آورده شده است (معیار کلی در تمامی موارد تست توکی 0.05 >P درنظر گرفته شده است).
