Grundlagen kieferorthopädischer Was ist Biomechanik? Der Begriff wurde bereits zu Beginn des neunzehnten Jahrhunderts von Benedikt geprägt. Biomechanik Die Lage der Widerstandszentren ein- und mehrwurzeliger Zähne C. Bourauel Poliklinik für Kieferorthopädie der Universität Bonn Kieferorthopädische Biomechanik Man bezeichnet damit alle Wechselwirkungen mechanischer Größen mit biologischen Systemen. Mit Hilfe experimenteller und theoretischer Methoden sollen die Reaktionen des biologischen Systems untersucht oder nach Möglichkeit vorausgesagt werden. Kraftangriff? Begann mit den ersten Arbeiten von Burstone um 1960. Fragestellungen hier speziell: Lage von Widerstandszentren (WZ) ? Sind die Positionen der WZ im Verlauf einer Zahnbewegung konstant? Größenordnungen der Kraftsysteme für verschiedene Zahnbewegungen? ¾Design von Behandlungselementen Kraftangriff? Einpunktangriff: nur Kraft 1 Übersicht 1 (Allgemeiner Teil) Kraft- und Drehmomentschlüssiger Angriff Mechanische / physikalische Grundbegriffe • • • Koordinatensysteme und Vektoren Kräfte und Drehmomente, Kraftsysteme Einheitensystem Die Wirkung von Kraftsystemen auf Körper • • • • • • Starrer Körper Schwerpunkt des starren Körpers Translationen und Rotationen Übersicht 2 (Allgemeiner Teil) Übersicht 3 (Spezieller Teil) Der Zahn als starrer Körper Aktuelle Probleme orthodontischer Biomechanik Parodontale Lagerung und Widerstandszentrum • Kieferorthopädische Grundlagen (Wdh.): WZ, RZ, M/F-Verhältnis Wechselwirkungen des Zahns mit Kraftsystemen • Materialeigenschaften des Zahnhalteapparats Rotationszentrum • Lage des Widerstandszentrums einwurzeliger Zähne mehrwurzeliger Zähne Bewegungsarten und Drehmoment/Kraft-Verhältnis • • eines Frontzahnblocks appliziertes, äquivalentes und effektives Kraftsystem • Mathematisches Modell der Zahnbewegung M/F: • Verifizierung an Hand klinischer Beispiele Das Drehmoment / Kraft-Verhältnis Kieferorthopädische Kraftsysteme und Arten der Zahnbewegung Mechanische / physikalische Grundbegriffe Die Mechanik ist ein Teilgebiet der Physik. Die Biomechanik wiederum ist ein Spezialgebiet, das mit physikalischen Methoden das Verhalten biologischer Systeme zu beschreiben versucht. Hierzu gehören z.B. die Beschreibung der Bewegung und des inneren mechanischen Zustands von Körpern unter Einwirkung von Kräften und Drehmomenten. • Berechnung von Zahnbewegungen mit unterschiedlichen Rotationszentren Koordinatensysteme, Vorzeichenkonventionen Zur Beschreibung mechanischer Probleme werden Koordinatensysteme eingeführt. +Z +Y +X Referenzsystem sollte immer das kartesische Koordinatensystem sein: rechtshändig, rechtwinklig 2 Problemorientierte Koordinatensysteme Problemorientierte Koordinatensysteme Es gibt verschiedene Systeme zur Beschreibung kieferorthopädischer Zahnbewegungen oder Kraftsysteme. Die kieferorthopädische Realität ist weder rechtwinklig noch rechtshändig! (z.B. in: Graber / Swain: Kieferorthopädie) Vektoren körpereigenes System Bei Kenntnis der Vorzeichenkonventionen und der Orientierungen kann man aber von einem System ins andere umrechnen. ortsfestes System Vektoren Zur Beschreibung der Bewegungen und der Kraftsysteme werden Vektoren benötigt. Im Gegensatz zu Skalaren (Masse, Größenangaben) benötigen diese sowohl die Angabe eines Betrages (Länge des Vektors) als auch der Richtung im gewählten System (Winkel bezüglich der Achsen). () Komponentena schreibweise: A = b c a b c |A| = a2 + b2 + c2 Vektoren Kraft: linienflüchtig Eigenschaften: Die Kraft ist ein gebundener, linienflüchtiger Vektor. m = 100 kg Die Wirkung ändert sich nicht, wenn der Angriffspunkt entlang der Kraftlinie verschoben wird. 3 Vektoren: Drehmoment Vektoren: Drehmoment Ein Drehmoment M entsteht immer, wenn eine Kraft F über einen Hebelarm r auf einen Körper wirkt. Moment einer Kraft, reaktives Drehmoment Kräftepaar, reines Drehmoment Eigenschaften: freier Vektor Die Wirkung ändert sich also nicht, wenn der Angriffspunkt beliebig verschoben wird. Berechnung über das Kreuzprodukt: M= [ ] ry • Fz - rz • Fy rz • Fx - rx • Fz rx • Fy - ry • Fx Vektoren: Drehmomente Z Kraftsystem: X: mesio-distal Y Y: oro-vestibulär Z: koronal-apikal X d d f r r M=RxF r=10, d=5, F=1 0 R = -d -r F F F= 0 0 0 -d•0 + r • 0 M = -r•F - 0 • 0 = -10 5 0•0 + d • F 0 R = -d -r F F = -f 0 -5 -d•0 - r • f M = -r•F - 0 • 0 = -10 5 -0•f + d • F WZ WZ F Kraft- und Drehmomentschlüssiger Angriff (z.B. mit Loops) f=0,5 Kraftsystem: Einheiten Ein Kraftsystem besteht aus drei Kräften und drei Drehmomente. Dies entspricht i.a. der kieferorthopädischen Situation. Es gilt das SI: Système International mit folgenden Einheiten für die Kraft: [N] = [kgm/s2] das Drehmoment: [Nm] Möglichst Kräfte nicht in [g] angeben (das ist eine Masse). Wenn schon, dann [p]. Die Wirkung von Kraftsystemen auf Körper Starrer Körper: Ein starrer Körper (wie ein Zahn) ändert seine äußere Form bei Belastung nicht. Freier starrer Körper, Schwerpunkt: Auf einen freien starren Körper wirken keine Lagerkräfte. Seine Bewegung wird in Bezug auf den Schwerpunkt beschrieben. Beim freien starren Körper ist dies der Massenmittelpunkt. 4 Translationen und Rotationen Translationen und Rotationen Greift eine einzelne Kraft am Körper und verläuft die Kraftlinie durch den Schwerpunkt, so führt dieser eine reine Translation aus: F )r F )S Verläuft die Kraftlinie nicht durch den Schwerpunkt, so erfolgt zusätzlich eine Rotation: S S S M=r•F Der Zahn als starrer Körper Translationen und Rotationen Ein einzelnes Drehmoment (das durch ein Kräftepaar erzeugt wird) führt stets zu einer Rotation um den Schwerpunkt: r -F Knochenanbau F Knochenabbau S M=r•F Rotation Der Zahn als starrer Körper Durch seine Lagerung im Parodont kann ein Zahn nicht mehr als freier starrer Körper angesehen werden. Der Zahn ist ein gestützter starrer Körper. Die Bewegung ist als Folge der Wechselwirkungen von Zahn / Zahnhalteapparat mit dem Kraftsystem zu beschreiben. Translation Das Widerstandszentrum Bei einem gestützten Körper werden die Bewegungsmöglichkeiten eingeschränkt. Art und Einfluss der Lagerung müssen berücksichtigt werden. Daraus ergibt sich das Widerstandszentrum. F S ) WZ } 1/2 Widerstands1/2 zentrum 5 Das Widerstandszentrum Widerstandszentrum eines Eckzahns Der Zahn ist ein starrer Körper: Er ändert seine Form bei Belastung nicht. Auf einen freien starren Körper wirken keine Lagerkräfte. Seine F Bewegung wird in Bezug auf den Schwerpunkt (Massenmittelpunkt) beschrieben. Durch seine Lagerung im Parodont kann ein Zahn nicht mehr als freier starrer Körper angesehen werden. Auch hier müssen Art und Einfluß der Lagerung berücksichtigt werden. Beschreibung der Zahnbewegung Die Lage des Widerstandszentrums ist abhängig von: Form und Größe der Zahnwurzel Beschaffenheit des umgebenden Gewebes 2/3 WZ 1/3 Für einen humanen Eckzahn liegt es etwa bei 40% der Wurzellänge Der Kraftangriff erfolgt aber am Bracket! Bewegungen werden in Bezug auf das Widerstandszentrum beschrieben. Es ist das Analogon zum Schwerpunkt des freien starren Körpers. F Einzelne Kraft im WZ: Translation Translation Das Rotationszentrum Das Rotationszentrum Translationen und Rotationen überlagern sich, es resultiert eine allgemeine Bewegung: + RZ r F Die Bewegung kann durch Angabe eines momentanen Rotationszentrums (RZ) charakterisiert werden. M=r•F Kraft im Bracket: Translation reaktives Drehmoment: Rotation 6 Festlegung des Rotationszentrums? Kraftsysteme und Rotationszentren Es muß stets die Wirkung des am Bracket angreifenden Kraftsystems im Widerstandszentrum betrachtet werden. Kann man die Lage des Rotationszentrums (und damit die Zahnbewegung) Appliziertes Kraftsystem: einzelne Kraft F im Bracket r Effektives Kraftsystem im Widerstandszentrum: einstellen? WZ F,M F Kraft F sowie reaktives Drehmoment M (M=r•F) Beispiel: Reine Translation Es wird zunächst die angestrebte Bewegung betrachtet und das dafür notwendige Kraftsystem im WZ ermittelt: körperliche Zahnbewegung einzelne Kraft Anschließend wird das hierzu äquivalente Kraftsystem im Bracket berechnet. Das effektive Kraftsystem im WZ kann man mit Hilfe des Drehmoment/Kraft-Verhältnisses (M/F) des verwendeten Behandlungselements einstellen. Es berechnet sich aus dem Verhältnis von im Brakket appliziertem Drehmoment zur applizierten Kraft und bestimmt damit die Lage des Rotationszentrums. Dem reaktiven Drehmoment M=r•F muß ein aufrichtendes Drehmoment -M = -r • F entgegenwirken. 8 ‚Translation‘, körperliche Zahnbewegung ‚Translation‘, M/F=Br - WZ Kraft am Bracket: F RZ WZ ‘Zwei Kraftsysteme sind äquivalent, wenn sie dieselbe Wirkung auf einen Zahn ausüben.’ r effektives Kraftsystem: F (Kraft) äquivalentes Kraftsystem: F (Kraft), -M (Drehmoment) Drehmoment am Bracket: M=10•F 8 Drehmoment/Kraft-Verhältnis - M/F RZ WZ Rotationszentrum im Unendlichen 7 M/F=10: Translation Distalisation: Kippung: 4 mm 0° Berechnung mit Widerstandszentrum Eckzahnretraktion Distalisation: Kippung: 4 mm 0,5° FEM-Simulation F=1N, M=10Nmm Eckzahnretraktion ‚Unkontrollierte Kippung‘, M/F=0 Kraft am Bracket: F M/F=0: unkontrollierte Kippung Distalisation: Kippung: 4 mm 15° Distalisation: Kippung: 4 mm 20° RZ Drehmoment am Bracket: M=0 Rotationszentrum im unteren Wurzeldrittel WZ Berechnung mit Widerstandszentrum FEM-Simulation F=1N, M=0 8 ‚Kontrollierte Kippung‘, M/F< Br - WZ Kraft am Bracket: RZ F Drehmoment am Bracket: M=5•F WZ Rotationszentrum an der Wurzelspitze M/F=5: kontrollierte Kippung Distalisation: Kippung: 4 mm 10° Distalisation: Kippung: ‚Wurzelbewegung‘, M/F> Br - WZ 4 mm 9° Kraft am Bracket: F Drehmoment am Bracket: Berechnung mit Widerstandszentrum FEM-Simulation M=15•F WZ Rotationszentrum an der Inzisalkante RZ F=1N, M=5Nmm M/F=15: Wurzelbewegung Mesialisierung: Kippung: 0,3 mm 15° Berechnung mit Widerstandszentrum Mesialisierung: Kippung: 0,5 mm 15° FEM-Simulation F=1N, M=15Nmm 9 F=0: Rotation um das WZ Kippung: -15° Kippung: Berechnung mit Widerstandszentrum Molarenaufrichtung -15° FEM-Simulation M=-10Nmm Reine Rotation (RZ im WZ - Furkation) Aktuelle biomechanische Probleme • Kieferorthopädische Grundlagen (Wdh.): WZ, RZ, M/F-Verhältnis • Materialeigenschaften des Zahnhalteapparats • Lage des Widerstandszentrums einwurzeliger Zähne mehrwurzeliger Zähne eines Frontzahnblocks • Mathematisches Modell der Zahnbewegung • Verifizierung an Hand klinischer Beispiele • Berechnung von Zahnbewegungen mit unterschiedlichen Rotationszentren Zahnbewegung durch Knochenumbau Zahnbewegung und ‚Bone Remodeling‘ Initiale klinische Situation: Anwendung von Kraftsystemen durch spezielle orthodontische Federn Knochenanbau Klinische Endsituation nach mehreren Wochen oder Monaten der Behandlung Knochenabbau Rotation Translation 10 Zahnbewegung und ‚Bone Remodeling‘ Biomechanische Komponenten Mathematische Methoden zur Berechnung von Kräften und Zahnbewegungen. Experimentelle Methode zur computergestützten Vermessung kieferorthopädischer Modelle. Dreidimensionale Darstellung der gemessenen Zahnpositionen. Initiale und finale Konfigurationen sind gleich Festlegung des Rotationszentrums? Grundlage zur Berechnung von Rotationszentren sind experimentelle und theoretische Untersuchungen. Erste Arbeiten hierzu wurden von Christiansen (1969) und Burstone bzw. Pryputniewicz und Burstone (1979) vorgestellt. Es wurde eine Formel zur Berechnung des Rotationszentrums in Abhängigkeit vom Kraftsystem am Bracket hergeleitet und experimentell verifiziert. Programm zum Design kieferorthopädischer Behandlungselemente (CAD). ‚Burstone‘-Formel M/F=(0,068•h²)/Y RZ Y M: Drehmoment am Bracket F: Kraft am Bracket h: Wurzellänge h Y: Position des Rotationszentrums WZ Sie benutzten mathematisch-analytische Methoden. Heutzutage werden überwiegend numerische Methoden, wie z.B. die Finite Elemente Methode (FEM), eingesetzt. Kernpunkt: Geometrie der Wurzel, also Lage des WZ! Material-Parameter und WZ Ausgangspunkt: E-Modul des PDL Lage des Widerstandszentrums bei unterschiedlicher Wurzelkonfiguration 100000 E-Modul des PDL [MPa] Materialeigenschaften des Zahnhalteapparats M,F 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 Jahreszahl der Veröffentlichung 11 Lage des WZ Aufgaben Bestimmung des Zusammenhangs aus einwirkendem Das Widerstandszentrum eines Zahns ist der wesentliche Parameter, der seine Bewegung festlegt. Je nach Art der Unetrsuchung (zweidimensional / dreidimensional, analytisch, numerisch) schwanken die Positionen um ca. 10%. Kraftsystem und resultierender initialer Zahnbewegung. Hieraus erhält man die benötigten Materialparameter, denn insbesondere das mechanische Verhalten des PDL ist nicht eindeutig geklärt. Burstone (1968) : 40 % Davidian (1971) : 39 bis 44 % Halazonetis (1996): 42 % Vollmer et al. (1999): 42 % bzw. Aufstellen eines geeigneten Rechenmodells zur Bestimmung der Deformationen und Belastungen. Neuberechnung des Widerstandszentrums einwurzeliger Zähne. 37 % Messung initialer Zahnbewegung Mobilitäts-Mess-System MOMS Die initiale Zahnbewegung zeigt nichtlineares Verhalten. Flächen-Sensoren zur Positionsmessung 3 2 SteuerComputer 6-AchsenPositionierComputer 6-AchsenPositionierTisch Rotation Ry A/D Converter SensorComputer 3D-Kraft/ Drehmoment-Sensor Translation Tx PSD Verstärker 4/00 0,8 0,7 Rotation [°] Translation [mm] 0,6 3D - Messtisch zur Belastung mit Kräften / Drehmomenten 0,5 0,4 0,3 0,2 1 Präparat mit LaserDioden und LinsenSystem 0,1 Auflösung / Genauigkeit 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 -0,1 Kräfte: 0,01 N Translationen: 0,01 mm Kraft F [N] Mobilitäts-Mess-System MOMS Drehmomente: 0,5 Nmm Rotationen: 0,022° Die Finite Elemente Methode (FEM) Flächensensoren Zerlegung einer Laser-KoordinatenSystem Struktur in eine Vielzahl endlich großer 'finiter' Elemente. Jedes Element verhält sich wie ein Teil eines Positioniertisch Kraft / Drehmoment-Sensor Deformationen im Modell Knochens oder Kräfte Zahns. Eckzahnpräparat 12 Kraftsystem an der Zahnkrone Vollständiges FE-Modell Fx FE-Modelle humaner Eckzähne Insgesamt 8 Präparate einwurzeliger Zähne (Eck- und Schneidezähne). Materialeigenschaften des PDL Mittelwerte und Standardabweichungen aus den Rechnungen zu 8 Präparaten: E1 = 0,05 (02) MPa E2 = 0,27 (12) MPa Materialeigenschaften Dentin: 20 GPa Schmelz: 80 GPa Kortikalis: 20 GPa Spongiosa: 3 GPa Querkontraktion: 0,3 Bislang isotrop, isotrop, homogen und linear! Materialparameter und ihre Bedeutung Die initiale Bewegung von Zähnen läßt sich im Finite Elemente-Modell mit guter Genauigkeit berechnen. Das nichtlineare elastische Verhalten des PDL läßt sich durch eine Bilinearität annähern. Die Zahnauslenkung wird überwiegend durch das Verhalten des PDL bestimmt. εG = 7,5 (2,4) % 13 Grund für das bilineare Verhalten Anordnung der parodontalen Fasern? Berchnung der Lage von Widerstandszentren bei einwurzeligen Zähnen Ausgangspunkt: Lage des WZ Burstone (1968) : 40 % Davidian (1971) : 39 bis 44 % Halazonetis (1996): 42 % Vollmer et al. (1999): 42 % bzw. FE-Modelle von Front- und Eckzähnen 37 % Mit den entwickelten FE-Modellen kann die individuelle Position des WZ durch Aufbringen eines einzelnen Drehmomentes ermittelt werden. Lage der Widerstandszentren bei 8 Präparaten 2_01 My 2_01 Mx 3_00 My 1_99 My 3_00 Mx 1_98 My 1_99 Mx 1_98 Mx 2_98 My 2_98 Mx 4_00 Mx 4_00 My 2_00 My 2_00 Mx zervikal apikal x 5_00 My 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 5_00 Mx Höhe des PDL [mm] Lage des Widerstandszentrums relativ zur Alveolenhöhe Präparat Nr. 14 Schlussfolgerungen Burstone (1968) : 40 % Davidian (1971) : 39 bis 44 % Halazonetis (1996): 42 % Vollmer et al. (1999): 42 % bzw. Diese Untersuchung (2002): 43 % 37 % ] [m ltio s n ra T Bisherige Untersuchungen zur Lage des WZ einwurzeliger Zähne können gut bestätigt werden, obwohl diese oftmals mit idealisierten Geometrien berechnet wurden. Berchnung der Lage von Widerstandszentren von Prämolaren und Molaren FE-Modelle von Molaren Kräftepaar Insgesamt 5 Modelle von Präparaten extrahierter unterer Molaren Kräftepaar 15 Lage der Widerstandszentren bei 5 Molaren FE-Modelle von Prämolaren 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% x Sagittalebene zervikal apikal Frontalebene Lage der Bifurkation zervikal apikal Insgesamt 5 Modelle von Präparaten extrahierter, zweiwurzeliger Prämolaren Kräftepaar Kräftepaar Lage der WZ bei 5 Prämolaren Lage des Widerstandszentrums relativ zur Alveolenhöhe Höhe des PDL [mm] Höhe des PDL [mm] Lage des Widerstandszentrums relativ zur Alveolenhöhe 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% x Sagittalebene zervikal apikal Frontalebene Lage der Bifurkation zervikal apikal 16 Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen Die Widerstandszentren der Molaren lagen im Mittel bei 44 (6) Prozent der Wurzellängen in Richtung Apex, während die Bifurkationen bei 31 Prozent der Wurzellängen lagen. Sie liegen damit deutlich weiter in Richtung Wurzelspitze als in früheren Untersuchungen angegeben. ] [m ltio s n ra T Durchschnittliche Lage der Durchschnittliche Lage der Widerstandszentren [%] Bifurkationen [%] Molaren 44 (6) 31 Prämolaren 40 (6) 47 Bei den Prämolaren lagen die WZ im Mittel bei 40 (6) Prozent, die Bifurkationen bei 47 Prozent der Wurzellängen in Richtung Apex. ] [m ltio s n ra T Insgesamt liegen die Widerstandszentren sowohl der Molaren als auch der Prämolaren sehr nahe bei denen einwurzeliger Zähne, und scheinen nur schwach von der Lage der Furkation abzuhängen. Ausgangspunkt Rechnerisch und experimentell konnte dieses Problem bislang noch nicht gelöst werden! Lage des Es existieren lediglich ‚Plausibilitätsüberlegungen‘, Widerstandszentrums die auf klinischen Beobachtungen beruhen. eines Frontzahnblocks Biomechanik der Retraktion der OK-Front Einige Autoren haben auch versucht, mittels Hebelgesetzen aus der Überlagerung der WZ der einzelnen Zähne die Position des WZ des gesamten Zahnblocks herzuleiten. Kraftsystem zur Retraktion der OK-Front WZ L F intr d F dist Lage des Widerstandszentrums: M Loop L = 9 - 10 mm apikal und d = 7 mm distal des Kraftangriffspunkt F dist Es wirkt ein kippendes Moment auf die Front: Mkipp= Fdist • L Gesamtes aufrichtendes Drehmoment: M = MLoop + Fintr • d 17 Kraftsystem zur Retraktion der OK-Front anteriores Segment: 35° Angulation Frontretraktion mit NiTi-T-Loop posteriores Segment: 25° Angulation Zustand nach ca. 8 Wochen Okklusale Ansicht (initial) Okklusale Ansicht (final) Schlussfolgerungen Obwohl die experimentelle Überprüfung die Korrektheit des Kraftsystems bestätigt hat, ist die Bewegung nicht zufriedenstellend verlaufen. Die Lage des Widerstandszentrums eines Zahnblocks scheint damit bislang noch nicht eindeutig geklärt zu sein. ] [m ltio s n ra T 18 Finite Elemente Modell - Ergebnisse Lage des Widerstandszentrums: Finite Elemente Modell - Ergebnisse Lage des Widerstandszentrums: L F d In der Literatur: F Neu berechnet: L = 9 - 10 mm apikal und L = 9 bzw. 12 mm apikal und d = 7 mm distal d = 5 mm distal des Kraftangriffspunkt des Kraftangriffspunkt Finite Elemente Modell - Ergebnisse Das Widerstandszentrum befindet sich in einer Ebene, aber... Finite Elemente Modell - Ergebnisse Lage des Widerstandszentrums: ~3 mm ~2,5 mm ~9 mm ~8,4 mm Es gibt KEIN gemeinsames Widerstandszentrum! Verblockt mit: a) 0,46 mm x 0,64 mm Stahldraht b)1,38 mm x 1,92 mm 19