Biomechanical model registration for monitoring and simulating large orthodontic tooth movements in the maxilla and mandible
Creators: name: Schmidt, Falko
name: Kilic, Fatih
name: Gerhart, Catrin Verena
name: Lapatik, Bernd Georg
Publisher: name: Universität Ulm
Year: 2022
Subjects: subject: Model superimposition
subject: Treatment simulation
subject: Premolar extraction
subject: Digital setup
subject: Diagnostische Bildgebung
subject: Modellüberlagerung
subject: Behandlungssimulation
subject: Prämolarenextraktion
subject: Digitales Setup
subject: DDC 610 / Medicine &amp; health
subject: Orthodontics; Methods
subject: Tooth movement techniques
subject: Technology, Dental
subject: Digital technology
subject: Diagnostic imaging
subject: Kieferorthopädie
subject: Alveoläre Zahnbewegung
subject: Bildgebendes Verfahren

description: Purpose Superimposition of digital dental-arch models allows quantification of orthodontic tooth movements (OTM). Currently, this procedure requires stable reference surfaces usually only present in the maxilla. This study aimed to investigate the accuracy of a novel superimposition approach based on biomechanical principles of OTM and the equilibrium of forces and moments (EFM)—applicable in both jaws—for monitoring and simulating large OTM. Methods The study included 7 patients who had undergone extraction of the first (PM1-Ex) or second (PM2-Ex) premolar in each quadrant. Digital models taken at start and end of the T‑Loop treatment phase were superimposed by applying 3 EFM variants differing in the number of teeth used for registration. Maxillary OTM results for EFM were validated against those for a conventional surface registration method (SRM). In an additional case study, OTM were simulated for PM1-Ex, PM2-Ex and non-extraction treatment strategies. Results The EFM variant that included all teeth of the dental arch achieved the highest accuracy, with median translational and rotational OTM deviations from SRM of only 0.37 mm and 0.56°, respectively. On average, retracted canines and first premolars were distalized by 3.0 mm, accompanied by 6.2° distal crown tipping and 12.2° distorotation. The share of space closure by molar mesialization was 19.4% for PM1-Ex quadrants and 34.5% for PM2-Ex quadrants. Conclusion EFM allows accurate OTM quantification relative to the maxillary and mandibular bases even in challenging situations involving large OTM. Superimposition of malocclusion and setup models enables realistic simulation of final tooth positions. This may greatly enhance the value of digital setups for decision-making in orthodontic treatment planning.
description: Hintergrund Die Überlagerung von digitalen Gebissmodellen ermöglicht die Quantifizierung von kieferorthopädischen Zahnbewegungen (OTM). Bisher erfordert dieses Verfahren stabile Referenzflächen, die zumeist nur im Oberkiefer vorhanden sind. Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Genauigkeit einer neuartigen Überlagerungsmethode, die auf den biomechanischen Prinzipien von OTM und dem Gleichgewicht von Kräften und Momenten (EFM) basiert und in beiden Kiefern anwendbar ist, bei der Überwachung und Simulation großer OTM. Methoden Die Studie umfasste 7 Patienten, bei denen der erste (PM1-Ex) oder zweite (PM2-Ex) Prämolar in jedem Quadranten extrahiert wurde. Digitale Modelle, erstellt zu Beginn und am Ende der T‑Loop-Behandlungsphase, wurden mit 3 verschiedenen EFM-Varianten überlagert, die sich in der Anzahl der für die Registrierung verwendeten Zähne unterscheiden. Die OTM-Ergebnisse im Oberkiefer wurden gegen eine konventionelle Oberflächenregistrierungsmethode (SRM) validiert. Zudem wurden in einer Fallstudie die OTM für die Behandlungsstrategien PM1-Ex, PM2-Ex und Nichtextraktion simuliert. Ergebnisse Die EFM-Variante, die alle Zähne des Zahnbogens einbezog, erreichte die höchste Genauigkeit mit translatorischen und rotatorischen OTM-Abweichungen von der SRM von im Median nur 0,37 mm bzw. 0,56°. Die retrahierten Eckzähne bzw. ersten Prämolaren wurden im Mittel 3,0 mm distalisiert, begleitet von einer distalen Kronenkippung von 6,2° und einer Distorotation von 12,2°. Der Anteil des Lückenschlusses durch die Mesialisierung der Molaren betrug 19,4 % für PM1-Ex-Quadranten und 34,5 % für PM2-Ex-Quadranten. Schlussfolgerung EFM ermöglicht eine genaue Quantifizierung der OTM relativ zur Ober- bzw. Unterkieferbasis selbst in schwierigen Situationen mit großen OTM. Die Überlagerung von Zahnfehlstellung und Setup-Modell ermöglicht eine realistische Simulation der finalen Zahnpositionen. Dadurch kann die Aussagekraft digitaler Setups für die Wahl der Behandlungsstrategie in der kieferorthopädischen Behandlungsplanung erheblich gesteigert werden.