СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК В ЗУБОАЛЬВЕОЛЯРНОМ КОМПЛЕКСЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОРТОДОНТИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF EXPERIMENTAL ESTIMATION OF LOADS DISTRIBUTION IN DENTOALVEOLAR COMPLEX WHEN USING ORTHODONTIC CONSTRUCTIONS

Изобретение относится к медицине, в частности к стоматологии, и может быть применено для демонстрации на моделях возможности прогнозирования возникновения патологических изменений зубочелюстного (зубоальвеолярного) комплекса при использовании ортодонтических конструкций, выделяя зоны высокой концентрации нагрузок, т.е. зоны перегрузок, и зоны малой концентрации нагрузок, т.е. зоны недостаточных нагрузок, для последующей корректировки.
Следует пояснить, что результаты ортодонтического лечения зависят от величины и продолжительности воздействия силы, прикладываемой к зубу, которая передается через периодонт (комплекс тканей, окружающих зуб) на альвеолярный отросток, пластических особенностей организма и достигнутой правильности смыкания зубов. В результате лечения ортодонтическими конструкциями происходит: перемещение отдельных зубов, коррекция зубных рядов, расширение челюсти, коррекция взаимоотношения челюстей, то есть возникает новое положение органов зубочелюстной системы.
Существенное влияние на положительный результат лечения ортодонтическими конструкциями оказывает отсутствие значительной локальной перегрузки зубов, наличие которой может привести к утрате зуба или группы зубов. Вот почему изучение распределения напряжений на примере индивидуализированной зубочелюстной (зубоальвеолярной) модели является актуальной проблемой. В рамках настоящего изобретения под понятием «модель зубоальвеолярного комплекса» понимается изготовленная из прозрачного пластика модель аксиального (горизонтального) среза альвеолярного отростка верхней челюсти с выступами, имитирующими вестибулярную поверхность зубов.
Известен способ моделирования распределения напряжений в модели стоматологического объекта - модели зуба с полостью, заключающийся в том, что изготавливают модель зуба с полостью, нагружают модель со стороны коронки зуба, просвечивают модель поляризованным светом, регистрируют интерференционную картину, по которой судят об оптимальной геометрии полости зуба для пломбирования (Е.W. Joherson, C.R. Castaldi, D.J.Gan, J. Dent, Res. V. 47, N4, 1968. p 548-558).
Недостатком известного способа является недостаточная информативность в отношении зон возможных разрушений тканей зуба, обусловленных влиянием сил, действующих на корень зуба, при наличии воспалительного процесса в тканях, обычно сопровождающего любую фазу разрушения зуба.
Кроме того, в известном способе объектом исследования служит зуб, уже имеющий разрушения, в то время как практически важным является исследование также и интактного зуба (для прогнозирования возможных разрушений).
Также следует отметить, что указанный известный способ не применим для моделирования нагрузок в зубоальвеолярном комплексе при использовании ортодонтических конструкций, т.к. рассматривает в качестве модели только одиночный зуб, в то время как для оценки распределения нагрузок в зубоальвеолярном комплексе при ортодонтическом лечении необходимо учитывать всю совокупность имеющихся зубов и особенности их расположения в альвеолярном отростке верхней челюсти.
Из уровня техники известно о применении метода фотоупругих покрытий при оценке механических напряжений в костных структурах (Takayama Y., Takakuda К., Miyairi Н. Mechanical analysis of the denture bases using the photoelastic-coating method. Upper complete denture bases under uniform bending moment load. // Shica. Zairyo. Kikai. - 1989. - Vol. 8, № 6. - P. 803-811). При использовании этого известного метода было исследовано распределение напряжений при деформациях в передней и жевательной поверхностях зуба, покрытого кобальто-хромовой коронкой, посредством нанесения на исследуемую поверхность эпоксидного клея. После полимеризации и отвердения клея имитировали воздействие противолежащих зубов. В плоскополяризованном белом свете была видна цветная картина интерференции в соответствии с распределением механических нагрузок в коронке.
Недостатками такого решения являются: невозможность использования данного фотоупругого покрытия для исследования нагрузок в зубоальвеолярном комплексе, т.к. получаемая модель является отображением только коронковой части зуба и не включает в себя альвеолярный отросток, а поэтому может отобразить только нагрузку на коронки зубов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков является способ моделирования распределения напряжений в зубе (в модели стоматологического объекта), который заключается во внешнем нагружении со стороны корня модели зуба из оптически прозрачного материала, выполненного с соблюдением геометрического подобия, просвечивании модели поляризованным светом, регистрации интерференционной картины, по которой определяют положение области максимальных растягивающих напряжений, по положению которых судят о положении зон, опасных в отношении разрушений тканей реального зуба (Патент РФ № 2021638).
Однако указанный известный способ характеризуется следующими недостатками:
- при выполнении этого способа исследуется распределение нагрузок только в модели зуба, изолированного от окружающего альвеолярного отростка;
- способ позволяет единовременно оценить распределение нагрузок только одном зубе, а не в зубном ряду в целом, что важно при ортодонтическом лечении;
- материал изучаемой модели по всем прочностным характеристикам (упругость, эластичность, твердость, хрупкость) резко отличается от тканей зубов, что делает сомнительным достоверность результатов, полученных при математической обработке интерференционной картины с вычислением количественных значений имеющихся сил, применяемым в известном способе;
- размер используемой модели в 4 раза больше реального размера зуба, что также необходимо учитывать при математической обработке полученной интерференционной картины.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в прогнозировании возникновения патологических изменений зубочелюстного комплекса при использовании ортодонтических конструкций за счет возможности выявления на модели зон высокой и недостаточной концентрации нагрузок, путем приближения нагружения на модель к реальным условиям воздействия нагрузок в любых ортодонтических конструкциях.
Поставленный технический результат достигается предлагаемым способом экспериментальной оценки распределения нагрузок в зубоальвеолярном комплексе при использовании ортодонтических конструкций, включающим изготовление из оптически прозрачного или полупрозрачного материала экспериментальной модели стоматологического объекта, выполнение внешнего силового нагружения на указанный объект, воздействие на него поляризованным светом, регистрацию интерференционной картины нагруженной экспериментальной модели, по которой судят о распределения нагрузок в нагруженной модели, при этом новым является то, что экспериментальная модель стоматологического объекта выполнена в виде зубоальвеолярной модели, изготовленной в виде поперечного аксиального среза альвеолярного отростка с выступами, имитирующими наружную поверхность зубов, на которые устанавливают брекеты для фиксации активной ортодонтической дуги, просвечивают модель поляризованным светом с помощью установки, включающей источник света, поляризатор и анализатор, плоскости которых установлены параллельно, причем поляризатор жестко закреплен и снабжен градуированным кольцом, а анализатор установлен с возможностью поворота в плоскости параллельной плоскости поляризатора и также снабжен градуированным кольцом, регистрируют исходную интерференционную картину неоднородностей и остаточных напряжений в материале указанной экспериментальной ненагруженной модели, производят последующее крепление к установленным на модель брекетам активной ортодонтической дуги, производя, таким образом, нагружение модели в плоскости, перпендикулярной осям зубов, вновь просвечивают нагруженную модель поляризованным светом с помощью указанной установки, добиваясь максимальной интенсивности изображения светлых и темных интерференционных полос поворотом плоскости анализатора на определенный угол, и регистрируют полученную интерференционную картину нагруженной модели, по которой судят о распределении нагрузок в зубоальвеолярной модели, сопоставляя ее с данными исходной интерференционной картины ненагруженной модели.
Толщина зубоальвеолярной модели составляет 4-5 мм.
В качестве оптически прозрачного или полупрозрачного материала используют эпоксидную пластмассу.
2
Яркость источника белого света составляет 1600-2000 кд/м.
Расстояние между поляризатором и анализатором составляет 5-6 см.
В качестве регистратора интерференционной картины используют цифровой фотоаппарат.
Экспериментальную зубоальвеолярную модель изготавливают в масштабе 1:1.
Указанный технический результат достигается за счет следующего:
В качестве модели в предлагаемом способе была использована зубоальвеолярная модель в виде поперечного аксиального среза альвеолярного отростка с выступами, имитирующими наружную поверхность зубов, т.е. указанная зубоальвеолярная модель по совокупности внешних признаков приближена к реальному объекту.
В качестве нагружающего элемента в этой модели была выбрана активная ортодонтическая дуга, которая воздействует через брекеты на весь зубной ряд в пределах 1.6-2.6 зубов, моделируя то механическое воздействие, которое и происходит в реальной стоматологической конструкции. Термины «брекеты» и «активная ортодонтическая дуга» являются широко применяемыми элементами, известными специалистам в области стоматологии (например, из информации на сайте http://ortho.rocadamed.ru/patient/particles/documentl5528.phtml).
Эти приемы делают исследование по установлению распределения зон напряжений на экспериментальной модели максимально приближенными к реальному объекту, а значит, эти заявляемые в исследовании подходы на модели можно отождествлять и переносить в последующем на зубоальвеолярный комплекс при использовании ортодонтических конструкций. То есть предлагаемый способ обеспечивает моделирование распределения напряжений в зубоальвеолярной модели, которая может содержать как весь зубной ряд, так и с включениями дефектов зубов.
Толщина используемой в предлагаемом способе зубоальвеолярной модели должна быть 4-5 мм, что соответствует размерам контактной поверхности замков-брекетов и обеспечивает необходимую прозрачность материала модели. Изменение этой толщины в меньшую сторону может привести к недостаточно надежной фиксации брекетов или к поломке модели при нагружении. Изменение же указанной толщины в большую сторону приведет к снижению ее прозрачности и затруднит получение интерференционной картины.
Использование в модели брекетов обусловлено необходимостью охвата всех имеющихся зубов на модели нагрузкой, а также -возможностью крепления на них нагружающего элемента - активной ортодонтической дуги, что влияет на достоверность получаемых на модели результатов по распределению нагрузок (напряжений).
При поляризационном просвечивании модели в области приложения давления указанной дуги можно наблюдать появление или перераспределение интерференционных полос, что соответствует локальному распределению напряжений (нагрузок) в конкретной зоне. В реальном зубоальвеолярном комплексе причиной этого может быть дефект зубного ряда или некорректно фиксированная ортодонтическая конструкция.
Изменение геометрии модели, а также - изменение точек крепления активных ортодонтических дуг приводит к перераспределению напряжений, формированию точек избыточной концентрации сил, что отображается в виде изменения интерференционной картины. Это расширяет возможности предлагаемого способа и способствует его использованию для различных видов ортодонтических конструкций.
Поэтому предлагаемый способ экспериментальной оценки распределения нагрузок с использованием предложенного образца модели и с использованием метода поляризации при заявленных его режимах будет идентичен и приближен к нагружению в реальных условиях воздействия нагрузок в ортодонтических конструкциях.
Визуализация распределения силовых нагрузок в предлагаемом способе осуществляется на основе использования двух установленных параллельно, преимущественно, на расстоянии 5-6 см друг от друга поляризационных фильтров (поляризатор и анализатор) с градуированным кольцом по окружности для отсчета угла поворота. Между поляризатором и анализатором размещается зубоальвеолярная модель.
Принцип поляризационного метода заключается в том, что поляризатор пропускает световые волны, имеющие только определенное направление колебаний (вектор напряженности электрического поля световой волны), вычленяя их из естественного (неполяризованного) света.
Поляризованные световые волны, проходя через неоднородный по структуре объект (зубоальвеолярную модель), отклоняются от изначальной ориентации, что может быть визуализировано с помощью анализатора в виде чередования светлых и темных полос различной конфигурации (интерференционная картина). Интенсивность (яркость) этих полос зависит от угла поворота поляризованной световой волны в материале исследуемого объекта и соответствию этого угла углу поворота анализатора.
Полученную интерференционную картину можно наблюдать визуально или документировать с помощью различных воспринимающих устройств (например, фотоаппаратом или видеокамерой).
Таким образом, вышеизложенные этапы изучения распределения силовых нагрузок в зубоальвеолярном комплексе при использовании ортодонтических конструкций являются, по сути, сравнением естественной оптической анизотропии экспериментальной зубоальвеолярной модели с ее анизотропией, индуцированной воздействием силового элемента конструкции - активной ортодонтической дуги.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что поставленный технический результат обеспечивается за счет совокупности всех операций предлагаемого способа, их последовательности и режимов его реализации, а также за счет определенно изготовленной зубоальвеолярной модели.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами:
Фиг. 1. Внешний вид зубоальвеолярной модели с полноценным зубным рядом.
Фиг. 2. Внешний вид зубоальвеолярной модели с полноценным зубным рядом с наклеенными брекетами.
Фиг. 3. Внешний вид зубоальвеолярной модели с полноценным зубным рядом с наклеенными брекетами и с установленной активной ортодонтической дугой.
Фиг. 4. Внешний вид поляризационного устройства.
Фиг. 5. Изображение силовых линий на модели, в зависимости от угла поворота анализатора относительно поляризатора:
5А. Угол поворота анализатора относительно поляризатора =0 град.
5Б. Угол поворота анализатора относительно поляризатора =45 град.
5В. Угол поворота анализатора относительно поляризатора =90 град.
Фиг. 6. Исходная интерференционная картина в первоначальной (ненагруженной) зубоальвеолярной модели с полноценным зубным рядом и установленными брекетами.
Фиг. 7. Интерференционная картина в зубоальвеолярной модели (нагруженной) с полноценным зубным рядом и с установленной в замках брекетов активной ортодонтической дугой.
Фиг. 8. Внешний вид зубоальвеолярной модели с наличием включенного дефекта зубного ряда (в области 2.2 и 2.3 зубов) и с установленной в замках брекетов активной ортодонтической дугой (нагруженная модель).
Фиг. 9. Интерференционная картина в зубоальвеолярной модели с наличием включенного дефекта зубного ряда (в области 2.2 и 2.3 зубов) и с установленной в замках брекетов активной ортодонтической дугой (нагруженная модель).
При реализации предлагаемого способа выполняются следующие операции в нижеуказанной последовательности:
- из оптически прозрачного или полупрозрачного материала (например, из эпоксидной пластмассы, или оргстекла, или бакелита или прочих оптически чувствительных материалов) с помощью фрезы изготавливают зубоальвеолярную модель 1 (фиг. 1) толщиной, например, 4 мм, в виде поперечного аксиального среза альвеолярного отростка с выступами 2, имитирующими наружную поверхность зубов, на которые, путем приклеивания, устанавливают брекеты 3 (фиг. 2);
2
- далее просвечивают указанную модель 1 поляризованным светом с помощью установки, включающей источник 4 (фиг. 4) рассеянного белого света, например, с яркостью 1600-2000 кд/м (при таких параметрах получается наиболее четкая интерференционная картина), поляризатор 5 и анализатор 6, плоскости которых установлены параллельно на расстоянии, преимущественно, 5 см, и между ними размещают модель 1;
- причем поляризатор 5 выполнен жестко закрепленным, снабжен плоским градуированным кольцом 7 и зафиксирован в положении «0», т.е. в верхней части окружности градуированного кольца - (как бы «на 12 часах») (фиг. 5А); а анализатор 6, также снабженный подобным плоским градуированным кольцом 8 (лимб с делениями для отсчета угла поворота), установлен с возможностью поворота в плоскости, параллельной плоскости поляризатора 5, для получения максимальной интенсивности изображения интерференционных полос;
- при просвечивании регистрируют исходную (первоначальную) интерференционную картину в ненагруженной модели (фиг. 6 и 8), отображающую неоднородность материала и остаточные напряжения в экспериментальной зубоальвеолярной модели в плоскости, перпендикулярной осям зубов, например, с помощью цифрового фотоаппарата;
- производят нагружение модели 1 в плоскости, перпендикулярной осям зубов, путем закрепления на замках брекетов 3 активной ортодонтической дуги 9 (фиг. 3). При этом усилие, передаваемое от указанной дуги 9 на зуб и на альвеолярный отросток, будет определяться положением зуба в зубной дуге, полноценностью зубного ряда и точкой крепления брекета (как и в реальной ортодонтической конструкции);
- повторно просвечивают нагруженную модель поляризованным светом с помощью вышеуказанной установки (фиг. 4). При этом, для того, чтобы добиться максимальной интенсивности (яркости) чередующихся полос интерференционной картины, производят поворот плоскости анализатора 6 на определенный угол (на фиг. 5А - на угол 0°, на фиг. 5Б - на угол 45°, на фиг. 5В - на угол 90°) и регистрируют требуемую интерференционную картину (фиг. 7 и 9), например, с помощью фотоаппарата;
- далее сравнивают исходную интерференционную картину (в первоначальной ненагруженной модели) и интерференционную картину в модели с установленной активной ортодонтической дугой (фиг. 6 с фиг. 7; фиг. 8 с фиг. 9) с качественным (есть или нет) и полу количественным (больше или меньше) определением распределения сил в нагруженной модели 1;
- по распределению интерференционных полос выделяют зоны высокой концентрации нагрузок в экспериментальной модели (т.е., зоны перегрузок - в реальной ситуации чреватые утратой зубов) и зоны малой концентрации нагрузок (т.е. зоны недостаточных нагрузок - в реальной ситуации чреватые недостаточным усилием для перемещения зубов), по которым можно прогнозировать процесс ортодонтического лечения и его результат.
Пример 1. Из эпоксидного полимера изготовили экспериментальную зубоальвеолярную модель в масштабе 1:1: высота модели - 55 мм; ширина - 43 мм; толщина - 4 мм, в виде поперечного аксиального среза альвеолярного отростка с выступами, имитирующими наружную поверхность зубов. В данном случае на экспериментальной модели 1 был полный зубной ряд без дефектов (фиг. 1). Затем на наружную поверхность зубов приклеили брекеты 3 DAMON (фиг. 2). Далее эту модель 1 в зажимном устройстве установили между поляризатором 5 и анализатором 6, которые были расположены на расстоянии 5 см друг от друга (фиг. 4). При этом поляризатор и анализатор имели по краю градуированные кольца 7 и 8 соответственно, а их плоскости были параллельны друг другу. При просвечивали модели поляризованным белым светом (в качестве источника света использовали источник 4 рассеянного света с яркостью 1600 кд/м ), поворачивали анализатор 6 в плоскости, параллельной плоскости поляризатора 5, добиваясь максимальной интенсивности изображения интерференционных полос (обычно угол поворота составлял 50-90°), и документировали интерференционную картину от ненагруженной экспериментальной модели (фиг. 6) на цифровую фотокамеру.
Этот этап исследования позволил выявить неоднородности структуры и остаточные напряжения в ненагруженной модели (фиг. 6).
Далее производили закрепление в замках брекетов 3 активной ортодонтической дуги 9, что привело к нагружению модели 1. Нагруженная модель была изучена в той же последовательности.
Сравнение интерференционной картины ненагруженной (фиг. 6) и нагруженной (фиг. 7) модели позволило провести качественный (есть или нет) и полуколичественный (больше или меньше) анализ распределения силовых нагрузок в экспериментальной модели и определить симметричность и равномерность нагрузки. Выявлено, что нагрузка распределяется симметрично, при этом, однако, более нагруженными явились центральные резцы 2.1 (фиг. 7 позиция 10) клыки 2.3 (фиг. 7 позиция 11) и премоляры 2.5 (фиг. 7 позиция 12), в то время как нагрузка на боковые резцы 2.2 (фиг. 7 позиция 13) и первые моляры 2.6 (фиг. 7 позиция 14) была меньшей.
Неравномерность полученной интерференционной картины (фиг. 7) позволила выявить зоны перегрузки при применении данной ортодонтической конструкции.
Пример 2. Предлагаемый способ был реализован на экспериментальной зубоальвеолярной модели 15 (фиг. 8 и 9), в которой имитирован включенный дефект зубного ряда в области 2.2 и 2.3 зубов (фиг. 8 позиция 16 и 17 соответственно).
Модель 15 была изучена в той же последовательности, что и в примере 1.
Сравнение интерференционной картины натруженной модели 1 (фиг. 7) с полным зубным рядом и нагруженной модели 15 (фиг. 9) с включенным дефектом - отсутствием 2.2 и 2.3 зубов (фиг. 8 позиция 16 и 17), позволило выявить перераспределение силовых нагрузок: распределение нагрузок на неизмененной (правой) стороне моделей 1 и 15 осталось прежней, в то время как у модели 15 при отсутствии 2.2 и 2.3 зубов наблюдалась высокая концентрация нагрузки в области 2.6 зуба (фиг. 9 позиция 18) и в альвеолярном отростке в области включенного дефекта зубного ряда (фиг. 9 позиция 19).
Таким образом, предлагаемым способом на экспериментальной зубоальвеолярной модели, выполненной в виде поперечного аксиального среза альвеолярного отростка с выступами, имитирующими наружную поверхность зубов, можно получить картину распределения напряжений в зубоальвеолярном комплексе при использовании ортодонтических конструкций.
Предлагаемый способ позволяет исследовать связь распределения силовых нагрузок в альвеолярном отростке при использовании активной ортодонтической дуги и полноценности зубного ряда. То есть способ позволяет моделировать реальные ситуации, возникающие при ортодонтическом лечении брекет-системами полноценных зубных рядов или зубных рядов с наличием включенных дефектов, что дает возможность выявить зоны локальной перегрузки, которая в конечном итоге может привести к утрате зубов.
Поскольку практически любой метод ортодонтического лечения направлен на изменение положения зубов в альвеолярном отростке, то данный способ экспериментальной оценки распределения сил, рассмотренный нами в варианте лечения брекет-системами, может быть использован при моделировании воздействия на зубоальвеолярный комплекс любой ортодонтической конструкции.
Заявляемый способ прост, обладает наглядностью и может быть использован в стоматологии в целях прогноза ортодонтического лечения, а также - в профессиональном обучении, как демонстрационная модель воздействия ортодонтических аппаратов на зубоальвеолярный комплекс