International Journal of Computerized Dentistry
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Int J Comput Dent 11 (2008), No. 3     (23.12.2008)

Int J Comput Dent 11 (2008), No. 3  (23.12.2008)

Page 175-181, Language: English/German


Mandibular Finite Element Simulation as a Tool for Trauma Surgery
Finite Elemente Simulation des menschlichen Unterkiefers als ein Tool für die Traumachirurgie

Kober, C. / Stübinger, s. / Hellmich, C. / Sader, R. / Zeilhofer, H.-F.
Purpose: Despite remarkable progress within the last decade, the treatment of mandibular fractures is still a highly discussed topic in oral and cranio-maxillofacial surgery. The possible traumatologic scenarios are characterized by high variability. A current project is focused on "resimulation" of traumatologic cases given by clinical radiographs by means of finite element method.
Methods: The applied finite element model of the mandible is very refined, providing detailed dental anatomy especially of the periodontal ligament. The mandible was modelled as inhomogeneous and anisotropic. The temporomandibular joints were realized as simplified joint capsules, wherein the mandibular condyles are freely mobile with certain limitations. The user has the choice of 5 regions on the mandibular surface where the virtual injury can be inflicted. Power and direction of the impact force vector can be set at will. The masticatoy system including the digastrics and the mylohyoid muscles can be activated.
Results: The situations given by radiographs could be "reproduced" by a simulation scenario characterized by high compressive strain at the location of fractures. If masticatory muscles were activated and teeth clenched, the stress/strain profiles were qualitatively changed.
Discussion: The approach may be of benefit for optimized behavior with regard to certain sports or vocations. For forensic analysis, the method will contribute by elimination of scenarios not matching the given fracture locations. Nevertheless, the immediate purpose of our approach is a better understanding of the injured organ's condition. Fractures of bone as an adaptive biological tissue differ fundamentally from mechanical failure in engineering. Many of our trauma simulations showed elevated stress/strain around the fracture, leading to the suggestion of weakened bone there. This finding was confirmed by surgical observation.

Einleitung: Trotz bemerkenswerter Fortschritte während der letzten 10 Jahre ist die Versorgung von Unterkieferfrakturen immer noch Gegenstand intensiver Diskussion. Die möglichen Szenarien, die zu einem Trauma geführt haben, sind durch hohe Variabilität gekennzeichnet. In einem laufenden Projekt wird versucht, mit Hilfe von Simulation mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) traumatologische Fälle zu reproduzieren. Dies gilt als erfüllt, wenn die Maximalwerte aus der Simulation (Spannung und/oder Dehnung) mit auf klinischen Röntgenbildern dargestellten Kieferfrakturen korrespondieren.
Material und Methoden: Der Simulation liegt ein sehr detailliertes FEM-Modell zu Grunde. Der Unterkiefer wird anisotrop und inhomogen modelliert. Die Kiefergelenke wurden mit Hilfe von vereinfachten Gelenkkapseln realisiert, in denen die Kondylen mit gewissen Einschränkungen frei beweglich sind. Der Benutzer hat die Wahl zwischen fünf Ansatzflächen für virtuelle Schläge. Stärke und Richtung des Schlages sind frei wählbar. Die Kaumuskulatur ist in das System integriert, ebenso ein Teil der Mundbodenmuskulatur.
Ergebnisse: Die durch die Röntgenbilder dargestellten Situationen konnten durch korrespondierende Szenarien der Simulation reproduziert werden. Angespannte Muskulatur und zusammengepresste Zähne hatten einen qualitativen Einfluss auf die Belastungen des Unterkiefers.
Diskussion: Aus dem Projekt werden Hinweise für optimiertes Verhalten für bestimmte Sportarten oder Berufsgruppen erwartet, ebenso mögliche Beiträge zu forensischen Untersuchungen. Die eigentliche Motivation des Projekts ist ein besseres Verständnis des Zustandes des Kieferknochens nach dem Trauma. Die meisten Simulationen zeigen um den Bruch herum ebenfalls erhöhte Werte. Dies gibt Anlass zur Vermutung von geschwächtem Knochen in diesem Bereich, was durch die chirurgische Beobachtung bestätigt wird.

Keywords: menschlicher Unterkiefer, Biomechanik, Simulation mit der Methode der Finiten Elemente, Trauma des Unterkiefers, Unterkieferfraktur, Fraktur des Kiefergelenks
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