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International Journal of Computerized Dentistry
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Int J Comput Dent 18 (2015), No. 4     22. Dec. 2015
Int J Comput Dent 18 (2015), No. 4  (22.12.2015)

Page 333-342, PubMed:26734667, Language: English/German


"Anatomical simulation" of the biomechanical behavior of the human mandible
"Anatomische Simulation" der Biomechanik des menschlichen Unterkiefers

Kober, Cornelia / Hellmich, Christian / Stübinger, Stefan / Zeilhofer, Hans-Florian / Sader, Robert
Introduction: The load-carrying behavior of the human mandible can be described using finite element simulation, enabling investigations about physiological and pathological skeletal adaption. "Anatomical simulation" implies a stepwise approximation towards the anatomical reality.
Method: The project is structured in three steps. In Step 1, the preprocessing, the simulation model is provided. Step 2 is the numerical computation. Step 3 is dedicated to the interpretation of the results. The requirements of the preprocessing are: a) realization of the organ's individual anatomy, namely its outer shape; b) the tissue's elastic properties, thus its inner consistency; and c) the organ's mechanical loads. For physiological mandibular loading, these are due to muscles, temporomandibular joints, and tooth forces. Meanwhile, the reconstruction of the macroscopic anatomy from computed tomography data is standard. The periodontal ligament is inserted ex post using an approach developed by the authors. The bone is modeled anisotropically and inhomogeneously. By the visualization of the individual fiber course, the muscular force vectors are realized. The mandibular condyle is freely mobile in a kind of simplified joint capsule. For the realization of bite forces, several approaches are available.
Results: An extendible software tool is provided, enabling the user - by variable input of muscle and bite forces - to examine the individual patient's biomechanics, eg, the influence of the periodontal ligament, the condition of the temporomandibular joints, atrophic processes, or the biomechanical situation of dental implants.
Discussion: By stepwise approximation towards the anatomical reality, the mandibular simulation will be advanced to a valuable tool for diagnosis and prognosis.

Einleitung: Die Simulation mit der Methode der Finiten Elemente ermöglicht eine Darstellung der Belastungsverhältnisse im menschlichen Unterkiefer und somit Untersuchungen physiologischer und pathologischer skelettaler Umbauprozesse. Die "anatomische Simulation" steht für eine schrittweise Annäherung des Simulationsmodells an die anatomische Realität.
Methodik: Das Projekt ist in drei Schritte unterteilt. Im ersten Schritt, dem "Pre-Processing", wird das Simulationsmodell aufgebaut. Der zweite Schritt gilt der numerischen Berechnung. Der dritte Schritt enthält die Interpretation der Ergebnisse für die Anwendung. Für das Pre-Processing müssen a) die individuelle Anatomie des Organs, also seine äußere Gestalt, b) die elastischen Eigenschaften, also die innere Konsistenz des Gewebes und c) die auf das Organ einwirkenden mechanischen Belastungen erfasst werden, bei physiologischer Belastung des Unterkiefers: Muskulatur, Kiefergelenke und Kräfte auf die Zähne. Die Rekonstruktion der makroskopischen Anatomie aus computertomografischen Daten ist mittlerweile etabliert. Das Parodontalligament wird über ein eigenes Verfahren nachträglich in das Modell eingebracht. Die Modellierung des Knochens erfolgt inhomogen und anisotrop. Über eine Visualisierung des individuellen Faserverlaufs werden die Kraftvektoren der Muskulatur in das Modell übertragen. Die Kondylen werden in einer vereinfachten Gelenkkapsel frei beweglich modelliert. Für die Einleitung der Bisskräfte stehen mehrere Ansätze zur Verfügung.
Ergebnisse: Es entsteht ein erweiterbares Software- Werkzeug, mit dem Anwender durch flexible Eingabe von Muskel- und Bisskräften die individuelle Biomechanik der Patienten untersuchen können, beispielsweise den Einfluss des Parodontalligaments, der Verhältnisse in den Kiefergelenken, atrophischer Vorgänge im Kiefer oder die biomechanische Situation dentaler Implantate.
Diskussion: Durch schrittweise Annäherung des Simulationsmodells an die anatomische Realität wird die Unterkiefersimulation zu einem aussagekräftigen Diagnoseund Prognose-Tool ausgebaut.

Keywords: mandible, biomechanics, finite element method, simulation, stress/strain behavior, mechanical loading, periodontal ligament, temporomandibular joint, masticatory muscles, skeletal adaption
Unterkiefer, Biomechanik, Methode der Finiten Elemente, Simulation, Spannungs-/Dehnungsverlauf, mechanische Belastungen, Parodontalligament, Kiefergelenk, Kaumuskulatur, Knochenumbau

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