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«Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Hohen Medizinischen Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Eva ...»

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Numerische Untersuchungen zum biomechanischen

Verhalten verschiedener orthodontischer

Ankerimplantate

Inaugural-Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades

der Hohen Medizinischen Fakultät

der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität

Bonn

Eva Stahl

aus Dormagen

Angefertigt mit Genehmigung der

Medizinischen Fakultät der Universität Bonn

1. Gutachter: Prof. Dr.rer.nat. Christoph Bourauel

2. Gutachter: PD Dr. med. Burger

Tag der Mündlichen Prüfung: 22.10.2008

Aus der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Propädeutik und Werkstoffwissenschaften der Universität Bonn Direktor: Prof. Dr. med. dent. H. Stark

- Stiftungsprofessur für Oralmedizinische Technologie Prof. Dr.rer.nat. C. Bourauel Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss_online elektronisch publiziert.

Meinen Eltern Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Literaturübersicht

2.1 Extraorale Verankerung

2.2 Intraorale Verankerung

2.3 Mini-Implantate

3 Fragestellung und Zielsetzung

4 Material und Methoden

4.1 Verwendete Mini-Schrauben

4.2 Finite-Elemente-Methode (FEM)

4.3 FE-Modellbildung und FE-Analyse

4.4 FE-Simulationen

4.4.1 Belastung in reiner Achsrichtung mit isotroper Kortikalis

4.4.2 Belastung bei orthotroper Kortikalis

4.4.3 Variation der Belastungsrichtung im Winkel von 0°-45° nach bukkal....... 40 4.4.4 Variation des Elastizitätsmoduls der Spongiosa

5 Ergebnisse

5.1 Vergleich iso- und orthotroper Kortikalis

5.1.1 Verteilung der Spannung in iso- und orthotroper Kortikalis

5.1.2 Verteilung der Verzerrung in iso- und orthotroper Kortikalis

5.1.3 Auslenkung bei iso- und orthotroper Kortikalis

5.2 Verteilung der Verzerrung in Kortikalis und Spongiosa bei Variation des Belastungswinkels

5.3 Variation des Spongiosa-E-Moduls

5.3.1 Verteilung der Verzerrung in der Spongiosa unter Belastung in Richtung der Y-Achse bei Variation des E-Moduls der Spongiosa

5.3.2 Verteilung der Spannung in der Kortikalis unter Belastung in Richtung der Y-Achse bei Variation des E-Moduls der Spongiosa

–  –  –

6 Diskussion

6.1 Zur Aussage dieser Arbeit

6.1.1 Einfluss der Kortikalisdicke

6.1.2 Einfluss der Materialanpassung an orthotrope Kortikalis

6.1.3 Einfluss des Spongiosa-E-Moduls

6.1.4 Einfluss des Belastungswinkels

6.2 Einordnung der Ergebnisse anhand von Literaturangaben

6.3 Grenzen und Probleme der FE-Methode

6.4 Grenzen und Probleme bei der Behandlung mit Mini-Schrauben

6.5 Schlussfolgerungen

7 Zusammenfassung

8 Literaturverzeichnis

9 Danksagung

10 Lebenslauf

Abkürzungsverzeichnis

–  –  –

1 Einleitung Verankerungsproblematik Ein zentraler Aspekt in der kieferorthopädischen Behandlung ist die Berücksichtigung der Verankerungsproblematik, die maßgeblich für den Behandlungserfolg ist. Besondere Berücksichtigung gilt Newtons drittem Axiom „actio = reactio“, demnach auf die bei kieferorthopädischen Zahnbewegungen zur Abstützung vorgesehenen Strukturen gleichermaßen reaktive Kräfte wirken.

Nach Kahl-Nieke [2001] bezeichnet der Begriff der Verankerung den Widerstand, den ein Zahn, eine Zahngruppe und/oder eine anatomische Einheit einer Bewegung entgegensetzen, wenn sie als Träger einer Kraft zur Bewegung von anderen Zähnen herangezogen werden. Die Effizienz der Verankerung, d. h. das Verhältnis zwischen Größe der therapeutisch gewünschten und resultierenden gegenläufigen Bewegung, ist hierbei einerseits abhängig von einer Vielzahl von biologischen Faktoren, ebenso wie von der angewendeten kieferorthopädischen Apparatur. Zu den speziellen, patienteneigenen Einflüssen gehören die lokalen anatomischen Strukturen, wie beispielsweise Zahntyp, Zahnanzahl, Achsstellung des Zahnes, Wurzeleigenschaften (Anzahl, Querschnitt, Länge, Größe der Oberfläche), Parodont, Knochenqualität und -quantität, aber auch übergeordnete Parameter, wie Schädelaufbau und Wachstumsmuster, die wiederum Einfluss auf Alveolarkammbeschaffenheit und Muskeltonus nehmen [KahlNieke, 2001].

Der Begriff Verankerung selbst ist nach verschiedenen Gesichtspunkten genauer einteilbar: Bei Betrachtung der Ortsständigkeit der zu verankernden Einheit lässt sich zwischen reziproker und stationärer Verankerung unterscheiden. Die reziproke Verankerung ist als die Verwirklichung von Newtons drittem Axiom in der Kieferorthopädie anzusehen und kann beispielsweise bei Lückenschluss Anwendung finden.

Hierbei wird nicht nur die aktive Kraft zur Zahnbewegung, sondern auch die reaktive Kraft genutzt, um beide lückenbegrenzenden Zähne oder Zahngruppen gleichermaßen zueinander hin zu bewegen.

Im Gegensatz dazu ist das Prinzip der stationären Verankerung, dass die Verankerungseinheit im optimalen Fall ortsstabil bleibt, während sich die zu bewegende Einheit dagegen in ihrer Position verändert. Dies wird erreicht, indem die Kraft auf die Verankerungseinheit so appliziert wird, dass nur eine körperliche Bewegung der Zähne, aber keine Kippung möglich ist. Da die Ankerzähne der translatorischen Bewegung einen relativ großen Widerstand entgegensetzen, kommt es nur zu geringen reaktiven Bewegungen, die durch zusätzliche Verwendung einer Verankerungsapparatur vermindert oder sogar verhindert werden können [Schmuth, 1994].





Je nach Lokalisation der Verankerungsapparatur lässt sich die stationäre Verankerung in die intraorale und extraorale sowie die intramaxilläre und intermaxilläre Verankerung differenzieren. Nicht nur die Lokalisation der Verankerung und die Ortsständigkeit, sondern auch der Verankerungsbedarf unter Berücksichtigung natürlich wirkender Kräfte spezifizieren den Begriff der Verankerung: Sollen sich Bewegungseinheit und Verankerungseinheit gleichermaßen aufeinander zu bewegen, wird nur eine minimale Verankerung benötigt. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt.

–  –  –

Erfolgt der Lückenschluss vermehrt von einer Seite, besteht für die Verankerungseinheit der Bedarf einer moderaten Verankerung (vgl. Abbildung 2).

–  –  –

Soll sich allein die zu bewegende Einheit in ihrer Position ändern, während die Verankerungseinheit im optimalen Fall ortsstabil verweilt, ist eine maximale Verankerung notwendig. Ein Beispiel hierfür zeigt Abbildung 3.

–  –  –

Die Qualität kieferorthopädischer Behandlung in Form von gezielter Zahnbewegung ist folglich maßgeblich abhängig von der Verankerungskontrolle. Die absolute Kontrolle über die Verankerung unabhängig von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise die Mitarbeit der Patienten, stellt daher eine große Herausforderung in der Kieferorthopädie dar.

2 Literaturübersicht

Wie bereits erwähnt, ist die Effizienz der Verankerung nicht allein von anatomischen Bedingungen, sondern auch von der Wahl der angewendeten kieferorthopädischen Apparaturen abhängig. Diese lassen sich gemäß ihrer Lokalisation unterteilen. Im Folgenden werden die verschiedenen Verankerungsapparaturen vorgestellt.

2.1 Extraorale Verankerung Headgear Die heutzutage verwendete Headgear-Apparatur wurde bereits im Jahr 1947 von Kloehn beschrieben. Sie setzt sich zusammen aus einem Gesichtsbogen, bestehend aus Innenund Außenbogen, und einem extraoralen Zug. Der extraorale Zug ist meist ein elastisches Textilband und dient als Kraftquelle. Nach der Position am Kopf wird zwischen parietaler, okzipitaler und zervikaler Zugrichtung unterschieden. Der Außenbogen greift in den extraoralen Zug und nimmt diese Kraft auf. Der Innenbogen überträgt anschließend über gebogene Stopps die aufgenommene Kraft auf die Oberkiefermolaren, indem er entweder in den Röhrchen der Bänder der ersten Molaren oder in denen herausnehmbarer Geräte endet. Abhängig von der Zugrichtung findet die Headgear-Apparatur Verwendung zur Intrusion und Extrusion, vor allem aber zum Halten und Distalisieren der oberen Sechsjahresmolaren. Das Ergebnis der Behandlung ist hauptsächlich abhängig von der Tragedauer, die je nach Behandlungsstadium zwischen 8 und 16 Stunden liegt, sowie vom richtigen Behandlungszeitpunkt und dem vorliegenden Wachstumsmuster [Schmuth, 1994].

Kopf-Kinn-Kappe Die Kopf-Kinn-Kappe besteht aus einer Kopfhaube, die über Gummizüge mit einer individuell gefertigten Kinnkappe verbunden ist. Ziel der Apparatur ist, über Kraftapplikation am Kinn in dorso-kranialer Richtung eine Wachstumshemmung im Kondylus durch histologische Umbauprozesse zu bewirken und so eine Wachstumsmanipulation in sagittaler und vertikaler Richtung zu erreichen.

Die wirkungsvolle Behandlung mit der Kopf-Kinn-Kappe erfordert einen frühen Behandlungsbeginn und eine lange Behandlungsdauer [Schmuth, 1994], jedoch ist sie sofort zu unterbrechen, falls im Bereich der Kiefergelenke ein positiver Palpationsbefund und Beschwerden des Patienten auftreten, um eine Schädigung der Kondylen zu vermeiden [Kahl-Nieke, 2001].

Delaire-Gesichtsmaske

Die extraoralen Abstützungen der Gesichtsmaske nach Delaire befinden sich an Stirn und Kinn, die vertikal doppelt miteinander verbunden sind. Die beiden vertikalen Streben tragen eine horizontale Vorrichtung, mit der die Oberkieferzähne über Gummizüge verbunden sind.

Delaire et al. [1978] sehen die besten Ergebnisse bei der Behandlung von Mittelgesichtshypoplasien und Folgeanomalien der Lippen-Kiefer-Gaumen-Spalten.

Weiterhin findet die Gesichtsmaske Einsatz bei Restlücken in Kombination mit einem bereits konkaven Gesichtsprofil, um das Erscheinungsbild eines „Dishface“ zu verhindern. Bei erwachsenen Patienten kann sie als mögliches Retentionsgerät nach operativer Vorverlagerung der Maxilla verwendet werden [Schmuth, 1994].

Grummons-Maske

Die Grummons-Maske ähnelt vom Aufbau und der Anwendung der Gesichtsmaske nach Delaire, jedoch stützt sie sich nicht am Kinn, sondern an den Jochbögen ab. Dies hat den Vorteil gegenüber der Delaire-Maske, dass die Gefahr der Kondylenschädigung durch zusätzliche Beeinflussung des Unterkieferwachstums nach posterior ausgeschlossen werden kann [Kahl-Nieke, 2001].

Zusammengefasst bieten extraorale Verankerungsapparaturen oftmals eine ausreichende Verankerungsmöglichkeit, jedoch ist diese zu Hauptanteilen von der Mitarbeit des Patienten abhängig und entzieht sich der Einflussmöglichkeit des Behandlers. Zusätzlich ist die soziale Inakzeptanz durch eingeschränkte Ästhetik und die Gefahr der Verletzung im Alltag zu beachten [Chaddad et al., 2008].

2.2 Intraorale Verankerung Transpalatinal-Bogen Der Transpalatinalbogen, auch Goshgarian genannt, verläuft quer über den Gaumen zumeist von Zahn 16 zu Zahn 26, an denen er fest verbunden ist. In die Mitte wird eine omegaförmige Schlaufe gebogen. Dadurch, dass der Bogen den transversalen Abstand der ersten Molaren erhält, werden diese bei Mesialbewegung aufgrund des nach anterior schmaler werdenden Kiefers gegen die Kortikalis bewegt und dadurch verankert.

Lingualbogen

Der Lingualbogen ist ein lingual verlaufender Drahtbogen, der den gesamten Unterkieferzahnbogen umfasst und mit den Bändern der 6-Jahres-Molaren verbunden ist. Durch Abstützung an den Tubercula der UK-Front wird die Mesialisierung der Molaren verhindert.

Nance-Apparatur

Die Nance-Apparatur dient der Verankerung der Sechsjahresmolaren, um ihre mesiale Aufwanderung zu verhindern. Sie besteht aus einem Transpalatinalbogen, der mit den Molarenbändern verbunden ist und sich über eine Kunststoffplatte am Gaumen abstützt.

Nachteilig sind die erschwerte Mundhygiene und die Gefahr der Einlagerung, die bei zu hoher Kraftapplikation zu tiefen Ulzerationen bis in den Knochen führen kann [Diedrich et al., 2000; Ludwig und Böhm, 2007]. Vorteilhaft ist die Unabhängigkeit von der Mitarbeit des Patienten.

Pendulum-Apparatur

Die Pendulum-Apparatur ist prinzipiell eine erweiterte Nance-Apparatur. Zusätzlich zur Gaumenplatte ist die Verankerung auf vier Prämolaren bzw. Milchmolaren vergrößert.

Über okklusal geklebte Auflagen sind diese mit der Kunststoff-Gaumenplatte verbunden.



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