University of Oulu

Biomechanical investigation of the mandible, a related donor site and reconstructions for optimal load-bearing

Saved in:
Author: Bujtár, Péter
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Dentistry, Department of Oral and Maxillofacial Surgery
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 21.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207414
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-03-10
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium F202 of the Department of Pharmacology and Toxicology (Aapistie 5 B), on 20 March 2015, at 12 noon
Tutor: Professor György Kálmán Sándor
Reviewer: Docent Sisko Huumonen
Docent Risto Kontio
Opponent: Professor Pekka Vallittu
Description:

Abstract

Biomechanics are especially important when it comes to the lower third of the face which is composed of a single load-bearing structure, the mandible. Implementation of recent developments in image processing, material sciences and computational technology allows the verification of these principles defining the appropriate practice. The studies listed in the thesis, benchmark from the simple to the more complicated mandibular surgical procedures. The aims were to build patient specific, custom made, composite reconstructions using newly learned techniques.

Cross-sectional imaging with Cone Beam Computer Tomography was used to build bone models. The mandible at various ages, undergoing minor oral surgery, partial cross-section reduction with or without reinforcements and complete transection were simulated under biting conditions. Industry standard free form modelling, reverse engineering techniques and Finite Element Analysis were used. Internal and external validations of certain modelling elements were introduced.

The mandible became stiffer with increasing age. Minimization of the reduction of the main load-bearing structures was noted to be crucial. The External Oblique Ridge was one such a structure. Partial thickness defects were best spanned by Dynamic Compression Plates. If the remaining amount of bone was insufficient or the bone quality was poor then Locking Compression Plates were preferred. Rounding or the use of a stop-hole was recommended to reduce the risk of fracture development especially without additional Prophylactic Internal Fixation. Fixation using a single reconstruction plate with three screws on either side in the four most common segmental defects was sufficient. Locking monocortical screw fixation was superior over non-locking systems. The suitability of CBCT in bone scanning was demonstrated, highlighting the positional dependent differences within the scanned volume.

It should be noted that the relevance and validity of such simulations depends on the quality and the setup. In the future, biomechanically customized fixation can complement tissue engineering procedures and regenerative techniques by providing the precise physical dimensions and biomechanical requirements of the planned reconstructions.


Abstrakti

Biomekaniikan ymmärtäminen on tärkeää kovakudoskirurgiassa. Periaatteet ovat erityisen tärkeitä, kun kyseessä on kasvojen alin kolmannes, joka muodostuu yhdestä kantavasta rakenteesta eli alaleuasta. Viime aikojen kehitys kuvankäsittelyssä, materiaalitieteessä ja tietokoneteknologiassa ovat mahdollistaneet näiden periaatteiden tarkistamisen käytännössä. Tämän opinnäytetyön osatöissä tutkittiin biomekaniikkaa erityyppisissä leikkauksissa. Tavoitteena on rakentaa tulevaisuudessa potilaille mittatilaustyönä erilaisista materiaaleista korjausosia käyttäen hyväksi uusinta tietoa ja tekniikkaa. Leikekuvantamista kuten Multi Detectoria ja viime aikoina kartiokeilatietokonetomografiaa (KKTT) käytettiin luumallien valmistamisessa. Eri-ikäisten alaleukoja, joihin tehtiin pieniä suukirurgisia toimenpiteitä, osaosteomioita vahvistuksen kanssa tai ilman vahvistusta ja täydellisiä alaleuan katkaisuja, simuloitiin kuormitusolosuhteissa. Teollisuudessa standardoitua vapaamuotoista mallinnusta ja käänteistä tekniikkaa sekä Finite Element Analysis-menetemää käytettiin. Mallinnuksessa käytettiin lisäksi sisäistä ja ulkoista validointia.

Alaleuka koveni iän myötä. Leuan kestävyyden kannalta oli ratkaisevaa että tärkeisiin kantaviin rakenteisiin puututtiin mahdollisimman vähän. Oblique Ridge oli yksi tällainen rakenne. Osaosteotomioissa paras ratkaisu oli dynaaminen kompressiolevy. Jos jäljelle jäävän luun määrä tai laatu oli heikko niin sitten lukittuvat puristuskompressiolevyt toimivat parhaiten. Luun pyöristäminen tai pysäytysreiän käyttö oli suositeltavaa vähentämään murtumariskiä varsinkin ilman profylaktista kiskotusta. Neljän yleisimmän segmentaalisen defektin kiinnitys yhdellä levyllä ja kolmella ruuvilla levyn molemmin puolin oli riittävä. Lukittuva monokortikaalinen ruuvikiinnitys oli ylivoimainen verrattuna ei-lukittuvaan systeemiin. KKTT osoittautui parhaaksi menetelmäksi alaleuan kuvantamisessa.

Kaikki havainnot voivat toimia yleisohjeena kun harjoitellaan edellä mainittuja toimenpiteitä. On huomattava, että tällaisen simulaation merkitys ja todenmukaisuus riippuu sen laadusta ja asennuksesta. Tulevaisuudessa biomekaanisesti tarkkojen mittausten perusteella suunniteltu luun kiinnitys voi palvella kudosteknologian avulla tehtäviä rekonstruktioita antamalla toimenpiteessä tarvittavat tarkat fysikaaliset mitat ja kuormitusarvot.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-0741-4
ISBN Print: 978-952-62-0740-7
Issue: 1284
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.