Modeliranje iniciranja koštane pregradnje kod ortodontske terapije

Cilj istraživanja doktorskoga rada bio je može li se ortodontska koštana pregradnja predvidjeti koristeći teorije koštane pregradnje koje se temelje na prilagodbi kosti opterećenju razvijene u ortopedskoj biomehanici, gdje je gustoća energije deformiranja mehanički stimulus za kost i povezana je s gustoćom kosti. Hipoteza je da zub "visi" u vlaknastom PDL-u te da će ortodontsko opterećenje smanjiti opterećenje u vlaknima na gurnutoj strani i povećati na suprotnoj strani. U procesu, alveolna kost i parodontni ligament reagiraju na opterećenje mehanički i biološki. Fokus istraživanja bio je na mehanici i fenomenološkim aspektima biologije opisanima pomoću metode konačnih elemenata. Žvačna sila predstavlja dnevno opterećenje u ustima te referentnu vrijednost stimulusa. 3D model razvijen je iz CT snimki pacijenta kojemu je preporučena ortodontska terapija te je napravljen u softveru Mimics, koji omogućuje očitanje gustoće kosti s CT snimaka. 3D numerička analiza napravljena je u Marc Mentatu, gdje su različita ortodontska opterećenja analizirana. Zadnji korak bila je implementacija algoritma koštane pregradnje napisanog u programskom jeziku Fortran u Marc Mentat pomoću specijalnih rutina. Predloženi opis inicijacije koštane pregradnje može predvidjeti podopterećene i preopterećene uvjete koji vode ka koštanoj resorpciji i formiranju oponašajući biološki proces. Glavni je doprinos dokorskoga rada razvoj numeričkoga modela inicijacije koštane pregradnje, koji uključuje utjecaj žvačne sile, vlaknastoga parodontnoga ligamenta, personaliziranu geometriju te postavljanje gustoće energije deformiranja kao mehaničkoga stimulusa

Determination of parameters for the development of a rehabilitation device for patients with finger paresis

SAŽETAK: Zbog različitih bolesti i ozljeda šake, potrebno je provesti rehabilitaciju s ciljem postizanja pokretljivosti, koordinacije i povratka funkcije šake. Pri rehabilitaciji pacijenata s parezom šake, koja je posljedica moždanog udara, postupak najčešće obuhvaća fleksijsko i ekstenzijsko gibanje prstiju šake, a terapiju je moguće provoditi pomoću rehabilitacijskih uređaja. Kod fleksije i ekstenzije prstiju šake javljaju se momenti u zglobovima koji predstavljaju pokazatelje aktivnosti pojedinih mišića. Poznavanje potrebnih momenata i sila bitno je za konstruiranje rehabilitacijskog uređaja. Prilikom konstruiranja rehabilitacijskih uređaja moguće je u ranoj fazi, pomoću računalnog modela, analizirati karakteristike uređaja i učinkovitost međudjelovanja uređaja i dijela tijela za koji treba provesti rehabilitaciju. Cilj istraživanja bio je razviti biomehanički model ljudske šake koji opisuje fleksijsko i ekstenzijsko gibanje i ponašanje šake kod međudjelovanja s rehabilitacijskim uređajem te omogućuje analizu karakteristika uređaja za rehabilitaciju u ranoj fazi konstruiranja. Potrebni kinematički podaci utvrđeni su mjerenjem u biomehaničkom laboratoriju. Pomoću razvijenog matematičkog modela moguće je odrediti sile i momente u zglobovima, a time i procijeniti aktivnosti pojedinih mišića. Ovo, na temelju željene mišićne aktivnosti, omogućuje određivanje parametra potrebnog opterećenja koje treba osigurati uređaj u ranoj fazi konstruiranja rehabilitacijskog uređaja.Due to various diseases and injuries of the hand, rehabilitation is necessary in order to achieve mobility, coordination, and restoration of the function of the hand. Rehabilitation of patients with finger paresis, which is the result of a stroke, is a procedure that most often involves flexion and extension of the fingers of the hand, while the therapy can be performed using rehabilitation devices. During flexion and extension of the fingers, moments that occur in the joints are indicators of the activity of individual muscles. Knowing the necessary moments and forces is essential for developing a rehabilitation device. When designing rehabilitation devices, it is possible to analyse, at an early stage and using a computer model, the device characteristics, and efficiency of interaction of the device and the body part that is in need of rehabilitation. The aim of this research was to develop a biomechanical model of a human hand that describes flexural and extensional motion and behaviour of the hand when interacting with a rehabilitation device and enables the analysis of the device\u27s characteristics at an early stage of development. The required kinematic data were determined by measurement in a biomechanical laboratory. By using the developed mathematical model, it is possible to determine the forces and moments in the joints, thus evaluating the activities of individual muscles. Based on the desired muscle activity, this allows an assessment of the parameter of the required load that needs to be provided by the device at an early stage in the design of the rehabilitation device

Modeliranje iniciranja koštane pregradnje kod ortodontske terapije

Goal of research is whether orthodontic bone remodelling can be predicted using load adaptive bone remodelling theories developed in orthopaedic biomechanics where strain energy density, SED, is a mechanical stimulus for the bone and it is associated with bone density changes. The hypothesis is that the tooth is “hanging” in the fibrous PDL and orthodontic loading would reduce the loading in the fibres on the side to which the tooth is pushed and increase the loading in the fibres on the other side. In the process the alveolar bone and the periodontal ligament react mechanically and biologically to the loading. The focus in research was on the mechanics and the phenomenological aspect of biology described with Finite Element Method. Chewing force represents daily loading in the mouth and referent value of stimulus. 3D model was developed from CT scans from a patient to whom orthodontic treatment was recommended and it was made in the software Mimics, which reads bone density from CT images. 3D model was imported in Marc Mentat where different orthodontic loading were analysed. Last step is the implementation of bone remodelling algorithm made in the programming language Fortran into Marc Mentat by special user subroutine. The proposed description of bone remodelling initiation is able to indicate underloading and overloading condition, which leads to bone resorption and formation mimicking biological response. The main contribution is the development of a numerical model of bone remodelling initiation which includes influence of chewing force, fibrous periodontal ligament, patient-specific geometry and putting SED as mechanical stimulus.Cilj istraživanja doktorskoga rada bio je može li se ortodontska koštana pregradnja predvidjeti koristeći teorije koštane pregradnje koje se temelje na prilagodbi kosti opterećenju razvijene u ortopedskoj biomehanici, gdje je gustoća energije deformiranja mehanički stimulus za kost i povezana je s gustoćom kosti. Hipoteza je da zub "visi" u vlaknastom PDL-u te da će ortodontsko opterećenje smanjiti opterećenje u vlaknima na gurnutoj strani i povećati na suprotnoj strani. U procesu, alveolna kost i parodontni ligament reagiraju na opterećenje mehanički i biološki. Fokus istraživanja bio je na mehanici i fenomenološkim aspektima biologije opisanima pomoću metode konačnih elemenata. Žvačna sila predstavlja dnevno opterećenje u ustima te referentnu vrijednost stimulusa. 3D model razvijen je iz CT snimki pacijenta kojemu je preporučena ortodontska terapija te je napravljen u softveru Mimics, koji omogućuje očitanje gustoće kosti s CT snimaka. 3D numerička analiza napravljena je u Marc Mentatu, gdje su različita ortodontska opterećenja analizirana. Zadnji korak bila je implementacija algoritma koštane pregradnje napisanog u programskom jeziku Fortran u Marc Mentat pomoću specijalnih rutina. Predloženi opis inicijacije koštane pregradnje može predvidjeti podopterećene i preopterećene uvjete koji vode ka koštanoj resorpciji i formiranju oponašajući biološki proces. Glavni je doprinos dokorskoga rada razvoj numeričkoga modela inicijacije koštane pregradnje, koji uključuje utjecaj žvačne sile, vlaknastoga parodontnoga ligamenta, personaliziranu geometriju te postavljanje gustoće energije deformiranja kao mehaničkoga stimulusa

Modeliranje iniciranja koštane pregradnje kod ortodontske terapije

Goal of research is whether orthodontic bone remodelling can be predicted using load adaptive bone remodelling theories developed in orthopaedic biomechanics where strain energy density, SED, is a mechanical stimulus for the bone and it is associated with bone density changes. The hypothesis is that the tooth is “hanging” in the fibrous PDL and orthodontic loading would reduce the loading in the fibres on the side to which the tooth is pushed and increase the loading in the fibres on the other side. In the process the alveolar bone and the periodontal ligament react mechanically and biologically to the loading. The focus in research was on the mechanics and the phenomenological aspect of biology described with Finite Element Method. Chewing force represents daily loading in the mouth and referent value of stimulus. 3D model was developed from CT scans from a patient to whom orthodontic treatment was recommended and it was made in the software Mimics, which reads bone density from CT images. 3D model was imported in Marc Mentat where different orthodontic loading were analysed. Last step is the implementation of bone remodelling algorithm made in the programming language Fortran into Marc Mentat by special user subroutine. The proposed description of bone remodelling initiation is able to indicate underloading and overloading condition, which leads to bone resorption and formation mimicking biological response. The main contribution is the development of a numerical model of bone remodelling initiation which includes influence of chewing force, fibrous periodontal ligament, patient-specific geometry and putting SED as mechanical stimulus.Cilj istraživanja doktorskoga rada bio je može li se ortodontska koštana pregradnja predvidjeti koristeći teorije koštane pregradnje koje se temelje na prilagodbi kosti opterećenju razvijene u ortopedskoj biomehanici, gdje je gustoća energije deformiranja mehanički stimulus za kost i povezana je s gustoćom kosti. Hipoteza je da zub "visi" u vlaknastom PDL-u te da će ortodontsko opterećenje smanjiti opterećenje u vlaknima na gurnutoj strani i povećati na suprotnoj strani. U procesu, alveolna kost i parodontni ligament reagiraju na opterećenje mehanički i biološki. Fokus istraživanja bio je na mehanici i fenomenološkim aspektima biologije opisanima pomoću metode konačnih elemenata. Žvačna sila predstavlja dnevno opterećenje u ustima te referentnu vrijednost stimulusa. 3D model razvijen je iz CT snimki pacijenta kojemu je preporučena ortodontska terapija te je napravljen u softveru Mimics, koji omogućuje očitanje gustoće kosti s CT snimaka. 3D numerička analiza napravljena je u Marc Mentatu, gdje su različita ortodontska opterećenja analizirana. Zadnji korak bila je implementacija algoritma koštane pregradnje napisanog u programskom jeziku Fortran u Marc Mentat pomoću specijalnih rutina. Predloženi opis inicijacije koštane pregradnje može predvidjeti podopterećene i preopterećene uvjete koji vode ka koštanoj resorpciji i formiranju oponašajući biološki proces. Glavni je doprinos dokorskoga rada razvoj numeričkoga modela inicijacije koštane pregradnje, koji uključuje utjecaj žvačne sile, vlaknastoga parodontnoga ligamenta, personaliziranu geometriju te postavljanje gustoće energije deformiranja kao mehaničkoga stimulusa

Modeliranje iniciranja koštane pregradnje kod ortodontske terapije

Goal of research is whether orthodontic bone remodelling can be predicted using load adaptive bone remodelling theories developed in orthopaedic biomechanics where strain energy density, SED, is a mechanical stimulus for the bone and it is associated with bone density changes. The hypothesis is that the tooth is “hanging” in the fibrous PDL and orthodontic loading would reduce the loading in the fibres on the side to which the tooth is pushed and increase the loading in the fibres on the other side. In the process the alveolar bone and the periodontal ligament react mechanically and biologically to the loading. The focus in research was on the mechanics and the phenomenological aspect of biology described with Finite Element Method. Chewing force represents daily loading in the mouth and referent value of stimulus. 3D model was developed from CT scans from a patient to whom orthodontic treatment was recommended and it was made in the software Mimics, which reads bone density from CT images. 3D model was imported in Marc Mentat where different orthodontic loading were analysed. Last step is the implementation of bone remodelling algorithm made in the programming language Fortran into Marc Mentat by special user subroutine. The proposed description of bone remodelling initiation is able to indicate underloading and overloading condition, which leads to bone resorption and formation mimicking biological response. The main contribution is the development of a numerical model of bone remodelling initiation which includes influence of chewing force, fibrous periodontal ligament, patient-specific geometry and putting SED as mechanical stimulus.Cilj istraživanja doktorskoga rada bio je može li se ortodontska koštana pregradnja predvidjeti koristeći teorije koštane pregradnje koje se temelje na prilagodbi kosti opterećenju razvijene u ortopedskoj biomehanici, gdje je gustoća energije deformiranja mehanički stimulus za kost i povezana je s gustoćom kosti. Hipoteza je da zub "visi" u vlaknastom PDL-u te da će ortodontsko opterećenje smanjiti opterećenje u vlaknima na gurnutoj strani i povećati na suprotnoj strani. U procesu, alveolna kost i parodontni ligament reagiraju na opterećenje mehanički i biološki. Fokus istraživanja bio je na mehanici i fenomenološkim aspektima biologije opisanima pomoću metode konačnih elemenata. Žvačna sila predstavlja dnevno opterećenje u ustima te referentnu vrijednost stimulusa. 3D model razvijen je iz CT snimki pacijenta kojemu je preporučena ortodontska terapija te je napravljen u softveru Mimics, koji omogućuje očitanje gustoće kosti s CT snimaka. 3D numerička analiza napravljena je u Marc Mentatu, gdje su različita ortodontska opterećenja analizirana. Zadnji korak bila je implementacija algoritma koštane pregradnje napisanog u programskom jeziku Fortran u Marc Mentat pomoću specijalnih rutina. Predloženi opis inicijacije koštane pregradnje može predvidjeti podopterećene i preopterećene uvjete koji vode ka koštanoj resorpciji i formiranju oponašajući biološki proces. Glavni je doprinos dokorskoga rada razvoj numeričkoga modela inicijacije koštane pregradnje, koji uključuje utjecaj žvačne sile, vlaknastoga parodontnoga ligamenta, personaliziranu geometriju te postavljanje gustoće energije deformiranja kao mehaničkoga stimulusa

Pregled modela koštane pregradnje

Koštana pregradnja je mehanizam koji regulira odnos između morfologije kosti i unutarnjih sila, te se temelji na činjenici da kost, kao živo tkivo, ima mogućnost obnove vlastitog tkiva uslijed mehaničkih stanja u kojima se nalazi. U radu su opisani konstitutivni modeli ponašanja kosti, a temelje se na postojanju mehaničkog stimulusa koji utječe na formiranje i resorpciju kosti. Prikazani su linearno elastični modeli koji povezuju Youngov modul s gustoćom kosti, te model koštane pregradnje koji se temelji na principima mehanike oštećenja definirajući tenzor pregradnje u obliku prividne gustoće i strukturnog tenzora koji je povezan s poroznošću i smjerovima trabekula. Mehanički stimulus definiran je kao tenzor termodinamički povezan s tenzorom pregradnje. Kriteriji resorpcije i formiranja kosti izraženi su preko mehaničkog stimulusa. Također je definirana i promjena brzine tenzora pregradnje. U radu su opisane prednosti i nedostaci prikazanih modela