歯周破壊時の皮質骨と海綿骨の応力評価-複数の破壊基準の比較有限要素解析

Cortical and Trabecular Bone Stress Assessment during Periodontal Breakdown-A Comparative Finite Element Analysis of Multiple Failure Criteria.

抄録

この数値解析では、歯周破壊時に0.5 Nの矯正力を受ける構造体としての下顎骨の生体力学的挙動を調べた。さらに、最も使用されている5つの破壊基準（Von Mises (VM)、Tresca (T)、最大主荷重 (S1)、最小主荷重 (S3)、静水圧 (HP)）の骨の研究に対する適合性を評価し、歯とその周囲の歯周組織の研究に対する単一の基準を特定した（他のFEA研究との相関を実施）。 有限要素解析（FEA）では、下顎骨の81のモデルについて、骨欠損のレベルを変化させ（0～8mm）、5つの歯列矯正運動（イントリュージョン、エクストリュージョン、ティッピング、ローテーション、トランスレーション）を行い、405回のシミュレーションを行った。骨の数値解析には、延性破壊基準が適しており（TとVMは骨の研究には十分である）、Trescaがより適している。S1、S3、HP基準は、脆性材料と液体/気体に特化した特徴的な設計のため、骨の応力分布を時折正しく記述するのみであった。 TとVMだけが、歯周破壊の5つの動きとレベルすべてについて、一貫した相関性のある漸増応力パターンを示した。TとVMが示した定量値は、5つの基準の中で最も高かった（各動作と骨破壊のレベルに対して）。下顎骨は解剖学的に血管が少なく、虚血リスクが減少するため、MHP（最大生理的静水圧）はすべてのシミュレーションで上回った。TとVMのみが、5つの動作すべてにおいて相関性のある（質的にも量的にも）応力増加を示した。TとVMの両者とも、回転と並進、それに密接に続く転倒がストレスの多い動きとして示され、一方、侵入と押し出しは下顎骨にとってストレスの少ない動きであった。 同じモデルと境界条件を用いた以前の数値研究との相関から、Tは歯とその周囲の歯根膜の研究において、単一の単一破壊基準としてより適していると思われる。

This numerical analysis investigated the biomechanical behavior of the mandibular bone as a structure subjected to 0.5 N of orthodontic force during periodontal breakdown. Additionally, the suitability of the five most used failure criteria (Von Mises (VM), Tresca (T), maximum principal (S1), minimum principal (S3), and hydrostatic pressure (HP)) for the study of bone was assessed, and a single criterion was identified for the study of teeth and the surrounding periodontium (by performing correlations with other FEA studies). The finite element analysis (FEA) employed 405 simulations over eighty-one mandibular models with variable levels of bone loss (0-8 mm) and five orthodontic movements (intrusion, extrusion, tipping, rotation, and translation). For the numerical analysis of bone, the ductile failure criteria are suitable (T and VM are adequate for the study of bone), with Tresca being more suited. S1, S3, and HP criteria, due to their distinctive design dedicated to brittle materials and liquids/gas, only occasionally correctly described the bone stress distribution. Only T and VM displayed a coherent and correlated gradual stress increase pattern for all five movements and levels of the periodontal breakdown. The quantitative values provided by T and VM were the highest (for each movement and level of bone loss) among all five criteria. The MHP (maximum physiological hydrostatic pressure) was exceeded in all simulations since the mandibular bone is anatomically less vascularized, and the ischemic risks are reduced. Only T and VM displayed a correlated (both qualitative and quantitative) stress increase for all five movements. Both T and VM displayed rotation and translation, closely followed by tipping, as stressful movements, while intrusion and extrusion were less stressful for the mandibular bone. Based on correlations with earlier numerical studies on the same models and boundary conditions, T seems better suited as a single unitary failure criterion for the study of teeth and the surrounding periodontium.