Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Patricia Schrock

Simulation der Spannungsverteilung im Schneidezahngebiss und in den angrenzenden Kieferregionen des Pferdes

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104324

title (engl.)

Simulation of the strain and stress distribution pattern within the periodontium of the equine incisor dentition and the adjacent bones

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/schrockp_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Parodontale Erkrankungen und periapikale Entzündungen sind die am häufigsten auftretenden Erkrankungen der equinen Backenzähne. Nur bei etwa der Hälfte der diagnostizierten Fälle ist jedoch eine Ätiopathogenese klar erkennbar. Eine progressive Erkrankung der Schneidezähne die mit initialen Veränderungen des Parodontiums einher geht, deren Ätiologie bisher ebenfalls unbekannt ist, wird zurzeit vermehrt bei alten Pferden (> 15 Jahren) festgestellt. Sie wurde nach ihrem klinischen und röntgenologischen Erscheinungsbild als EOTRH (Equine Odontoklastische Zahnresorption und Hyperzementose) benannt.

Eine vermutete Ätiologie der parodontalen Erkrankungen basiert auf der Annahme, dass mastikationsbedingte, biomechanische Überbelastungen zu inflammatorischen Prozessen im parodontalen Ligament (PDL) führen. So entstehen lokal Prädilektionsstellen für die Absiedelung hämatogen gestreuter Bakterien. Des Weiteren wird vermutet, dass durch erhöhte Belastungen im Alveolarrandbereich das Eindringen von Bakterien begünstigt wird und damit die Grundlage parodontaler Erkrankungen geschaffen wird.

Diese Hypothesen wurden mit Hilfe der Finiten Elemente (FE) Analyse für den equinen Schneidezahnapparat überprüft. Dabei wurden Zahnbewegungen und daraus resultierende mechanische Spannungen innerhalb von 3D Computermodellen errechnet.

Dazu wurden zuerst die für die Finite Elemente Analyse nötigen dreidimensionalen Modelle auf Basis hochauflösender µCT Aufnahmen erstellt. Diese Modelle bestanden jeweils aus den Schneidezähnen, dem PDL und den umgebenden Kieferknochen. Besondere Sorgfalt wurde darauf verwendet, das PDL detailgetreu den anatomischen Verhältnissen angepasst zu modellieren, so dass die unterschiedliche Dicke des PDLs genau herausgearbeitet wurde.

Jedem Bestandteil der Modelle wurden anschließend Materialparameter (Elastizitätsmodul und Querkontraktionszahl) zugewiesen. Die Werte von Zahn und Knochen, sowie die Querkontraktionszahl des PDLs wurden der Literatur entnommen. Der Elastizitätsmodul für das parodontale Ligament wurde in eigenen Intrusionsversuchen bestimmt. Durch den Vergleich zwischen den bei den Intrusionsversuchen ermittelten Zahnbewegungen und den in der FE Analyse berechneten Werten wurde die Güte und die sehr hohe Qualität der Modelle bestätigt.

Die Simulation der physiologischen Kieferbewegung zeigte Belastungen, die sowohl durch auftretende mechanische Spannungen als auch durch Verzerrungsenergiedichten (strain energy densities, SEDs) dargestellt wurden. Stark belastete Areale des PDLs waren entlang des Alveolarrandes sowohl labial, wie auch lingual/palatinal zu sehen und leicht okklusal der Wurzelspitze auf der lingualen/palatinalen Zahnseite. Dabei waren Druckspannungen auf der labialen Seite des Alveolarrandes sowie lingual/palatinal leicht okklusal der Wurzelspitze vorherrschend. Die Areale auf der lingualen/palatinalen Seite des Alveolarrandes waren jedoch vor allem durch Zugspannungen belastet. Im angrenzenden Kieferknochen traten hohe Belastungen entlang des Alveolarrandes labial in Form von erhöhten Drücken auf, und vorherrschend Zugspannungen waren auf der lingualen/palatinalen Seite zu sehen. Im alten Pferd waren die Areale, in denen die Belastungen auftraten, im PDL deutlich größer sowie die absoluten Werte deutlich höher als im jungen Pferd.

Die Ergebnisse dieser Studie untermauern die Hypothese, dass mechanische Überbelastungen im PDL als auslösende Faktoren der EOTRH in Frage kommen. Insbesondere zeigen die Simulationen, dass die Belastungen des Parodontiums bei alten Pferden größer sind als bei jungen Tieren. Diese Ergebnisse decken sich mit der steigenden Prävalenz parodontaler Erkrankungen bei älteren Pferden und damit, dass EOTRH in der Regel erst bei Pferden älter als 15 Jahre diagnostiziert wird. Außerdem stimmen die Bereiche, in denen erhöhte Spannungen auftreten, mit den Bereichen des Zahnes, in denen die initialen Krankheitsstadien der EOTRH liegen, weitestgehend überein.

Das Belastungsmuster entlang des knöchernen Alveolarrandes (Druckspannungen labial, Zugspannungen lingual/palatinal) unterstützt die Annahme, dass die alterstypische Änderung der Schneidezahnstellung biomechanische Ursachen hat. Die knöcherne Zahnumgebung reagiert auf die stetige, mechanische Beanspruchung mit Knochenapposition auf der lingualen/palatinalen Seite und mit Knochenabbau auf der labialen Seite. Daraus resultiert eine langsam fortschreitende Kipp- und Rotationsbewegung der Schneidzähne, die zu einer immer flacheren Winkelstellung des Schneidzahngebisses führt.

Durch die hier präsentierte Studie wird deutlich, dass die Kombination von Laborversuchen und Finite Elemente Berechnungen sehr gut dazu geeignet ist, die Materialparameter eigener Modelle zu bestimmen. Es wurde gezeigt, dass die Konstruktion von detailreichen, komplexen und zum Teil sehr großen dreidimensionalen Modellen auf Basis hochauflösender µCT Aufnahmen möglich ist und dass die Verwendung der FE Analyse auch in der pferdemedizinischen Zahnheilkunde ein sehr wertvolles Mittel ist, biomechanische Vorgänge in Gebieten zu simulieren, in denen in vivo Messungen nicht möglich sind. Diese Simulationen bieten die Möglichkeit, Aufschluss über prädisponierende Faktoren und Ätiopathogenesen verschiedener dentaler Erkrankungen zu erlangen und liefern wertvolle Hinweise auf die Entstehung alterstypischer Veränderungen der Gebisse. Auf Grundlage dieser Studie können nun Modelle gesamter Schädel angefertigt werden, die eine zeitabhängige Simulation des Kauzyklus ermöglichen und damit die biomechanischen Vorgänge im Gesamtkomplex von Schneidezahn, Backenzahn und Schädelknochen der weiteren Erforschungen zugänglich machen.

 

abstract (englisch)

Periodontal diseases and periapical infections are the most common pathological findings in equine cheek teeth. A clear ethiopathogenesis is only obvious in about half of the diagnosed cases. Recently a progressive disease affecting the incisor teeth of old horses (> 15 years) is diagnosed more frequently presenting initial lesions within the periodontium. Due to the clinical and radiological findings, the disease was termed EOTRH (Equine Odontoclastic Tooth Resorption and Hypercementosis), however, the etiology of this disease remains unknown up to date.

A presumed etiology of the periodontal diseases is based on the assumption, that mechanical overloads caused by mastication lead to inflammatory processes within the periodontal ligament (PDL), creating local predilection sites for the settlement of microorganism after hematogenous spread. Furthermore, it is assumed that high stresses and strains in the region of the alveolar crest promote the invasion of microorganisms, providing the basis for periodontal diseases.

These hypotheses were tested for the equine incisor dentition by means of finite element (FE) analysis, calculating tooth movements and resulting mechanical stresses and strains using three-dimensional computer models.

Therefore, primarily three-dimensional models, which are necessary for the finite element analysis, were created based on high resolution µCT images. Each model consisted out of the incisors their PDL, and the surrounding bones. Special attention was paid in constructing the PDL precisely adapted to the anatomical conditions, modeling the different thickness of the PDL in a most detailed manner.

Subsequently, the material properties (Young's modulus and Poisson's ratio) were assigned for each component of the models. Values concerning tooth and bone as well as the Poisson's ratio of the PDL were taken from literature. The Young's modulus of the PDL was determined in own intrusive movement experiments.

By comparing the experimentally determined tooth movements with the FE analysis calculated values the high quality of the models was confirmed. Simulations of the physiologic jaw movement showed areas of high loads, which were represented by occurring mechanical stresses as well as by strain energy densities (SEDs). Highly stressed areas within the PDL were apparent along the alveolar crest, on the labial as well as on the lingual/palatal side of the tooth and on the lingual/palatal side, slightly occlusal of the root tip. Compressive stresses were predominant on the labial side of the alveolar crest as well as on the lingual/palatal side slightly occlusal of the root tip, whereas tensile stresses were predominant on the lingual/palatal side of the alveolar crest. High loads in the adjacent bones were apparent along the alveolar crest labial in the form of high compressions, and predominantly high tensions were apparent on the lingual/palatal side. These areas of high loads within the PDL were markedly higher in the old horse and showed clearly higher maximal values compared to the young horse.

The results of this study confirm the hypothesis that mechanical (over)stressing in the PDL can be causative for the development of EOTRH. The simulations particularly show that the loads occurring in the periodontium of old horses are higher than in young horses. These results are in accordance with the increasing prevalence of periodontal diseases in old horses and with the fact that EOTRH is generally diagnosed in horses older than 15 years. Additionally, the areas of high strains largely correspond with areas of the tooth, in which the initial stages of EOTRH are seen. The stressed areas along the labial bony part of the alveolar crest, in form of high compressions, as well as the tensile stressed areas of the jaw bone on the lingual/palatal sides of the teeth support the assumption of the age-dependent alteration of the incisors position and angulations through bone rearrangement and bone loss due to mechanical loads upon the jaw bones.

This study gives evidence that the combination of laboratory experiments and finite element analysis is very suitable for determining the material properties of own models. It was shown that the construction of detailed, complex, and partly very large three-dimensional models on basis of high resolution µCT images is feasible and that the usage of FE analysis also in the equine dental medicine is a valuable tool for simulating biomechanical processes in regions where in vivo measurements are impossible. These simulations offer the opportunity to identify predisposing factors and ethiopathogenesis of different dental diseases and provide valuable information about the development of the age-related alterations of the dentition. Based on this study, it would be possible to construct models of entire skulls to time-dependently simulate the chewing motion and to elucidate the biomechanical processes within the complex of incisors, cheek teeth and the bones of the cranium.

keywords

Equiner Schneidezahn, EOTRH, Finite Elemente Analyse, Equine incisor, peridontium, equine dentistry

kb

340