Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Simulationen von Spannungszuständen und Belastungen im Parodontium equiner Backenzähne mit Hilfe der Finite Elemente Analyse

Cordes, Vanessa

Periodontopathies, in particular periapical infections, rank among the most frequently occurring pathological problems in equine dentistry. Periodontitis, which spreads from the gingival into the periodontal space, often develops secondary to morphological changes in teeth, malocclusions and pathological diastemata. Primary periapical infections can partly be explained by infundibular caries, dental fractures, occlusally exposed pulp horns and descending periodontal infections. In periapical inflammations, which cannot be traced to such obvious aetiology, a haematogenous spread and settlement of microorganisms (anachoresis) is assumed to be causative. It is expected that occurring strains and stresses in the periodontal ligament (PDL) during the horse’s chewing cycle promote the settlement of microorganisms. In the present study this assumption was verified by finite element analyses, which enable calculations of strains and stresses in the equine periodontium based on virtual computer models. As a first step, models required for finite element simulations had to be constructed. On the basis of µCT datasets, models of maxillary and mandibular jaw segments were created for different dental age groups (age group A: 0-5 years, B: 6-15 years, C: >15 years). All models consisted of a homogenous constructed tooth, PDL, cortical alveolus, cancellous bone and compact bone. During model generation emphasis was given to a very realistic design of the PDL. Thus, periodontal parts around the tooth’s apices and under the rootbi- and -trifurcations were constructed as separate entities because of histological specifics. For finite element calculations each structure in the models had to be allocated defined values of Young’s modulus and Poisson’s ratio (values describing the elastic behaviour of materials). Values for tooth, cancellous and compact bone were taken from literature. The Young’s modulus for the PDL of different aged teeth was determined by tooth intrusion experiments and set-actual-comparisons. In the following finite element calculations separate phases of the chewing cycle (closing stroke and power stroke) were simulated. Occurring loads were described by normal stresses and the strain energy density (SED). During the closing stroke a uniform distribution of stresses and SED was observed. Despite an increase in stresses and SED with increasing tooth age, computed values lay far below those calculated during the power stroke. Stresses and SED during the power stroke occurred especially in regions near the alveolar crest and in periapical regions. A remarkable increase in the number of stresses and in SED with increasing tooth age was observed. During the power stroke occurring forces around the alveolar crest contribute to the development of gingivitis and gingival pockets, which might be the origin of severe periodontal diseases. The concentration of stresses and SED in periapical regions could lead to rupture of collagen fibres and subsequent tissue necrosis as well as inflammatory reactions in these areas. Such milieux are optimal conditions for the settlement of microorganisms. The initial hypothesis, which expected strains and stresses to be involved in the aetiology of periodontal diseases, was confirmed by data in this study. The calculated increase of strains and stresses with increasing tooth age correlates with published studies describing high prevalence of periapical infections in old horses.

In der equinen Zahnheilkunde gehören Parodontopathien, insbesondere periapikale Entzündungen, zu den am häufigsten vorkommenden pathologischen Erkrankungszuständen. Parodontitiden, die sich von gingival in den parodontalen Spalt ausdehnen, entstehen meist sekundär als Folge morphologischer Zahnveränderungen, Malokklusionen und pathologischer Diastemata. Primäre periapikale Infektionen können häufig auf Infundibularkaries, Zahnfrakturen, okklusal eröffnete Pulpaäste sowie auf eine Infektionsausbreitung auf parodontalem Wege zurückgeführt werden. Bei periapikalen Entzündungen, denen jedoch keine derart offensichtliche Ätiologie zugrunde liegt, wird ursächlich eine hämatogene Streuung und Absiedlung von Mikroorganismen angenommen. Es wird vermutet, dass während des Kauzyklus auftretende Spannungen im Ligamentum periodontale (PDL) eine Absiedlung von Erregern begünstigen. Diese Annahme wurde in der vorliegenden Studie durch Finite Elemente (FE) Analysen, welche eine Berechnungen von Belastungen im Zahnhalteapparat anhand virtueller Computermodelle erlauben, überprüft. Zunächst erfolgte die Konstruktion der für die Finite Elemente Simulationen benötigten Modelle. Auf Basis von µCT Daten wurden Modelle von Ober- und Unterkiefersegmenten verschiedener Zahnaltersgruppen (Altersgruppe A: 0-5 Jahre, Altersgruppe B: 6-15 Jahre, Altersgruppe C: >15 Jahre) erstellt. Diese bestanden aus einem homogen konstruierten Zahn, PDL, Lamina dura, Substantia spongiosa und Substantia compacta. Bei der Erzeugung des PDL wurde auf eine besonders realistische Darstellung Wert gelegt. So wurden Anteile des PDL unter den Wurzelspitzen sowie unter den Wurzelbi- oder -trifurkationen aufgrund von histologischen Besonderheiten als separate Materialien modelliert. Für die Finite Elemente Berechnungen mussten den einzelnen Strukturen definierte Werte des Elastizitätsmoduls und der Querkontraktionszahl (Größen, die das elastische Materialverhalten der einzelnen Substanzen beschreiben) zugeordnet werden. Werte für den Zahn und die einzelnen Knochenstrukturen wurden der Literatur entnommen. Der Elastizitätsmodul für das PDL wurde für die einzelnen Zahnaltersgruppen in Intrusionsversuchen und Soll-Ist-Wert Analysen ermittelt. In den anschließenden Finite Elemente Berechnungen wurden einzelne Kauphasen (Closing stroke und  Power stroke) simuliert. Die auftretenden Belastungen wurden durch mechanische Spannungen sowie Verzerrungsenergien (strain energy density) dargestellt. Während des Closing stroke zeigte sich eine sehr homogene Verteilung von berechneten Spannungen sowie Verzerrungsenergien im PDL. Obwohl mit steigendem Zahnalter die Belastungen zunehmen, liegen sie deutlich unter denen, die während des Power strokes berechnet wurden. Spannungen und Verzerrungsenergien waren beim Power stroke vor allem im Bereich des Alveolarrandes als auch im Bereich der Wurzelspitzen lokalisiert. Eine beachtenswerte Größenzunahme von Belastungen mit steigendem Zahnalter war ebenso zu beobachten. Während des Power strokes auftretende Spannungen im Bereich des Alveolarrandes können an der Entstehung von Gingivitiden und Parodontaltaschen mitwirken, welche Ausgangspunkte für schwerwiegende Parodontitiden darstellen können. Die Konzentration von Spannungen in periapikalen Regionen kann Kollagenfaserzerreißungen und nachfolgend Gewebsnekrosen sowie Entzündungsreaktionen in diesen Bereichen auslösen. Daraus resultieren optimale Bedingungen für eine Absiedlung von Mikroorganismen aus dem Blut. Die Ausgangshypothese, wonach Spannungen an der Ätiopathogenese periapikaler Erkrankungen beteiligt sind, konnte durch Daten dieser Studie untermauert werden. Die errechnete Größenzunahme der Belastungen mit dem Alter korreliert mit Angaben aus der Literatur, die eine erhöhte Prävalenz periapikaler Erkrankungen bei älteren Pferden beschreiben. 

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Cordes, Vanessa: Simulationen von Spannungszuständen und Belastungen im Parodontium equiner Backenzähne mit Hilfe der Finite Elemente Analyse. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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