Manole Marius Ciprian - “Iuliu Haţieganu” Cluj

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ ŞI FARMACIE ”IULIU HAŢIEGANU”
FACULTATEA DE MEDICINĂ DENTARĂ
Rezumatul tezei de doctorat
Modificări ale ţesuturilor parodonatale prin aplicarea diferitelor
tipuri de proteze parţiale fixe
Conducător ştiinţific: Prof.Dr.Dorin Borzea
Doctorand: Marius Manole
CLUJ-NAPOCA 2013
Cuprins
INTRODUCERE
12
STADIUL ACTUAL AL CUNOAŞTERII
14
1 Recenzii din literatura de specialitate şi istoric
1.1 Parodonţiul este o articulaţie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Ligamentul periodontal şi morfologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Anatomia sistemului dinte-ţesut periodontal-os . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Parodonţiul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Componentele din parodonţiu responsabile pentru funcţii mecanice
1.3 Caracterizarea experimentală a comportamentului
mecanic al ţesutului periodontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Tehnici de testare mecanică a ţesutului periodontal . . . . . . . . .
1.3.2 Profilele experimentale raportate sub sarcină asupra ţesutului
periodontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3 Utilizarea proprietăţilor materialelor ı̂n modele cu elemente finite .
1.4 Modelarea teoretică a comportamentului mecanic al ţesutului periodontal .
1.4.1 Elasticitatea ligamentul parodontal . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Vâscozitatea ligamentul periodontal . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
15
15
17
18
20
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. . . 22
. . . 22
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
24
26
27
27
28
CONTRIBUŢIA PERSONALĂ
30
2 Studii holografice ale parodonţiului marginal
2.1 Holografia, date generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Obiective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Material şi metodă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Rezultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Evaluarea retracţiei parodontale pe holograme ı̂n interferenţă . . . . . . .
2.4.2 Cuantificarea imagistică a retracţiei parodontale utilizând softuri dedicate
2.5 Discuţii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
31
33
33
36
36
42
47
47
3 Evaluarea ţesutului parodontal utilizând simularea
numerică
49
3.1 Date generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2 Obiective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Material şi metodă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Modelarea câmpului protetic şi a protezelor parţiale fixe . . . . . . . . . 50
3.3.2 Generarea modelului ı̂n ProEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Etapele simulării numerice ı̂n Ansys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 Simularea numerică a comportamentului unei proteze parţiale fixe asupra parodonţiului
de sus ţinere considerat normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Simularea numerică a comportamentului unei proteze parţiale fixe asupra parodonţiului
cu o retracţie redusă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6 Simularea numerică a comportamentului unei proteze parţiale fixe asupra parodonţiului
cu o retracţie ce expune rădăcinile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.7 Simularea numerică a comportamentului unei proteze parţiale fixe asupra parodonţiului
cu o retracţie ce expune 25% din ambele rădăcini . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.8 Simularea numerică a comportamentului unei proteze parţiale fixe asupra parodoţiului
cu o retracţie ce expune 50% din ambele rădăcini . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.9 Simularea numerică a comportamentului unei proteze parţiale fixe asupra parodonţiului
cu o retracţie ce expune doar 50% din rădăcinile premolarului (1.4) . . . . . . . 66
2
3.10 Discuţii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.11 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4 Evaluare ı̂n vitro a mobilităţii dentare simulate utilizând
vibrometrul laser
4.1 Obiective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Material şi metodă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Principii matematice utilizate pentru simularea situaţilor urmărite . . . .
4.2.2 Sistemul de simulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Rezultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Măsurători realizate pentru simularea edentaţiei şi a dinţilor stâlpi neşlefuiţi
4.3.2 Măsurători realizate pentru simularea protezării edentaţiei cu o PPF
metalo-polimerică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Măsurători realizate pentru simularea unei proteze parţiale fixe metaloceramice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 Măsurători realizate pentru simularea modificării suportului parodontal
al premolarului şi protezarea nu a fost realizată . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5 Măsurători realizate pentru modificării suportului parodontal al premolarului şi protezarea a fost realizată cu o proteză metalo-polimerică şi cu
o proteză metalo-ceramică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.6 Diagrama de rezonanţa a raportului v/a0 c funcţie de frecvenţa de excitaţie
v pentru cazurile considerate anterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.7 Masurători realizate pentru simularea modificării suportului parodontal
al premolarului succesiv ı̂n doua etape iar protezarea a fost realizată cu
o proteza metalo-ceramică ı̂n ambele cazuri . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Evaluarea ı̂n VIVO calitativă şi cantitativă a mobilităţii dentare
5.1 Obiective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Material şi metodă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Rezultate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Semnalul 1.wav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Semnalul 2.wav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3 Semnalul 3.wav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.4 Semnalul 4.wav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.5 Semnalul 5.wav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 Discuţii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
73
73
73
73
75
80
81
81
82
82
83
84
85
90
91
91
91
94
94
96
98
100
102
104
105
6 Concluzii generale
107
7 Originalitate şi contribuţii novative ale tezei
109
REFERINŢE
110
3
Cuvinte-cheie: Ţesut periodontal; Proteză parţială fixă; Mobilitate dentară; Holografie; Suport parodontal; Protezarea edentaţiei.
Lucrarea de faţă este structurată ı̂n două părţi: stadiul actual al cunoaşterii şi contribuţii
personale.
Stadiul actual al cunoaşterii cuprinde aspecte generale legate de morfologia, anatomia,
structura şi caracterisitcile ţesutului periodonal, cât şi informaţii generale legate de caracterizarea experimentală şi modelarea teoretica a comportamentului mecanic al ţesutului periodontal.
Partea a doua, cea a contribuiţiei personale, cuprinde cercetări care au urmărit următoarele obiective:
• Studierea din punct de vedere holografic a parodonţiului marginal,
• Evaluarea ţesutului parodontal utilizând simularea numerică,
• Evaluare atât ı̂n vitro cât şi ı̂n vivo a mobilităţii dentare simulate utilizând vibrometrul
laser.
Teza este structurată ı̂n 7 capitole la care se adaugă introducerea şi referinţele bibliografice (105 citaţii).
Capitolul 1 ”Recenzii din literatura de specialitate şi istoric”
Capitolul 2 ”Studii holografice ale parodonţiului marginal”
Obiective. Acest studiu şi-a propus evaluarea cantitavă şi calitativă a retracţiei paronţiului
marginal utilizând tehnica holografică validată ulterior de măsurători efectuate prin intermediul
unor soft-uri dedicate.
Material şi metodă. Pentru acest capitol s-au considerat un număr de 62 de pacienţi cu proteze
par- ţiale fixe la care s-au realizat amprente la momentul prezentării ı̂n cabinetul de medicină
dentară şi la 6 luni. Pentru fiecare pacient s-a turnat un model care a fost ı̂nregistrat holografic
cu masca gingivală corespunzătoare momentului prezentării şi momentului de control aflat la
6 luni distanţă. În prima etapă s-au considerat pacienţi ai căror statusuri parodontale au fost
(a)
(b)
Figure 1: (a) Set-up-ul considerat pentru ı̂nregistrarea hologramelor din acest studiu, (b)
Norma frontală a aranjamentului holografic folosit ı̂n studiul de faţă.
ı̂nregistrate prin amprentare la un moment iniţial şi la 12 luni după prima ı̂nregistrare. S-au
realizat holograme ale modelelor corespunzătoare statusului parodontal la 12 luni de evaluare şi
s-au suprapus peste modelul fizic analogic corespunzător primei vizite de evaluare. Evidenţierea
retracţiilor parodontale a fost realizată prin trasarea de drepte paralele corespunzătoare celor
două etape amintite.
4
Rezultate şi discuţii. În prima parte a acestui studiu s-au realizat ı̂nregistrări holografice ale
modelelor corespunzătoare situaţiei parodontale secundare (la 12 luni faţă de prima situaţie
considerată) şi au fost puse ı̂n paralel cu situaţia parodontală primară. Evoluţia retracţiilor
paro- dontale a fost exemplificată prin linii paralele corespunzătoare marginii superioare a
parodonţiului pentru fiecare situaţie ı̂n parte. Evaluarea se face astfel cu precădere la nivelul
feţei vestibulare a modelelor, lăsând neexplorate informaţii valoroase asupra retracţiei tridimensionale a parodonţiului.
Concluzii. Măsurătorile efectuate cu ajutorul unui soft dedicat (Sigma Scan Pro) au fost
validate de măsuratorile efectuate direct pe model cu ajutorul unui şubler electronic. Valorile
obţinute prin măsurătorile analogice au fost de cele mai multe ori mai mari decât cele ı̂nregisrate
ı̂n urma utilizării softului menţionat. Măsurătorile fizice efectuate au ţinut cont de aprecierea
vizuală a zonelor de retracţie, implicând eroarea umană.
Capitolul 3 ”Evaluarea ţesutului parodontal utilizând simularea numerică”
Obiective. Obiectivele acestui studiu au vizat identificarea tensiunilor de la nivelul ligamentului
periodontal ı̂n condiţiile exercitării forţelor masticatorii asupra unei proteze parţiale fixe formată
din trei elemente cu diferite variante considerate pentru suportul dento-parodontal.
Material şi metodă. Modelarea structurilor considerate ı̂n acest studiu a fost realizată utilizând
un sistem de scanare 3D Microscribe G2. solidului (ı̂n cazul nostru o arcadă artificială tip
FRASACO). Acest sistem de digitizare are o acurateţe de 0,38 mm, având o interfaţă RS 232
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 2: (a) Aspectul protezei parţiale fixe la stadiul de curbe, (b) al radăcinilor considerate
la stadiul de suprafeţe ı̂nchise, (c) al protezei partiale fixe ı̂n stadiul de solid şi (d) al structurii
integrale considerate la stadiul de solid.
5
/ USB 1.1. Cu digitizorul se preiau puncte de pe suprafaţa
Sistemul utilizat este compatibil cu mai multe softuri de modelare 3D, cum ar fi 3dsx
max, Light Wave 3D, Autodesk VIZ, Maya, form Z. Dupa generarea modelului 3D acesta poate
fi procesat de softuri cum sunt SolidWorks, ProEngineer, AutoCAD, Delcam PowerShape,
Mastercam, CADKEY, Rhino 3D, solidThinking.
După realizarea măsurătorilor cu dispozitie dedicate, fişierele sunt salvate cu extensia
*.igs (document recunoscut de toate sistemele CAD de modelare tridimensională). Apoi aceste
fişiere sunt importate ı̂n programe de reconstrucţie tridimensională - modelare tridimensională
de tip CAD cum este ProEngineer. În cazul ı̂n care suprafaţa este continuă, ı̂n mod reprezentare
”Wireframe” apare o singură culoare. Toate discontinuităţile suprafeţei sunt marcate prin
culoarea galbenă.
Pentru a realiza o modelare tridimensională este imperios necesar să avem o suprafaţă
continuă. Importarea fişierului *.igs ı̂n ProEngineer menţine cele trei planuri care definesc
sistemul de coordonate ca şi cele ı̂n care s-a efectuat măsurătoarea. Corectarea suprafeţei
se face ı̂n ProEngineer prin metode specifice acestui program (corectare automată) sau prin
adăugarea de suprafeţe noi conform cu geometria suprafeţei măsurate.
În continuare se va crea suprafaţa plană care trece pe la baza modelului cu ajutorul
căreia se va defini volumul măsurat. Apoi se delimitează suprafaţa de intersecţie ı̂ntre suprafaţa
măsurată a protezei parţiale fixe şi suprafaţa plană. Aceasta se realizează cu comanda ”merge”,
cu ajutorul căreia se elimină suprafeţele ajutătoare şi se generează o suprafaţă tridimensională
ı̂nchisă continuă (termenul consacrat este de ”quilt”). Se obţine astfel un corp solid tridimensional căruia i se pot atribui caracteristici specifice de material şi cu ajutorul căruia se pot
realiza simulări numerice ale tensiunilor apărute la impact.
Rezultate şi discuţii. Rezultatele obţinute ı̂n urma procesului de testare a comportamentului
protezei parţiale fixe ı̂n situaţii de expunere parodontală diferite au fost centralizate şi sunt
ilustrare prin intermediul tabelului 1.
Table 1: Rezultate obţinute după simularea numerică.
Tensiunea
minimă
PPF pe dinte
cu retracţie
redusă
PPF pe dinte
cu retracţie
ce expune
rădăcina
PPF pe dinte
cu retracţie
ce expune
25% ambele rădăcini
PPF pe dinte
cu retracţie
ce expune
50% ambele rădăcini
PPF pe dinte
cu retracţie
ce expune
50% rădăcina premolar
Tensiunea
maximă
Tensiunea ı̂n
parodonţiu
minimă
nivel
valoare
(MPa)
Tensiunea ı̂n
parodonţiu
maximă
nivel
valoare
(MPa)
nivel
valoare
(MPa)
nivel
valoare
(MPa)
os
alveolar
8.07
E-03
PPF
43.209
premolar
0
molar
54.710
os
alveolar
7.64
E-03
PPF
46.025
premolar
0
molar
15.834
os
alveolar
9.78
E-03
PPF
42.103
premolar
0
molar
16.987
os
alveolar
8.23
E-03
PPF
44.490
premolar
0
os
alveolar
18.499
os
alveolar
5.73
E-03
PPF
48.952
premolar
0
molar
41.599
6
S-au realizat măsurători la nivelul ı̂ntregii structuri luate ı̂n studiu (PPF, dinţi stâlpi,
ţesut parodontal, os alveolar) şi măsurători doar la nivelul parodonţiului.
Ca urmarea a rezultatelor obţinute putem trage concluzia că ı̂n primul caz considerat
tensiunea minimă se realizează la nivelul osului alveolar iar tensiunea maximă la nicvelul protezei parţiale fixe. În a doua situaţie considerată nivelul tensiunii minime se ı̂nregistrază la
nivelul premolarului iar tensiunea maximă se ı̂nregistrează la nivelul molarului cu o singură
excepţie ce apare ı̂n cazul aplicării protezei parţiale fixe pe dinte cu retracţie ce expune 50%
din ambele rădăcini unde tensiunea maximă apare la nivelul osului alveolar.
Concluzii. Rezultatele obţinute ı̂ncadrul acestui studiu permit observaţia următoare: la aceeaşi
tensiune aplicată structurii considerate (proteza parţială fixă, molar 1.6., premolar 1.4., parodonţiu şi os alveolar) tensiunea maximă se regăseşte la ı̂nceput ı̂n proteza parţială fixă. Pe măsură
ce suportul parodontal este diminuat, tensiunea maximă este preluată şi de rădăcinile corespunzătoare zonelor de retracţie. Ca atare, ı̂n acele zone este accelerată tendinţa de retracţie a
parodonţiului.
Capitolul 4 ”Evaluare ı̂n vitro a mobilităţii dentare simulate utilizând vibrometrul laser”
Obiective. Am urmărit ı̂n evaluarea cantitativă a mobilităţii dentare alterate voluntar utilizând un sistem de măsurare non-contact (vibrometrul laser), eficientizarea măsurătorilor.
Măsurătorile s-au realizat la nivelul unui model Frasaco, ı̂n variante multiple pentru a simula situaţii diferite:
• de dinţi restanţi nepreparaţi ı̂ntr-o edentaţie parţială,
• de dinţi preparaţi ı̂n vederea protezării,
• de dinţi preparaţi pe care s-a aplicat o proteză parţială fixă.
S-a studiat comportarea dinamică a modelului dentar cu proteze parţiale fixe metalo-polimerice şi metalo-ceramice cu dinţii stâlpi fixaţi liberi şi fixaţi cu material siliconic ce le
conferă diferite amortizări şi diferite constante elastice. Dacă ı̂n cadrul primei părţi a rezultatelor experimentale s-a urmărit determinarea amplitudinii minime şi maxime a oscilaţiei ı̂n
partea a doua s-au investigat frecvenţele de oscilaţie maxime, adică rezonanţa.
Material şi metodă. Primele investigaţii s-au focalizat pe evaluarea mobilităţii dinţilor stâlpi
neşlefuiţi situaţi ı̂n alveolele modelului FRASACO. Dupa măsurători s-au şlefuit dinţii stâlpi
şi s-au efectuat din nou măsurătorile. Pentru situaţia clinică considerată s-a realizat o proteză
Figure 3: Set-up-ul considerat pentru experimentul ı̂n vitro.
parţială fixă din trei elemente metalo-polimerice respectiv una metalo-ceramică. Pentru ambele
situaţii s-au efectuat măsurători. S-a inserat apoi material siliconic (Oranwash, Zhermack) doar
alveola premolarului (aprox. 1/4 din alveolă), mărind fixarea acestuia. S-a obţinut astfel o simulare a unui suport parodontal mai rigid. S-au repetat măsurătorile pentru situaţia edentaţiei,
7
respectiv a protezării cu proteza parţială fixă metalo-polimerică şi metalo-ceramică. S-a inserat acelaşi tip de material siliconic şi ı̂n alveola molarului şi s-au repetat masuratorile pentru
situaţiile menţionate mai sus. Investigarea materialului s-a făcut după o schemă prezentată ı̂n
(fig.3).
Rezultate şi discuţii. În vedere obţinerii de rezultate de acurateţe trebuie avute ı̂n vedere o
serie de precauţiuni legate de modul ı̂n care se fac măsurătorile.
În primul rând trebuie să atragem atenţia că modelul trebuie fixat cât mai rigid de
măsuţa mobilă a vibratorului. Se va evita să se utilizeze piese mobile deformabile deoarece
acestea pot vibra şi introduce false rezonante ı̂n sistem. În afară de aceasta trebuie ţinut
cont că vibratorul poate produce vibraţii sinusoidale ı̂n limite date de amplitudine peste care
vibraţiile devin deformate iar măsurătorile sunt compromise.
O altă condiţie este aceea de a orienta fascicolul laser perpendicular pe suprafaţa măsurată ı̂n punctul de contact pe dintele măsurat, ı̂nclinarea micşorând sensibilitatea de măsură
a vibrometrului. Experimental s-a constatat că mărind amplitudinea vibraţiilor structurilor
dentare pot avea vibraţii sinusoidale deformate datorită jocurilor de fixare/implantare. Acestea
se pot vedea din forma semnalelor culese cu vibrometrul laser.
Metoda prezentata ı̂n acest capitol s-a dovedit utilă ı̂n evaluarea reală a calităţii suportului parodontal prin determinarea constantei de amortizare c şi a constantei elastice k
corespunzătoare acestui ţesut. Avantajul metodei constă ı̂n faptul că determinările se pot face
ı̂n particular pentru fiecare dinte de suport al lucrărilor dentare, respectiv generând o imagine
a calităţii suportului parodontal al fiecărui bont.
Evaluarea se poate face ı̂n timp prin repetarea investigaţiilor şi notarea caracteristicilor
menţionate mai sus. O scădere a acestora se asociază evident cu o scădere a calităţii suportului
parodontal care trădează o suferinţă/afecţiune a acestuia.
Concluzii. Zonele frontale se pretează la o evaluare facilă utilizând această metoda ı̂n timp
ce zonele laterale (ı̂ncepând de la premolarul doi spre molarii trei) ar permite obţ- inerea de
ı̂nregistrări cu erori, respectiv semnale complementare care ar ı̂ngreuna major o determinare
corectă, acurată a suportului parodontal.
Astfel, se propune această metodă doar pentru evaluări clinice ı̂n zona frontală (canin
- canin) cu menţiunea că ı̂n cazul unei lucrări de 5 sau 6 elemente se recomandă şi imobilizarea extremităţii cefalice. Pentru situaţia ı̂n care lucrarea protetică are mai mult de trei
stâlpi, această metodă dă informaţii reale dar complexe pentru suportul parodontal global al
structurii investigate. Astfel, caracterizarea individuală pe fiecare dinte stâlp este mai dificil de
obţinut, necesitând separări ale semnalelor obţinute.
Capitolul 5 ”Evaluarea ı̂n VIVO calitativă şi cantitativă a mobilităţii dentare”
Obiective. În cadrul acestui capitol a fost propusă o nouă metodă de evaluare a mobilităţii
dentare ı̂n vivo utilizând unul dintre cele mai cunoscute fenomene ce poate fi constatat atât
ı̂n cazul undelor electromagnetice (inclusiv lumina), cât şi ı̂n cazul undelor elastice (inclusiv
sunetul), şi anume efectul Doppler. Cu ajutorul analizei ı̂n frecvenţă s-a urmărit determinarea
nivelului de rigiditate a structurii precum şi omogenitatea acesteia. Dacă structura este neomogenă şi puţin rigidă se ı̂nregistrează un număr ridict de componente spectrale.
Material şi metodă. Acest studiu a pornit de la ipoteza că un dinte fixat ı̂n alveola şi ţesutul
parodontal este echivalent cu un sistem oscilant cu mai multe grade de libertate. În acest studiu
ne-am propus să investigăm vibraţiile acestui sistem, deoarece prin identificarea parametrilor
sistemului obţinem o serie de parametri care reflectă cuplajul dintelui cu regiunea alveolară,
adică exact periodonţiul.
Principalul obiectiv a fost conceperea unui sistem cu care sa putem evalua mai mult
decât scorul relativ indicat de periotest, tinand cont ca acesta este limitat in cazul evaluarii
stalpilor de sustinere dentari de sub protezele partiale fixe. Datorită poziţionării anatomice
specifice, obţinerea de semnale care să reflecte proprietăţile biomecanice ale ţesutului parodontal
şi eventualele lor modificări ı̂n timp este un procedeu laborios putin abordat ı̂n literatura de
specialitate.
8
Pentru evaluarea concomitentă a mobilităţii dentare şi proprietăţilor fizice ale ţesutului
parodontal am conceput un ansamblu complex constituit dintr-un sistem mecanic de aplicare
a excitaţiei la nivelul porţiunii coronare a bontului/coroanei dintelui stâlp de investigat şi un
sistem de culegere a răspunsului mecanic al complexului dento-alveolar, sistem poziţionat ı̂n
zona treimii inferioare a rădăcinii dintelui de interes. Pentru a se genera răspunsuri libere ale
unui dinte s-au aplicat impulsuri, măsurându-se răspunsul liber la aceste impulsuri. Ca sistem
de excitare s-a folosit dispozitivul Periotest, care generează un şir de impulsuri repetitive,
separate ı̂ntre ele.
Măsurarea răspunsului dintelui la aceste impulsuri s-a facut cu un senzor Doppler ultrasonor de viteză, aplicat pe tesutul gingival, ı̂n treimea apicală radiculară. Acest senzor dă un
răspuns proporţional cu viteză instantanee a punctului din dinte, ı̂n care cade fluxul ultrasonor.
Ca şi traductor ultrasonor a fost selectat unul de 8Mhz dedicat explorărilor microcirculatorii. Semnalul analog furnizat de Doppler a fost transformat digital utilizând un osciloscop
digital multicanal şi softurile aferente. Răspunsul are forma unor oscilaţii rapid amortizate .
Pentru prelucrare s-au extras secvente unice de răspunsuri amortizate pentru care s-au
folosit următoarele metode de interpretare:
1. Analiza spectrală (Fast Fourier Transform) ı̂nsoţită de o estimare bazată pe metodă
ARMA, prezentată anterior.
2. Metoda seriilor Prony.
3. Deoarece semnalul conţine o serie de zgomote, reducerea zgomotelor a fost făcută prin
calculul funcţiei de autocorelaţie. Semnalului mediat prin corelaţie i s-a aplicat metoda
seriilor Prony.
4. Reducerea zgomotelor prin funcţia de autocorelaţie, după aceasta s-a aplicat analiza
Fourier ı̂nsoţită de o estimare bazată pe metoda ARMA.
Rezultate şi discuţii. Pentru a da o notă comparativă celor 4 metode de calcul a fost luată
ı̂n considerare doar amplitudinea nu şi faza şi atenuarea. Amplitudinea este semnificativă din
punct de vedere statistic deoarece indică importanţa unei componente spectrale. Dacă numărul
componentelor spectrale este ridicat atunci se poate identifica o structură mai puţin omogenă şi
mai puţin rigidă. Se mai poate observa că pe acelaşi stâlp dentar la acelaşi semnal de excitaţie
se ı̂nregistreză componente spectrale semnificativ mai numeroase decât ı̂n cazul aplicării unei
proteze parţiale fixe.
Introducerea proprietăţilor mecanice ale sistemului peridontal pentru caracterizarea
stării de sănătate sau de afectare a dinţilor de boala paradontală ı̂n locul scorului dat de sisteme
gen Periotest furnizează informaţii cu sens fizic care reflectă gradul de cuplare a dintelui cu osul
alveolar.
Evaluând situaţia clinică ı̂n acest studiu, se poate afirma că investigarea suportului
parodontal al dinţilor stâlpi ai unei proteze parţiale fixe metalo-ceramice de trei elemente se
recomandă a fi efectuată cu un sistem complex ı̂n care excitarea mecanică să fie realizată cu
un sistem dedicat (gen Periotest) iar răspunsul venit de la nivel parodontal să fie preluat cu un
sistem de achiziţie Doppler ultrasonor. Prelucrarea datelor obţinute se indică a fi efectuată cu
metoda Prony sau Corelaţie plus Prony.
Concluzii. Din datele numerice obţinute din efectuarea măsurătorilor clinice se poate observa o tendinţă a scăderii constantelor elastice corespunzătoare tesutului periodontal direct
proporţional cu scăderea suportului acestuia. Se observă astfel o diminuare a amortizării
dentare la nivelul osului alveolar (cu tendinţa spre rigidizare) şi de asemenea o diminuare a
constantelor de amortizare.
9
Capitolul 6 ”Concluzii generale”
1. Cu referire la tehnica holografică
• Valorile obţinute prin măsurătorile analogice au fost de cele mai multe ori mai mari
decât cele ı̂nregisrate ı̂n urma utilizării softului menţionat. Măsurătorile fizice efectuate au ţinut cont de aprecierea vizuală a zonelor de retracţie, implicând eroarea
umană.
• Ţinând cont de erorile măsurătorilor fizice, analogice, măsurătorile ı̂nregistrate cu
ajutorul tehnicilor holografice sunt mult mai sensibile şi mai apropiate de retracţia
reală a parodonţiului.
2. Cu referire la simularea numerică
• Se observă că tensiunile ı̂n structura parodontală cresc pe măsură ce zonele de
retracţie cresc, cu afectarea zonelor parodontale raportate la un volum din ce ı̂n
ce mai mic al osului de suport. Ca atare se explică şi aici tendinţa de accelerare a
retracţiei parodontale sub influenţa aceloraşi forte ocluzale.
3. Cu referire la utilizarea vibrometrului laser
• Zonele frontale se pretează la o evaluare facilă utilizând această metodă ı̂n timp ce
zonele laterale (ı̂ncepând da la premolarul doi spre molarii trei) ar permite obţinerea
de valori cu erori, respectiv semnale complementare care ar ı̂ngreuna major o determinare corectă, acurată a suportului parodontal.
• Din datele numerice obţinute din efectuarea măsurătorilor clinice se poate observa o
tendinţă a scăderii constantelor elastice corespunzătoare tesutului periodontal direct
proporţional cu scăderea suportului acestuia. Se observă astfel o diminuare a amortizării dentare la nivelul osului alveolar (cu tendinţa spre rigidizare) şi de asemenea
o diminuare a constantelor de amortizare.
• Avantajul metodei descrise este dat de faptul că pentru o PPF de trei elemente se
pot efectua determinări cantitative ale caracteristicilor elastice ale tesutului periodontal (şi implicit a gradului de susţinere a acestuia), determinare independentă
de existenţa protezei fixe. Compararea evoluţiei ı̂n timp a constantelor elastice şi a
constantelor de amortizare, descriu gradul de diminuare a suportului parodontal şi
totodata viteza de evoluţie a acestuia, marcând existenţa unui fenomen acut sau a
unuia cronic.
Capitolul 7 ”Originalitate şi contribuţii novative ale tezei”
Contribuţia novativă pe care a adus-o această lucrare constă ı̂n abordarea examinării la pacienţii
cu retracţii parodonatle, diagnosticul acestor afecţiuni putând fi decelate ı̂n diferite stadii ale
afecţiunii.
În al doile rând, abordarea interdisciplinară a unei teme de studiu de graniţă, deopotrivă
din punct de vedere al medicinii dentare, bio medicinii, analizei computerizate, reprezintă un
pas important ı̂n cercetarea dezvoltărilor de noi metode de innvestigaţie şi diagnostic ı̂n medicina dentară, folosind resurse multidisciplinare. În al treilea rând, abordarea diagnosticului
pacienţilor luaţi ı̂n studiu ne-a oferit posibiliatatea unor examinări complexe, aşa ı̂ncât, ı̂n final
am putut avea o imagine completă asupra pacienţilor, evluând aspectele clinice şi de asemenea, aspectele imagistice. Identificarea imagistică a modificarilor de la nivelul parodonţiului
marginal prin aplicarea de lucrări protetice fixe , stocarea acestror informaţii şi posibilitatea de
a urmări ı̂n timp evoluţia acestor afecţiuni, aduce un plus de valoare cercetării.
În final considerăm faptul că reprezintă o contribuţie semnificativă faptul că utilizarea
metodei Doppler ultrasonore de măsurare a gradului de mobilitate a dinţilor este nouă, reprezintă un instrument extrem de fiabil, care ajută la o evaluare clinică precisă, oferind ı̂n acelaşi
10
timp rezultate cantitative de acurateţe. Compararea evoluţiei ı̂n timp a constantelor elastice şi
a constantelor de amortizare, descriu gradul de diminuare a suportului parodontal şi totodată
viteza de evoluţie a acestuia, marcând existenţa unui fenomen acut sau a unuia cronic. Toate
aceste caracteristici permit o evaluare sensibilă şi acurată.
Bibliografie selectivă
[1] Berkovitz B, Moxham B, Newman H. The Periodontal Ligament in Health and Disease. 2nd ed.
Mosby-Wolfe, London; 1995.
[2] Chiba M, Komatsu K. Measurement of the Tensile Strength of the Periodontium in the Rat
Mandibular First Molar. Archives of Oral Biology. 1980;25:569–572.
[3] Komatsu K, Chiba M. Analysis of Stress-strain Curves and Histological Observations on the
Periodontal Ligament of Impeded and Unimpeded Rat Incisors at Low Velocities of Loading.
Japanese Journal of Oral Biology. 1996;38(2):192–202.
[4] Pioletti DP, Rakotomanana LR. Non-linear Viscoelastic Laws for Soft Biological Tissues. Eur J
Mech A/Solids. 2000;19:749–759.
[5] Pini M. Mechanical Characterization and Modeling of the Periodontal Ligament [dissertation].
School in Material and Structural Engineering. Trento (Universita degli Studi di Trento); 1999.
[6] Provatidis CG. A Comparative FEM-study of Tooth Mobility Using Isotropic and Anistropic
Models of the Periodontal Ligament. Medical Engineering & Physics. 2000;22:359–370.
[7] Castellini P, Scalise L, Tomasini EP. Laser Vibrometry in Teeth Mobility Measurement. In:
Annual Conference and Exhibition of the Academy of Laser Dentistry. Orlando; 1998. p. 11–12.
[8] Burstone CJ, Pryputniewicz RJ, Bowley WW. Holographic Measurement of Tooth Mobility in
Three Dimensions. Journal of Periodontal Research. 1987;13:283–294.
[9] Raspanti M, Cesari C, De Pasquale V, Ottani V, Strocchi R, Zucchelli G, et al. A histological and
electron-microscopic study of the architecture and ultrastructure of human periodontal tissues.
Archives of Oral Biology. 2000;45:185–192.
[10] Richter EJ. In vivo vertical forces on implants. The International Journal of Oral and Maxillofacial
Implants. 1995;10:99–108.
[11] Castellini P, Scalise P. Teeth mobility measurement by Laser Doppler Vibrometer. Review of
Scientific Instruments. 1999;70:2850–2855.
[12] Durkee MC, Rekow FD, Thompson VP. PDL stress patterns in a 3D non-linear finite element
model. Journal of Dental Research. 1998;77:277–1370.
[13] Holzapfel GA, Ogden RW. Mechanics of Biological Tissue. 2nd ed. Berlin: Springer; 2006.
[14] Mandel U, Dalgaard P, Viidik A. A Biomechanical Study of the Human Periodontal Ligament.
Journal of Biomechanics. 1986;19:637–645.
[15] Chiba M, Yamane A, Ohshima S, Komatsu K. In vitro Measurement of Regional Differences in
the Mechanical Properties of the Periodontal Ligament in the Rat Mandibular Incisor. Archives
of Oral Biology. 1990;35:153–161.
[16] Atkinson HF, Ralph WJ. In Vitro Strength of the Human Periodontal Ligament. Journal of
Dental Research. 1977;56:48–52.
[17] Berkovitz B, Weaver M, Shore R, Moxham B. Fibril Diameters in the Extracellular Matrix of
the Periodontal Ligament. Connective Tissue Research. 981;8:127–132.
11
[18] Durkee MC. The Non-Linear Stress-Strain Behavior of the Periodontal Ligament and its Effect on
Finite Elent Models of Dental Structures [dissertation]. Department of Orthodontics, University
of Medicine of New Jersey; 1996.
[19] Komatsu K, Viidik A. Changes in the fibre arrangement of the rat incisor periodontal ligament
in relation to various loading levels in vitro. Archives of Oral Biology. 1996;41.
[20] Jones S, Boyde A. A Study of Human Root Cementum Surfaces as Prepared for and Examined
in the Scanning Electron Microscope. Journal Z Zellforsch Mikrosk Anat. 1972;130:318–337.
[21] Pioletti DP, Rakotomanana LR. On the independence of time and strain effects in the stress
relaxation of ligaments and tendons. Journal of Biomechanics. 2000;33:1729–1732.
[22] Picton DCA, Wills DJ. Viscoelastic properties of the periodontal ligament and mucous membrane.
Journal of Prosthetic Dentistry. 1978;40:263–272.
[23] Pietrzak G, Curnier A, Botsis J, Scherrer S, Wiskott HWA, Belser UC. A nonlinear elastic
model of the periodontal ligament and its numerical calibration for the study of tooth mobility.
Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2002;5:91–100.
[24] Ralph WJ. The In Vitro Rupture of Human Periodontal Ligament. Journal of Biomechanics.
1980;13:369–373.
[25] Toms SR, Dakin GJ, Lemons JE, Eberhardt AW. Quasi-linear viscoelastic behavior of the human
periodontal ligament. Journal of Biomechanics. 2002;35:1411–1415.
12
”IULIU HATIEGANU” UNIVERSITY OF MEDICINE AND PHARMACY
FACULTY OF DENTISTRY
Abstract of doctoral dissertation
Periodontal tissues changes when applying various types of fixed
partial dentures
Tutor: Prof. Dr. Dorin Borzea
PhD candidate: Marius Manole
CLUJ-NAPOCA 2013
Table of contents
INTRODUCTION
12
CURRENT KNOWLEDGE IN THIS FIELD
14
1 Reviews of the specialty literature and background
1.1 The periodontium is a joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 The periodontal ligament and morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 The anatomy of tooth periodontal tissue bone system . . . . . . . .
1.2.2 The periodontium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 The components of periodontium responsible for mechanical functions
1.3 Experimental characterization of periodontal tissue mechanical behavior . . .
1.3.1 Techniques of periodontal tissue mechanical testing . . . . . . . . . .
1.3.2 Experimental profiles reported with periodontal tissue under loading
1.3.3 Materials properties using in models with finite elements . . . . . . .
1.4 Theoretical modeling of periodontal tissue mechanical behavior . . . . . . . .
1.4.1 The elasticity of periodontal ligament . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 The viscosity of the periodontal ligament . . . . . . . . . . . . . . .
15
15
15
17
18
20
22
22
24
26
27
27
28
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
PERSONAL CONTRIBUTION
30
2 Holographic studies of marginal periodontium
2.1 The hologram, general data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Material and method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 The evaluation of the periodontal retraction with holograms in interference
2.4.2 Periodontal retraction imaging quantification using dedicated software . .
2.5 Argument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
31
33
33
36
36
42
47
47
3 The
3.1
3.2
3.3
49
49
49
50
50
50
52
evaluation of the periodontal tissue using numerical simulation
General data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Material and method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Modeling denture supporting structure and the fixed partial dentures . .
3.3.2 Model generation in ProEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Ansys phases of numerical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Numerical simulation of a fixed partial denture behavior with the supporting
periodontium as considered normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Numerical simulation of a fixed partial denture behavior with the periodontium
having a low retraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6 Numerical simulation of a fixed partial denture behavior with the periodontium
having a retraction exposing the roots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7 Numerical simulation of a fixed partial denture behavior with the periodontium
having a retraction exposing 25% from both roots . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8 Numerical simulation of a fixed partial denture behavior with the periodontium
having a retraction exposing 50% from both roots . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9 Numerical simulation of a fixed partial denture behavior with the periodontium
having a retraction exposing only 50% of premolar roots (1.4) . . . . . . . . . .
3.10 Argument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
52
55
58
60
63
66
68
72
4 Laser Vibrometer in vitro evaluation of simulated dental mobility
4.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Material and method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Mathematical principles used for simulating the situations referred to . .
4.2.2 The system of simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Measurements achieved for edentulousness and unpolished abutments
simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Measurements achieved for simulating edentulousness prosthesis with a
metal - polymer FPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Measurements achieved for simulating a metal ceramic fixed partial denture
4.3.4 Measurements achieved for simulating the periodontal support changing
of the premolar and prosthesis nonachievement . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5 Measurements achieved for changing premolar periodontal support and
metal polymer, metal - ceramic prosthesis . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.6 v/a0 c ratio diagram of resonance depending on the frequency of excitation v for the situations considered above . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.7 Measurements achieved for simulating the periodontal support changing
of the premolar in two successive phases and metal - ceramic prosthesis
in both cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 In VIVO qualitative and quantitative
5.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Material and method . . . . . . . . .
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 1.wav signal . . . . . . . . . .
5.3.2 2.wav signal . . . . . . . . . .
5.3.3 3.wav signal . . . . . . . . . .
5.3.4 4.wav signal . . . . . . . . . .
5.3.5 5.wav signal . . . . . . . . . .
5.4 Argument . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . .
evaluation
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
of dental
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
mobility
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
73
73
73
73
75
80
81
81
82
82
83
84
85
90
91
91
91
94
94
96
98
100
102
104
105
6 General conclusions
107
7 Originality and innovative contributions of the dissertation
109
REFERENCES
110
3
Key words: Periodontal tissue; Fixed partial denture; Dental mobility; Holography; Periodontal support; Edentulous area prosthesis.
This dissertation is structured in two sections: the current knowledge in this field and
personal contributions.
The current knowledge in this field encompasses general aspects concerning the morphology, anatomy, the structure and characteristics of the periodontal tissue as well as general
information concerning experimental characterization and theoretical modeling of periodontal
tissue mechanical behavior.
The second section, namely the personal contribution includes researches focused on the
following objectives:
• Holographic study of the marginal periodontium,
• Periodontal tissue evaluation using the numerical simulation,
• In vitro and in vivo evaluation of simulated dental mobility using Laser Vibrometer.
The dissertation has 7 chapters, the introduction and bibliographical references (102
quotes).
Chapter 1 ”Reviews of the specialty literature and background”
Chapter 2 ”Holographic studies of marginal periodontium”
Objectives.This work intended the quantitative and qualitative evaluation of marginal periodontium retraction using holographic technique subsequently validated by measurements achieved
through dedicated software.
Material and method. The chapter considered a number of 62 patients with fixed partial dentures to whom impressions were made at the time of attending the dental practice and after 6
months. A model had been cast for each patient and registered by holography with the gingival
mask corresponding to the moment when attending the practice and at 6 months examination.
In the first stage were considered patients whose periodontal statuses were registered by impres-
(a)
(b)
Figure 1: (a) The set-up considered for holograms registration at this stage, (b) Front structure
of the holographic arrangement used in this work.
sion at an initial time and after 12 months after the first registration. Holograms of periodontal
status models corresponding to the 12 months evaluation stage were achieved and mixed with
the analogical physical model corresponding to the first evaluation. Periodontal retractions
underlining was achieved by running parallel lines corresponding to the two mentioned stages.
Results and argument. Holographic registrations were achieved in the first part of this study for
the models corresponding to the secondary periodontal situation (12 months after the initial
4
situation) and compared in parallel with the primary periodontal situation. The evolution of
the periodontal retractions was exemplified by parallel lines corresponding to the superior edge
of periodontium for each situation. The evaluation is made as such at the vestibular level of the
models, leaving valuable information about periodontium tridimensional retraction unexplored.
Conclusions. The measurements achieved with the help of dedicated software (Sigma Scan Pro)
were validated by the measurements achieved directly on the model with an electronic caliper.
The values obtained by analogical measurements were most of the times higher than those registered with the aforementioned software. The physical measurements took into account visual
evaluation of the retractions areas implying human error.
Chapter 3 ”The evaluation of the periodontal tissue using numerical simulation”
Objectives. The objectives of this work were identifying the stresses at the periodontal ligament
level under mastication forces over a fixed partial denture made of three elements, considering
different variants for the dental - periodontal support.
Material and method. Modeling structures in this work was achieved with 3D Microscribe G2
scanning system (in our situation an artificial FRASACO arch type). This digitization system
(a)
(b)
(c)
(d)
Figure 2: (a) The aspect of fixed partial dental at curves level, (b) the roots considered at
closed surfaces level, (c) fixed partial denture as solid and (d) the integral structure considered
as solid.
has an accuracy of 0.38 mm and an RS 232 / USB 1.1 interface. Points from the surface are
captured with the digitizer.
The system used is compatible with more 3D modeling software as 3dsx max, Light
Wave 3D, Autodesk VIZ, Maya, form Z. After generating the 3D model it may be processed by
5
software as SolidWorks, ProEngineer, AutoCAD, Delcam PowerShape, Mastercam, CADKEY,
Rhino 3D, solidThinking.
After measurements achieving with dedicated disposition, the files are saved with the
extension *.igs (document recognized by all CAD systems of tridimensional modeling). Then
these files are imported in tridimensional reconstruction programs CAD tridimensional modeling like ProEngineer. If the surface is continuous in Wireframe representation mode appears
a single color. All the discontinuities of the surface are marked by yellow color.
In order to make a tridimensional modeling is mandatorily to have a continuous surface.
Importing *.igs file in ProEngineer maintains the three plans which define the coordinates
system as well as the ones the measurement was achieved. The correction of the surface is done
in ProEngineer through specific methods of this program (automatic correction) or by adding
new surfaces according to the geometry of the measured surface.
Further on the plane surface is to be created which fundaments the model and which shall
define the measured volume. Then the intersection surface is delimited between the measured
surface of the fixed partial denture and the plane surface. This is obtained with merge command
which removes the auxiliary surfaces and generates a continuous closed tridimensional surface
(the word established is quilt). As such a tridimensional solid body is obtained to which specific
material characteristics may be allotted and numerical simulations of the stresses occurred at
impact may be achieved.
Results and argument. ReThe results obtained following the testing process of fixed partial
denture behavior in different periodontal exposure cases were centralized and are illustrated in
table 1.
Table 1: Results obtained after the numerical simulation.
Minimum
stress
FPD on low
retraction
tooth
FPD on tooth
exposing the
root
rădăcina
FPD on tooth
with retraction
exposing
25% from
both roots
FPD on tooth
with retraction
exposing
50% from
both roots
FPD on tooth
with retraction
exposing
50% of
premolar root
Maximum
stress
Minimum
stress in
periodontium
level
value
(MPa)
Maximum
stress in
periodontium
level
value
(MPa)
level
value
(MPa)
level
value
(MPa)
alveolar
bone
8.07
E-03
FPD
43.209
premolar
0
molar
54.710
alveolar
bone
7.64
E-03
FPD
46.025
premolar
0
molar
15.834
alveolar
bone
9.78
E-03
FPD
42.103
premolar
0
molar
16.987
alveolar
bone
8.23
E-03
FPD
44.490
premolar
0
alveolar
bone
18.499
alveolar
bone
5.73
E-03
FPD
48.952
premolar
0
molar
41.599
Measurements at the level of the entire studied structure were taken (FPD, abutments,
periodontal tissue, alveolar bone) and measurements only at the level of the periodontium.
Following the results obtained we may conclude that in the first situation the minimum
stress is at the level of the alveolar bone and the maximum stress at the level of the fixed partial
6
denture. The level of minimum stress in the second situation is registered at the level of the
premolar and the maximum stress is registered at the level of the molar, excepting the situation
when applying a fixed partial denture on the tooth with retraction exposing 50% from both
roots where the maximum stress occurs at the level of the alveolar bone.
Conclusions. The results obtained within this study allow the following observation: with the
same stress applied on the considered structure (fixed partial denture, molar 1.6, premolar 1.4,
periodontium and alveolar bone), the maximum stress is found at first with the fixed partial
denture. As the periodontal support is lowered, the maximum stress is taken over also by the
roots corresponding to the retraction areas. As such, in those areas, the periodontium retraction tendency is accelerated.
Chapter 4 ”Laser Vibrometer in vitro evaluation of simulated dental mobility”
Objectives. Measurements efficiency was pursued in quantitative evaluation of voluntary damaged dental mobility employing a non-contact measurement system (Laser Vibrometer). The
measurements were achieved at a Frasaco model level, in multiple variants in order to simulate
different situations:
• unprepared remnant teeth in a partial edentulous area,
• teeth prepared for prosthesis,
• prepared teeth on which a fixed partial prosthesis was applied.
The dynamic behavior of the dental model with metal polymer and metal ceramic dental
fixed partial denture was studied, with free and silicon fixed abutments providing different
damping and elastic constants. If within the first part of the experimental results, minimum
and maximum amplitude of the oscillation determination was followed, in the second part the
maximum oscillation frequencies were investigated, namely the resonance.
Material and method. The first researches focused on unpolished abutment teeth mobility
evaluation situated in FRASACO models alveoli. After measurements the abutment teeth
were polished and the measurements were taken again. A fixed partial denture made of three
Figure 3: The set-up considered for the in vitro experiment.
elements of metal polymer and a metal ceramic one was considered for the clinical situation.
Silicon material was then inserted (Oranwash, Zhermack) only in premolars alveolus (approx.
of the alveolus), increasing its fixing. As such was obtained a simulation of a more rigid
periodontal support. The measurements were repeated for edentulous area situation, the metal
polymer and metal ceramic fixed partial prosthesis respectively.
The same type of silicone material was inserted into the alveolus of the molar and the
measurements for the aforementioned situations were repeated. Material investigation was
realized according to a scheme presented in (fig.3).
7
Results and argument. In order to obtain accurate results a series of precautions should be
taken into consideration concerning measurements taking.
First of all attention should be paid to attach as rigidly possible the model to the mobile
table of the vibrator. Avoid using deformable mobile parts because they may vibrate and generate false resonances in the system. Beside these the vibrator may generate sinusoidal vibrations
within amplitude ranges above which vibrations become deformed and the measurements are
compromised.
Another condition is to place the laser beam perpendicularly on the measured surface in
the point of contact of the measured tooth, the inclination lowering the measuring sensitivity of
the vibrometer. Increasing the amplitude of dental structures vibrations, deformed sinusoidal
vibrations may occur due to fixing / implantation motions, as found by experiment. These
may be seen from the form of the signals captured with the Laser Vibrometer.
The method presented in this chapter proved useful in actual quality evaluation of
the periodontal support by determining the damping coefficient c and the elastic constant k
corresponding to this tissue. The advantage of the method is the fact that determinations
may be made in particular for each abutment tooth of the dentures, generating an image of
periodontal support quality of each abutment tooth respectively.
The evaluation may be performed in time by repeating the investigations and aforementioned characteristics writing down. Their decreasing is obviously associated with the
periodontal support quality decrease, betraying its suffering / breakdown.
Conclusions. The frontal areas may be easily evaluated employing this method while the
side areas (starting with premolar 2 towards molars 3) would allow obtaining registrations
with errors, complementary signals respectively which shall make harder a correct, accurate
determination of the periodontal support.
As such this method is suggested only for clinical evaluations in the frontal area (canine canine) mentioning that if we have a denture with 5 or 6 elements the cephalic extremity immobilization is recommended. If the prosthesis has more than three abutments, this method gives
real but complex information for the global periodontal support of the investigated structure.
As such, the individual characterization for each abutment tooth is more difficult to obtain,
needing separations of the signals obtained.
Chapter 5 ”In VIVO qualitative and quantitative evaluation of dental mobility”
Objectives. This chapter proposed a new method to evaluate in vivo the dental mobility using
one of the most known phenomenon which may be found, both in electromagnetic waves (light
including) and elastic waves (sound including), namely Doppler effect. With the frequency
analysis the level of structure rigidity was followed as well as its homogeneity. If the structure
is heterogeneous and little rigid a high number of spectral components are registered.
Material and method. This study started from the hypothesis than a tooth fixed in alveolus
and periodontal tissue equals to an oscillatory system with more degrees of freedom. We
intended in this study to investigate the vibrations of this system because by identifying system
parameters obtain a series of parameters reflecting tooth connection with the alveolar area, the
periodontium more precisely.
The main objective was conceiving a new system allowing us evaluate more than the
relative score indicated by the periotest, taking into account that it is limited in case of abutments evaluation beneath the fixed partial dentures. Due to the anatomic specific position,
obtaining signals reflecting the periodontal tissue biomechanical properties and their possible
changes in time its a laborious procedure, little approached in the specialty literature.
We conceived for the simultaneous evaluation of dental mobility and physical properties
of the periodontal tissue a complex assembly made of a mechanical system for excitation application at the level of abutment coronal part / of abutment tooth crown level to be investigated
and a system of mechanical response gathering of dental alveolar complex, system positioned
in the lower quarter of the root of the tooth in question. In order to generate free responses
for a tooth, impulses were applied, measuring the free response to these impulses. As excita8
tion system, the Periotest device was involved, which generates a series of repetitive, separate
impulses.
Tooth response to these impulses was measured with an ultrasonic Doppler speed sensor
applied on the gingival tissue on the root apical quarter side. This sensor gives a proportional
answer with instantaneous speed of the point in the tooth where the ultrasonic flow falls.
As ultrasonic transducer was selected one of 8Mhz dedicated to microcirculatory explorations. The analogous signal provided by Doppler was digitally transformed using a digital
multichannel oscilloscope and the corresponding software. The response has the form of some
fast damped oscillations.
Unique sequences of damped responses were extracted for processing and the following
methods of interpretation used:
1. The spectral analysis (Fast Fourier Transform) accompanied by an ARMA based method,
as previously presented.
2. Pronys series method.
3. As the signal has a series of sounds, sounds lowering was achieved by autocorrelation
function computation. The signal mediated through correlation Pronys series method
was applied to.
4. Sounds lowering through autocorrelation function, then Fourier analysis application accompanied by an ARMA based method of evaluation.
Results and argument. PIn order to compare the 4 methods of calculation only amplitude was
considered, not the phase and attenuation. The amplitude is significant statistically because
indicates the importance of a spectral component. If the number of spectral components is
high then a less homogeneous and less rigid structure may be identified. You may also observe
that on the same abutment with the same excitation signal the spectral components registered
are significantly more numerous comparing to the application of a fixed partial denture.
Introducing the mechanical properties of the periodontal system in order to characterize
the health or illness condition of the teeth by the periodontal disease, instead of the score generate by Periotest type of system, provides data with physical meaning, stating the connection
level of the tooth with the alveolar bone.
Evaluating the clinical situation in this study you may state that investigating the periodontal support of the abutments of a fixed, metal ceramic partial denture with three elements
is recommended to be performed with a complex system where the mechanical excitation should
be achieved with a dedicated system (like Periotest) and the response generated at the periodontal level to be taken over with an ultrasonic Doppler acquisition system. The processing
of the data obtained is recommended with Prony or Correlation plus Prony method.
Conclusions. According to the numerical data obtained from the clinical measurements taken,
you may observe a tendency of the periodontal tissue elastic constants lowering directly proportional with its support. As such, dental damping lowering is observed at the level of the
alveolar bone (prone to stiffness) and also damping coefficients lowering.
Chapter 6 ”General conclusions”
1. Refers the holographic technique
• The values obtained through analogical measurements were most of the times higher
than those registered with the mentioned software. The physical measurements took
visually into consideration the retraction areas involving the human error.
• Taking into account the errors of the physical, analogical measurements, the measurements registered with the holographic techniques are more sensitive and closer
to the actual retraction of the periodontium.
9
2. Refers to the numerical simulation
• You may observe that the stresses in the periodontal structure increase along with the
increase of the retraction areas, having effects upon the periodontal areas reported
to an increasing low volume of the supporting bone. As such here too is explained
the acceleration tendency of the periodontal retraction under the influence of the
same occlusal forces.
3. Refers to the use of the Laser Vibrometer
• The frontal areas may be easily evaluated employing this method while the side
areas (starting with premolar 2 towards molars 3) would allow obtaining registrations
with errors, complementary signals respectively which shall make harder a correct,
accurate determination of the periodontal support.
• According to the numerical data obtained from the clinical measurements taken, you
may observe a tendency of the periodontal tissue elastic constants lowering directly
proportional with its support. As such, dental damping lowering is observed at the
level of the alveolar bone (prone to stiffness) and also damping coefficients lowering.
• The advantage of the method described is offered by the fact that for a three elements FPD you may realize quantitative determinations of periodontal tissue elastic
characteristics (and implicitly its support degree), determination independent of the
fixed denture existence. Comparing the evolution in time of the elastic constants and
the damping coefficients, describe the level of periodontal support lowering and also
the speed of its evolution, marking the existence of an acute or chronic phenomenon.
Chapter 7 ”Originality and innovative contributions of the dissertation”
The innovative contribution brought by this work resides with approaching examinations in
patients with periodontal retractions, being possible to find this diagnostic in different phases
of the breakdown.
Secondly, the interdisciplinary approaching of a border study theme, equally from dentistry, biomedicine, and computerized analysis point of view represents an important step in
researching the development of new methods of investigation and diagnostic in dentistry employing multidisciplinary resources. Thirdly, approaching patients diagnostic as considered for
the study offered us the possibility of some complex examinations and so finally was possible to
have a comprehensive image over the patients by evaluating the clinical and also the imaging
aspects. Imaging identification of the changes at marginal periodontium level by applying fixed
dentures, storing this information and the possibility to follow in time the evolution of these
diseases brings additional value to the research.
We finally consider that it represents a significant contribution the fact that using ultrasonic Doppler method for measuring teeth mobility is new, represents an extremely reliable
instrument which helps a precise clinical evaluation, offering at the same time accurate quantitative results. The comparison in time of the elastic constants and damping coefficients evolution,
describe the periodontal support diminishing level and at the same time its speed to evolve,
marking the existence of an acute or chronic phenomenon. All these characteristics allow a
sensitive and accurate evaluation.
Bibliography selection
[1] Berkovitz B, Moxham B, Newman H. The Periodontal Ligament in Health and Disease. 2nd ed.
Mosby-Wolfe, London; 1995.
[2] Chiba M, Komatsu K. Measurement of the Tensile Strength of the Periodontium in the Rat
Mandibular First Molar. Archives of Oral Biology. 1980;25:569–572.
10
[3] Komatsu K, Chiba M. Analysis of Stress-strain Curves and Histological Observations on the
Periodontal Ligament of Impeded and Unimpeded Rat Incisors at Low Velocities of Loading.
Japanese Journal of Oral Biology. 1996;38(2):192–202.
[4] Pioletti DP, Rakotomanana LR. Non-linear Viscoelastic Laws for Soft Biological Tissues. Eur J
Mech A/Solids. 2000;19:749–759.
[5] Pini M. Mechanical Characterization and Modeling of the Periodontal Ligament [dissertation].
School in Material and Structural Engineering. Trento (Universita degli Studi di Trento); 1999.
[6] Provatidis CG. A Comparative FEM-study of Tooth Mobility Using Isotropic and Anistropic
Models of the Periodontal Ligament. Medical Engineering & Physics. 2000;22:359–370.
[7] Castellini P, Scalise L, Tomasini EP. Laser Vibrometry in Teeth Mobility Measurement. In:
Annual Conference and Exhibition of the Academy of Laser Dentistry. Orlando; 1998. p. 11–12.
[8] Burstone CJ, Pryputniewicz RJ, Bowley WW. Holographic Measurement of Tooth Mobility in
Three Dimensions. Journal of Periodontal Research. 1987;13:283–294.
[9] Raspanti M, Cesari C, De Pasquale V, Ottani V, Strocchi R, Zucchelli G, et al. A histological and
electron-microscopic study of the architecture and ultrastructure of human periodontal tissues.
Archives of Oral Biology. 2000;45:185–192.
[10] Richter EJ. In vivo vertical forces on implants. The International Journal of Oral and Maxillofacial
Implants. 1995;10:99–108.
[11] Castellini P, Scalise P. Teeth mobility measurement by Laser Doppler Vibrometer. Review of
Scientific Instruments. 1999;70:2850–2855.
[12] Durkee MC, Rekow FD, Thompson VP. PDL stress patterns in a 3D non-linear finite element
model. Journal of Dental Research. 1998;77:277–1370.
[13] Holzapfel GA, Ogden RW. Mechanics of Biological Tissue. 2nd ed. Berlin: Springer; 2006.
[14] Mandel U, Dalgaard P, Viidik A. A Biomechanical Study of the Human Periodontal Ligament.
Journal of Biomechanics. 1986;19:637–645.
[15] Chiba M, Yamane A, Ohshima S, Komatsu K. In vitro Measurement of Regional Differences in
the Mechanical Properties of the Periodontal Ligament in the Rat Mandibular Incisor. Archives
of Oral Biology. 1990;35:153–161.
[16] Atkinson HF, Ralph WJ. In Vitro Strength of the Human Periodontal Ligament. Journal of
Dental Research. 1977;56:48–52.
[17] Berkovitz B, Weaver M, Shore R, Moxham B. Fibril Diameters in the Extracellular Matrix of
the Periodontal Ligament. Connective Tissue Research. 981;8:127–132.
[18] Durkee MC. The Non-Linear Stress-Strain Behavior of the Periodontal Ligament and its Effect on
Finite Elent Models of Dental Structures [dissertation]. Department of Orthodontics, University
of Medicine of New Jersey; 1996.
[19] Komatsu K, Viidik A. Changes in the fibre arrangement of the rat incisor periodontal ligament
in relation to various loading levels in vitro. Archives of Oral Biology. 1996;41.
[20] Jones S, Boyde A. A Study of Human Root Cementum Surfaces as Prepared for and Examined
in the Scanning Electron Microscope. Journal Z Zellforsch Mikrosk Anat. 1972;130:318–337.
[21] Pioletti DP, Rakotomanana LR. On the independence of time and strain effects in the stress
relaxation of ligaments and tendons. Journal of Biomechanics. 2000;33:1729–1732.
[22] Picton DCA, Wills DJ. Viscoelastic properties of the periodontal ligament and mucous membrane.
Journal of Prosthetic Dentistry. 1978;40:263–272.
11
[23] Pietrzak G, Curnier A, Botsis J, Scherrer S, Wiskott HWA, Belser UC. A nonlinear elastic
model of the periodontal ligament and its numerical calibration for the study of tooth mobility.
Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2002;5:91–100.
[24] Ralph WJ. The In Vitro Rupture of Human Periodontal Ligament. Journal of Biomechanics.
1980;13:369–373.
[25] Toms SR, Dakin GJ, Lemons JE, Eberhardt AW. Quasi-linear viscoelastic behavior of the human
periodontal ligament. Journal of Biomechanics. 2002;35:1411–1415.
12