Modelling and strength analysis of a mandible miniplate

• Autorzy: Bańczerowski J. , Wądołowski P. , Krzesiński G. , Gutowski P.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i analiza wytrzymałościowa stabilizatora płytkowego żuchwy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper the strength analysis results of a mandible miniplate by means of the finite element method were presented. The main goal of the calculations was to find out the dependency between a technique of the miniplate fixation and the maximum allow-able stresses in a mandible bone tissue and in the miniplate itself. The analyses of three cases were conducted: the first one was focused on a simplified model, where the dependency between the inter-bone gap size and the maximum allowable stresses in the miniplate were examined; in the second case, the most fragile parts of a healthy mandible were determined on its realistic model; and in the third one the calculations of stresses and displacements for the miniplate fixed into a broken mandible were conducted. The last part of this paper describes an improvement process of a realistic model - the technique of modelling was changed and also a number of corrections in mandible bone tissue material properties were introduced.

PL

W artykule przedstawiono wyniki analizy wytrzymałościowej metodą elementów skończonych stabilizatora płytkowego żuchwy. Głównym celem obliczeń było wykazanie zależności między sposobem zamocowania stabilizatora a maksymalnym dopuszczalnym naprężeniem w żuchwie oraz samej płytce. Przeprowadzono analizy trzech przypadków: pierwszy dotyczył modelu uproszczonego, gdzie badano zależność między wielkością szczeliny międzykostnej a maksymalnym naprężeniem w stabilizatorze płytkowym; w drugim przypadku określono na realistycznym modelu zdrowej żuchwy jej najbardziej wrażliwe fragmenty, a w trzecim przeprowadzono obliczenia naprężeń oraz przemieszczeń dla stabilizatora umocowanego do żuchwy złamanej. Ostatnia część pracy opisuje proces ulepszenia modelu realistycznego -zmieniono sposób modelowania, a także wprowadzono szereg poprawek we właściwościach materiałowych żuchwy.

Słowa kluczowe

EN

strength analysis; finite element method; FEM; mandible miniplate; biomechanics; bone tissue strength properties

PL

analiza wytrzymałościowa; metoda elementów skończonych; MES; stabilizator płytkowy; biomechanika; właściwości wytrzymałościowe tkanki kostnej

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2016
• Tom: nr 1
• Strony: 30--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Bańczerowski J.

• Institute of Precision Mechanics, Warszawa

autor

Wądołowski P.

• The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Krzesiński G.

• The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology

autor

Gutowski P.

• Department of Cranio-Maxillo-Facial Surgery, Oral Surgery and Implantology, Medical University of Warsaw

Bibliografia

• [1] Będziński R. et al.: Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna, t. 5. „Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000", red. M. Nałęcz, 2004, ISBN 83-87674-67-2.
• [2] Zagrajek T., Dacko A., Krzesiński G., Marek P.: Symulacja komputerowa procesu napawania tarczy turbiny. „Inżynieria Powierzchni" 2015, nr 4, s. 38-50.
• [3] Pileicikiene G. et al.: Finite element analyses of stresses in the maxillary and mandibular dental arches and TMJ articular discs during clenching into maximum intercuspation, anterior and unilateral posterior occlusion. „Stomatologija, Baltic Dental and Maxillofacial Journal" 2007, no. 9, p. 121-128.
• [4] Aguilina P. et al.: Finite Element Analyses of three patterns of Internal Fixation of fractures of the mandibular condyle. „British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery" 2013, no. 51, p. 326-331.
• [5] Koolstra J.H.: Dynamics of the Human Masticatory System. „Critical Reviews in Oral Biology & Medicine" 2002, no. 13(4), p. 366-376.
• [6] Koolstra J.H., Eijden T.M.G.J. van: A method to predict muscle control in the kinematically and mechanically indeterminate human masticatory system. „Journal of Biomechanics" 2001, no. 34, p. 1179-1188.
• [7] Mukherjee S., Chawla A., Karthikeyan B., Soni A.: Finite element crash simulations of the human body: Passive and active muscle modelling. „Sadhana" 2007, vol. 32, no. 4, p. 409-426.
• [8] Hannink G., Arts Ch.: Bioresorbability, porosity and mechanical strength of bone substitutes: What is optimal for bone regeneration? „Injury" 2011, vol. 42, p. 22-25.
• [9] Akihiro Suzuki et al.: Changes in stress distribution of orthodontic miniscrews and surrounding bone evaluated by 3-dimensional finite element analysis. „American Journal of Orthodontics and Dentofacial Ortopedics" 2011, vol. 140, no. 6, p. 273-280.
• [10] You-Min Huang et al.: Finite Element Analysis of Dental Implant Neck Effects on Primary Stability and Osseointegration in a Type IV Bone Mandible. „Bio-Medical Materials and Engineering" 2014, no. 24, p.1407-1415.
• [11] Currey J.D.: Bones: Structures and Mechanics, Princeton University Press 2002.
• [12] Schwartz-Dabney C.L., Dechow P.C.: Edentulation Alters Material Properties of Cortical Bone in the Human Mandible. „J. Dent. Res." 2002, no. 81(9), p. 613-617.
• [13] Bańczerowski J.: Analiza wytrzymałościowa stabilizatora płytkowego w leczeniu złamań żuchwy. Praca magisterska, Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Zakład Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji. Warszawa 2015.
• [14] Krzesiński G., Bańczerowski J., Gutowski P., Wądo-łowski P.: FE analysis of miniplate ostheosynthesis technique. XIX Konferencja Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej, Warszawa 14-16.10.2015.
• [15] Arbag H., Korkmaz H.H., Ozturk K., Uyar Y.: Comparative Evaluation of Different Miniplates for Internal Fixation of Mandible Fractures Using Finite Element Analysis. „Journal of Oral and Maxillofacial Surgery" 2008, no. 66, p. 1225-1232.
• [16] Specyfikacja materiałowa stopu Ti6AI4V. http://asm.matweb.com [dostęp: 12.01.2016 r.]
• [17] Dechow P.C., Nail G.A., Schwartz-Dabney C.L., Ashman R.B.: Elastic Properties of Humhn Supraorbital and Mandibular Bone. „American Journal of Physical Anthropology" 1993, no. 90, p. 291-306.
• [18] Schwartz-Dabney C.L., Dechow P.C.: Variations in Cortical Material Properties throughout the Human Dentate Mandible. „American Journal of Physical Anthropology" 2003, no. 120, p. 252-277.
• [19] Specyfikacja materiałowa stopu Ti6AI4V. http://www.arcam.com/ [dostęp 01.12.2016 r.]
• [20] Rues S., Lenz J., Turp C., Schweizerhof K., Schindler H.J.: Muscle and joint forces under variable equilibrium states of the mandible. „Glin. Oral lnvest" 2011, no. 15, p. 737-747.
• [21] Ishman S.L., Friedland D.R.: Temporal bone fractures: traditional classification and clinical relevance. „Laryngoscope" 2004, no. 114(10), p. 1734-1741.
• [22] Vollmer D., Meyer U., Joos U., Vegh A., Piffko J.: Experimental and finite element study of a human mandible. „Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery", 2000, no. 28, p. 91-96.
• [23] Jesus G.P. de: Finite element evaluation of three methods of stable fixation of condyle base fractures. „Int. J. Orał Maxillofac. Surg." 2014, no. 43, p. 1251-1256.
• [24] Wagner A. et al.: A 3-dimensional finite-element analysis investigating the biomechanical behavior of the mandible and plate osteosynthesis in cases of fractures of the condylar process. „Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod" 2002, no. 94, p. 678-686.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016.