Resistance and Stress Finite Element Analysis of Different Types of Fixation for Mandibular Orthognathic Surgery

Abstract The aim of this study was to evaluate the stress and dislodgement resistance by finite element analysis of different types of fixation in mandibular orthognathic surgery. A 3D solid finite element model of a hemi-mandible was obtained. A bilateral sagittal split osteotomy was simulated and the distal segment was advanced 5 mm forward. After the adjustment and superimposing of segments, 9 different types of osteosynthesis with 2.0 miniplates and screws were simulated: A, one 4-hole conventional straight miniplate; B, one 4-hole locking straight miniplate; C, one 4-hole conventional miniplate and one bicortical screw; D, one 4-hole locking miniplate and 1 bicortical screws; E, one 6-hole conventional straight miniplate; F, one 6-hole locking miniplate; G, two 4-hole conventional straight miniplates; H, two 4-hole locking straight miniplates; and I, 3 bicortical screws in an inverted-L pattern. In each model, forces simulating the masticatory muscles were applied. The values of stress in the plates and screws were checked. The dislodgement resistance was checked at the proximal segment since the distal segment was stable because of the screen at the occlusal tooth. The regions with the lowest and highest displacement were measured. The offset between the osteotomized segments was verified by millimeter intervals. Inverted-L with bicortical screws was the model that had the lowest dislodgment and the model with the lowest tension was the one with two conventional plates. The results suggest that the tension was better distributed in the locking miniplates, but the locking screws presented higher concentration of tension.

Resumo O objetivo deste estudo foi verificar o estresse e a resistência ao deslocamento, pela análise de elementos finitos, de diferentes tipos de fixação em cirurgia ortognática mandibular. Um modelo 3D de elementos finitos sólidos de uma hemi-mandíbula foi obtido. Uma osteotomia sagital bilateral foi simulada e o segmento distal foi avançado 5 mm. Após o ajuste e sobreposição dos segmentos, foram simulados 9 diferentes tipos de osteossíntese com miniplacas e parafusos 2.0: A, uma miniplaca reta convencional de 4 furos; B, uma miniplaca reta lock de 4 furos; C, uma miniplaca convencional de 4 furos e um parafuso bicortical; D, uma placa lock de 4 furos e 1 parafuso bicortical; E, uma miniplaca reta convencional de 6 furos; F, uma miniplaca lock de 6 furos; G, duas miniplacas retas convencionais de 4 furos; H, duas miniplacas lock de 4 furos; e I, três parafusos bicorticais em um padrão L invertido. Em cada modelo foram aplicadas forças simulando os músculos mastigatórios. Foram verificados os valores da tensão nas placas e parafusos. A resistência ao deslocamento foi verificada no segmento proximal, uma vez que o segmento distal era estável. Foi medida a região com o maior deslocamento inferior e superior. O deslocamento entre os segmentos osteotomizados foi verificado por intervalos milimétricos. Parafusos bicorticais em L invertido foram o modelo que teve o menor descolamento inferior, e o modelo com a tensão mais baixa foi o de duas placas convencionais. Os resultados sugerem que a tensão foi melhor distribuída nas miniplacas do tipo lock, mas os parafusos de fixação apresentaram maior concentração de tensão.

Análise por Elementos Finitos das Forças Mastigatórias em uma Placa de Reconstrução Mandibular / Assessment of masticatory forces in a mandibular reconstruction titanium plate through finite element analysis

Ressecção cirúrgica é um tratamento radical de algumas patologias que acometem a mandíbula e suas estruturas associadas. A técnica baseia-se na remoção total da lesão com uma margem de segurança em toda a sua dimensão, podendo ser ela marginal ou parcial. A escolha dá-se pela proximidade da extensão da lesão com a margem inferior da mandíbula. Em situações de ressecção mandibular parcial, remove-se parcialmente a margem inferior da mandíbula o que, posteriormente, dificulta a reobtenção da estética e funcionalidade do aparelho estomatognático, sendo a área reconstruída com uma placa de reconstrução óssea. A análise de elementos finitos (AEF) é uma forma de análise matemática, que se fundamenta na divisão de uma estrutura em um número finito de pequenas áreas, denominado de elementos finitos. A essa divisão dá se o nome de "malha". Em geral, a AEF possui a capacidade de modelar matematicamente estruturas, tornando-se possível a aplicação de forças em qualquer ponto e/ou direção. Dessa forma, conseguem-se dados sobre a deformação e o grau de tensão inicial, sendo possível, assim, representar situações in vivo, expressando condições compatíveis com o real. O trabalho visa analisar e simular as tensões geradas pelas forças mastigatórias, com o uso de elementos finitos, em simulação de uma mandíbula reconstruída com placa e parafusos de titânio, após sua ressecção parcial... (AU)

Surgical ressection is a radical treatment of some pathologies that affect the mandible and its structures. The technique is based on total removal of the lesion with a safe margin in all extension of the bone. Partial mandible resection results in a difficult to obtain the aesthetic and functionality of the stomatognathic system. In such cases, is recommended a titanium plate commonly used to mandibular reconstruction. Finite Element Analysis (FEA) is a form of math analysis which is based on division of a structure in a finite number of small areas. In general, FEA has the ability to mathematically model structures making possible applying forces in any point and/ or direction. Thereby, it can bring forth datas of displacement and tension being possible representing in vivo situation. This study aims to analyze and simulate the tensions generated by the masticatory forces, using FEA in a mandibular reconstruction with titanium plate after partial resection... (AU)