Klinische und computergestützte Studie zur Designoptimierung von Unterkieferrekonstruktionsplatten

Abstract

Ziel: Die Behandlungsverläufe bei Unterkieferkontinuitätsresektionen sollten analysiert und die Kaukräfte bei unterkieferresezierten Patienten bestimmt werden. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden entsprechende virtuelle kaufunktionelle Belastungen simuliert und eine Designoptimierungen der Rekonstruktionsplatten vorgenommen. Methoden und Ergebnisse: Der Behandlungsverläufe von 102 Patienten (w = 29, m = 73) mit Unterkieferkontinuitätsresektionen wird analysiert. Postoperative Komplikationen traten in 39 % der Fälle auf. Im Mittel entwickelten die Patienten postoperativ eine Kaukraft von 80,7 N im Molarenbereich, wobei Patienten mit einem durch Rekonstruktionsplatten überbrückten Defekt Kaukräfte bis zu 132 N erreichen konnten. Bei der FESimulation von zwei klinisch relevanten Unterkieferkontinuitätsdefekten ergaben sich unter Zugrundelegung der ermittelten Kaukräfte bei den konventionellen Plattentypen sowohl in der Platte, in der periimplantären Kompakta als auch in der Rekonstruktionsplatte selbst Spannungsspitzen (nach von Mises), die zum Versagen des Osteosynthesesystems führen können. Eine flächenhafte Rekonstruktionsplattengestaltung mit einer quadratischen Schraubenanordnung und einer Vergrößerung des Schraubendurchmessers auf 4 mm würde beim Kieferwinkeldefekt die Belastungen unter Kaufunktion um 61% bzw. 92% je nach Komponente des Rekonstruktionssystems absenken. Für den Kinndefekt konnten keine kritischen Spannungsspitzen in den konventionellen und in den modifizierten Systemen nachgewiesen werden. Hier muss von einer dauerhaften Schädigung der Rekonstruktionsplatte aufgrund der großen Vordehnung im Bereich des Kinns ausgegangen werden, die bei dynamischen Belastungen zum Versagen der Struktur führen kann. Schlussfolgerung: Es gelingt klinisch relevante Belastungssituationen des Kiefer-Gesichtsbereiches mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) virtuell zu simulieren. Die Methode stellt ein effizientes und kostengünstiges Untersuchungsverfahren dar, das den Umfang von tierexperimentellen Studien mit biomechanischen Fragestellungen deutlich reduzieren, wenn nicht sogar gänzlich ersetzen kann.

Aim: The aim of the present study was to present the option for alloplastic mandibular reconstruction and to analyse the outcome. Material and Methods: 102 patients (m= 73, f= 29, average age 55 years) received a segmental mandibular resection were analysed. Furthermore the mechanical stress in reconstruction plates and the screw-plate-bone-interface used in bridging a mandibular angle defect was evaluated by means of the finite element method (FEM). Postperative complication were in 39% of the patients. On average the patients were able to achieve a chewing force of 80.7 N in the molar region whereas patient with a mandibular defect bridged by reconstruction plate reached 132 N. By using the FEM it was revealed that strains in a standard reconstruction plate resulting from in the simulated functional stresses far exceed the tensile strengths of the components. Possible clinical consequences could be a fatigue fracture of the plate itself, gradual loosening of the osteosynthesis screws and irreversible damage to the bone. The stress is already reduced to less than half by increasing the nominal diameter of the screw threads to 1.5 fold. Conclusion: Clinical relevant loading situation could be reproduced virtually by means of FEM. Therefore the method represent an effective and reasonable inverstiagtion tool that allows to reduce animal trials in a considerabel amount or even to replace them completely.