Journal of Orofacial Orthopedics Fortschritte der Kieferorthopädie
Original article
Periodontal ligament strain induced by different orthodontic bracket removal techniques Nonlinear finite-element comparison study
Parodontale Belastung bei verschiedenen Formen der Bracketentfernung Eine vergleichende, nichtlineare FEM-Studie Christof Holberg1, Ingrid Rudzki-Janson1, Andrea Wichelhaus1 and Philipp Winterhalder1 Abstract
Zusammenfassung
Objectives. The goal of this work was to biomechanically analyze several different methods of bracket debonding and compare the strain they induce in the periodontal ligament (PDL). Methods. The CT dataset of an anatomical specimen was divided into four segmental models of the mandible. Each model covered one tooth (32, 42, 44, and 47). One of these teeth (32) was characterized by marked loss of periodontal attachment. After suitable finite-element models were generated, material properties were defined as nonlinear for PDL and anisotropic for the alveolar bone. This was followed by simulating four bracket debonding techniques: frontal and lateral torquing, bracket-wing compression, and shear stress applied with specially designed pliers. Results. The greatest strain was measured at the periodontally compromised tooth site 32 in response to frontal and lateral torquing. Both techniques also resulted in great strain around the other three teeth. Strain was markedly lower with the shear technique and virtually negligible with the compression technique. All simulated tooth sites confirmed the PDL-sparing effect of bracketwing compression. Conclusion. The severity of PDL strain during orthodontic bracket removal depends on the debonding method used. The technique of compressing the bracket wings appears to trigger the smallest effect on PDL. Clinical studies should be undertaken to confirm these findings.
Ziel. Ziel der Studie war es, verschiedene Formen der Bracketentfernung biomechanisch zu analysieren und die dabei auftretenden Belastungen am parodontalen Halteapparat miteinander zu vergleichen. Material und Methodik. Durch Segmentierung wurden aus dem CT (Computertomographie)-Datensatz eines anatomischen Präparates 4 unterschiedliche Segmentmodelle der Mandibula mit jeweils einem Zahn (32, 42, 44 und 47) erstellt. Das Modell mit dem Zahn 32 zeichnete sich dabei durch einen ausgeprägten Verlust des parodontalen Attachments aus. Nach Erstellung der entsprechenden Finite-Elemente-Methode(FEM)-Modelle wurden die Materialeigenschaften für das parodontale Ligament (PDL) als nichtlinear und für den Alveolarknochen als anisotrop definiert. Anschließend wurden an jedem Modell 4 verschiedene Methoden der Bracketentfernung (frontale und laterale Rotation, Kompression, Abscheren) simuliert und die im PDL induzierten Spannungen gemessen. Ergebnisse. Die höchste parodontale Belastung trat bei frontaler oder lateraler Rotation am parodontal vorgeschädigten Zahn 32 auf. Beide Methoden führten aber auch an allen anderen Zähnen zu hohen Belastungen am PDL. Im Gegensatz dazu traten beim Abscheren des Brackets deutlich niedrigere, bei der Kompression der Bracketflügel nahezu keine relevanten Belastungen auf. Dieser vorteilhafte Effekt des Kompressionsverfahrens bestätigte sich an allen untersuchten Zähnen. Schlussfolgerungen. Die parodontale Belastung bei Entfernung eines orthodontischen Brackets ist von der eingesetzten Methode abhängig. Die Kompression der Bracketflügel scheint die geringsten Auswirkungen auf das PDL haben. Zur Bestätigung sollten noch zusätzlich klinische Untersuchungen durchgeführt werden.
Keywords Bracket · Bracket removal · Periodontal attachment · Periodontal ligament · Finite-element method
Schlüsselwörter 1
Bracket · Bracketentfernung · Parodontales Attachment · Parodontales Ligament · Finite-Elemente-Methode
Received: July 9, 2013; accepted: November 5, 2013; published online: July 6, 2014
J Orofac Orthop 2014; 75:287–298 DOI 10.1007/s00056-014-0219-7
Faculty of Medicine, Ludwig-Maximilians-University, Munich, Germany
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
Introduction
Einführung
Most teeth with brackets bonded to their surface exhibit some mobility by the end of orthodontic treatment [36]. Thus, distinct and occasionally even painful [29] strain on the periodontium and alveolar process must be expected [46] when these brackets are removed, which applies in particular to the mandibular anterior segment. Neither the severity of such dentoalveolar strain nor the role that different debonding techniques may play in this association is currently well understood. Any bond between an orthodontic bracket and its underlying tooth substrate needs to be relatively strong to resist the force levels associated with orthodontic treatment [5]. Suitable bond strengths can be ensured by micromechanical interlocking between the enamel and adhesive, which is achieved with the enamel-etching technique via etched enamel rods becoming filled with resin tags [9, 14, 21]. However, the high bond strength thus attained may become a liability when considerable force is required to debond the bracket at the end of orthodontic treatment, a problem that has been confirmed in several in vitro studies [2, 41], although in vivo debonding requirements are known to be somewhat less intense due to biodegradation of the adhesive over time [26, 32]. Bracket bond strength measured in vivo has been found to vary according to the bracket design [6] and debonding technique applied [8, 20, 35]. The debonding of ceramic brackets in particular requires high shear force [4] which may impair the associated enamel [22]. Several findings to this effect have been reported, including localized enamel defects associated with plaque accumulation or discoloration [11, 25, 42] but also more severe complications like chipping or crack formation [3] and even fracture of the entire crown [27, 39, 43]. It has been suggested that these problems may be associated with the type of bracket debonding technique used [11]. Bracket removal is extremely stressful to both the enamel and periodontal structures involved, notably whenever related tooth mobility has increased somewhat at the end of orthodontic treatment [29]. Furthermore, practitioners have a particular responsibility to protect tissue from any excessive strain associated with bracket removal in patients with periodontally compromised teeth [17]. The periodontal ligament (PDL) is responsible for distributing loads transmitted from the teeth to the alveolar bone [23]. Normally such loads are physiological chewing forces [28] that cause the surrounding bone to adapt functionally via PDL mediation [37]. Non-physiological forces, by contrast, are potentially deleterious to the PDL’s connective tissue matrix and may thus lead to periodontal attachment loss or even overloading of alveolar bone [15]. Thus, for example, forces exerted by anterior tooth trauma may injure the PDL, alveolar process, and tooth [1]. On the other hand, tooth movement via orthodontic treatment is brought about by applying physiological forces [16]. While there are numerous reports on the effects these forces exert on PDL [10, 38, 45], there is no biomechanical evidence of
Bei Entfernung adhäsiv befestigter Brackets von der Zahnoberfläche ist – besonders im Unterkiefer-Frontzahnbereich – mit einer deutlichen, und gelegentlich auch schmerzhaften [29] Belastung des Zahnhalteapparates und des Alveolarfortsatzes zu rechnen [46], da die Zähne am Ende einer kieferorthopädischen Behandlung meist eine gewisse Lockerung aufweisen [36]. Unklar sind bisher die Höhe dieser dentoalveolären Belastung sowie mögliche Unterschiede durch einzelne Entfernungsarten. Der Klebeverbund zwischen Bracket und Zahnoberfläche sollte immer relativ stark sein, um den während einer kieferorthopädischen Behandlung auftretenden Kräften widerstehen zu können [5]. Um dies zu gewährleisten, werden bei der Schmelzätztechnik die angeätzten Schmelzprismen von Harzausläufern ausgefüllt, um eine gute Mikroverzahnung zwischen Schmelz und Adhäsiv zu erhalten [9, 14, 21]. Die dabei erreichte hohe Haftfestigkeit kann jedoch am Ende einer kieferorthopädischen Behandlung zum Nachteil werden, wenn die gut haftenden Brackets hohe Kräfte zu ihrer Entfernung benötigen. Dies konnte in mehreren In-vitro-Studien bestätigt werden [2, 41], auch wenn die Bracketentfernung in vivo aufgrund der zeitabhängigen Biodegradation des Adhäsivs etwas niedrigere Kräfte erfordert [26, 32]. Die in vivo gemessene Haftfestigkeit hängt vom Brackettyp [6] und dem gewählten Verfahren zur Bracketentfernung ab [8, 20, 35]. Besonders bei Keramikbrackets sind hohe Scherkräfte zur Entfernung notwendig [4], was gelegentlich zu Kompli kationen im Bereich des Schmelzes führen kann [22]. In der Literatur werden hierzu lokal begrenzte Schmelzschäden mit Plaqueakkumulation oder Verfärbung [11, 25, 42], aber auch schwerere Komplikationen, wie Abplatzungen, Rissbildung [3] oder sogar komplette Kronenfrakturen beschrieben [27, 39, 43]. Vermutet wird eine Abhängigkeit der Komplikationen vom gewählten Verfahren zur Bracketentfernung [11]. Die Bracketentfernung bedeutet nicht nur für den Schmelz eine besondere Belastung, sondern auch für den parodontalen Halteapparat, besonders, wenn die betreffenden Zähne am Ende einer kieferorthopädischen Behandlung etwas gelockert sind [29]. Auch bei Patienten mit parodontal vorgeschädigten Zähnen sollte der Zahnhalteapparat vor zu hohen Kräften bei der Bracketentfernung geschützt werden [17]. Das parodontale Ligament (PDL) hat die Aufgabe, die über die Zähne eingeleiteten Belastungen auf den Alveolarknochen zu verteilen [23]. Gewöhnlich sind diese Belastungen physiologische Kaukräfte [28], die durch Vermittlung des PDL zu einer funktionellen Anpassung des umgebenden Knochen [37] führen. Im Gegensatz dazu vermögen pathologische Kräfte, die Bindegewebsmatrix des PDL zu beschädigen und so das parodontale Attachment zu reduzieren oder sogar den Alveolarknochen zu überlasten [15]. So können beispielweise die bei einem Frontzahntrauma einwirkenden Kräfte zu Verletzungen am PDL, am Alveolarfortsatz und am Zahn führen [1].
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Holberg et al. Periodontal strains during bracket removal
the forces involved during bracket removal. The amount of force required to debond a bracket depends both on material properties of the adhesive system and on the technique employed [20, 44]. Methods widely used by orthodontists to debond brackets include frontal torquing around an orovestibular axis, lateral torquing around a mesiodistal axis (i.e. tipping the bracket off the tooth surface), compressing the bracket wings, or shear stress applied with specially designed pliers [11, 22]. The purpose of this study was to biomechanically analyze and compare these different bracket removal techniques: to identify any relevant differences among them, to discover which induces the lowest strain on the PDL, and to determine which technique is better suited for patients with periodontally compromised teeth.
Materials and methods The four computer-assisted design (CAD) models used for this study are illustrated in Figure 1: They were generated from the anatomical specimen of a 21-year-old male’s mandible that had been stored in 4 % formalin solution for 6 months. Each model covered one tooth (32, 42, 44, and 47), one of which (32) was characterized by marked horizontal bone loss. All models were derived from coronal CT slices (TomoScope HV 500, resolution 80 µm) by manual segmentation with 3D analysis software (Amira; Visage Imaging, Berlin, Germany). Segmental modeling of the cortical and cancellous bone structures, and of the teeth and PDL, was done by merging the
Andererseits werden während der kieferorthopädischen Behandlung physiologische Kräfte eingesetzt, um die einzelnen Zähne zu bewegen [16]. Daher werden in vielen Studien die Auswirkungen dieser physiologischen Kräfte auf das PDL detailliert beschrieben [10, 38, 45], eine biomechanische Analyse der Kräfte bei Entfernung des Brackets fehlt jedoch bisher. Das zur Entfernung notwendige Kraftniveau hängt dabei einerseits von den Materialeigenschaften des Adhäsivs, andererseits vom Debondingverfahren ab [20, 44]. Die in der Kieferorthopädie hauptsächlich eingesetzten Verfahren zur Bracketentfernung sind dabei: Abdrehen des Brackets um eine orovestibuläre Achse (frontaler Torque), Abkippen des Brackets um eine mesiodistale Achse (lateraler Torque), Kompression der Bracketflügel sowie Abscheren des Brackets mithilfe einer speziellen Zange [11, 22]. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, diese unterschiedlichen Verfahren zur Bracketentfernung biomechanisch zu analysieren und miteinander zu vergleichen. Dabei sollten folgende Fragen beantwortet werden: Gibt es einen relevanten Unterschied zwischen den einzelnen Debondingverfahren? Welches Verfahren ist für das PDL das schonendste? Welches Verfahren sollte bevorzugt bei Patienten mit parodontal vorgeschädigten Zähnen eingesetzt werden?
Material und Methodik Aus dem anatomischen Mandibulapräparat eines 21-jährigen Mannes, das 6 Monate lang in einer 4 %-igen Formalin-Lö-
Figure 1. Compound CAD models of mandibular teeth used in the simulations, including a right lateral incisor (tooth 42), a left lateral incisor with attachment loss (tooth 32), a right bicuspid (tooth 44), and a right molar (tooth 47). All models included enamel, dentin, an orthodontic bracket, an adhesive, PDL, and cancellous and cortical bone Abbildung 1. Zusammengesetzte CAD(„computerassisted design“)-Modelle des Schneidezahns 42, des Schneidezahns 32 (mit Attachmentverlust), des Prämolaren 44 und des Molaren 47, die in den Simulationen Anwendung fanden. Alle Modelle bestanden aus Zahnschmelz, Dentin, einem kieferorthopädischen Bracket, Adhäsiv, parodontalem Ligament (PDL) sowie spongiösem und kompaktem Knochen
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
Figure 2. Illustration of the four different bracketdebonding techniques Abbildung 2. Die 4 unterschiedlichen Arten zur Bracketentfernung, die in der Studie untersucht wurden
scanned point clouds into three-dimensional polygon meshes using Delaunay triangulation. The surfaces thus created were then moderately refined and structurally optimized using 3D CAD processing software (Rapidform; INUS Technology, Seoul, South Korea).
CAD modeling
The resultant polygon meshes were converted to volume models (IGES files) with CAD translation software (Polytrans; Okino, Ontario, Canada). Established CAD tools (Inventor; Autodesk, Munich, Germany) were used to design a virtual bracket and layers of adhesive bonding. Subsequently all partial models were combined using “addition” and “subtraction” Boolean operations (Mechanical Desktop; Autodesk). All four bracket-removal techniques under investigation were dynamically presimulated at the CAD level to define strain conditions (Figure 2). The bracket was thus debonded once by frontal torquing, once by lateral torquing, once by compression of its wings, and once by shear stress applied via specially designed pliers.
Finite-element modeling
All CAD models were imported into ANSYS software (v. 11.0; Ansys, Canonsburg, PA, USA) and converted to three-dimensional (3D) meshes. The resultant finite-element models consisted of parabolic tetrahedrons (SOLID 187), each featuring one node at each of its four corners and one node centrally along each of its six edges. Each tetrahedral element thus included ten nodes. Material properties were defined as nonlinear for PDL (Ogden’s constitutive law), as anisotropic for corti-
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sung gelagert worden war, wurden 4 CAD-Modelle der Mandibula mit jeweils einem Zahn (32, 42, 44 und 47) erstellt (Abbildung 1). Das Modell mit dem Zahn 32 wies einen ausgeprägten horizontalen Knochenverlust auf. Alle Modelle wurden durch manuelle Segmentierung aus den koronaren CT (Computertomographie)-Schichten (TomoScope HV 500, Auflösung 80 μm) mithilfe der Software Amira® (Visage Imaging, Berlin, Deutschland) erzeugt. Die Teilmodelle der Kortikalis und der Spongiosa sowie die Modelle der Zähne und des PDL wurden durch Vernetzung der akquirierten Punktwolken zu dreidimensionalen Polygonnetzen (Delauney-Triangulation) erhalten. Die so erstellten Oberflächen wurden nun in der Software Rapidform® (INUS Technology, Seoul, Korea) moderat verfeinert und strukturell optimiert.
CAD-Modellierung
Die resultierenden Polygonnetze wurden mithilfe der Software Polytrans® (Okino, Ontario, Kanada) in Volumenmodelle (IGES-Format) umgewandelt. Die virtuellen Brackets und die korrespondierenden Adhäsivschichten konnten in der Software Inventor® (Autodesk, München, Deutschland) mit etablierten CAD(„computer assisted design“)-Tools konstruiert werden. Anschließend wurden alle Teilmodelle mithilfe der Boole-Operationen Addition und Subtraktion in der Software Mechanical Desktop® (Autodesk, München, Deutschland) miteinander kombiniert. Zur Definition der späteren Lastbedingungen wurden die 4 Verfahren zur Bracketentfernung im Vorfeld dynamisch auf CAD-Ebene simuliert (Abbildung 2). Die Bracketentfernung erfolgte entsprechend einmal durch Applikation eines frontalen Torque, durch Applikation eines
Holberg et al. Periodontal strains during bracket removal
Table 1. Material properties of all simulations: the Young’s modulus specified the elasticity of each material, the Poisson’s ratio defined the transverse contraction characteristics and the Ogden constitutive law described the non-linear, hyperelastic property of the PDL. The anisotropic material property of the compact and cancellous bone was described by a 3D matrix Tabelle 1. Materialeigenschaften in allen Simulationen: das Elastizitätsmodul bestimmte die Elastizitätseigenschaften des jeweiligen Materials, die Poisson-Zahl definierte das transversale Kontraktionsverhalten, und das konstitutive Gesetz nach Ogden beschrieb die nichtlinearen, hyperelastischen Eigenschaften des PDL. Die Anisotropie von Kompakta und Spongiosa wurde durch eine 3-D-Matrix beschrieben
References Young’s modulus (GPa)
Poisson’s ratio
Enamel
[47]
80
0.25
Dentin
[19]
24.4
0.43
Bracket
[11]
210
0.30
Luting Cement (Transbond XT) [22]
0.008823
0.25
Nerve tissue
[7, 18]
0.00058
0.42
Periodontal ligament
[40]
Non-linear Hyperelastic Ogden (n = 3) constitutive law:
α1 = 5.5
α2 = 25 α3 = 4 µ1 = − 2.3 MPa µ2 = 0.0116 MPa µ3 = − 2.55 MPa Compact bone Cancellous bone
[12, 30, 31]
Ex(GPa)
Ey(GPa)
Ez(GPa)
Gxy(GPa) Gyz(GPa) Gxz(GPa) vxy
vyz
vxz
12.6
19.4
12.6
5.7
5.7
4.85
0.253
0.390
0.300
1.148
1.148
0.21
0.434
0.068
0.068
0.322
0.055
0.055
cal and cancellous bone, and as linear and isotropic for all other materials based on standard values from the literature (Tabelle 1). The load conditions (forces, torques) in the finiteelement simulations were continuously increased until they exerted an effective minimum stress of 20 MPa at ≥ 20 % of adhesive nodes. Identical boundary conditions were applied in all simulations. The models were positioned by fixating several nodes whose locations were as remote from the region of interest as possible. All contact conditions between the individual partial models were defined as invariable.
Strain measurement
Upon completion of the finite-element simulations, effective strains were recorded in micro-strain units (µstrain) at all nodal points of the PDL. Thus a large number of individual measurements were obtained for statistical analysis. The precise number thereof varied according to the PDL surface area at each site (3317 at tooth 32, 4528 at tooth 42, 4321 at tooth 44, 7156 at tooth 47).
Statistical analysis
All strain values obtained were exploratively and descriptively analyzed with statistical software (IBM SPSS Statistics 19; IBM Deutschland, Ehningen, Germany). Kolmogorov–Smirnow testing was used to monitor for the presence of normal distribution and a Mann–Whitney U-test for pairwise verification of differences between samples. The absence of normal distri-
lateralen Torque, durch Kompression der Bracketflügel oder durch Abscheren des Brackets.
FEM-Modellierung
Alle CAD-Modelle wurden in die Software ANSYS® 11.0 (Ansys, Canonsburg, PA, USA) importiert und dreidimensional vernetzt. Die resultierenden FEM(Finite-Elemente-Methode)-Modelle bestanden aus parabolischen Tetraedern (SOLID 187) mit einem Knoten an jeder Ecke und einem Knoten jeweils in der Mitte einer Tetraederkante. Somit besaß jedes parabolische Tetraederelement 10 Knoten und 6 Kanten. Gemäß des konstitutiven Gesetzes nach Ogden wurden die Materialeigenschaften des PDL als nichtlinear definiert. Die Materialeigenschaften von Spongiosa und Kompakta waren anisotrop (Tabelle 1). Alle anderen Materialien waren linear und isotrop, entsprechend den Standardwerten in der Literatur. In den FEM-Simulationen wurden die Lastbedingungen (Kräfte, Drehmomente) solange erhöht, bis eine effektive Mindestspannung von 20 MPa bei mindestens 20 % der Adhäsivknoten induziert war. Bei allen Simulationen waren die Randbedingungen identisch. Zur Lagerung der Modelle wurden mehrere Knoten fixiert, welche möglichst weit von der „region of interest“ (ROI) entfernt waren. Alle Kontaktbedingungen zwischen den einzelnen Teilmodellen waren als fest definiert.
Dehnungsmessung
Nach Abschluss der FEM-Simulationen wurde an allen Knotenpunkten des PDL die effektive Dehnung (in μstrain) regist-
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
Figure 3. Distribution of strain associated with the four debonding techniques in the PDL of four different teeth Abbildung 3. Verteilung der effektiven Dehnungswerte im PDL des Schneidezahns 32 (mit Attachmentverlust), des Schneidezahns 42, des Prämolaren 44 und des Molaren 47 in Abhängigkeit des jeweiligen Debondingverfahrens
μstrain 5x105
Incisor 32 (alveolar bone loss)
Incisor 42
Bicuspid 44
Molar 47
4x105
3x105
2x105
1x105
PDL: ultimate strain
0 0
nodes
100 0
Frontal Rotation
292
nodes
100 0
Lateral Rotation
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nodes
100 0
Compression
nodes Shearing-off
100
Figure 4. Comparison of the top 100 effective strain values induced by the four debonding techniques in the PDL of four different teeth Abbildung 4. Vergleich der 100 höchsten effektiven Dehnungswerte (Top 100), die während der unterschiedlichen Debondingverfahren im PDL der Zähne 32, 42, 44 und 47 gemessen wurden
Holberg et al. Periodontal strains during bracket removal
bution was followed by calculating Spearman’s rank correlation coefficients.
Results An overview of the statistical results obtained from all samples is provided in Tabelle 2, and the distribution of effective strain measured in the PDL of the four teeth analyzed are summarized in Figure 3 in a color-coded fashion. Both frontal and lateral-torquing debonding techniques resulted in relatively high mean strain values. We observed substantially lower strain values (although at levels that varied according to tooth type) with the shear technique, while the compression technique induced almost no strain on the PDL whatsoever and yielded consistently favorable results at all four tooth sites (Figure 4).
Frontal torquing
This debonding technique was associated with markedly greater strain on the PDL than the techniques of compressing the bracket wings or the shear technique. Nevertheless, the re-
riert. So erhielt man eine hohe Anzahl von Einzelmessungen, um eine adäquate statistische Analyse zu ermöglichen. Die Anzahl der einzelnen Messungen im PDL hing dabei von seiner jeweiligen Oberfläche ab: Zahn 32 (n = 3317), 42 (n = 4528), 44 (n = 4321), 47 (n = 7156).
Statistische Analyse
Alle gemessenen Dehnungswerte wurden explorativ und deskriptiv mit der Software IBM SPSS Statistics 19 analysiert (IBM Deutschland, Ehningen, Deutschland). Normalverteilung wurde durch den Kolmogorov-Smirnow-Test und signifikante Unterschiede zwischen den Stichproben durch den Mann-Whitney-U-Test (paarweise) nachgewiesen. Bei fehlender Normalverteilung wurde die Rang-Korrelation nach Spearman bestimmt.
Ergebnisse Die statistische Analyse aller Stichproben ist in Tabelle 2 dargestellt, die farbkodierte Verteilung aller Dehnungswerte im PDL in Abbildung 3. Die Mittelwerte sind dabei sowohl beim
Table 2. Statistical analysis of the strain values (in µstrain) measured within the PDL of the tooth 32 (alveolar bone loss), 42, 44 and 47 depending on the debonding procedure used Tabelle 2. Statistische Analyse der effektiven Dehnungswerte (µstrain) im parodontalen Ligament (PDL) des Zahns 32 (Attachmentverlust) und der Zähne 42, 44 und 47 in Abhängigkeit des verwendeten Verfahrens zur Entfernung des Brackets
Frontal torque
Lateral torque
Compression
Shearing off
Incisor 32 (alveolar bone loss)
Incisor 42
Bicuspid 44
Molar 47
n = 3317
n = 4528
n = 4321
n = 7156
Mean
129,158
59,255
41,732
25,487
SD
72,299
32,122
23,756
17,819
Median
112,530
52,544
36,663
23,312
Max
395,300
210,510
188,160
112,140
Min
13,016
6631
4710
78
Mean
153,104
73,864
53,165
44,670
SD
79,589
45,018
25,212
35,124
Median
134,790
62,886
50,061
34,889
Max
458,480
284,710
174,540
202,872
Min
11,410
6052
3624
555
Mean
10
6
20
31
SD
5
2
12
21
Median
9
5
17
27
Max
28
15
69
132
Min
2
1
3
1
Mean
11,620
4429
11,623
4129
SD
7956
3281
6259
3146
Median
8952
3288
10,461
3375
Max
54,839
27,099
55,076
18,237
Min
1133
347
1011
35
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
sults for this technique were slightly more favorable than those associated with lateral torquing [except for tooth 44, whose PDL was subjected to almost identical strain via both of those techniques (Figures 3 and 4)]. Frontal torquing yielded mean effective values of 129,158 µstrain at the periodontally compromised incisor (tooth 32), 59,255 µstrain at the contralateral tooth 42,41,732 µstrain at tooth 44, and 25,487 µstrain at tooth 47. The strain induced, thus, seems to vary according to the size of the dental root, as the mean values observed increased progressively with the surface area of healthy PDL (Table 2).
Lateral torquing
This technique induced high strain in the PDL of all the teeth investigated (Figures 3 and 4). Mean effective values were 153,104 µstrain at the periodontally compromised tooth 32, 73,864 µstrain at tooth 42, 53,165 µstrain at tooth 44, and 44,670 at tooth 47. As noted with frontal torquing, the severity of PDL strain induced by lateral torquing also varied according to the surface area of healthy PDL (Table 2).
Compression technique
The technique of compressing both bracket wings induced the lowest PDL strain by far (Figures 3 and 4). Mean effective values were down to merely 10 µstrain at tooth 32 despite pronounced attachment loss, to 6 µstrain at tooth 42, 20 µstrain at tooth 44, and 31 µstrain at tooth 47. We did not observe similarly low amounts of strain in association with any of the other techniques (Table 2).
Shear technique
This technique induced considerably less PDL strain than the torque-based methods, but was still associated with distinctly greater strain compared to the compression technique (Figures 3 and 4). Mean effective values were 11,620 µstrain at periodontally compromised tooth 32, 4429 µstrain at tooth 42, 11,623 µstrain at tooth 44, and 4129 µstrain at tooth 47 (Table 2). The severity of PDL strain associated with this debonding technique, while varying according to tooth type, does not appear to correlate with the surface area of periodontal attachment.
Statistical tests
In all teeth we analyzed, a highly significant difference (p
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Parodontale Belastung bei verschiedenen Formen der Bracketentfernung Eine vergleichende, nichtlineare FEM-Studie Christof Holberg1, Ingrid Rudzki-Janson1, Andrea Wichelhaus1 and Philipp Winterhalder1 Abstract
Zusammenfassung
Objectives. The goal of this work was to biomechanically analyze several different methods of bracket debonding and compare the strain they induce in the periodontal ligament (PDL). Methods. The CT dataset of an anatomical specimen was divided into four segmental models of the mandible. Each model covered one tooth (32, 42, 44, and 47). One of these teeth (32) was characterized by marked loss of periodontal attachment. After suitable finite-element models were generated, material properties were defined as nonlinear for PDL and anisotropic for the alveolar bone. This was followed by simulating four bracket debonding techniques: frontal and lateral torquing, bracket-wing compression, and shear stress applied with specially designed pliers. Results. The greatest strain was measured at the periodontally compromised tooth site 32 in response to frontal and lateral torquing. Both techniques also resulted in great strain around the other three teeth. Strain was markedly lower with the shear technique and virtually negligible with the compression technique. All simulated tooth sites confirmed the PDL-sparing effect of bracketwing compression. Conclusion. The severity of PDL strain during orthodontic bracket removal depends on the debonding method used. The technique of compressing the bracket wings appears to trigger the smallest effect on PDL. Clinical studies should be undertaken to confirm these findings.
Ziel. Ziel der Studie war es, verschiedene Formen der Bracketentfernung biomechanisch zu analysieren und die dabei auftretenden Belastungen am parodontalen Halteapparat miteinander zu vergleichen. Material und Methodik. Durch Segmentierung wurden aus dem CT (Computertomographie)-Datensatz eines anatomischen Präparates 4 unterschiedliche Segmentmodelle der Mandibula mit jeweils einem Zahn (32, 42, 44 und 47) erstellt. Das Modell mit dem Zahn 32 zeichnete sich dabei durch einen ausgeprägten Verlust des parodontalen Attachments aus. Nach Erstellung der entsprechenden Finite-Elemente-Methode(FEM)-Modelle wurden die Materialeigenschaften für das parodontale Ligament (PDL) als nichtlinear und für den Alveolarknochen als anisotrop definiert. Anschließend wurden an jedem Modell 4 verschiedene Methoden der Bracketentfernung (frontale und laterale Rotation, Kompression, Abscheren) simuliert und die im PDL induzierten Spannungen gemessen. Ergebnisse. Die höchste parodontale Belastung trat bei frontaler oder lateraler Rotation am parodontal vorgeschädigten Zahn 32 auf. Beide Methoden führten aber auch an allen anderen Zähnen zu hohen Belastungen am PDL. Im Gegensatz dazu traten beim Abscheren des Brackets deutlich niedrigere, bei der Kompression der Bracketflügel nahezu keine relevanten Belastungen auf. Dieser vorteilhafte Effekt des Kompressionsverfahrens bestätigte sich an allen untersuchten Zähnen. Schlussfolgerungen. Die parodontale Belastung bei Entfernung eines orthodontischen Brackets ist von der eingesetzten Methode abhängig. Die Kompression der Bracketflügel scheint die geringsten Auswirkungen auf das PDL haben. Zur Bestätigung sollten noch zusätzlich klinische Untersuchungen durchgeführt werden.
Keywords Bracket · Bracket removal · Periodontal attachment · Periodontal ligament · Finite-element method
Schlüsselwörter 1
Bracket · Bracketentfernung · Parodontales Attachment · Parodontales Ligament · Finite-Elemente-Methode
Received: July 9, 2013; accepted: November 5, 2013; published online: July 6, 2014
J Orofac Orthop 2014; 75:287–298 DOI 10.1007/s00056-014-0219-7
Faculty of Medicine, Ludwig-Maximilians-University, Munich, Germany
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
Introduction
Einführung
Most teeth with brackets bonded to their surface exhibit some mobility by the end of orthodontic treatment [36]. Thus, distinct and occasionally even painful [29] strain on the periodontium and alveolar process must be expected [46] when these brackets are removed, which applies in particular to the mandibular anterior segment. Neither the severity of such dentoalveolar strain nor the role that different debonding techniques may play in this association is currently well understood. Any bond between an orthodontic bracket and its underlying tooth substrate needs to be relatively strong to resist the force levels associated with orthodontic treatment [5]. Suitable bond strengths can be ensured by micromechanical interlocking between the enamel and adhesive, which is achieved with the enamel-etching technique via etched enamel rods becoming filled with resin tags [9, 14, 21]. However, the high bond strength thus attained may become a liability when considerable force is required to debond the bracket at the end of orthodontic treatment, a problem that has been confirmed in several in vitro studies [2, 41], although in vivo debonding requirements are known to be somewhat less intense due to biodegradation of the adhesive over time [26, 32]. Bracket bond strength measured in vivo has been found to vary according to the bracket design [6] and debonding technique applied [8, 20, 35]. The debonding of ceramic brackets in particular requires high shear force [4] which may impair the associated enamel [22]. Several findings to this effect have been reported, including localized enamel defects associated with plaque accumulation or discoloration [11, 25, 42] but also more severe complications like chipping or crack formation [3] and even fracture of the entire crown [27, 39, 43]. It has been suggested that these problems may be associated with the type of bracket debonding technique used [11]. Bracket removal is extremely stressful to both the enamel and periodontal structures involved, notably whenever related tooth mobility has increased somewhat at the end of orthodontic treatment [29]. Furthermore, practitioners have a particular responsibility to protect tissue from any excessive strain associated with bracket removal in patients with periodontally compromised teeth [17]. The periodontal ligament (PDL) is responsible for distributing loads transmitted from the teeth to the alveolar bone [23]. Normally such loads are physiological chewing forces [28] that cause the surrounding bone to adapt functionally via PDL mediation [37]. Non-physiological forces, by contrast, are potentially deleterious to the PDL’s connective tissue matrix and may thus lead to periodontal attachment loss or even overloading of alveolar bone [15]. Thus, for example, forces exerted by anterior tooth trauma may injure the PDL, alveolar process, and tooth [1]. On the other hand, tooth movement via orthodontic treatment is brought about by applying physiological forces [16]. While there are numerous reports on the effects these forces exert on PDL [10, 38, 45], there is no biomechanical evidence of
Bei Entfernung adhäsiv befestigter Brackets von der Zahnoberfläche ist – besonders im Unterkiefer-Frontzahnbereich – mit einer deutlichen, und gelegentlich auch schmerzhaften [29] Belastung des Zahnhalteapparates und des Alveolarfortsatzes zu rechnen [46], da die Zähne am Ende einer kieferorthopädischen Behandlung meist eine gewisse Lockerung aufweisen [36]. Unklar sind bisher die Höhe dieser dentoalveolären Belastung sowie mögliche Unterschiede durch einzelne Entfernungsarten. Der Klebeverbund zwischen Bracket und Zahnoberfläche sollte immer relativ stark sein, um den während einer kieferorthopädischen Behandlung auftretenden Kräften widerstehen zu können [5]. Um dies zu gewährleisten, werden bei der Schmelzätztechnik die angeätzten Schmelzprismen von Harzausläufern ausgefüllt, um eine gute Mikroverzahnung zwischen Schmelz und Adhäsiv zu erhalten [9, 14, 21]. Die dabei erreichte hohe Haftfestigkeit kann jedoch am Ende einer kieferorthopädischen Behandlung zum Nachteil werden, wenn die gut haftenden Brackets hohe Kräfte zu ihrer Entfernung benötigen. Dies konnte in mehreren In-vitro-Studien bestätigt werden [2, 41], auch wenn die Bracketentfernung in vivo aufgrund der zeitabhängigen Biodegradation des Adhäsivs etwas niedrigere Kräfte erfordert [26, 32]. Die in vivo gemessene Haftfestigkeit hängt vom Brackettyp [6] und dem gewählten Verfahren zur Bracketentfernung ab [8, 20, 35]. Besonders bei Keramikbrackets sind hohe Scherkräfte zur Entfernung notwendig [4], was gelegentlich zu Kompli kationen im Bereich des Schmelzes führen kann [22]. In der Literatur werden hierzu lokal begrenzte Schmelzschäden mit Plaqueakkumulation oder Verfärbung [11, 25, 42], aber auch schwerere Komplikationen, wie Abplatzungen, Rissbildung [3] oder sogar komplette Kronenfrakturen beschrieben [27, 39, 43]. Vermutet wird eine Abhängigkeit der Komplikationen vom gewählten Verfahren zur Bracketentfernung [11]. Die Bracketentfernung bedeutet nicht nur für den Schmelz eine besondere Belastung, sondern auch für den parodontalen Halteapparat, besonders, wenn die betreffenden Zähne am Ende einer kieferorthopädischen Behandlung etwas gelockert sind [29]. Auch bei Patienten mit parodontal vorgeschädigten Zähnen sollte der Zahnhalteapparat vor zu hohen Kräften bei der Bracketentfernung geschützt werden [17]. Das parodontale Ligament (PDL) hat die Aufgabe, die über die Zähne eingeleiteten Belastungen auf den Alveolarknochen zu verteilen [23]. Gewöhnlich sind diese Belastungen physiologische Kaukräfte [28], die durch Vermittlung des PDL zu einer funktionellen Anpassung des umgebenden Knochen [37] führen. Im Gegensatz dazu vermögen pathologische Kräfte, die Bindegewebsmatrix des PDL zu beschädigen und so das parodontale Attachment zu reduzieren oder sogar den Alveolarknochen zu überlasten [15]. So können beispielweise die bei einem Frontzahntrauma einwirkenden Kräfte zu Verletzungen am PDL, am Alveolarfortsatz und am Zahn führen [1].
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Holberg et al. Periodontal strains during bracket removal
the forces involved during bracket removal. The amount of force required to debond a bracket depends both on material properties of the adhesive system and on the technique employed [20, 44]. Methods widely used by orthodontists to debond brackets include frontal torquing around an orovestibular axis, lateral torquing around a mesiodistal axis (i.e. tipping the bracket off the tooth surface), compressing the bracket wings, or shear stress applied with specially designed pliers [11, 22]. The purpose of this study was to biomechanically analyze and compare these different bracket removal techniques: to identify any relevant differences among them, to discover which induces the lowest strain on the PDL, and to determine which technique is better suited for patients with periodontally compromised teeth.
Materials and methods The four computer-assisted design (CAD) models used for this study are illustrated in Figure 1: They were generated from the anatomical specimen of a 21-year-old male’s mandible that had been stored in 4 % formalin solution for 6 months. Each model covered one tooth (32, 42, 44, and 47), one of which (32) was characterized by marked horizontal bone loss. All models were derived from coronal CT slices (TomoScope HV 500, resolution 80 µm) by manual segmentation with 3D analysis software (Amira; Visage Imaging, Berlin, Germany). Segmental modeling of the cortical and cancellous bone structures, and of the teeth and PDL, was done by merging the
Andererseits werden während der kieferorthopädischen Behandlung physiologische Kräfte eingesetzt, um die einzelnen Zähne zu bewegen [16]. Daher werden in vielen Studien die Auswirkungen dieser physiologischen Kräfte auf das PDL detailliert beschrieben [10, 38, 45], eine biomechanische Analyse der Kräfte bei Entfernung des Brackets fehlt jedoch bisher. Das zur Entfernung notwendige Kraftniveau hängt dabei einerseits von den Materialeigenschaften des Adhäsivs, andererseits vom Debondingverfahren ab [20, 44]. Die in der Kieferorthopädie hauptsächlich eingesetzten Verfahren zur Bracketentfernung sind dabei: Abdrehen des Brackets um eine orovestibuläre Achse (frontaler Torque), Abkippen des Brackets um eine mesiodistale Achse (lateraler Torque), Kompression der Bracketflügel sowie Abscheren des Brackets mithilfe einer speziellen Zange [11, 22]. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, diese unterschiedlichen Verfahren zur Bracketentfernung biomechanisch zu analysieren und miteinander zu vergleichen. Dabei sollten folgende Fragen beantwortet werden: Gibt es einen relevanten Unterschied zwischen den einzelnen Debondingverfahren? Welches Verfahren ist für das PDL das schonendste? Welches Verfahren sollte bevorzugt bei Patienten mit parodontal vorgeschädigten Zähnen eingesetzt werden?
Material und Methodik Aus dem anatomischen Mandibulapräparat eines 21-jährigen Mannes, das 6 Monate lang in einer 4 %-igen Formalin-Lö-
Figure 1. Compound CAD models of mandibular teeth used in the simulations, including a right lateral incisor (tooth 42), a left lateral incisor with attachment loss (tooth 32), a right bicuspid (tooth 44), and a right molar (tooth 47). All models included enamel, dentin, an orthodontic bracket, an adhesive, PDL, and cancellous and cortical bone Abbildung 1. Zusammengesetzte CAD(„computerassisted design“)-Modelle des Schneidezahns 42, des Schneidezahns 32 (mit Attachmentverlust), des Prämolaren 44 und des Molaren 47, die in den Simulationen Anwendung fanden. Alle Modelle bestanden aus Zahnschmelz, Dentin, einem kieferorthopädischen Bracket, Adhäsiv, parodontalem Ligament (PDL) sowie spongiösem und kompaktem Knochen
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
Figure 2. Illustration of the four different bracketdebonding techniques Abbildung 2. Die 4 unterschiedlichen Arten zur Bracketentfernung, die in der Studie untersucht wurden
scanned point clouds into three-dimensional polygon meshes using Delaunay triangulation. The surfaces thus created were then moderately refined and structurally optimized using 3D CAD processing software (Rapidform; INUS Technology, Seoul, South Korea).
CAD modeling
The resultant polygon meshes were converted to volume models (IGES files) with CAD translation software (Polytrans; Okino, Ontario, Canada). Established CAD tools (Inventor; Autodesk, Munich, Germany) were used to design a virtual bracket and layers of adhesive bonding. Subsequently all partial models were combined using “addition” and “subtraction” Boolean operations (Mechanical Desktop; Autodesk). All four bracket-removal techniques under investigation were dynamically presimulated at the CAD level to define strain conditions (Figure 2). The bracket was thus debonded once by frontal torquing, once by lateral torquing, once by compression of its wings, and once by shear stress applied via specially designed pliers.
Finite-element modeling
All CAD models were imported into ANSYS software (v. 11.0; Ansys, Canonsburg, PA, USA) and converted to three-dimensional (3D) meshes. The resultant finite-element models consisted of parabolic tetrahedrons (SOLID 187), each featuring one node at each of its four corners and one node centrally along each of its six edges. Each tetrahedral element thus included ten nodes. Material properties were defined as nonlinear for PDL (Ogden’s constitutive law), as anisotropic for corti-
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sung gelagert worden war, wurden 4 CAD-Modelle der Mandibula mit jeweils einem Zahn (32, 42, 44 und 47) erstellt (Abbildung 1). Das Modell mit dem Zahn 32 wies einen ausgeprägten horizontalen Knochenverlust auf. Alle Modelle wurden durch manuelle Segmentierung aus den koronaren CT (Computertomographie)-Schichten (TomoScope HV 500, Auflösung 80 μm) mithilfe der Software Amira® (Visage Imaging, Berlin, Deutschland) erzeugt. Die Teilmodelle der Kortikalis und der Spongiosa sowie die Modelle der Zähne und des PDL wurden durch Vernetzung der akquirierten Punktwolken zu dreidimensionalen Polygonnetzen (Delauney-Triangulation) erhalten. Die so erstellten Oberflächen wurden nun in der Software Rapidform® (INUS Technology, Seoul, Korea) moderat verfeinert und strukturell optimiert.
CAD-Modellierung
Die resultierenden Polygonnetze wurden mithilfe der Software Polytrans® (Okino, Ontario, Kanada) in Volumenmodelle (IGES-Format) umgewandelt. Die virtuellen Brackets und die korrespondierenden Adhäsivschichten konnten in der Software Inventor® (Autodesk, München, Deutschland) mit etablierten CAD(„computer assisted design“)-Tools konstruiert werden. Anschließend wurden alle Teilmodelle mithilfe der Boole-Operationen Addition und Subtraktion in der Software Mechanical Desktop® (Autodesk, München, Deutschland) miteinander kombiniert. Zur Definition der späteren Lastbedingungen wurden die 4 Verfahren zur Bracketentfernung im Vorfeld dynamisch auf CAD-Ebene simuliert (Abbildung 2). Die Bracketentfernung erfolgte entsprechend einmal durch Applikation eines frontalen Torque, durch Applikation eines
Holberg et al. Periodontal strains during bracket removal
Table 1. Material properties of all simulations: the Young’s modulus specified the elasticity of each material, the Poisson’s ratio defined the transverse contraction characteristics and the Ogden constitutive law described the non-linear, hyperelastic property of the PDL. The anisotropic material property of the compact and cancellous bone was described by a 3D matrix Tabelle 1. Materialeigenschaften in allen Simulationen: das Elastizitätsmodul bestimmte die Elastizitätseigenschaften des jeweiligen Materials, die Poisson-Zahl definierte das transversale Kontraktionsverhalten, und das konstitutive Gesetz nach Ogden beschrieb die nichtlinearen, hyperelastischen Eigenschaften des PDL. Die Anisotropie von Kompakta und Spongiosa wurde durch eine 3-D-Matrix beschrieben
References Young’s modulus (GPa)
Poisson’s ratio
Enamel
[47]
80
0.25
Dentin
[19]
24.4
0.43
Bracket
[11]
210
0.30
Luting Cement (Transbond XT) [22]
0.008823
0.25
Nerve tissue
[7, 18]
0.00058
0.42
Periodontal ligament
[40]
Non-linear Hyperelastic Ogden (n = 3) constitutive law:
α1 = 5.5
α2 = 25 α3 = 4 µ1 = − 2.3 MPa µ2 = 0.0116 MPa µ3 = − 2.55 MPa Compact bone Cancellous bone
[12, 30, 31]
Ex(GPa)
Ey(GPa)
Ez(GPa)
Gxy(GPa) Gyz(GPa) Gxz(GPa) vxy
vyz
vxz
12.6
19.4
12.6
5.7
5.7
4.85
0.253
0.390
0.300
1.148
1.148
0.21
0.434
0.068
0.068
0.322
0.055
0.055
cal and cancellous bone, and as linear and isotropic for all other materials based on standard values from the literature (Tabelle 1). The load conditions (forces, torques) in the finiteelement simulations were continuously increased until they exerted an effective minimum stress of 20 MPa at ≥ 20 % of adhesive nodes. Identical boundary conditions were applied in all simulations. The models were positioned by fixating several nodes whose locations were as remote from the region of interest as possible. All contact conditions between the individual partial models were defined as invariable.
Strain measurement
Upon completion of the finite-element simulations, effective strains were recorded in micro-strain units (µstrain) at all nodal points of the PDL. Thus a large number of individual measurements were obtained for statistical analysis. The precise number thereof varied according to the PDL surface area at each site (3317 at tooth 32, 4528 at tooth 42, 4321 at tooth 44, 7156 at tooth 47).
Statistical analysis
All strain values obtained were exploratively and descriptively analyzed with statistical software (IBM SPSS Statistics 19; IBM Deutschland, Ehningen, Germany). Kolmogorov–Smirnow testing was used to monitor for the presence of normal distribution and a Mann–Whitney U-test for pairwise verification of differences between samples. The absence of normal distri-
lateralen Torque, durch Kompression der Bracketflügel oder durch Abscheren des Brackets.
FEM-Modellierung
Alle CAD-Modelle wurden in die Software ANSYS® 11.0 (Ansys, Canonsburg, PA, USA) importiert und dreidimensional vernetzt. Die resultierenden FEM(Finite-Elemente-Methode)-Modelle bestanden aus parabolischen Tetraedern (SOLID 187) mit einem Knoten an jeder Ecke und einem Knoten jeweils in der Mitte einer Tetraederkante. Somit besaß jedes parabolische Tetraederelement 10 Knoten und 6 Kanten. Gemäß des konstitutiven Gesetzes nach Ogden wurden die Materialeigenschaften des PDL als nichtlinear definiert. Die Materialeigenschaften von Spongiosa und Kompakta waren anisotrop (Tabelle 1). Alle anderen Materialien waren linear und isotrop, entsprechend den Standardwerten in der Literatur. In den FEM-Simulationen wurden die Lastbedingungen (Kräfte, Drehmomente) solange erhöht, bis eine effektive Mindestspannung von 20 MPa bei mindestens 20 % der Adhäsivknoten induziert war. Bei allen Simulationen waren die Randbedingungen identisch. Zur Lagerung der Modelle wurden mehrere Knoten fixiert, welche möglichst weit von der „region of interest“ (ROI) entfernt waren. Alle Kontaktbedingungen zwischen den einzelnen Teilmodellen waren als fest definiert.
Dehnungsmessung
Nach Abschluss der FEM-Simulationen wurde an allen Knotenpunkten des PDL die effektive Dehnung (in μstrain) regist-
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
Figure 3. Distribution of strain associated with the four debonding techniques in the PDL of four different teeth Abbildung 3. Verteilung der effektiven Dehnungswerte im PDL des Schneidezahns 32 (mit Attachmentverlust), des Schneidezahns 42, des Prämolaren 44 und des Molaren 47 in Abhängigkeit des jeweiligen Debondingverfahrens
μstrain 5x105
Incisor 32 (alveolar bone loss)
Incisor 42
Bicuspid 44
Molar 47
4x105
3x105
2x105
1x105
PDL: ultimate strain
0 0
nodes
100 0
Frontal Rotation
292
nodes
100 0
Lateral Rotation
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nodes
100 0
Compression
nodes Shearing-off
100
Figure 4. Comparison of the top 100 effective strain values induced by the four debonding techniques in the PDL of four different teeth Abbildung 4. Vergleich der 100 höchsten effektiven Dehnungswerte (Top 100), die während der unterschiedlichen Debondingverfahren im PDL der Zähne 32, 42, 44 und 47 gemessen wurden
Holberg et al. Periodontal strains during bracket removal
bution was followed by calculating Spearman’s rank correlation coefficients.
Results An overview of the statistical results obtained from all samples is provided in Tabelle 2, and the distribution of effective strain measured in the PDL of the four teeth analyzed are summarized in Figure 3 in a color-coded fashion. Both frontal and lateral-torquing debonding techniques resulted in relatively high mean strain values. We observed substantially lower strain values (although at levels that varied according to tooth type) with the shear technique, while the compression technique induced almost no strain on the PDL whatsoever and yielded consistently favorable results at all four tooth sites (Figure 4).
Frontal torquing
This debonding technique was associated with markedly greater strain on the PDL than the techniques of compressing the bracket wings or the shear technique. Nevertheless, the re-
riert. So erhielt man eine hohe Anzahl von Einzelmessungen, um eine adäquate statistische Analyse zu ermöglichen. Die Anzahl der einzelnen Messungen im PDL hing dabei von seiner jeweiligen Oberfläche ab: Zahn 32 (n = 3317), 42 (n = 4528), 44 (n = 4321), 47 (n = 7156).
Statistische Analyse
Alle gemessenen Dehnungswerte wurden explorativ und deskriptiv mit der Software IBM SPSS Statistics 19 analysiert (IBM Deutschland, Ehningen, Deutschland). Normalverteilung wurde durch den Kolmogorov-Smirnow-Test und signifikante Unterschiede zwischen den Stichproben durch den Mann-Whitney-U-Test (paarweise) nachgewiesen. Bei fehlender Normalverteilung wurde die Rang-Korrelation nach Spearman bestimmt.
Ergebnisse Die statistische Analyse aller Stichproben ist in Tabelle 2 dargestellt, die farbkodierte Verteilung aller Dehnungswerte im PDL in Abbildung 3. Die Mittelwerte sind dabei sowohl beim
Table 2. Statistical analysis of the strain values (in µstrain) measured within the PDL of the tooth 32 (alveolar bone loss), 42, 44 and 47 depending on the debonding procedure used Tabelle 2. Statistische Analyse der effektiven Dehnungswerte (µstrain) im parodontalen Ligament (PDL) des Zahns 32 (Attachmentverlust) und der Zähne 42, 44 und 47 in Abhängigkeit des verwendeten Verfahrens zur Entfernung des Brackets
Frontal torque
Lateral torque
Compression
Shearing off
Incisor 32 (alveolar bone loss)
Incisor 42
Bicuspid 44
Molar 47
n = 3317
n = 4528
n = 4321
n = 7156
Mean
129,158
59,255
41,732
25,487
SD
72,299
32,122
23,756
17,819
Median
112,530
52,544
36,663
23,312
Max
395,300
210,510
188,160
112,140
Min
13,016
6631
4710
78
Mean
153,104
73,864
53,165
44,670
SD
79,589
45,018
25,212
35,124
Median
134,790
62,886
50,061
34,889
Max
458,480
284,710
174,540
202,872
Min
11,410
6052
3624
555
Mean
10
6
20
31
SD
5
2
12
21
Median
9
5
17
27
Max
28
15
69
132
Min
2
1
3
1
Mean
11,620
4429
11,623
4129
SD
7956
3281
6259
3146
Median
8952
3288
10,461
3375
Max
54,839
27,099
55,076
18,237
Min
1133
347
1011
35
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Holberg et al. Parodontale Belastung bei Bracketentfernung
sults for this technique were slightly more favorable than those associated with lateral torquing [except for tooth 44, whose PDL was subjected to almost identical strain via both of those techniques (Figures 3 and 4)]. Frontal torquing yielded mean effective values of 129,158 µstrain at the periodontally compromised incisor (tooth 32), 59,255 µstrain at the contralateral tooth 42,41,732 µstrain at tooth 44, and 25,487 µstrain at tooth 47. The strain induced, thus, seems to vary according to the size of the dental root, as the mean values observed increased progressively with the surface area of healthy PDL (Table 2).
Lateral torquing
This technique induced high strain in the PDL of all the teeth investigated (Figures 3 and 4). Mean effective values were 153,104 µstrain at the periodontally compromised tooth 32, 73,864 µstrain at tooth 42, 53,165 µstrain at tooth 44, and 44,670 at tooth 47. As noted with frontal torquing, the severity of PDL strain induced by lateral torquing also varied according to the surface area of healthy PDL (Table 2).
Compression technique
The technique of compressing both bracket wings induced the lowest PDL strain by far (Figures 3 and 4). Mean effective values were down to merely 10 µstrain at tooth 32 despite pronounced attachment loss, to 6 µstrain at tooth 42, 20 µstrain at tooth 44, and 31 µstrain at tooth 47. We did not observe similarly low amounts of strain in association with any of the other techniques (Table 2).
Shear technique
This technique induced considerably less PDL strain than the torque-based methods, but was still associated with distinctly greater strain compared to the compression technique (Figures 3 and 4). Mean effective values were 11,620 µstrain at periodontally compromised tooth 32, 4429 µstrain at tooth 42, 11,623 µstrain at tooth 44, and 4129 µstrain at tooth 47 (Table 2). The severity of PDL strain associated with this debonding technique, while varying according to tooth type, does not appear to correlate with the surface area of periodontal attachment.
Statistical tests
In all teeth we analyzed, a highly significant difference (p
