Purpose: NiTi wires are considered as the most appropriate wires to be used during the initial phase of orthodontic treatment. This work presents a numerical method to simulate the coupling between the orthodontic appliance and bone remodeling, which are the two mechanisms responsible for the orthodontic tooth movement.
Methods: The superelastic behavior of a NiTi wire was integrated in a three-dimensional simulation model to reproduce the long-term bone remodeling coupled with tooth alignment using the finite element method. The orthodontic load was derived by deforming the superelastic wire in order to adopt itself to the original position of irregular teeth. Root form was extracted from cone beam tomography imaging files.
Results: As a result, the teeth were aligned while the wire was recovering its initial shape. The canine was intruded by 0.53 mm, while the neighboring teeth were extruded by 0.44 and 0.46 mm. When the wire was loaded, it generated a load of 4.6 N on the bracket bonded on the canine. This force was active during the first day of the treatment. Then, the force continued to decline until the end of the correction period. The decreasing load delivered from the wire affected the teeth displacements as observed in real situations.
Conclusion: Despite the complexity of the presented numerical simulation, this procedure allowed the analysis of the orthodontic forces that were generated in the clinical experiments and of the biomechanical response of the periodontal support elements when using this kind of wire.
Zusammenfassung: ZIELSETZUNG: NiTi-Drähte gelten als die für die Anfangsphase einer kieferorthopädischen Behandlung am besten geeigneten Drähte. In der vorliegenden Arbeit wird eine numerische Methode vorgestellt, um die Verbindung zwischen kieferorthopädischer Apparatur und Knochenumbau zu simulieren – die beiden für die kieferorthopädische Zahnbewegung verantwortlichen Faktoren.
Methoden: Das superelastische Verhalten eines NiTi-Drahtes wurde in ein dreidimensionales Simulationsmodell integriert, um den langfristigen Knochenumbau in Verbindung mit der Zahnausrichtung unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode zu reproduzieren. Die kieferorthopädische Belastung wurde abgeleitet, indem der superelastische Draht so verformt wurde, dass er sich an die ursprüngliche Position unregelmäßiger Zähne anpasst. Die Wurzelform wurde aus den DVT(digitale Volumentomographie)-Bilddateien extrahiert.
Ergebnisse: Im Ergebnis wurden die Zähne ausgerichtet, während der Draht wieder seine ursprüngliche Form annahm. Der Eckzahn wurde um 0,53 mm intrudiert, die benachbarten Zähne wurden um 0,44 und 0,46 mm extrudiert. Der aktivierte Draht erreichte eine Kraft von 4,6 N auf das am Eckzahn angebrachte Bracket. Diese Kraft war am ersten Tag der Behandlung wirksam, im Anschluss wurde sie bis zum Ende der Behandlungszeit kontinuierlich geringer. Die nachlassende vom Draht ausgehende Kraft beeinflusste die Zahnverschiebungen, wie dies in der Praxis zu beobachten ist.
Schlussfolgerung: Trotz der Komplexität der numerischen Simulation ermöglichte das vorgestellte Verfahren die Analyse der in klinischen Experimenten erzeugten kieferorthopädischen Kräfte und der biomechanischen Reaktion des parodontalen Halteapparates bei der Verwendung dieser Art von Draht.
Keywords: Activated wire; Computer simulation; Finite element method; Nickel-titanium arch wires; Orthodontic tooth alignment.