Fizjoterpi 2008, 16, 2, 51-57 ISSN 1230-8323 DOI: 10.2478/v10109-009-0020-0 Ocen sztywności i wytrzymłości wyrnych zespoleń odłmów osteotomijnych po oustronnej strzłkowej osteotomii głęzi żuchwy Assessment of rigidity nd strength of selected osteosyntheses fter ilterl sgittl split osteotomy Przemysłw Stróżyk 1, Agnieszk Szust 1, Rfł Nowk 2 1 Politechnik Wrocłwsk, Wydził Mechniczny Wrocłw University of Technology, Fculty of Mechnicl Engineering 2 Akdemi Medyczn im. Pistów Śląskich, Zkłd Chirurgii Szczękowo-Twrzowej Silesin Pists University of Medicine in Wrocłw, Deprtment of Mxillofcil Surgery Streszczenie: Celem niniejszej prcy ył doświdczln ocen in vitro sztywności n zginnie i wytrzymłości wyrnych zespoleń stosownych do połączeni odłmów kostnych po wykonniu oustronnej strzłkowej osteotomii głęzi żuchwy. Ze względu n porównwczy chrkter dń zdecydowno się n zstosownie schemtu ociążeni zproponownego przez Armstrong i ukłdu do zginni trójpunktowego. Bdni zostły przeprowdzone n poliuretnowych modelch ludzkiej żuchwy jeden reprezentowł ntomicznie i fi zjologicznie poprwny model żuchwy, w pozostłych wykonno osteotomię wg Owegeser, nstępnie wykonno ich zespolenie. Do połączeni odłmów wykorzystno dw rodzje wkrętów i dw rodzje płytek do osteosyntezy, tj. 4-oczkową i 6-oczkową. Sztywność n zginnie wyznczono n podstwie klsycznego równni linii ugięci elki przy zginniu trójpunktowym w zkresie ociążeń poopercyjnych, ntomist do oceny wytrzymłości wykorzystno wrtość mksymlnego ociążeni. Wykzno, że w modelch po osteotomii zncząco zmniejsz się sztywność i wytrzymłość w stosunku do modelu ez osteotomii. Słow kluczowe: żuchw ludzk, oustronn strzłkow osteotomi głęzi żuchwy, osteosyntez, mini płytki, ikortyklne wkręty, dnie iomechniczne sztywności orz wytrzymłości. Astrct: The im of this reserch ws to experimentlly ssess in vitro the conventionl fl exurl rigidity nd strength of selected osteosyntheses employed to join one frgments fter ilterl sgittl split osteotomy. Becuse of the comprtive nture of the reserch the loding confi gurtion proposed y Armstrong nd the three-point ending system were used. Tests were crried out on polyurethne models of the humn lower jw. One model represented the ntomiclly nd physiologiclly norml mndile while in the cse of the other models Owegeser osteotomies were performed nd susequently osteosynthesized. Two types of screws nd two types of pltes, i.e. four-hole plte nd six-hole plte, were used to join the one frgments. Conventionl fl exurl rigidity ws determined using the clssic em ending line eqution for three-point ending in the postopertive lod rnge. The test results show tht the conventionl rigidity nd strength of the osteotomized models re signifi cntly lower in comprison with the model without osteotomy. Key words: humn mndile, ilterl sgittl split osteotomy, osteosyntheses, minipltes, iocorticl srews, iomechnicl rigidity nd strength testing. Wprowdzenie Oustronn strzłkow osteotomi głęzi żuchwy (ng. ilterl sgittl split osteotomy BSSO) jest podstwową procedurą stosowną w chirurgii ortogntycznej w celu wykonni korekcji rozwojowych orz nytych wd dolnej żuchwy. Oecnie njrdziej powszechne są dwie metody łączeni przeciętych odłmów kości: 1) z pomocą śru ikortyklnych, 2) z pomocą implntów, tzn. wszystkich rodzjów płytek. Litertur dotycząc wyników dń doświdczlnych [1-3] odnosi się głównie do sposoów łączeni odłmów kości, le rzdko możn znleźć (szczególnie w polskiej literturze) prce zjmujące się wpływem rodzju zesplni n sztywność ukłdu orz jego wytrzymłość. Introduction Bilterl sgittl split osteotomy (BSSO) is sic procedure used in orthogntic surgery to correct developmentl nd cquired disorders of the lower jw. The most populr tody re two methods of osteosynthesizing osteotomic one frgments y mens of: 1) icorticl screws, 2) implnts, i.e. ll kinds of pltes. In the literture on the suject experimentl results [1-3] relting minly to wys of joining osteotomic one frgments re reported ut one cn rrely fi nd (prticulrly in the Polish literture) ppers deling with the effect of the kind of osteosynthesis on the rigidity of the system nd its strength. Hence this reserch ws undertken to experimentlly ssess in vitro the rigidity nd strength of different 51
Przemysłw Stróżyk, Agnieszk Szust, Rfł Nowk Ocen sztywności i wytrzymłości wyrnych zespoleń odłmów osteotomijnych po oustronnej strzłkowej... Fizjoterpi 2008, 16, 2 Dltego też przeprowdzono niniejsze dnie mjące n celu doświdczlną ocenę in vitro sztywności n zginnie i wytrzymłości wyrnych zespoleń stosownych do połączeni odłmów kostnych po wykonniu oustronnej strzłkowej osteotomii głęzi żuchwy. Ze względu n porównwczy chrkter dń zstosowno system zginni trójpunktowego. W celu symulcji dziłni mięśni żwcz zprojektowno system fi ksujący orz ociążjący. wys of osteosynthesizing one frgments fter BSSO. Becuse of the comprtive nture of the reserch the three-point ending test ws used. A fi xing nd loding system ws designed to simulte the ction of the msseter muscles. 52 Mterił i metody dń W doświdczenich użyto cztery poliuretnowe modele żuchwy (wyprodukowne przez SYNBONE, numer ktlogowy 8596). Trzy modele przedstwiły zespolenie rzegów odłmów kości żuchwy, czwrty model żuchwy fi zjologicznie i ntomicznie prwidłowej. Wyrne modele zostły przecięte w tki sposó, że lini cięci (ryc. 1) pokrywł się z linią osteotomii wg Owegeser [4] orz z modyfi kcją wg Dl Pont [5]. Ze względu n fkt, że proces cięci ył rdzo skomplikowny, specjlnie dl modelu zprojektowno oryginlną podpórkę (ryc. 1) orz użyto piły sznurowej. Do zespoleni frgmentów kości zostły użyte dw rodzje śru orz dw rodzje implntów, tzn. płytki czterootworowe (MEDGAL, Polsk) orz sześciootworowe 665164555 (MEDARTIS, Szwjcri). Śruy iokortyklne, o długości 13 mm orz średnicy 3 mm, w formie odwróconej litery L (ryc. 2) zostły użyte do osteosyntezy, podczs gdy śruy o długości 5 mm orz średnicy 2 mm zostły wykorzystne do osteosyntezy z użyciem monokortyklnie zmontownych płytek (ryc. 3). Bdni zostły przeprowdzone w testerze MTS 858 MiniBionix z użyciem schemtu ociążeniowego zproponownego przez Armstrong [6] orz systemu zginni trójpunktowego (ryc. 4). W powyższym modelu dziłją trzy siły: sił B wyrostek stwowy podpor B, sił A związn z odgryzniem orz żuciem pożywieni podpor A orz sił P pochodząc z dziłni mięśni żwcz n dolną żuchwę. Ze względu n rodzj dni orz metody podpierni orz ociążni stnowisko do dni (ryc. 5) zostło zprojektowne w ten sposó, że ociążenie P jest rozdzielone między dwie P/2 części skłdowe, których kierunki dziłni pokrywją się z siłmi zproponownymi przez Armstrong (ryc. 4). Model ył podtrzymywny w półksiężycowtym wcięciu orz n poziomie przedtrzonowym. Prędkość serwomotoru wynosił odpowiednio 0,2 mm/ min orz 0,5 mm/min podczs zliżni do modelu orz podczs ociążni. Przed dokonniem pomiru model zostł ociążony siłą 10 N, przesunięcie/przeniesienie serwomotoru dl tego ociążeni miło wrtość zerową (f). Bdni yły prowdzone do momentu zepsuci się modelu. Dw prmetry: sztywność n zginnie EJ orz mksymlne ociążenie P mx zostły użyte do oceny sztywności orz wytrzymłości. Jeżeli chodzi o kwestię sztywności, ustlon EJ powinn yć trktown jko prmetr porównwczy, nie jko dokłdn wrtość. Stąd niniejszy iloczyn ędzie w dlszej części określny stndrdową sztywnością n zginnie i ędzie oznczny w indeksie dolnym c, tzn. (EJ) c, w celu odróżnieni go od wrtości ustlonej dl elek pryzmtycznych w dniu zginni w zkresie liniowo- -sprężystym. W zginniu trójpunktowym (ryc. 4) sztywność n zginnie oliczn jest n podstwie poniższego wzoru: Mteril nd methods In the experiments four polyurethne mndile models (mde y SYNBONE, ctlogue numer 8596) were used. Three of the models represented osteosyntheses of osteotomic mndile frgments while one represented the physiologiclly nd ntomiclly norml mndile. The selected specimens were cut in such wy tht the cutting line (Fig. 1) coincided with the Owegeser osteotomy line [4] with the Dl Pont modifi ction [5]. Since the cutting process ws complicted n originl mount (Fig. 1) for the model ws designed nd string sw ws used. Two types of screws nd two types of implnts, i.e. 4-hole plte (MEDGAL, Polnd) nd 6-hole plte (ME- DARTIS, Switzerlnd) were used to join the one frgments. Bicorticl screws, 13 mm long nd 3 mm in dimeter, were used for n osteosynthesis in the form of n inverted letter L (Fig. 2) while 5 mm long nd 2 mm in dimeter screws were used for n osteosynthesis with monocorticlly fi xed pltes (Fig. 3). Tests were crried out in n MTS 858 MiniBionix tester, using the loding configurtion proposed y Armstrong [6] nd system for three-point ending (Fig. 4). In the ove model three forces: force B in the rticulr process support B, force A ssocited with the iting off nd mstiction of food support A nd force P originting from the msseter muscles ct on the lower jw. Becuse of the kind of test nd the method of support nd loding, the test rig (Fig. 5) ws so designed tht lod P is distriuted into two P/2 components whose ction directions coincide with the direction of the forces proposed y Armstrong (Fig. 4). The model ws supported in the semilunr incisure nd t the premolrs level. The servomotor speed ws 0.2 mm/min nd 0.5 mm/ min respectively during pproch to the specimen nd during loding. Before the mesurement the specimen ws loded with force of 10 N nd the servomotor displcement null (f) ws determined for this lod. The tests were conducted until specimen filure. Two prmeters: fl exurl rigidity EJ nd mximum lod P mx, were used to ssess model rigidity nd strength. As regrds rigidity one should not tht the determined EJ should e considered s comprtive prmeter nd not s precise vlue. Hence this product will e further referred to s conventionl fl exurl rigidity nd it will e denoted with the suscript c, i.e. (EJ) c, to distinguish it from the vlue determined for prismtic ems in simple ending test in the liner-elstic rnge. In three-point ending (Fig. 4) fl exurl rigidity is clculted from the following generl reltion:
Physiotherphy 2008, 16, 2 Przemysłw Stróżyk, Agnieszk Szust, Rfł Nowk Assessment of rigidity nd strength of selected osteosyntheses fter ilterl sgittl split osteotomy EJ = 2 2 P, 3L f EJ = 2 2 3L P f gdzie: ozncz odległość od lewej podpory [m], ozncz odległość od prwej podpory [m], E ozncz moduł Young [MP], J ozncz moment ezwłdności przekroju poprzecznego [m 4 ], L ozncz odległość między podpormi [m], P ozncz ociążenie [N]. Modele używne w dnich zostły oznczone w sposó nstępujący: P1 model prwidłowy fi zjologicznie i ntomicznie, P2 model z osteosyntezą wykonną z użyciem śru, P3 model z osteosyntezą wykonną z użyciem płytki czterootworowej, P4 model z osteosyntezą wykonną z użyciem płytki sześciootworowej. where: the distnce from the left support [m], the distnce from the right support [m], E Young s modulus [MP], J the cross sectionl moment of inerti [m 4 ], L the support spcing [m], P the lod [N]. The models used in the tests were denoted s follows: P1 the physiologiclly nd ntomiclly norml model, P2 the model with n osteosynthesis mde with screws, P3 the model with n osteosynthesis mde with 4-hole plte, P4 the model with n osteosynthesis mde with 6-hole plte. cuting line lini cięci wire sw pił liniow test piece element testowny clmping device urządzenie do kremowni (uchwyt) Ryc. 1. Cięcie modeli: ) lini cięci głęzi żuchwy, ) podpórk dl modelu Fig. 1. Specimen cutting: ) mndile rmus cutting line, ) model mount Ryc. 2. Osteosyntez z wykorzystniem śru iokortyklnych Fig. 2. Osteosynthesis with icorticl screws 53
Przemysłw Stróżyk, Agnieszk Szust, Rfł Nowk Ocen sztywności i wytrzymłości wyrnych zespoleń odłmów osteotomijnych po oustronnej strzłkowej... Fizjoterpi 2008, 16, 2 Ryc. 3. Osteosyntez pośredni implntow: ) płytk czterootworow, ) płytk sześciootworow Fig. 3. Intermedite osteosynthesis with implnts: ) 4-hole plte, ) 6-hole plte promień em podpor / support Ryc. 4. Ociążenie żuchwy zgodnie ze schemtem Armstrong: ) model zginni trójpunktowego, ) zstosowny rozkłd sił dziłjący n żuchwę [6] Fig. 4. Mndile loding ccording to Armstrong: ) three-point ending model, ) djusted distriution of forces cting on mndile [6] 54 Ryc. 5. Stnowisko do dni: ) system stłych elementów z modelem orz rozdzielenie ociążeni P n części skłdowe P/2, ) kierunek siły (P/2) symulującej dziłnie mięśni żwcz Fig. 5. Test rig: ) system of fi xtures with model nd distriution of lod P into components P/2, ) direction of force (P/2) simulting msseter muscle ction
Physiotherphy 2008, 16, 2 Przemysłw Stróżyk, Agnieszk Szust, Rfł Nowk Assessment of rigidity nd strength of selected osteosyntheses fter ilterl sgittl split osteotomy Wyniki Wyniki uzyskne z dń wytrzymłości n różnych modelch po wykonniu osteosyntezy są przedstwione w formie digrmów P = f(f), wrtości stndrdowej sztywności n zginnie (EJ) c orz wrtości mksymlnego ociążeni P mx. Rycin 6 przedstwi funkcję P = f(f) dl trzech osteosyntez (P2, P3 orz P4) modelu referencyjnego ez wykonnej osteotomii. Tel 1 przedstwi wrtości sztywności n zginnie (EJ) c orz mksymlnego ociążeni P mx. Wrtości (EJ) c zostły oliczone ze wzoru 1 n podstwie dnych z zkresu 40 250N (ryc. 6). Według Hrd [7] orz Tte [8] ten zkres ociążeni jest typowy dl pierwszych dwóch tygodni u pcjentów po strzłkowej osteotomii głęzi żuchwy. Bdni wytrzymłości pokzły, że model ez osteotomii złmł się w punkcie podporu (ryc. 8), tzn. we wcięciu półksiężycowtym (ng. semilunr incisures) (podpor B n ryc. 4), podczs gdy w modelch z wykonną osteosyntezą istnieją dw mechnizmy niepowodzeni w dziłniu nciętych frgmentów. Jeden mechnizm odnosi się do osteosyntezy wykonnej z użyciem śru ikortyklnych (P2). W tym przypdku model przestł dziłć w wyniku złmń w okolicch śru (rys. 8). Nie zoserwowno przemieszczeni się frgmentów kości. Inny mechnizm pojwił się w osteosyntezch, w których wykorzystno płytki, tj. płytki czterootworowe (P3) orz płytki sześciootworowe (P4). W tym przypdku niepowodzenie w dziłniu modelu yło spowodowne przemieszczeniem się frgmentów orz jednoczesną deformcją plstyczną implntów (ryc. 8). Nleży jednkże zuwżyć, że te zjwisk występują poz zkresem ociążeń fi zjologicznych w okresie poopercyjnym orz podczs rekonwlescencji. Results The results otined from the strength tests on the different osteosynthesis models hve the form of P = f(f) digrms, conventionl fl exurl rigidity (EJ) c vlues nd mximum lod P mx vlues. Figure 6 shows the P = f(f) function for three osteosyntheses (P2, P3 nd P4) nd the reference model without osteotomy. Tle 1 shows the vlues of fl exurl rigidity (EJ) c nd mximum lod P mx. The (EJ) c vlues were clculted from formul 1 on the sis of the dt for rnge of 40 250N (Fig. 6). According to Hrd [7] nd Tte [8] this lod rnge is typicl for the fi rst two weeks in ptients fter sgittl split osteotomy. The strength tests showed tht the specimen without osteotomy frctured t the point of support (Fig. 8), i.e. in the semilunr incisure (support B in Fig. 4) wheres in the specimens with n osteosynthesis there re two mechnisms of filure of the osteotomic frgments. One mechnism pplies to the osteosynthesis mde with icorticl screws (P2), in which cse the specimen filed s result of frctures in the vicinity of the screws (Fig. 8). No mutul displcements of the one frgments were oserved. The other mechnism occurs in the osteosyntheses in which pltes, i.e. 4-hole pltes (P3) nd 6-hole pltes (P4), were used. In this cse the specimen fils s result of the mutul displcement of the frgments nd the simultneous plstic deformtion of the implnts (Fig. 8). One should note, however, tht these phenomen occur eyond the rnge of physiologicl lods in the postopertive period nd during the convlescence. 8000 7000 P1 sił / force P[N] 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 P2 P3 P4 0 2 4 6 8 10 przemieszczenie / displcement Displcement f [mm] f [mm] sił / force P[N] 200 100 0 P2 P1 P4 P3 0 0.5 1 1.5 przemieszczenie Displcement / displcement f [mm] f [mm] Ryc. 6. Wpływ metody osteosyntezy: ) n P-f digrm orz mksymlne ociążenie P mx, ) n stndrdową sztywność n zginnie (EJ) c n poopercyjny zkres ociążeni Fig. 6. Effect of osteosynthesis mode: on P-f digrm nd mximum lod P mx, ) on conventionl flexurl rigidity (EJ) c in postopertive lod rnge Tel 1. Wrtości stndrdowej sztywności n zginnie orz mksymlnego ociążeni Tle 1. Vlues of conventionl fl exurl rigidity nd mximum lod Oznczenie Code (EJ) u [N/m 2 m 4 ] Prmetr Prmeter P mx [N] P1 5,4 7100 P2 3,8 5000 P3 3,0 2100 P4 1,5 1700 55
Przemysłw Stróżyk, Agnieszk Szust, Rfł Nowk Ocen sztywności i wytrzymłości wyrnych zespoleń odłmów osteotomijnych po oustronnej strzłkowej... Fizjoterpi 2008, 16, 2 Ryc. 7. Przykłdy niepowodzeni w dziłniu modelu: ) ez osteosyntezy (P1), ) z osteosyntezą wykonną z użyciem śru ikortyklnych (P2) Fig. 7. Exmple of model filure: ) without osteosynthesis (P1), ) with osteosynthesis mde with icorticl screws (P2) Ryc. 8. Przykłdy niepowodzeni osteosyntezy wykonnej z użyciem: ) płytki czterootworowej (P4), ) płytki sześciootworowej (P6) Fig. 8. Exmple of filure of osteosynthesis mde with: ) 4-hole plte (P4), ) 6-hole plte (P6). 56 Wnioski Conclusions W odniesieniu do cechy przemieszczeni spośród rodzjów osteosyntez dolnej żuchwy poddnych dniu wykzno, że system (P2) łączony 3 śrumi zostł uznny z njliższy modelowi referencyjnemu (P1). W przypdku osteosyntezy wykonywnej odpowiednio z wykorzystniem płytek czterootworowych orz sześciootworowych (P3 orz P4) nie ustlono związku podoieństw pomiędzy cechmi ich deformcji orz modelu referencyjnego. Model z wykonną osteosyntezą z użyciem płytki sześciootworowej wykzł njmniejszy związek/podoieństwo między cechą jego przemieszczeni cechmi modelu fizjologicznie orz ntomicznie prwidłowego. Według wyników przedstwionych w t. 1 we wszystkich modelch z wykonną osteosyntezą, zrówno sztywność (EJ)c, jk i mksymlne ociążenie Pmx, zmniejszyły się względem modelu ntomicznie orz fizjologicznie prwidłowego, tzn. w przypdku modelu P2 (EJ)c zmniejszyły się o 30%, Pmx o 30%, w przypdku P3 (EJ)c o 45%, Pmx o 70%, w przypdku P4 (EJ)c ż o 70%, Pmx o 76%. As regrds the displcement chrcteristic, from mong the tested kinds of lower jw osteosynthesis the system (P2) fixted with n osteosynthesis in the form of 3 screws ws found to e the closest to the reference model (P1). In the cse of the osteosyntheses mde with respectively the 4-hole plte nd the 6-hole plte (P3 nd P4), no greement etween their deformtion chrcteristics nd tht of the reference model ws otined. The model osteosynthesized y mens of the 6-hole plte showed the poorest greement etween its displcement chrcteristic nd tht of the physiologiclly nd ntomiclly norml model. According to the results shown in tle 1, in ll the osteosynthesis models oth rigidity (EJ)c nd mximum lod Pmx decresed reltive to the ntomiclly nd physiologiclly norml model, i.e. for model P2 (EJ)c decresed y 30% nd Pmx y 30%, for P3 (EJ)c decresed y 45% nd Pmx y 70% nd for P4 (EJ)c decresed y s much s 70% nd Pmx y 76%.
Physiotherphy 2008, 16, 2 Przemysłw Stróżyk, Agnieszk Szust, Rfł Nowk Assessment of rigidity nd strength of selected osteosyntheses fter ilterl sgittl split osteotomy Piśmiennictwo References [1] Hmmer B., Ettlin D., Rhn B., Prein J. Stiliztion the short sgittl split osteotomy; in vitro testing of different plte nd screw confi gurtions. Journl of Crnio Mximo-Fcil Sugery, 1995, 23, 321-324. [2] Choi B. H., Yoo J. H., Kim K. N., Kng H. S. Stility testing of two miniplte fi xtion technique for mndiulr ngle frctures. An in vitro study. Journl of Crnio Mximo-Fcil Sugery, 1995, 23, 122-125. [3] Özden B., Alkn A., Arici S., Erdem E. In vitro comprison of iomechnicl chrcteristics of sgittl split osteotomy fi xtion techniques. J. Orl Mxillofc. Surg., 2006, 35, 837-841. [4] Truner R., Owegeser H. Zur opertionstechnikei der Progenie und nderen Unterkiefernomlien. Dtsch. Zhn-Mund-Kieferhelik, 1955, 23, 1-2. [5] Dl Pont G. Retromolr osteotomy for the correction of progntism. J. Orl Surg., 1961, 19, 1. [6] Armstrong J. E. A., Lpointe H. J., Hogg N. J. V., Kwok, A. D. Preliminry Investigtion of the Biomechnics of Internl Fixtion of Sgittl Split Osteotomies With Minipltes Using Newly Designed In Vitro Testing Model. J. Orl Mxillofc. Surg., 2001, 59, 191-195. [7] Hrd K., Ntr M., Ohkevin K. i in. Mesure of ite force nd occlusl contct re efor nd fter ilterl sgittl split rmus osteotomy of the mndile using New pressure sensitive device: A preliminry report. J. Orl Mxillofc. Surg., 2000, 58, 370. [8] Tte G. S., Ellis E. Throckmorton GS: Bite forces efore nd fter correction of mndiulr prognthism. J. Orl Mxillofc. Surg., 1995, 52, 734. Adres do korespondencji: Address for correspondence: Przemysłw Stróżyk Politechnik Wrocłwsk Wydził Mechniczny ul. Łuksiewicz 5 50-371 Wrocłw Wpłynęło/Sumitted: V 2008 Ztwierdzono/Accepted: VI 2008 57