Article Vermessung von Zahnstellungen und kieferorthopädischen Zahnbewegungen und Visualisierung der Daten was published on January 1, 1995 in the journal Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik (volume 40, issue s1).

An optomechanical set-up was developed to accurately measure displacement/force curves of the initial tooth mobility in vitro. The system presented is capable of recording all six components of a tooth movement resulting from an applied orthodontic force system, and consists of a laser diode-based optical part and a six degree of freedom mechanical part. Three laser diodes were mounted in orthogonal arrangement on the tooth of a specimen and their light (lambda = 670 nm) was focused on the surfaces of three position sensing detectors. The laser beams thus defined a cartesian rigid body coordinate system and the movements of the tooth could directly be derived from the movements of the laser spots on the surfaces of the optical detectors. The force system was applied and simultaneously measured via a three-dimensional force-torque transducer mounted on a six-axis positioning table. Measuring accuracy of the tooth displacements was in the range of 9.0 microns and 0.022 deg for translations and rotations, respectively. Resolution and accuracy of the mechanical system was approx. 0.02 N for the measurement of forces and 0.5 Nmm for torques. Displacement/force diagrams of the specimen of a swine's mandible are presented, showing the relationships between applied force system and tooth displacement of the lower first premolar. The accuracy reached proved to be sufficient for the verification of numerical (Finite Element) models of the initial tooth mobility.

Article Computergestützte kieferorthopädische Behandlungsplanung und Analyse von Behandlungssituationen was published on January 1, 1997 in the journal Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik (volume 42, issue s2).

EINLEITUNG: Im Verlauf einer kieferorthöpädischen Therapieplanung, ist die Kenntnis der durch die eingesetzten Behandlungselemente erzeugten Kräfte und Drehmomente (Kraftr Systeme) schon im Vorfeld der Behandlung wünschenswert. Diese Kraftsysteme ermöglichen eine Bewegung von Zähnen oder Zahngruppen durch den Kieferknochen um bis zu mehreren Millimetern im Fall von Translationen bzw. bis zu 90° im Fall von Rotationen. Im Rahmen des vorliegenden Beitrages wird die Entwicklung eines Modells zur Berechnung der Kraftsysteme kieferorthopädischer Behandlungselemente mit Hilfe der FiniteElemente-Methode (FEM) vorgestellt. Bisher durchgeführte Untersuchungen lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Zum einen wurden Behandlungselemente durch analytische Modelle beschrieben [7, 8], wobei die auftretenden Kräfte und Drehmomente direkt berechnet werden können. Andere Untersuchungen benutzten numerische Verfahren wie FEM [l, 2, 5, 9] oder FDM (Finite-Differenzen-Methode) [3] und basieren auf diskretisierten Modellen. In dieser Untersuchung, die Bestandteil eines Projektes zur kieferorthöpädischen Behandlungsplanung am Computer ist, wurden die Kraftsysteme mit Hilfe der Methode der Finken Elemente bestimmt. Zielsetzung ist es, alle Schritte einer kieferarthopädischen Behandlung am Computer zu simulieren, um so als Entscheidungshilfe für den Behandler zu dienen.

Article In vitro Bestimmung initialer Zahnbeweglichkeiten in einem optomechanischen Meßaufbau was published on January 1, 1996 in the journal Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik (volume 41, issue s1).

EINLEITUNG: Um wissenschaftliche Untersuchungen in der Kieferorthopädie möglich zu machen, ist es unumgänglich, daß die Daten klinischer Behandlungen in eine für Computeranwendungen geeignete Form gebracht werden. Die für eine Untersuchung notwendigen Daten umfassen die Lage der Brackets, die Stellung der Zähne und das auf die Brackets wirkende Kraftsystem, d.h. die Geometrie der angewandten kieferorthopädischen Behandlungselemente (Bögen, Loops etc.). Die bisherigen Meßverfahren zur Erfassung klinischer Situationen liefern nur die Position der Brakkets, die Oberflächen der Zähne oder die Parameter einer kieferorthopädischen Zahnbewegung [1,2]. Für die Untersuchung kieferothopädischer Behandlungen und damit das Verständnis von Zahnbewegungen ist aber insbesondere die Information über die Lage der Zahnwurzel und die des Brackets als Kraftangriffspunkt von Bedeutung. Daher wurde ein Verfahren zur Vermessung der Gipsmodelle ausgewählt und eine Methode zur Bestimmung der Lage der Zahnwurzel und der Lage des Brackets entwickelt. Um mit den so erhaltenen Daten arbeiten zu können, wurde das Programm CADO (Computer Aided Design for Orthodontics) erstellt, das die klinische Situation visualisieren kann und das die weitere Verarbeitung der Daten ermöglicht. Dazu gehört z.B. die Ausgabe der Geometrie eines Behandlungselementes an ein Finite Elemente System zur Berechnung der auftretenden Kraftsysteme oder der Aufruf eines Simulationsprogramms zur Vorhersage von Zahnbewegungen. Zur Simulation von Zahnbewegungen wurde das Programm CAMS (Computer Aided Movement Simulation) entwickelt, das zur Berechnung der zu erwartenden Zahnbewegung in Abhängigkeit vom anliegenden Kraftsystems dient.

In der Kieferorthopädie werden hauptsächlich metallische Werkstoffe zur Konstruktion von Behandlungselementen im Rahmen einer Zahnfehlstellungskorrektur eingesetzt. Um die Wirkungsweise dieser Apparaturen beurteilen zu können, ist die Kenntnis der erzeugten Kraftsysteme von Bedeutung. Zur Berechnung der Kräfte und Drehmomente können die Elastizitätsparameter (Youngsche E-Moduln, Grenzdehnungen) der verwendeten Materialien herangezogen werden. Grundsätzlich lassen sich diese Elastizitätsparameter in Zug-und Biegeversuchen bestimmen. Parameter aus Zugversuchen sind jedoch weniger geeignet, da die in der Kieferorthopädie verwendeten Apparaturen vornehmlich auf Biegung beansprucht werden und daher auch die Materialparameter aus geeigneten Biegeversuchen gewonnen werden müssen. Für diese Experimente wird ein neues Verfahren zur Biegeprüfung hochflexibler Materialien und die Bestimmung der zugrundeliegenden Materialparameter vorgestellt. Ein Vergleich von Kraftsystemen, die einerseits mit Hilfe dieser Parameter berechnet, andererseits unmittelbar am Behandlungselement gemessen wurden, zeigt für Biegeparameter eine wesentlich bessere Übereinstimmung als für Zugparameter. Damit wird mit Hilfe des Biegeversuchs eine zuverlässigere Vorhersage der von einem Behandlungselement erzeugten Kraftsysteme und das zielgerichtete Design neuartiger kieferorthopädischer Apparaturen möglich.

Shape-memory alloys (SMA) exhibit ''super-elastic'' deformation behaviour in both tensile and bending tests: linear-elastic and ideal-plastic sections occur alternately during a load/unload cycle. A new analytical model for the description of pure bending of SMA on the background of continuum mechanics is given, This model allows mathematical derivation of elasticity parameters needed for the characterization of SMA deformation. The parameter set consists of six elastic moduli and three strain limits, leading to a total of nine mechanical quantities necessary for analytically setting up the associated bending moment/bending angle diagram. The physical relevance of the elasticity parameters delivered by the model is checked by comparing experimental and theoretical (computed on the base of the parameter set) force systems on a T-shaped spring.