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Les cahiers de prothèse n° 176 du 01/12/2016

 

Effet de la flexion mandibulaire sur la symphyse : modélisation par la méthode des éléments finis sur trois morphotypes de mandibules

Prothèses et recherche

C. MENSE / Y. GODIO-RABOUTET / M. RUQUET / O. HÜE / L. THOLLON  

Tout au long de la journée, sous l'effet de contractions musculaires multiples, la mandibule est soumise à de nombreuses sollicitations mécaniques, que ce soit lors des mouvements fonctionnels (mastication, déglutition...) ou de mouvements extrêmes. Ces derniers peuvent se produire en cas d'ouverture buccale ample, forcée (bâillement) ou, de manière plus spécifique, lors d'une prise d'empreinte classique. Comme tous les os longs du corps humain, la mandibule, lorsqu'elle est soumise...


Résumé

Résumé

L'action des muscles ptérygoïdiens latéraux entraîne une contraction mandibulaire dont l'amplitude varie de 0,1 à 1 mm par côté (mesures réalisées au niveau de l'angle goniaque). Les déformations se concentrent au niveau symphysaire, mais quel est le degré de flexibilité mandibulaire ? De plus, quel sera l'impact clinique selon la morphologie et le degré de la mandibule édentée ?

Une étude radiologique a été conduite à partir de 50 dentascanners, issus de bilans pré-implantaires du Pôle odontologie de la Timone à Marseille. Ils ont été effectués avec le même dispositif radiologique et le même opérateur. La moyenne d'âge globale de l'échantillon était de 71,8 ± 9,5 ans, lequel comprenait 24 sujets de sexe masculin (moyenne d'âge : 72,2 ± 10 ans) et 26 de sexe féminin (moyenne d'âge : 71,4 ± 9,2 ans). L'analyse en composantes principales (logiciel R-3.2.3®) a permis d'isoler 3 morphotypes dans l'échantillon.

Concernant l'étude de sensibilité, les résultats obtenus montrent qu'une augmentation du module de Young de l'os spongieux engendre un accroissement des contraintes au niveau symphysaire. Quant à l'influence du morphotype sur la réponse mécanique, un effort maximal a été mesuré au niveau de la section médiane de la symphyse pour l'ensemble des modèles et il augmente avec la robustesse de l'os.

L'étude de ces contraintes pourrait avoir une influence sur la conception des restaurations prothétiques conventionnelles et implantaires ainsi que sur le choix thérapeutique du praticien en fonction du morphotype de mandibule du patient.

Tout au long de la journée, sous l'effet de contractions musculaires multiples, la mandibule est soumise à de nombreuses sollicitations mécaniques, que ce soit lors des mouvements fonctionnels (mastication, déglutition...) ou de mouvements extrêmes. Ces derniers peuvent se produire en cas d'ouverture buccale ample, forcée (bâillement) ou, de manière plus spécifique, lors d'une prise d'empreinte classique. Comme tous les os longs du corps humain, la mandibule, lorsqu'elle est soumise à une force, se déforme [1]. Elle subit alors de nombreuses contraintes par flexion, torsion ou encore cisaillement (fig. 1) [2]. Ces différents mouvements peuvent avoir une grande influence sur le pronostic ainsi que sur le résultat des traitements prothétiques fixes sur dents naturelles ou sur implants [3].

De manière plus spécifique, sous l'effet de l'action des muscles ptérygoïdiens latéraux, une contraction du corps mandibulaire se produit dont l'amplitude varie de 0,1 à 1 mm par côté, mesures réalisées au niveau de l'angle goniaque [3]. Du fait de l'anatomie de la mandibule (en forme de U), la zone symphysaire subit une flexion (fig. 2).

Cette constatation a conduit à contre-indiquer les bridges de grande étendue monobloc incluant la région symphysaire, qu'ils soient classiques ou supra-implantaires. En effet, ces bridges complets peuvent parfois, sous l'effet des différentes contraintes, provoquer soit des douleurs soit des fractures au niveau de l'infrastructure prothétique [3, 4]. Ces éventualités sont potentialisées en présence de restaurations supra-implantaires, qui sont peu « adaptables » par rapport à des restaurations sur dents naturelles. En effet, le ligament parodontal peut jouer un rôle d'amortisseur. Cependant, la séparation de la prothèse dans la région symphysaire doit être envisagée [1, 5].

À l'heure où les prothèses sur implants sont largement préférées par les patients édentés totaux aux prothèses amovibles conventionnelles, l'étude des différents paramètres contribuant à la déformation du corps mandibulaire, en particulier au niveau symphysaire, s'impose.

Cette déformation est accentuée par les différents facteurs qui contribuent au remodelage osseux : facteurs locaux (perte des dents, état du site postextractionnel, durée de l'édentement, port d'une prothèse...), facteurs généraux (génétiques, ostéoporose, prise de certains médicaments...) et, peut-être, d'autres facteurs non encore identifiés qui participeraient au remodelage osseux [3].

Face à ces situations cliniques auxquelles tout praticien se trouvera un jour confronté, l'objectif de cette étude a été d'analyser, par une approche du type éléments finis, les incidences de cette flexion au niveau symphysaire en fonction de la morphologie et du degré de résorption des mandibules édentées.

Matériel et méthode

Matériel

L'étude a été menée à partir de l'analyse de 50 dentascanners de mandibules édentées depuis au moins 2 mois.

La moyenne d'âge globale de l'échantillon était de 71,8 ± 9,5 ans. L'échantillon comprenait 24 sujets de sexe masculin (moyenne d'âge : 72,2 ± 10 ans) et 26 sujets de sexe féminin (moyenne d'âge : 71,4 ± 9,2 ans).

Les examens radiographiques étaient issus d'archives du Pôle d'odontologie de l'hôpital de la Timone à Marseille et ont été sélectionnés de façon aléatoire. Dans la mesure où les examens complémentaires ont été réalisés dans le cadre d'un bilan pré-implantaire, aucune irradiation supplémentaire n'a été nécessaire pour l'étude. Enfin, les données étant anonymisées, l'obtention des consentements éclairés n'a pas été nécessaire de la part des patients.

Les individus inclus dans l'étude étaient considérés comme sains : aucun d'eux n'était atteint d'une pathologie pouvant affecter le métabolisme osseux. De plus, les antécédents de traumatismes, de séquelles chirurgicales ou de dysmorphoses constituaient des critères de non-inclusion. Les tranches d'âge, le sexe ou encore le niveau socio-économique des patients n'ont pas été sélectionnés préalablement.

Méthode

Mesures effectuées

Des mesures, décrites dans la littérature médicale et facilement reproductibles, ont été effectuées sur chacun des dentascanners [6, 7]. Elles concernent :

– la hauteur osseuse du corps mandibulaire au niveau de la symphyse (b1) et du foramen mentonnier (b2) (fig. 3) ;

– l'épaisseur de corticale inférieure dans la région du foramen mentonnier (b3) (fig. 4).

Mesures des hauteurs osseuses

Les hauteurs du corps mandibulaire ont été évaluées selon les critères proposés dans la littérature (fig. 3) :

– au niveau symphysaire (b1) ;

– au niveau des premières prémolaires (b2). Au niveau d'une arcade mandibulaire édentée, la position des prémolaires est estimée à approximativement 34 % de la longueur du corps mandibulaire en partant de la symphyse (fig. 3).

 Mesure de l'épaisseur de corticale (b3)

Cette mesure a été réalisée selon la technique de Ledgerton : « Le foramen mentonnier est identifié par un point de chaque côté et une ligne est tracée, qui passe perpendiculairement à la tangente au bord inférieur de la mandibule et passe au travers des foramina mentonniers. L'épaisseur de corticale est mesurée en ce point [7]. » (fig. 3).

L'ensemble des mesures recueillies a été enregistré dans un tableur Excel.

Analyses statistiques

Les analyses statistiques ont été effectuées grâce au logiciel R-3.2.3®.

Une analyse multivariée du type analyse en composantes principales (ACP) a été réalisée avec, comme paramètres, la somme des hauteurs du corps mandibulaire (b1, b2 abscisse) et l'épaisseur de la corticale (b3 ordonnée).

Ces axes sont représentés par les mesures b1 et b2 pour l'axe horizontal (aussi appelé premier axe principal) et b3 pour l'axe vertical (ou deuxième axe principal).

La contribution de ces variables (mesures b1, b2 et b3) à l'analyse a également été étudiée.

Modélisation des images médicales

Les modèles et simulations numériques issues des dentascanners ont été réalisés à l'aide de la suite de logiciels Altair Hyperworks® (Altair Engineering, Inc., États-Unis). Elles ont fait appel aux quatre logiciels suivants :

Logiciel Mimics® v.12

Ce logiciel permet la reconstruction 3D du corps mandibulaire à partir des images numériques DICoM (digital imaging and communications in medicine) issues de tomodensitométries (CT scan : computerized tomography scanner) (fig. 4 et 5).

 Logiciel HyperMesh®

Le logiciel HyperMesh® crée le maillage exploitable pour le calcul des éléments finis (fig. 6).

Cependant, il existe principalement deux techniques de modélisation.

– la première est la plus utilisée en biomécanique car on cherche le plus souvent des critères de rupture. L'os cortical est représenté par des « coques ». Il s'agit d'une représentation en 2D de l'os cortical alors que l'os spongieux est modélisé en 3D. Cette technique est plus rapide et plus simple à réaliser que la seconde. Cependant, elle donne des informations seulement sur la répartition des forces en surface. Or, dans le contexte de cette étude, il est important de comprendre l'effet des contraintes à la fois dans l'os cortical et dans l'os spongieux ;

– la seconde technique a été utilisée dans cet article. L'os cortical, tout comme l'os spongieux, est représenté par des éléments en 3D et non plus par un système de coques surfaciques. Cette technique est plus intéressante car elle permet d'analyser la répartition des contraintes dans les deux types d'os.

Une fois cette méthode testée, elle a été appliquée aux trois modèles de mandibules.

Pour chaque cas, l'épaisseur de la corticale a été mesurée sur les images DICoM en différents points (vestibulaire, lingual, supérieur et inférieur) et en différentes zones (symphyse, foramen mentonnier, corps, branche montante). Puis la modélisation par la méthode des éléments finis a été réalisée (fig. 7).

 Logiciel HyperCrash®

Ce logiciel permet d'intégrer les paramètres mécaniques spécifiques à chaque composant étudiés ainsi que leurs conditions limites (coefficient de Poisson et module de Young). Ces données, caractéristiques de l'os spongieux et de l'os cortical et validées par la littérature, sont entrées dans le logiciel.

Pour les os cortical et spongieux, les coefficients de Poisson sont identiques : 0,3 [8, 9]. Leur module de Young, quant à lui, diffère : 13,7 GPa pour l'os cortical et 1,37 GPa pour l'os spongieux [6, 9].

Dans le cadre de cette étude, de manière à simuler les variations de densité de l'os spongieux en fonction des classifications des densités osseuses (Lekholm et Zarb [10], Truhlar et al. [11]), trois modules de Young ont été choisis à l'aide de la publication de Correia et al. [12]. Ils ont été qualifiés de :

– spongieux 25 % : module de Young ≈ 1,37 GPa (os de type IV selon Lekholm et Zarb) ;

– spongieux 50 % : module de Young ≈ 4 GPa (os de type III) ;

– spongieux 75 % : module de Young ≈ 8 GPa (os de type II).

 Utilisation du logiciel HyperView®

Un déplacement allant de 0,1 à 1 mm par côté, au niveau des angles goniaques, est appliqué sur le modèle. La simulation numérique est effectuée à l'aide du moteur de calcul RADIOSS®. Ensuite, le logiciel HyperView® est utilisé pour le post-traitement, c'est-à-dire la lecture des résultats. Il permet d'observer et d'étudier les contraintes de von Mises non seulement, sur chacun des modèles, sur chaque face (vestibulaire, linguale, supérieure et inférieure) mais également de manière distincte sur l'os spongieux et sur l'os cortical.

Résultats

Analyse des tests statistiques

La réalisation de l'analyse en composantes principales a permis d'objectiver, pour le graphique obtenu, la contribution de chacune des variables à la dispersion des données. Les mesures b1 et b2, participant au premier axe principal (axe horizontal), représentent 66,18 % de l'inertie des variables. La mesure b3, variable du deuxième axe principal, représente 33,29 % de la dispersion. Enfin, les mesures 1 et 3 participent chacune à 49,9 % au premier axe principal.

L'analyse en composantes principales a réparti les données en trois groupes mettant en évidence l'existence de trois morphotypes de mandibules. Ces derniers ont été nommés « gracile », « lambda » et « robuste » (fig. 8).

Modélisation

Les modèles obtenus sont constitués en moyenne de 300 000 éléments tétraédriques pour l'os spongieux et autant pour l'os cortical.

Résultats du post-traitement par HyperView®

Les résultats portent sur deux paramètres.

Étude de sensibilité avec variations des propriétés mécaniques de l'os spongieux

L'augmentation du module de Young (ou module d'élasticité) de l'os spongieux se traduit par l'augmentation de la résistance à la fracture. De manière plus spécifique, elle engendre une augmentation des contraintes au niveau de la symphyse mandibulaire. La figure 9 illustre les résultats pour le morphotype « lambda ».

Influence du morphotype de la mandibule sur la réponse mécanique

Au niveau de la section médiane de la symphyse, un effort maximal a été mesuré pour l'ensemble des morphotypes et il augmente avec la robustesse de l'os (fig. 10).

Cependant, la différence est moins marquée entre les modèles « gracile » et « lambda ».

Les résultats des simulations montrent une plus grande répartition des contraintes pour un os « gracile » que pour un os « robuste », et ce dès le début de la sollicitation. Concernant le modèle « robuste », une concentration des efforts est observée dans la partie médiane de la symphyse jusqu'à la fin de la flexion (fig. 11).

Pour les trois morphotypes, la partie linguale de la symphyse semble plus sollicitée que la partie vestibulaire (fig. 11 et 12).

Discussion

En raison de la variabilité anatomique interindividuelle de la région symphysaire de la mandibule, cette zone semble être la plus intéressante à étudier.

Plusieurs auteurs ont déjà essayé d'étudier le phénomène de flexion mandibulaire [12, 13, 14].

Dans le cadre de cette étude, trois types de morphologies mandibulaires ont été individualisés. Cela a permis d'évaluer de manière plus précise le comportement de la symphyse alors que la mandibule est soumise à des contraintes par flexion.

Cette approche est spécifique car, jusqu'à présent, aucune autre étude analysant les variations morphologiques interindividuelles n'avait été réalisée. En effet, les études de Goodkind et de Fischman [13, 14] sont anciennes et prennent en compte un seul type de mandibule sans utiliser l'apport du numérique.

Si la technique de modélisation par la méthode des éléments finis s'est développée ces dernières années, aucun des textes publiés trouvés sur ce sujet ne représente l'os cortical en 3D. Une représentation surfacique de cet os a toujours été utilisée.

Mise en évidence et choix des trois morphotypes

Si les choix des modèles « robuste » et « lambda » ne sont pas discutables, celui du modèle « gracile » doit être argumenté. L'individu 7 présent à gauche sur la figure 8 n'a pas été choisi car il présentait des valeurs « aberrantes » : il s'agit d'un cas d'atrophie osseuse sévère et il n'est donc pas représentatif d'un modèle « gracile » courant. Ensuite, l'individu 23 a été préféré à l'individu 20 pour le modèle « gracile » car son épaisseur de corticale était plus petite (2 mm pour l'individu 23 et 4 mm pour l'individu 20).

Sollicitation étudiée

Dans cette étude préliminaire, seule la flexion mandibulaire a été considérée. Cette sollicitation a été choisie parmi l'ensemble des contraintes que subit la mandibule tout au long de la journée (flexion, torsion, cisaillement...) pour valider dans un premier temps la technique de modélisation de l'os. Il serait néanmoins intéressant de compléter les conditions de chargement du modèle en intégrant l'action des autres muscles de la sphère oro-faciale.

Incidence de la sensibilité

Selon Sivaraman et al. [3], plusieurs facteurs ont une influence significative sur la déformation mandibulaire : l'âge et le sexe du patient, la forme de la mandibule (hauteur osseuse du corps au niveau de la symphyse) ou encore sa structure (densité osseuse), la musculature du patient, ainsi que sa typologie faciale avec la mesure de l'angle goniaque. Des études in vivo confirment les résultats présentés plus haut. Les patients avec une hauteur osseuse symphysaire plus petite et, donc, une résorption plus marquée sont plus soumis à la déformation que les autres [15]. Il en est de même concernant la densité osseuse. Les patients atteints d'ostéoporose, avec un os moins dense, ont une flexion mandibulaire plus marquée [3].

Apports cliniques

La flexion mandibulaire est un phénomène multifactoriel qui se produit en même temps que les mouvements mandibulaires. Par conséquent, il est très important d'adopter les bonnes techniques qui permettent de limiter ces effets au cours d'une restauration prothétique. Cela permet non seulement d'obtenir des prothèses passives avec un ajustement précis mais aussi d'aider à maintenir la santé parodontale : celle des tissus osseux environnants et celle des implants [3].

L'étude de la flexibilité mandibulaire montre la nécessité de faire fermer la bouche du patient lors de la réalisation d'une empreinte par exemple [1, 16]. En effet, la mandibule subissant une déformation lors d'une ouverture ample, la forme finale de l'armature d'une prothèse implantaire ou la base prothétique d'une prothèse conventionnelle pourrait être erronée.

De plus, des études récentes s'intéressant aux effets de la flexion mandibulaire ont obtenu des résultats allant dans le même sens que ceux observés dans l'étude présentée ici [17].

Chez les édentés totaux demandeurs de restaurations fixes supra-implantaires, si des implants doivent être posés dans les régions postérieures, au-delà du foramen mentonnier, il est conseillé de segmenter la prothèse. Cela permettra de diminuer les effets délétères de la flexion mandibulaire sur la prothèse, les implants ainsi que les régions péri-implantaires [16].

Selon Favot et al. [17], chez les édentés complets, le choix du matériau constituant l'armature implantaire est important : les armatures en zircone sont plus sensibles aux contraintes que celles en titane. De plus, selon ces auteurs, la flexion mandibulaire diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la corticale et celle de la rigidité du matériau constituant l'armature. Parmi tous les matériaux, le nickel-titane est celui qui est préféré.

Paez et al. [18] ont aussi constaté les effets de cette flexion mandibulaire et ont réfléchi à une nouvelle conception d'armature supra-implantaire. Ils proposent de diviser un bridge complet supra-implantaire sur pilotis en deux bridges : la séparation s'effectuerait au niveau de la ligne médiane, de part et d'autre des incisives centrales mandibulaires. Cette conception permettrait de limiter les effets négatifs de la flexion mandibulaire et de réduire le stress et les tensions sur l'armature.

Conclusion

Les différentes fonctions dévolues à la cavité buccale résultent des contractions des nombreux muscles de la sphère oro-faciale. Celles-ci soumettent la mandibule à différents types de contraintes (flexion, torsion, cisaillement) d'intensité importante.

Dans le cadre de cette étude préliminaire, le comportement à la flexion de trois modèles différents de mandibule a été analysé à l'aide d'une technique novatrice de modélisation par éléments finis. La zone symphysaire, et plus particulièrement sa partie médiane, est la région la plus soumise à cette flexion en raison de l'anatomie en forme de U de la mandibule.

Par conséquent, les résultats obtenus sont déterminants dans l'approche thérapeutique des restaurations de l'arcade mandibulaire, du plan de traitement à la conception des armatures prothétiques en passant par le choix des matériaux.

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Liens d'intérêts

Les auteurs déclarent n'avoir aucun lien d'intérêts concernant cet article.

Auteurs

Chloé Mense - Michel Ruquet

UMR 7268 ADES, Aix-Marseille Université, EFS, CNRS, faculté de médecine Nord, 51, boulevard Pierre-Dramard, 13916 Marseille cedex 20, Faculté d'odontologie, Aix-Marseille Université, 27, boulevard Jean-Moulin, 13385 Marseille cedex 5, AP-HM, Service d'odontologie, Hôpital de la Timone, 13005 Marseille

Yves Godio-Raboutet - Lionel Thollon

Aix-Marseille Université, IFSTTAR, Marseille

Olivier Hüe

Faculté d'odontologie, Aix-Marseille Université, 27, boulevard Jean-Moulin, 13385 Marseille cedex 5