おしゃぶりの変形と口蓋との相互作用を計算機上でシミュレーションする

Computational simulation of pacifier deformation and interaction with the palate.

• Christopher L Lee
• Michael Costello
• David A Tesini

抄録

研究の目的:

本研究の目的は、非栄養性吸啜（NNS）時のおしゃぶり、口蓋、舌の動的相互作用を確実にシミュレーションするために、コンピュータによる有限要素モデルを使用できることを示すことである。この相互作用は、変形、ひずみ、応力、接触力、接触面積を含む有限要素解析の結果によって定量化することができる。

OBJECTIVES: The objective of this study is to demonstrate that computational finite element models can be used to reliably simulate dynamic interaction between a pacifier, the palate, and the tongue during nonnutritive sucking (NNS). The interactions can be quantified by the results of finite element analyses which include deformation, strain, stress, contact force, and contact area.

材料と方法:

乳児のおしゃぶりと口蓋のCADソリッドモデルをもとに、有限要素モデルを作成した。おしゃぶりのシリコンバルブは超弾性構成則で表現しました。おしゃぶりと口蓋の間には接触面が定義されている。時間的・空間的に変化する圧力荷重をバルブにかけ、舌との蠕動運動を表現します。また，NNSを表す時間的に変化する周期的な圧力を同時にモデルに加えました．2回のNNSサイクルで大変位の非線形過渡ダイナミック解析を行いました。

MATERIALS AND METHODS: A finite element model was created based upon CAD solid models of an infant pacifier and palate. The silicone pacifier bulb is represented by a hyperelastic constitutive law. Contact surfaces are defined between the pacifier and palate. A time and spatially varying pressure load is applied to the bulb representing peristaltic interaction with the tongue. A second time-varying, periodic pressure representing NNS is applied to the model simultaneously. A large displacement, nonlinear transient dynamic analysis is run over two NNS cycles.

結果:

有限要素法による解析の結果，NNSサイクルにおける口蓋の最大主応力は0.60MPa（引張）から-0.27MPa（圧縮）の範囲で，最大主弾性ひずみは0.23となり，口蓋の変形形状が示されました。おしゃぶりと口蓋の接触部分を表面コンタープロットで示した。

RESULTS: Results from the finite element analysis show the deformed shape of the bulb with maximum principal elastic strain of 0.23 and a range of maximum principal stress on the palate from 0.60 MPa (tensile) to -0.27 MPa (compressive) over the NNS cycles. The areas of contact between the pacifier and the palate are shown in surface contour plots.

結論から言うと:

非線形過渡動的有限要素モデルは，NNSの対象となるおしゃぶりと舌との相互作用および口蓋との接触の機械的挙動をシミュレートすることができる。変形，ひずみ，応力，接触力，接触面積を予測した定量的な結果は，おしゃぶりが歯，顎，顔の発達にどのような変化をもたらすかについての洞察を得るための比較研究に用いることができる．

CONCLUSIONS: A nonlinear transient dynamic finite element model can simulate the mechanical behavior of a pacifier and its interaction with the tongue and contact with the palate subject to NNS. Quantitative results predicting deformation, strain, stress, contact force, and contact area can be used in comparative studies to provide insight on how pacifiers cause changes in dental, orthognathic, and facial development.

© 2021 The Authors. Clinical and Experimental Dental Research published by John Wiley & Sons Ltd.