Universidad Europea de Madrid. Alcobendas (Spain)
June 12th, 2020
Original summary:
Introducción:
Los molares mandibulares presentan una alta prevalencia de irregularidades anatómicas tales como ramificaciones apicales que dificultan la completa limpieza y desinfección del sistema de conductos. El objetivo de esta tesis doctoral fue encontrar el equilibrio entre eficacia y seguridad en la irrigación con sistemas de presión positiva y negativa mediante el análisis de magnitudes clave de la dinámica de fluidos (trayectoria del flujo, velocidad del irrigante, tensión cortante y presión apical) en conductos radiculares ovales con ramificaciones apicales obtenidos a través de dientes reales y técnicas no destructivas.
Material y método:
Se seleccionó el micro-CT de un molar mandibular humano que presentaba un conducto oval con ramificación apical en la raíz distal para el estudio. Tras la conformación del conducto, se realizó un nuevo micro-CT. El modelo tridimensional fue segmentado, reconstruido y exportado a formato STL, para posteriormente ser tratado y convertido en un único cuerpo sólido preparado computacionalmente. Asimismo, se reconstruyeron por ordenador las geometrías de agujas de presión positiva de salida lateral (SL), frontal (SF) y fronto-lateral (SFL) y de la microcánula del sistema EndoVac (MiC). Con todos ellos, se crearon diferentes geometrías con distintas posiciones de las agujas: a 1 y 3 mm de la longitud de trabajo (LT) las agujas de presión positiva y a la LT la MiC. A partir de estas 7 geometrías se realizaron diferentes simulaciones: una con el sistema de conductos lleno de irrigante (SCI) y 4 simulando un vapor lock en los 2mm apicales (SCVL). En el grupo SCI se utilizó un flujo de 6 mL/min para las agujas de presión positiva. En los grupos con vapor lock se llevaron a cabo simulaciones con distintos flujos de entrada (6 mL/min (SCVL6); 12 mL/min (SCVL12); y 18 mL/min (SCVL18). Todas estas simulaciones se realizaron con una tensión superficial de 70 dyn/cm. Aparte se realizó una nueva simulación con flujo de entrada de 6 mL/min a menor tensión superficial (30 dyn/cm (SCVL6/30)). Tanto para SCI como SCLV, se llevó a cabo una simulación con MiC sustituyendo el flujo de entrada de irrigante por un poder de aspiración de 97,5 mmHg. La simulación numérica fue llevada a cabo con la extensión CFD del programa ANSYS 18.2 (ANSYS Fluent). Los resultados fueron visualizados y Se analizaron el comportamiento del flujo, la velocidad del irrigante, la distribución de la tensión cortante en la pared y la presión apical para cada una de las simulaciones. Se comparó la tensión cortante entre simulaciones para indirectamente evaluar la capacidad de limpieza de las mismas. Así mismo, la presión apical fue comparada entre las simulaciones y fue analizada en relación a un umbral de riesgo de extrusión de 25 mmHg.
Resultados:
En el Grupo SCI, la aguja SL cumplió con el binomio seguridad/eficacia, especialmente a 1 mm de la LT que obtuvo los valores más altos de tensión cortante y bajo riesgo de extrusión. Las simulaciones SF en cambio no cumplieron los objetivos: a 1mm generaron valores por encima del umbral de riesgo de extrusión aunque los valores de tensión cortante fueron altos, y a 3mm el irrigante no alcanzó los milímetros apicales y presentó valores de tensión cortante bajos. La SFL tanto a 1 mm como a 3 mm no generó flujo en la ramificación y obtuvieron valores de tensión cortante bajos, aunque los valores de presión apical se situaron también por debajo del umbral. La MiC, generó flujo en la ramificación apical, con valores de tensión cortante y presión apical bajos. En las simulaciones con vapor lock los resultados fueron diferentes. En el grupo SCVL6, la SL no eliminó en ningún caso el vapor lock, aunque los valores de presión apical fueron bajos y la tensión cortante alta a 1 mm de LT. La SF a 1 mm fue la única aguja de presión positiva en eliminar el vapor lock de una de la ramificaciones, aunque a 3mm resulto ineficaz. Los valores de presiones fueron similares al grupo SCI. La SFL fue ineficaz en la remoción del vapor lock y como en el resto de simulaciones los valores de presiones máximas resultaron prácticamente idénticos. Finalmente, la MiC eliminó parte del vapor lock de una de las ramificaciones y la presión apical resultó todavía menor que en SCI. En el grupo SCVL12 los valores de tensión cortante y presión apical aumentaron respecto al grupo SCVL6. Esta tendencia resultó generalizada para todas las simulaciones. La SL fue capaz de remover el vapor lock de 2 de las 3 ramificaciones, pero utilizada a 3 mm de LT fue la única simulación por debajo del umbral de riesgo de extrusión. SF penetró en 2 de las 3 ramificaciones y SFL en las 3 cuando se simuló a 1 mm de LT, pero solo parcialmente en una usada a 3 mm de LT. En el grupo SCV18 los valores de tensión cortante y presión apical aumentaron respecto al grupo SCVL12, con valores de presión apical que superaron el umbral en todas las simulaciones. La SL eliminó parcialmente el vapor lock de las 3 ramificaciones a 1 mm de LT, pero de ninguna a 3; la SFL también de todas ellas a 1 mm y solo de una a 3, y la SF de 2 a ambas longitudes. Finalmente, en el grupo SCV6/30 los valores de presión apical y tensión cortante fueron muy similares al grupo SCV6. La SL no fue capaz de eliminar el vapor lock de la ramificación apical, a diferencia del resto de simulaciones. La SF eliminó el vapor lock de 2 de las 3 ramificaciones cuando se simuló a 1 mm, y de 1 de ellas a 3 mm. La SFL de 1 de ellas a 1mm de la LT y de 2 de ellas a 3 mm. La MiC removió el vapor lock por completo de una de las ramificaciones y parte de otra ramificaicón.
Conclusiones:
La aguja que obtuvo un mayor equilibrio entre eficacia y seguridad durante la irrigación en ausencia de vapor lock fue la SL a 1 mm de LT con una velocidad de irrigación de 6 mL/min. En presencia de vapor lock fueron la SL a 1 mm y 6 mL/min, y con una tensión superficial de 30 dyn/cm tanto la SFL a 3 mm a 6 mL/min como la MiC . En el grupo con el sistema de conductos lleno de irrigante la aguja SL fue la que consiguió un mayor equilibrio entre eficacia y seguridad con valores altos de tensión cortante y bajos de presión apical cuando se simuló a 1 mm de LT. En presencia de vapor lock, la aguja SL a 1 mm y 6 mL/min de velocidad de irrigación y la MiC obtuvieron un mayor equilibrio entre la eficacia y seguridad. Asimismo, en presencia de vapor lock y con una tensión superficial de 30 dyn/cm, la SL a 1 mm y la SFL a 3 mm fueron las únicas en conseguir un equilibrio entre eficacia y seguridad.
English summary:
Introduction:
There is no irrigation system to date that allows the complete cleaning of the root canal system and the penetration of the irrigant in anatomical irregularities. The objective of this doctoral thesis was to find the balance between efficiency and safety in the irrigation of oval root canals with apical ramifications with positive and negative pressure systems by analyzing key magnitudes of fluid dynamics (flow, irrigant velocity, shear stress and apical pressure) in a real anatomical model obtained with non-destructive techniques.
Material and method:
The micro-CT of a human mandibular molar with an oval canal with an apical ramification in the distal root was selected for the study. A second micro-CT was performed after root canal preparation. The three-dimensional model was segmented, reconstructed and exported to STL format, to be subsequently converted into a computationally prepared single solid structure. Likewise, computerized geometries of lateral (SL), frontal (SF) and fronto-lateral (SFL) positive pressure needles and of the micro-cannula of the EndoVac (MiC) system were created. Different geometries were also created with the positive pressure needles at two different positions (1 and 3 mm from the working length (WL)) and the MiC at WL. Several simulations were carried out from these 7 geometries: one with the root canal system full of irrigant (SCI) and 4 simulating a vapor lock in the apical 2mm (SCVL). In the SCI group an inlet irrigation flow of 6 mL/min was used for positive pressure needles. In the groups with vapor lock simulations were carried out with three different inlet flows (6 mL/min (SCVL6), 12 mL/min (SCVL12) and 18 mL/min (SCVL18). All these simulations were performed with a 70 dyn/cm surface tension. A new simulation was carried out with an inlet flow of 6 mL/min at a lower surface tension (30 dy/cm (SCVL6/30)). For both SCI and SCLV, a simulation was carried out with the MiC and a suction power of 97.5 mmHg. The numerical simulation was carried out with the extension CFD of the ANSYS 18.2 program (ANSYS Fluent). The results were visualized and the behavior of the flow, the velocity of the irrigant, the distribution of the shear stress in the wall and the apical pressure for each of the simulations were analyzed. Both maximum shear stress and apical pressure were compared among simulations to indirectly assess respectively, the cleaning capacity of the needles and the risk of extrusion over a threshold of 25 mmHg.
Results:
In the SCI Group, the SL needle complied with the safety/efficiency binomial, especially at 1 mm from the WL, where it obtained the highest values of shear stress and low risk of extrusion. SF simulations, on the other hand, did not complied the objectives: at 1 mm they generated values above the extrusion risk threshold, although shear stress values were high; and at 3mm the irrigant did not reach the apical millimeters and presented low shear stress values. The SFL at both 1 mm and 3 mm did not generate flow in the ramification and obtained low shear stress values, although the apical pressure values were also below the threshold. The MiC generated flow in the apical ramification, with low shear stress and apical pressure values. In the simulations with vapor lock, the results were somewhat different. In the SCVL6 group, the SL did not eliminate the vapor lock, although at 1 mm from WL the apical pressure values were low and the shear stress high. The SF was ineffective in removing the vapor lock at 3 mm; but it was the only positive pressure needle that removed the vapor lock from one of the branches at 1 mm, although apical pressure values were similar to those observed in the abscense of a vapor lock. The SFL was ineffective in the removal of the vapor lock and maximum pressure values were practically identical thank simulations with no vapor lock. Finally, the MiC removed part of the vapor lock from one of the branches and the apical pressure was still lower than in SCI. In the SCVL12 group the values of shear stress and apical pressure increased with respect to the SCVL6 group for all simulations. The SL was able to remove the vapor lock from 2 of the 3 branches at 1mm, but only at 3 mm of the WL apical pressure was below the extrusion risk threshold. Fluid penetrated in 2 out of the 3 branches with SF and in the 3 with SFL when simulated at 1 mm of WL, but only partially in one when used at 3 mm. In the SCV18 group the values of shear stress and apical pressure increased with respect to the SCVL12 group, with apical pressure values that exceeded the threshold for risk extrusion in all simulations. Both SL and SFL partially removed the vapor lock from the 3 branches at 1 mm of the WL, but from none (SL) or only 1 (SFL) at 3 mm and SF from 2 at both depths. Finally, in the SCV6 / 30 group the values of apical pressure and shear stress were very similar to the SCV6 group. The SL was not able to remove the vapor lock from the apical ramification, unlike the rest of the simulations. The SF removed it from 2 branches at 1 mm, and from 1 at 3 mm. SFL removed it from 1 of them at 1 mm, and from 2 at 3 mm.
Conclusions:
the needles that obtained a better balance between efficacy and safety during irrigation were the SL used at 1 mm from the WL with an irrigation rate of 6 mL/min in the absence of vapor lock, and the SFL at 3 mm from the WL and MiC in the presence of vapor lock and with a surface tension of 30 dyn/cm. In the root canal system full of irrigant group, the SL needle was the one that achieved a greater balance between efficacy and safety with high values of shear stress and low apical pressure when simulated at 1 mm from the WL. In the presence of vapor lock, the SL used at 1 mm from the WL with an irrigation rate of 6 mL/min and MiC had a better balance between efficacy and safety. Likewise, in the presence of vapor lock and with a surface tension of 30 dyn / cm, the SL used at 1 mm from the WL and SFL used at 3 mm from the WL obtained a better balance between efficacy and safety during irrigation.
Descriptors: Bio-mechanics, Irrigation
Keywords: Mecánica de Fluidos Computacional, Endodoncia; Computational Fluid Dynamics; Endodontics; Biomechanics; Irrigation.
Citation:
G. Loroño (2020), Análisis computacional de dinámica de fluidos con sistemas de presión positiva y negativa en anatomías reales de conductos ovales con ramificaciones apicales. Universidad Europea de Madrid. Alcobendas (Spain).
