Valutazione dei micromovimenti degli impianti dentali mediante digital image correlation

Most dental implant failures are determined by micromovements ranging between 50-150 µm on the contact area of tissue and implant. Primary objective of this work is the setup of the experiment in an easily reproducible way to assess and quantify micromovements of a dental implant through DIC 2D, two-dimensional Digital Image Correlation. This technique operates by comparing digital images of a sample observed in different states, in order to measure movements (and thus deformations) based on variations on the images. To reach this objective, the designated applied open-source Matlab Add-On is Ncorr, which is able to run a complete DIC with an input of one reference image (where the ROI, Region of Interest, is traced), a series of images representing frames of the video shot for the trial and the selection of relevant parameters. All tested samples (screws pressed in solid wood blocks) are coated with paint (white base with black dotted pattern) to allow software recognition of ROI markers and comparison among images, thus determining micromovements. Subsequently, several trials are performed with cyclic compressions under an Instron machinery for uniaxial trials, starting from a loaded standpoint and with sinusoid width and frequency parameters mimicking those of average human chewing. Thanks to the acquisition setup, constituted by a lighting system, a white screen, a computer and a USB-connected microscope, the videos for trials were shot. These videos are then split by a dedicated software, thus resulting in useful frames for subsequent processing through Ncorr. Resulting frames for each trial (9 fps) are then input to the Ncorr software, together with distinctive features of the trial and their processing results into assessment of micromovements observable in each frame as opposed to the first image (considered for these purposes as the moment t0 of the trial). From the analysis of results, it becomes clear that detected displacements (in horizontal and vertical directions) are influenced by the presence of out-of-plane motions. Results show how this set up proves efficient in analyzing dental implants micromovements, although serving as a first approach to the issue of determining micromovements to which several improvements can still be envisioned.

Una delle principali cause di fallimento degli impianti dentali è costituita da micromovimenti all’interfaccia impianto-tessuto dell’ordine di 50-150 µm. L’obiettivo di questo lavoro è stato la messa a punto di un setup sperimentale, facilmente riproducibile, per lo studio e la quantificazione dei micromovimenti di un impianto dentale, mediante la tecnica della DIC 2D (two-dimensional Digital Image Correlation). La DIC è una tecnica di non contatto che lavora confrontando immagini digitali di un campione in diversi stati, per effettuare misurazioni di spostamenti (e di deformazioni se presenti), basandosi sulle variazioni nelle immagini. Per raggiungere l’obiettivo si è utilizzato un Add-On di Matlab completamente open-source, chiamato Ncorr, in grado di effettuare una analisi DIC completa richiedendo in input un’immagine di riferimento (all’interno della quale verrà tracciata la ROI, Region of Interest), una serie di immagini correnti che rappresentano i frame del video acquisito durante la prova e la scelta di alcuni parametri caratteristici. Tutti i campioni testati (costituiti da viti inserite all’interno di blocchi di legno massiccio) sono stati preventivamente trattati attraverso un rivestimento di vernice (sfondo bianco con un pattern nero a puntini), per permettere al software di riconoscere i punti della ROI e confrontare tra di loro le immagini, determinando così i microspostamenti. Successivamente sono state effettuate delle prove cicliche di compressione con un macchinario Instron per prove uniassiali, partendo da una condizione di precarico e con parametri di ampiezza della sinusoide e frequenza che simulano quelli medi della masticazione nell’uomo. Attraverso il setup di acquisizione, costituito da un sistema di illuminazione, uno schermo bianco, un pc ed un microscopio connesso tramite USB si sono ottenuti i video delle prove, che sono stati successivamente frammentati mediante apposito software, ottenendo così i frame utili per le successive elaborazioni con Ncorr. I frame così ottenuti per ogni prova sono inseriti come input nel programma Ncorr, insieme ai parametri caratteristici della prova, e la loro elaborazione consente di ottenere i micromovimenti in ogni frame con riferimento alla prima immagine (equivalente all’istante t0 della prova). Dall’analisi dei valori misurati con l’elaborazione al massimo frame rate si evince come i moti fuori piano influenzino la misura dei valori degli spostamenti, orizzontali e verticali rispettivamente, sul piano. I risultati mostrano come il modello proposto ben si adatta allo studio dei micromovimenti degli impianti dentali, sebbene si tratta di un primo approccio alla problematica e siano diverse le migliorie che possono essere ancora apportate.