Optimization of Removable Partial Denture Framework Design using the Interactive Physical Simulation Framework SOFA

Partial tooth loss is a dental disorder affecting a growing number of patients worldwide. Removable Partial Dentures are customized dental prostheses to replace missing teeth and are the most widespread treatment adopted for patients with edentulism. Yet, these dentures raise multiple issues, including a low patient acceptance rate and many problematics related to mechanical failure. The design task is highly based on operator intuition and experience as scientific evidence are lacking to support the work of the dental professional. Numerical techniques of scanning, design and analysis are currently originating an important shift in dental prosthesis conception. The present study investigates the usage of SOFA, a Python-based simulation framework, to assess mechanical resistance during the insertion of the denture on the native patient teeth, in order to optimize Removable Partial Denture design. Firstly, the focus of the analysis is set on clasp retainers, which are critical components of a dental prosthesis regarding mechanical failure. They are subjected to substantial deformation during the insertion of the denture, due to the contact with the abutment tooth. Afterwards, a circumferential clasp model is considered and several deformation simulations are performed to assess the reliability of the results obtained with SOFA by comparison with other Finite Element Model software. In the second part, a real patient denture is examined with the purpose of estimating the stress distribution and values in the latter. Stress magnitudes consistent with the literature were obtained, opening interesting possibilities to improve patient specific prosthesis design.

L'edentulismo parziale è un problema al quale sono soggetti un numero di pazienti crescente nel mondo. Le protesi parziali rimovibili rappresentano il trattamento più diffuso per i pazienti affetti, pertanto sono legati a parecchie problematiche, tra quale un basso btsso di accettazione dai pazienti, e molti casi di rottura meccanica della dentiera. L'attività di progettazione riposa in maggior parte sull'intuizione fisica e l'esperienza dell'operatore che l'esegue. Le indicazioni basate su dei dati scientifici per facilitare il compito dell'esperto dentale mancano. Le tecniche numeriche di scansione, design e per l'analisi stanno creando un cambiamento importante nell'attività di progettazione delle protesi dentali. Questo studio esplora l'uso di SOFA come piattaforma di simulazione sviluppata su Python per ottenere degli indicatori di resistanza meccanica della protesi durante l'inserzione sugli denti naturali del paziente, con l'obiettivo di ottimizzare il lavoro di progettazione. In una prima parte, si tratta dei ganci della protesi che sono componenti con un'incidenza conseguente sull'insorgenza di rotture meccaniche. Sono soggetti a delle deformazioni importanti dovute al contatto con i denti durante l'inserimento della protesi. In seguito, un modello di gancio circonferenziale è stato considerato per realizzare parecchie simulazioni nelle quale viene deformato, al fine di convalidare l'affidabilità dei risultati ottenuti con SOFA in paragone con altri software commericali per simulazioni ad Elementi Finiti. In una seconda parte, un caso reale di protesi parziale rimovibile viene studiato nel tentativo di fare previsioni sullo stato di sforzo nella dentiera. Dei valori di sforzi coerenti con studi precedenti sono stati ottenuti, aprendo una via di ottimizzazione della progettazione customizzata.