J Stoma 2014; 67, 1: 99113 C A S E R E P O R T 2014 Polish Dental Society Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion CBCT and 3D digital model case report* Analiza zmian wyrostkowych i szkieletowych podczas terapii szybkiej ekspansji szczęki dokonana na podstawie CBCT i modelu 3D szczęki pacjenta opis przypadku* Adrian Strzecki 1, Sławomir Miechowicz 2, Elżbieta Pawłowska 1 1 Zakład Ortodoncji, Uniwersytet Medyczny w Łodzi, Polska Department of Orthodontics, Medical University of Lodz, Poland Head: dr hab. E. Pawłowska, prof. nadzw. 2 Katedra Konstrukcji Maszyn, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska, Polska Chair of Machine Design, Mechanical Engineering and Aeronautics Depertment, University of Technology, Rzeszow University of Technology, Poland Head: prof. T. Markowski Summary Rapid Maxillary Expansion (RME) is a welldocumented treatment method of transverse occlusal discrepancies in juvenile patients. The aim of RME is to achieve transverse expansion of maxilla as a result of median palatal suture opening with limited amount of orthodontic teeth movement. Contemporary imaging methods with the special mention of Cone Beam Computed Tomography (CBCT) created new possibilities in 3dimensional assessment of orthodontic cases. With the use of specialized software CBCT dataset conversion into 3D digital models of patient s hard tissues is now possible. A 13yearold patient with significant maxillary transverse deficiency and teeth crowding in anterior maxillary region underwent RME therapy. Changes during treatment were assessed quantitatively on the basis of pre and posttreatment CBCT scans. Additionally, 3D digital models were created and superimposed in order to provide accurate description of the anatomic changes during the course of orthodontic treatment. KEYWORDS: rapid maxillary expansion, Conebeam Computed Tomography, 3D diagnostics Streszczenie Szybka ekspansja szczęki (ang. Rapid Maxillary Expansion RME) to szeroko stosowana metoda korygowania zwężeń szczęki u pacjentów w wieku rozwojowym. Celem terapii RME jest uzyskanie poprzecznego poszerzenia łuku zębowego poprzez otwarcie szwu podniebiennego. Nowoczesne metody diagnostyki obrazowej ze szczególnym uwzględnieniem stożkowej tomografii komputerowej (ang. ConeBeam Computed Tomography CBCT) stworzyły możliwości monitorowania przebiegu terapii w trzech wymiarach, również dzięki możliwości konwersji danych ze skanu CT do postaci cyfrowego modelu 3D. Trzynastoletni pacjent ze zwężeniem szczęki oraz nasilonym stłoczeniem w jej przednim odcinku, został poddany RME. Zmiany zachodzące podczas terapii oceniono ilościowo na podstawie skanów CBCT wykonanych przed rozpoczęciem i po zakończeniu jej aktywnej fazy terapii. Na podstawie tego zbioru danych stworzono i nałożono modele 3D szczęki pacjenta uzyskując realistyczną wizualizację zmian anatomicznych zachodzących podczas terapii. HASŁA INDEKSOWE: szybka ekspansja szczęki, stożkowa tomografia komputerowa, trójwymiarowa diagnostyka ortodontyczna * The research was funded by Medical University of Lodz grant number 50203/204301/50224032. * Praca została sfinansowana przez Uniwersytet Medyczny w Łodzi w ramach grantu 50203/204301/50224032. http://www.jstoma.com 99
J Stoma 2014; 67, 1 Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. Introduction Rapid Maxillary Expansion (RME) is a widely accepted treatment method of transverse occlusal discrepancies such as crossbite and/or severe dental crowding in the anterior maxillary region in juvenile patients. Ever since Haas 1 studies published in 1961 discussing RME efficacy on both human and animal models its popularity seems to be increasing. Its role in contemporary orthodontics is even more significant as the approach to managing cases without teeth extractions is gaining more recognition due to the aesthetic canons of wide smiles with no black triangles visible in the corner of the mouth. 2 The aim of RME is to achieve transverse expansion of maxilla due to median palatal suture opening with limited amount of orthodontic teeth movement. 3 The region of nasofrontal suture is considered a center of rotation of maxillary bone segments, 4,5 and the greatest transverse expansion is expected in the anterior region of the hard palate. 68 The orthopedic action of the RME appliance is much more profound than the palatal suture opening; it also causes buccal rotation of alveolar processes and alteration in frontomaxillary, zygomatomaxillary and pterygopalatinal sutures. 9,10 Another effect is transverse maxillary dental arch expansion. 11 Many authors also indicate that the nasal cavity volume increases due to the RME treatment which improves the airflow through the upper airways. 7,12 RME is particularly effective in cases of adolescent patients, as midpalatal suture is not obliterated. Calcification of the tissue connecting palatal processes of maxillary bones usually increases with age; the higher the osseous integration between the skeletal fragments, the bigger the resistance to orthodontic forces. 13,14 Constantly increasing accessibility to Cone Beam Computed Tomography is largely due to the limited radiation dose which ranges from 1/40 th15 to even 1/60 th16 of regular MultiSection Computed Tomography and is equal to between 3 to 7 panoramic radiographs. 17,18 Also the cost of equipment itself and the scan is lower and lower. Thus CBCT allows for accurate qualitative and quantitative multiplanar assessment of skull morphology and is often considered an imaging Wstęp Szybka ekspansja szczęki (ang. Rapid Maxillary Expansion) to szeroko stosowana metoda korygowania poprzecznych zwężeń szczęki objawiających się zgryzem krzyżowym oraz stłoczeniami w odcinku przednim u pacjentów w wieku rozwojowym. Jej szerokie stosowanie rozpoczęło się w 1961 roku wraz z publikacjami Haasa 1 dokumentującymi jej skuteczność zarówno na modelu zwierzęcym, jak i w praktyce klinicznej. Obecnie zdaje się jeszcze bardziej zyskiwać na znaczeniu ze względu na coraz częstszą rezygnację z terapii ekstrakcyjnej oraz trend estetyczny przypisujący największą atrakcyjność szerokim uśmiechom pozbawionym czarnych trójkątów w kątach ust. 2 Celem terapii RME jest uzyskanie poprzecznej ekspansji szczęki poprzez otwarcie szwu podniebiennego, przy możliwie niewielkim ruchu ortodontycznym zębów. 3 Za środek obrotu masywu kości szczęki uważana jest okolica szwu nosowo czołowego, 4,5 a największa ekspansja oczekiwana jest w przednim odcinku podniebienia twardego. 68 Ortopedyczny wpływ działania aparatu nie kończy się zatem na rozerwaniu szwu podniebiennego; obejmuje on również dopoliczkową rotację wyrostków zębodołowych oraz zmiany w szwach czołowoszczękowym, jarzmowoszczękowym, jarzmowoskroniowym oraz skrzydłowo podniebiennym. 9,10 Ekspansji ulega również szerokość łuku zębowego szczęki. 11 Wielu autorów wskazuje również na powiększenie objętości jamy nosowej w wyniku terapii RME oraz poprawę przepływu powietrza przez górne drogi oddechowe. 7,12 Szybka ekspansja szczęki jest szczególnie efektywna w przypadku młodocianych pacjentów, ze względu na brak ścisłego połączenia kostnego w zakresie szwu podniebiennego. Postępująca z wiekiem kalcyfikacja szwu doprowadza z czasem do kościozrostu pomiędzy obiema kośćmi szczęki, co w znacznym stopniu zwiększa opór stawiany siłom wywieranym przez aparat. 13,14 Popularyzacja stożkowej tomografii komputerowej, związana jest ze stale malejącą dawką promieniowania jonizującego, na którą narażony jest pacjent. Ocenia się, że jest to od 1/40 15 do nawet 1/60 16 dawki w porównaniu z tradycyjnym, wielorzędowym CT, co można również porównać do 100 http://www.jstoma.com
Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... J Stoma 2014; 67, 1 method of choice in complex orthodontic or orthognathic cases. Furthermore, set of volumetric data acquired during CBCT scanning can be further processed in specialized software enabling creation of 3D anatomic models of patient s tissues. Such digital model enhances the diagnostic process and comparison of two models from subsequent treatment stages allows for thorough comparison of changes during orthodontic therapy. This largely facilitates conventional case management control i.e. plaster casts comparison which provide no information concerning spatial orientation of dental roots and the bone formation. The aim of this study was detailed, quantitative assessment of dental and skeletal changes after RME therapy on the basis of CBCT scans performed before (T1) and after (T2) active treatment phase. Additionally, 3D digital models of the maxillary expansion from T1 and T2 stages were created. Case report A 13yearold male patient with significant maxillary transverse deficiency and teeth crowding in anterior maxillary region was admitted to the Orthodontic Department (Fig. 1ad). The patient s upper right canine was malaligned in the vestibular direction (Fig. 2). Facial and dental midline were tangent, nevertheless teeth crowding and maxillary canine position created an aesthetic issue for the patient. Transverse maxillary deficiency resulted also in an incorrect position of the upper left second premolar due to the lack of space it was rotated mesially and tilted in the palatal direction (Fig. 2). In order to perform full assessment of the disorder and the degree of the palatal suture ossification pre(t1) and posttreatment (T2) scans were taken by means of ConeBeam Computed Tomography (Gendex GXCB500 device, KaVo Dental GmbH, Biberach/Riß, Germany). Radiation dose was decreased by limiting the field of view of the scanning device to 48 mm in height and 80 mm in diameter visualizing the maxilla and the floor of the nasal cavity. Voxel size was set at 0.125 mm at 120 kv and 5mA resulting in the highest possible resolution for the scanning device used in a study. Exposition time was 23 seconds and all images were recorded as 14bit dicom files. During the wykonania od 3 do 7 pantomogramów. 17,18 Inną przyczyną coraz częstszego diagnozowania za pomocą CBCT jest malejący koszt oprzyrządowania oraz samego skanu. Wszystko to sprawia, że coraz częściej uznawana jest za metodę z wyboru w ocenie zaburzeń morfologicznych twarzoczaszki. CBCT umożliwia dokładną ilościową ocenę szkieletu we wszystkich płaszczyznach, a dzięki specjalistycznemu oprogramowaniu możliwa jest konwersja danych ze skanu CT do postaci cyfrowego modelu 3D tkanek twardych pacjenta. Tak otrzymany model ułatwia ocenę charakteru zaburzeń ortodontycznych, a wykonany na podstawie tomogramów z poszczególnych etapów terapii, pozwala na doskonałą wizualizację zachodzących zmian w zakresie twarzoczaszki. Jest to znaczne udogodnienie w porównaniu z tradycyjnym monitorowaniem przebiegu leczenia za pomocą modeli gipsowych, nieoferujących żadnych danych opisujących położenie korzeni zębów ani zmian szkieletowych. Celem pracy była szczegółowa, ilościowa ocena zmian zachodzących podczas terapii RME u pacjenta w wieku rozwojowym na podstawie skanów CBCT wykonanych przed aktywnym etapem terapii (T1) oraz po jego zakończeniu (T2). Dodatkowym elementem było wzbogacenie jej o elementy trójwymiarowej diagnostyki w postaci cyfrowych modeli 3D szczęki pacjenta przed i po ekspansji szczęki. Opis przypadku Do Zakładu Ortodoncji zgłosił się 13letni pacjent z asymetrycznym zwężeniem szczęki oraz nasilonym stłoczeniem w przednim jej odcinku (Fig. 1ad). Prawy górny kieł pacjenta znajdował się poza łukiem zębowym zajmując pozycję doprzedsionkową (Fig. 2). Linia pośrodkowa obu łuków zębowych nie była przesunięta, niemniej zaburzenie w odcinku przednim stanowiło duży problem natury estetycznej dla pacjenta. Zwężenie szczęki skutkowało również nieprawidłowym ustawieniem II zęba przedtrzonowego po stronie lewej z powodu braku wystarczającej ilości miejsca był on zrotowany mezjalnie oraz przechylony w kierunku podniebiennym (Fig. 2). W celu całościowej oceny zaburzenia oraz stopnia ossyfikacji szwu podniebiennego wykonano skan CBCT (T1) przy uży http://www.jstoma.com 101
tio np roh ibit ed. Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. ibu dis tr ly on for pe rso na lu se Fig. 1. a 3D digital model of patient s maxilla prior to the onset of treatment (T1) anterior view; b plaster casts of patient s dentition prior to the onset of treatment (T1) anterior view; c plaster casts of patient s dentition prior to the onset of treatment (T1) rightanterior view; d plaster casts of patient s dentition prior to the onset of treatment (T1) leftanterior view. a trójwymiarowy model szczęki pacjenta przed rozpoczęciem terapii (T1) widok z przodu; b modele gipsowe uzębienia pacjenta stan przed rozpoczęciem terapii (T1) widok z przodu; c modele gipsowe uzębienia pacjenta stan przed rozpoczęciem terapii (T1) widok z przodu i strony prawej; d modele gipsowe uzębienia pacjenta stan przed rozpoczęciem terapii (T1) widok z przodu i strony lewej. y is op is c Fig. 2. 3D digital model of patient s maxilla prior to the onset of treatment (T1) palatal view. Dental discrepancies marked with the red rectangles. Trójwymiarowy model szczęki pacjenta przed rozpoczęciem terapii (T1) widok od strony podniebienia. Czerwonymi prostokątami zaznaczono nieprawidłowości zębowe. Th J Stoma 2014; 67, 1 102 ciu tomografu Gendex GXCB500 (KaVo Dental GmbH, Biberach/Riß, Niemcy). Zmniejszenie dawki promieniowania jonizującego osiągnięto dzięki ograniczeniu pola widzenia do wysokości 48, a średnicy do 80 mm, uwidaczniając kości szczęk i dno jamy nosowej. Wielkość woksela wynosiła 0,125 mm przy napięciu 120 kv oraz natężeniu 5 ma, oferując najwyższą możliwą dla skanera rozdzielczość, czas skanu wynosił 23 sekundy, a uzyskane obrazy zostały zapisane w 14bitowych plikach dicom. Podczas badania pacjent przyjmował pozycję siedzącą, z głową zorientowaną przez pozycjoner tomografu. Ze względu na brak zgody pacjenta na terapię przewidująca ekstrakcje w łuku górnym, wklęsły profil tkanek miękkich twarzy oraz pogłębiony przebieg krzywej Wilsona podjęto decyzję o terapii RME przy użyciu ekspandera http://www.jstoma.com
Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... J Stoma 2014; 67, 1 scanning procedure the patient was seated with his head orientated by the device s head positioner. Since the patient failed to give consent for any extraction in the upper arch, had concave soft tissue profile and deepened Wilson s curve the decision was made to perform RME with Hyraxtype appliance and further teeth aligning by means of fixed straightwire braces. The appliance was fixed on patient s first and second molars by means of Ketac Cem Radiopaque (3M ESPE) luting cement. Activation of the expansion screw (Philosophy1, Lancer, Orthodontics, LancerOrthodontics, Vista, CA, USA) maximum screw expansion 6 mm, full screw turn of 0.8 mm) protocol was as follows: ¼ of screw full turn every two days for the first 2 weeks of treatment and ¼ of screw full turn daily activation for another two weeks. Total amount of appliance expansion as measured in the patient s oral cavity was 4.2 mm. After combined 4week active treatment phase and 5week retention time during which the appliance was present in the patient s oral cavity without further activation a posttreatment (T2) CBCT scan was taken. The scan parameters did not vary from the T1 CBCT examination apart from FOV increased to the height of 60 mm. RME therapy evaluation The amount of alveolar and skeletal changes was quantitatively assessed on the basis of T1 and T2 CBCT scans. All measurements were performed in efilm 3.4 software (MergeHealthcare, Chicago, IL, USA) with the 0.1 mm margin of error. Measurements and landmark definitions were partly based on those proposed by Wassheimer et al., 19 however, new reference points and measurements in sagittal plane were introduced into our analysis defining change in the position and inclination of central and lateral incisors. Furthermore, dental, alveolar and skeletal changes were evaluated for incisors, canines, premolars and first molars for reference points related to first molars, second premolars, first premolars, canines, lateral incisors and maxillary central incisors, and not first molars and canines only. Multi Planar Reformation tool was used to obtain axial, frontal and sagittal projections. Multi Planar ze śrubą Hyrax zacementowanego na 4 pierścieniach zlokalizowanych na I i II zębach trzonowych. Aparat został zacementowany na I i II zębach trzonowych pacjenta przy użyciu cementu KetacCemRadiopaque (3M ESPE). Aktywacja aparatu (obrót o 90 stopni, śruba Philosophy1, LancerOrthodontics, Vista, CA, USA maksymalna ekspansja śruby równa 6 mm, skok śruby równy 0,8 mm) odbywała się co 2 dzień przez pierwsze 2 tygodnie, natomiast przez następne 2 tygodnie aparat aktywowany był codziennie. Aktywna cześć terapii została zakończona po 4 tygodniach po uzyskaniu całkowitego poszerzenia aktywacji aparatu o 4,2 mm. Po zakończeniu tego etapu i pięciu tygodniach fazy retencyjnej, podczas której aparat pozostawał w jamie ustnej pacjenta nie podlegając dalszej aktywacji wykonano kolejny skan CBCT (T2) o zwiększonym polu widzenia (60 mm wysokości) i pozostałych parametrach takich samych jak w przypadku skanu T1. Ocena przebiegu terapii Zakres zmian wyrostkowych i szkieletowych oceniano ilościowo na podstawie skanów CBCT wykonanych przed rozpoczęciem (T1) oraz po zakończeniu aktywnej fazy terapii (T2). Do wykonania pomiarów użyto programu Efilm 3.4 (MergeHealthcare, Chicago, IL, USA); pomiary wykonywano z dokładnością do 0,1 mm. Metodę pomiaru częściowo oparto na badaniach Wassheimera i wsp. 19 jednak wzbogacono ją o wiele dodatkowych elementów, takich jak własne definicje niektórych odcinków oraz dodatkowa ocena projekcji strzałkowych, na których określano zmianę położenia i wychylenia zębów siecznych bocznych oraz centralnych. Ponadto pomiary obejmowały ocenę zmian wyrostkowych, zębowych oraz szkieletowych dla punktów referencyjnych związanych topograficznie z pierwszymi zębami trzonowymi, drugimi zębami przedtrzonymi, pierwszymi zębami przedtrzonowymi, kłami, zębami siecznymi bocznymi oraz zębami siecznymi centralnymi szczęki, nie zaś tylko dla pierwszych zębów trzonowych i kłów. Wybór właściwej płaszczyzny pomiaru odbywał się poprzez użycie narzędzia MPR (Multi Planar Reformation line) na stosie warstw skanu w płaszczyźnie osiowej. W celu uzyska http://www.jstoma.com 103
J Stoma 2014; 67, 1 Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. Table 1. Definitions of segments and angles used in quantitative analysis of dental, alveolar and skeletal changes during RME therapy. Measurements taken on the frontal CBCT projections Angulation Frontal Projections (measured for the right and left side) A B C D E F Angle between the tooth long axis that connects palatal pulp corner with the tip of the palatal root and the segment A Distance between palatal corners of the pulp of the corresponding teeth Distance between the tips of the palatal roots Connects the most lateral points of the alveolus of the left and right side assessed at the height of tooth cervix Connects the most medial points of the lamina dura of the palatal process of maxilla of each side Maxillary skeletal base measured at the height of the tips of the palatal roots Connects the l owest points of nasal cavity floor first molars Angle between the tooth long axis that connects the tip of the palatal cusp and the tip of the palatal root and the segment A see first molars Distance between the tips of the palatal cusps of the corresponding teeth see first molars see first molars see first molars Connects the most lateral points of the alveolus of the left and right side second premolars see first molars see second premolars see first molars see second premolars see second premolars see first molars Maxillary skeletal base measured at the height of the A section first premolars Angle between the line connecting reference point of F section and the tip of the palatal root and the segment A Distance between the highest point of the crown of the right canine and the highest point of pulp chamber of the left canine canines see first molars see I premolars see first molars see second premolars Distance between the tips of the roots of the corresponding teeth Angle between the line connecting reference point of F section and the tip of the root and the segment A see first molars N/A see first molars N/A see canines Distance between the most distal points of crown portions of the corresponding teeth lateral incisors Angle between the line connecting middle and highest points of crown portions and the tip of the root and segment A see first molars N/A N/A N/A see canines Distance between the highest most mesial points of crown portions of the corresponding teeth central incisors 104 http://www.jstoma.com
tio np roh ibit ed. J Stoma 2014; 67, 1 on ly dis tr ibu Fig. 3. a measurements taken at the level of 1st molars prior to the onset of treatment (T1); b measurements taken at the level of 1st molars after completion of the active phase of RME (T2). a pomiary dokonywane dla pierwszych zębów trzonowych przed rozpoczęciem terapii (T1); b pomiary dokonywane dla pierwszych zębów trzonowych po zakończeniu aktywnej fazy RME (T2). se lu rso na pe y is for Fig. 4. a 1st molar buccal angulation values measured prior to the onset of treatment (T1); b 1st molar buccal angulation values measured after completion of the active phase of RME (T2). a wartości policzkowej angulacji pierwszych zębów trzonowych i pomiary wykonywane przed rozpoczęciem terapii (T1); b wartości angulacji pierwszych zębów trzonowych i pomiary wykonywane po zakończeniu aktywnej fazy RME (T2). is c op Reformation line was positioned for each of the reference points marked: for first molars, second premolars and first premolars: tip of the palatal root, for canines, lateral and central incisors: root tip. On the first CBCT stack slice they could be clearly discerned from the surrounding bone i.e. the grayscale value of the object was higher than that of neighboring tissues and the object s border could be easily identified. Measurements were Th Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... http://www.jstoma.com nia powtarzalnego położenia linii MPR określono referencyjne punkty dla każdej grupy zębowej: dla pierwszych zębów trzonowych, drugich zebów przedtrzonowych oraz pierwszych zebów przedtrzonowych: wierzchołek korzenia podniebiennego, dla kłów, zebów siecznych bocznych oraz zebów siecznych centralnych: wierzchołek korzenia. Punkty te oznaczane były na pierwszej warstwie tomogramu, na której opisane wyżej struktury były 105
J Stoma 2014; 67, 1 Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. Fig. 5. a measurements taken at the level of the left central incisor in sagittal plane prior to the onset of treatment (T1); b measurements taken at the level of the left central incisor in sagittal plane after completion of the active phase of RME (T2). a pomiary dokonywane w płaszczyźnie strzałkowej dla lewego zęba siecznego centralnego przed rozpoczęciem terapii (T1); b pomiary dokonywane w płaszczyźnie strzałkowej dla lewego zęba siecznego centralnego po zakończeniu aktywnej fazy RME (T2). Table 2. Definitions of segments and angles used in quantitative analysis of dental, alveolar and skeletal changes during RME therapy. Measurements taken on the sagittal CBCT projections Lateral and central incisors performed on the frontal projections obtained by means of MPR tool defining landmarks, segments, and angles (Table 1, Fig. 3a, 4a). Additionally, for central and lateral incisors sagittal projections were obtained by orienting the MPR line parallel to the midline and in such a way that it would transverse reference points for lateral and central incisors, separately for each side of the jaw. Thus, additional measurements were performed (Table 2, Fig. 5a). As an additional part of RME therapy evaluation qualitative assessment of 3D digital skeletal models created on the basis of pre and posttreatment CBCT scans was performed. Both tomograms (T1 and T2) were imported into 3D Doctor software suite (Able Software Inc.) as G H Angulation (sagittal projections) Distance between crown highest Distance between the tooth cervical Angle between the tooth long point and the lowest and most region and the lowest and axis and the line tangent to the distal point of hard palate most distal point of hard palate lower contour of the hard palate wyraźnie widoczne, tzn. spełniały następujące warunki: poziom szarości jednoznacznie przewyższający otaczającą kość oraz zamknięty charakter struktury z widoczną granicą. W następnym kroku korygowano przebieg linii MPR w płaszczyźnie czołowej, tak aby dla każdej grupy zębowej łączyła punkty referencyjne strony prawej i lewej. Pomiarów dokonywano na projekcjach utworzonych w wyżej opisany sposób określając następujące definicje mierzonych odcinków oraz angulacji (Tab. 1, Fig. 3a, 4a). Dodatkowo, dla siekaczy bocznych i centralnych uzyskiwano projekcje strzałkowe poprzez zorientowanie prostej MPR równolegle do linii pośrodkowej oraz w ten sposób, aby przechodziła przez punkty referencyjne 106 http://www.jstoma.com
Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... J Stoma 2014; 67, 1 Table 3. Measurements taken on the frontal projections for each teeth group before the RME onset (T1) and after completion of treatment active phase (T2). Values in mm: columns AF. Values in degrees: columns Ang.Fr (T1), Ang.Fr.(T2) First molars Second premolars First premolars A (T1) A (T2) B (T1) B (T2) C (T1) C (T2) dicom image stacks and underwent segmentation with the threshold value of 350 Hounsfield Units. In the next step in the surface rendering process 3D digital models of patient s hard tissues were obtained, exported into.stl file format and assessed D (T1) siekaczy bocznych i centralnych, osobno dla każdej strony szczęki. Pozwoliło to na wykonanie pomiarów przedstawionych w tabelach (Tab. 2, Fig. 5a). Dodatkowym etapem oceny przebiegu terapii RPE była jakościowa ocena oparta na modelach 3D http://www.jstoma.com 107 D (T2) E (T1) E (T2) F (T1) F (T2) Ang.Fr (T1) Ang.Fr (T2) 12 14 65 68 1 4 59 62 34 37 43 47 107/111 108/112 11 15 57 59 0 3 53 56 38 40 32 38 89/76 89/84 9 11 44 48 1 5 50 55 29 32 30 36 87/95 91/102 Canines 7 11 34 38 3 8 43 46 28 31 32 36 95/96 96/98 Lateral incisors Central incisors 8 11 2 3 17 21 25 30 106/101 108/105 6 10 8 14 3 3 91/88 81/84 Table 4. Measurements taken in sagittal projections for each teeth group before the RME onset (T1) and after completion of treatment active phase (T2). Values in mm: columns G(T1), G(T2), H(T1), H(T2). Values in degrees: columns Ang(T1), Ang (T2) G(T1) G(T2) H(T1) H(T2) Ang (T1) Ang (T2) lateral incisor (left) 45 46 44 45 98 100 lateral incisor (right) 44 43 44 43 97 96 central incisor (left) 48 48 46 45 101 100 central incisor (right) 49 47 47 46 99 95 Table 5. Comparison between skeletal expansion and total transverse expansion of the dental arch. Values in mm Skeletal expansion Total arch expansion % of skeletal expansion B(T2)B(T1) F(T2)F(T1) in total arch expansion First molars 3 4 75 Second premolars 2 6 33 First premolars 4 6 67 Canines 4 4 100
tio np roh ibit ed. Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. Fig. 7. 3D digital model of patient s maxilla after completion of the active phase of RME (T2) anterior view. Trójwymiarowy model szczęki pacjenta po zakończeniu RME (T2) widok z przodu. on ly dis tr ibu Fig. 6. 3D digital model of patient s maxilla prior to the onset of treatment (T1) the area of palatal raphe anterior view. Trójwymiarowy model szczęki pacjenta przed rozpoczęciem terapii (T1) widok z przodu, zbliżenie przedniej okolicy szwu podniebiennego. se lu Fig. 9. 3D digital model of patient s maxilla after completion of the active phase of RME (T2) the area of palatal raphe anterior view. Trójwymiarowy model szczęki pacjenta po zakończeniu RME (T2) widok z przodu, zbliżenie przedniej okolicy szwu podniebiennego. in MiniMagics software (Materialise Inc.). Subsequently, T1 (Fig. 1, 2, 6) and T2 (Fig. 79) digital models were superimposed to illustrate skeletal and dental changes during RME therapy (Fig. 1012). przygotowanych na podstawie skanów CBCT. Oba tomogramy (T1 oraz T2) zostały otwarte jako stos obrazów w formacie dicom w programie 3D Doctor (Able Software inc.), a następnie poddane procesowi segmentacji. Segmentacji podlegały tkanki o wartości wyrażonej w jednostkach Hounsfielda przekraczającej 350 HU. Otrzymane na tej podstawie modele 3D zostały wyeksportowane do formatu.stl i oceniane w programie MiniMagics. Modele 3D z etapów T1 (Fig. 1a, 2, 6) oraz T2 (Fig. 79) zostały na siebie nałożone w celu jak najdokładniejszej wizualizacji zmian zachodzących podczas terapii (Fig. 1012). op Results and discussion y is for pe rso na Fig. 8. 3D digital model of patient s maxilla after completion of the active phase of RME (T2) palatal view. Artifacts present in the molar area are caused by the metal parts of palatal expander. Trójwymiarowy model szczęki pacjenta po zakończeniu RME (T2) widok od strony podniebienia. Artefakty widoczne w okolicy pierwszych i drugich zębów trzonowych spowodowane obecnością metalowych elementów ekspandera. is c The accuracy ConeBeam Computed Tomography as a method of evaluation of skull hard tissue anatomy was validated in many studies.1922 In a contrast to RME evaluation by means of 2D xrays, CBCT scan makes it possible to avoid problems related to repeatability Th J Stoma 2014; 67, 1 108 http://www.jstoma.com
tio np roh ibit ed. J Stoma 2014; 67, 1 Fig. 11. Superimposed T1 (white) and T2 (blue) 3D digital models of patient s maxilla. View from above. Nałożone na siebie modele 3D z etapów T1 (biały) oraz T2 (niebieski) widok od strony jamy nosowej. on ly dis tr ibu Fig. 10. Superimposed T1 (white) and T2 (blue) 3D digital models of patient s maxilla. Anterior view. Nałożone na siebie modele 3D z etapów T1 (biały) oraz T2 (niebieski) widok z przodu. se lu for is c op y is of projections, and obtain accurate measurements with specialized software. Anatomic areas submitted to scanning process included the floor of nasal cavity. The measurements based on frontal and sagittal projections are shown in Tables 3 and 4. The percentage of lateral skeletal expansion of the maxilla (segment B) in the total lateral maxillary expansion (segment T) was calculated with the following formula: Th Fig. 13. Superimposed T1 (white) and T2 (blue) 3D digital models of patient s maxilla. Buccal translation of 1st molar roots with very limited changes in buccal angulation marked with the red rectangle. Fuzja modeli T1 (biały) i T2 (niebieski). Widoczne dopoliczkowe przesunięcie korzeni pierwszego zęba trzonowego prawego przy niewielkiej zmianie kąta ich nachylenia. pe rso na Fig. 12. Superimposed T1 (white) and T2 (blue) 3D digital models of patient s maxilla the area of palatal raphe anterior view. Expansion of palatal raphe was achieved. Increase in transverse dimensions of both maxilla and the floor of nasal cavity is clearly visible. Nałożone na siebie modele 3D z etapów T1 (biały) oraz T2 (niebieski) widok z przodu, zbliżenie przedniej okolicy szwu podniebiennego. Osiągnięto ekspansję szwu podniebiennego na całej jego długości. Widoczna poprzeczna ekspansja szczęki z wyraźnym poszerzeniem dna jamy nosowej. Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... [B(T2)B(T1)] /[F(T2)F(T1)]x 100% http://www.jstoma.com Wyniki i dyskusja Dokładność skanów CBCT do oceny zmian ilościowych po terapii RME została potwierdzona w wielu badaniach.1922 W odróżnieniu od prób oceny przebiegu RME za pomocą rentgenogramów 2D, skan CBCT pozwala uniknąć problemów związanych z powtarzalnością projekcji oraz uzyskać pomiary za pomocą specjalistycznego oprogramowania. Zasięg pola widzenia umożliwił również częściową ocenę ekspansji dna jamy nosowej. Na podstawie czołowych oraz strzałko 109
J Stoma 2014; 67, 1 Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. Fig. 14. a position of upper central incisors prior to the onset of treatment (T1); b position of upper central incisors after completion of the active phase of RME (T2). Please note the buccal torque of the tip of the roots with the relatively unchanged position of the crown portions. a pozycja zębów siecznych centralnych szczęki przed rozpoczęciem leczenia (T1); b pozycja zębów siecznych centralnych po zakończeniu aktywnej fazy terapii RME (T2). Zwraca uwagę dopoliczkowy tork wierzchołków korzeni przy relatywnie niezmienionej pozycji koron. The result is shown in Table 5. In a discussed case all transverse sections between reference points increased during the course of the therapy. The largest expansion of the nasal cavity floor (the A segment) was observed in the region of second premolars and canines and equaled 4 mm. Angulation of canines assessed in the frontal projection hardly changed. Angulation of the left second premolar significantly increased by 8 degrees while angulation of the second right premolar did not alter between T1 and T2. The largest expansion of skeletal maxillary base (section B) 4 mm was observed in the region of first premolars and canines. Furthermore, the C segment i.e. the amount of expansion in median palatal raphe was also the most significant (respectively 4 and 5 mm) in the previously discussed locations. In the first molar region suture opening equaled 3 mm with a very limited amount of buccal rotation of the teeth (1 degree for both first molars). This supports the claim that during RME therapy palatal raphe is more easily expanded in the anterior region of the maxilla. The abovediscussed sections were not measured in the lateral and central incisors region due to the difficulties wych projekcji otrzymano wyniki pomiarów zestawione w tabelach 3 i 4. Obliczono również stosunek ekspansji szkieletowej (odcinek B) do całkowitej ekspansji poprzecznej (odcinek T) szczęki, stosując następujący wzór: [B(T2)B(T1)] /[F(T2)F(T1)] 100% Wyniki zamieszczono w tabeli 5. W opisywanym przypadku uzyskano wzrost poprzecznych wymiarów szczęki dla wszystkich ocenianych odcinków, dla wszystkich punktów topograficznych. Największa poprzeczna ekspansja na poziomie jamy nosowej (odcinek A) została zmierzona dla drugich zębów przedtrzonowych oraz kłów i wynosiła 4 mm. Angulacja kłów oceniana w płaszczyźnie czołowej zmieniła się w niewielkim stopniu, zaś w przypadku drugiego zęba przedtrzonowego lewego zmieniła się aż o 8 stopni. Drugi ząb przedtrzonowy prawy nie zmienił swojego nachylenia między okresami T1 a T2. Wzrost bazy apikalnej szczęki (odcinek B) wzrósł w największym stopniu na wysokości pierwszych zebów przedtrzonowych i kłów wynosząc 4 mm. Długość odcinka C, czyli ekspansja w zakresie szwu 110 http://www.jstoma.com
Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... J Stoma 2014; 67, 1 podniebiennego wyniosła dla omawianych grup zębowych odpowiednio 4 i 5 mm, będąc największą spośród wszystkich ocenianych okolic. Dla pierwszych zębów trzonowych otwarcie szwu wyniosło 3 mm, a zmiana nachylenia (rotacja dopoliczkowa) była bardzo niewielka i wyniosła 1 stopień dla obu pierwszych zębów trzonowych. Potwierdza to większość obserwacji towarzyszących terapii RME mówiących, że ekspansja w zakresie szwu w przednich odcinkach szczęki jest największa. Dla zębów siecznych bocznych i centralnych nie oceniano tej odległości z powodu trudności w jednoznacznej identyfikacji przyśrodkowych granic szczęki w danych projekcjach. Poprzeczna ekspansja na poziomie zewnętrznej blaszki wyrostka zębodołowego (odc. D) była największa w przypadku pierwszych zębów przedtrzonowych (5 mm), jednocześnie w tej grupie zębowej stwierdzono największą rotację policzkową odpowiednio 4 i 7 stopni dla prawego i lewego zęba z tej grupy. Odległość E w przypadku pierwszych zębów trzonowych wzrosła o 3 mm. Różnicę w położeniu korzeni prawego pierwszego zęba trzonowego ukazuje na Fig. 13. Odległość pomiędzy koronowymi fragmentami zębów siecznych centralnych (odc. F) nie zmieniła się, jednak kąt tworzony przez długie osie tych zębów i proste zawierające odcinek B zmalał o odpowiednio 4 i 5 stopni. Jest to wyraźnie widoczne na Fig. 14a i 14b. Wychylenie zebów siecznych bocznych i centralnych oceniane w płaszczyźnie strzałkowej zmieniło się w następujący sposób: wszystkie zęby w tej grupie, z wyjątkiem bocznego zęba siecznego lewego, przechyliły się w kierunku podniebiennym. Wszystkie też z wyjątkiem zęba 22, cofnęły się w bardzo niewielkim stopniu (odcinki G i H). Pomiary wykonane na skanach CBCT znajdują potwierdzenie w modelu 3D stanowiącym fuzję modeli T1 i T2 (Fig. 1013). Stworzenie modeli 3D T1, T2 oraz ich fuzji miało na celu ocenę jakościową terapii RME. Odtworzenie pomiarów ze skanów CBCT na modelach byłoby niemożliwe przy obecnym wyborze punktów referencyjnych. Z literatury wynika ponadto, że dokładność pomiarów na modelach 3D nie jest wystarczająca do celów diagnostycznych. 23 Symulacja taka jest cennym uzupełnieniem oceny ilościowej oferując klinicyście wizualizację zmian szkieletowych, wyrostkoin tracing the midline border of the left and right maxilla in the frontal projections. Similarly, the transverse expansion as measured on the lateral margin of lamina dura of the alveolus (segment D ) was the highest in the first premolar region (5 mm). First premolars were also the teeth to rotate the most in the buccal direction with the increase of their angulation of 4 and 7 degrees for the right and the left side respectively. The E segment increased by 3 mm in the first molar region. The changes in position of the palatal roots are also clearly visible on the superimposed 3D models (Fig.13). The distance between reference points situated on the crowns of central incisors did not alter, however, the angle between the teeth long axes and segment B decreased by 4 and 5 degrees respectively. It is clearly seen on Figs. 14 and 14a. The inclination of lateral and central incisors in sagittal projections was as follows: all anterior teeth were tilted palatally with the exception of the left lateral incisor; left lateral incisor was also the only tooth not to get slightly translated in the palatal direction (segments G and H ). CBCT measurements are supported by qualitative analysis of superimposed 3D digital T1 and T2 models (Figs. 1013). Creating these models aimed at qualitative evaluation of the RME therapy. Reconstructing measurements from CBST scans on models would not be possible with the present choice of reference points. Moreover, according to certain studies, the accuracy of measurements taken on rendered 3D models is not sufficient for diagnostic purposes. 23 Such 3D visualization, however, proves to be an interesting supplement to the quantitative evaluation providing the clinician with visualization of the skeletal, alveolar and dental changes in three dimensions. It is important to mention the fact that superimposition of the two models with no additional, artificial markers proves problematic due to difficulties in identifying constant skeletal points unaffected by RME treatment course. In the case discussed here, the fusion of both models was based on landmarks on the incisal edge of the right central incisor as this part of a tooth remained in a stable position. The accuracy of the fusion of the T1 and T2 models could to certain extent have been http://www.jstoma.com 111
J Stoma 2014; 67, 1 Strzecki A., Miechowicz S., Pawłowska E. compromised by the absence of external markers and limited area of scanning. The conclusions that can be drawn on the basis of only one case are understandably very limited. Description of larger group of patients undergoing RME treatment by means of CBCT scans and fused 3D models is necessary so that the evaluation of changes during RME is highly accurate and intuitive. Conclusion ConeBeam Computed Tomography should be considered as a method of choice in the case of quantitative assessment of skeletal, alveolar and dental changes taking place during the course of rapid maxillary expansion. Very high scan resolution, isotropic character of voxels and limited amount of image distortion allows taking repeatable and accurate measurements. Additionally, conversion of CBCT dataset into 3D digital models enables most intuitive and realistic treatment monitoring. References 1. Haas AJ: Rapid expansion of the maxillary dental arch and nasal cavity by opening the midpalatal suture. Angle Orthod 1961; 31: 7390. 2. Adkins MD, Nanda RS, Currier GF: Arch perimeter changes on rapid palatal expansion. Am J wych i zębowych w trzech wymiarach. Należy jednak zauważyć, że nałożenie na siebie modeli T1 i T2 bez użycia zewnętrznych znaczników jest zadaniem mogącym przysporzyć wiele trudności związanych z identyfikacją punktów referencyjnych niezmieniających swego położenia w trakcie RME. W opisywanym przypadku zdecydowano się na zestawienie obu modeli na podstawie punktów zlokalizowanych na prawym siekaczu centralnym, które nie uległy przemieszczeniu podczas trwania terapii. Brak zewnętrznych znaczników, jak również ograniczony do twarzoczaszki obszar skanowania mogły jednak w pewnym stopniu wpłynąć na dokładność fuzji modeli T1 oraz T2. Niemniej, wykorzystanie elementów diagnostyki 3D wydaje się korzystne w ten sposób sedno zmian zachodzących podczas RME może zostać pełniej zrozumiane, co może pozwolić na bardziej świadomy wybór tej formy terapii. Oczywiście wnioski, które można wysnuć na podstawie opisu tylko jednego przypadku są bardzo ograniczone. Konieczny jest opis większej grupy pacjentów przy użyciu CBCT i metod 3D, aby ocena zmian podczas RME była jak najbardziej dokładna i intuicyjna. Podsumowanie Stożkową tomografię komputerową należy uznać za metodę z wyboru w przypadku ilościowej oceny zmian szkieletowych, wyrostkowych oraz zębowych zachodzących podczas szybkiej ekspansji szczęki. Wysoka rozdzielczość skanu, izotropowy charakter vokselioraz, brak geometrycznych zniekształceń umożliwiają dokonywanie powtarzalnych i precyzyjnych pomiarów. Dodatkowa możliwość przekonwertowania zbioru danych ze skanu CBCT do postaci trójwymiarowych modeli pozwala na monitorowanie przebiegu i efektów terapii w intuicyjny i realistyczny sposób. Orthod Dentofacial Orthop 1990; 97: 194199. 3. Mutinelli S, Cozzani M, Manfredi M, Bee M, Siciliani G: Dental arch changes following rapid maxillary expansion. Eur J Orthod 2008; 30: 469 476. 112 http://www.jstoma.com
Analysis of dental and skeletal changes after Rapid Maxillary Expansion... J Stoma 2014; 67, 1 4. Lagravère MO, Major PW, FloresMir C: Longterm skeletal changes with rapid maxillary expansion: a systematic review. Angle Orthod 2005; 75: 10461052. 5. Haralambidis A, AriDemirkaya A, Acar A, Kucukkeles N, Ates M, Ozkaya S: Morphologic changes of the nasal cavity induced by rapid maxillary expansion: a study on 3 dimensional computed tomography models. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2009; 136: 815821. 6. Gracco A, Malaguti A, Lombardo L, Mazzoli A, Raffaeli R: Palatal volume following rapid maxillary expansionin mixed dentition. Angle Orthod 2010; 80: 153159. 7. Chung C, Font B: Skeletal and dental changes in the sagittal, vertical, and transverse dimensions after rapid palatal expansion. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2004; 126: 569575. 8. Vardimon AD, Brosh T, Spiegler A, Lieberman M, Pitaru S: Rapid palatal expansion: part 1. Mineralization pattern of the midpalatal suture in cats. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1998; 113: 371378. 9. Lee H, Ting K, Nelson M, Sun N, Sung SJ: Maxillary expansion in customized finite element method models. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2009; 136: 367374. 10. Leonardi R, Sicurezza E, Cutrera A, Barbato E: Early posttreatment changes of circumaxillary sutures in young patients treated with rapid maxillary expansion. Angle Orthod 2011; 81: 3641. 11. Basciftci FA, Mutlu N, Karaman AI, Malkoc S, Küçükkolbasi H: Does the timing and method of rapid maxillary expansion have an effect on the changes in the nasal dimension? Angle Orthod 2002; 72: 118123. 12. Babacan H, Sokucu O, Doruk C, Ay S: Rapid maxillary expansion and surgically assisted rapid maxillary expansion effects on nasal volume. Angle Orthod 2006; 76: 6671. 13. Baumrind S, Korn EL: Transverse development of human jaws between the ages of 8.5 and 15.5 years, studied longitudinally with the use of implant. J Dent Res 1990; 69: 1298 1306. 14. Betts NJ, Vanarsdall RL, Barber HD, Higgins Barber K, Fonseca RJ: Diagnosis and treatment of transverse maxillary deficiency. Int J Adult Orthod Orthognath Surg 1995; 10: 7596. 15. Mah JK, Danforth RA, Bumann A, Hatcher D: Radiation absorbed in maxillofacial imaging with a new dental computed tomography device. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2003; 96: 508513. 16. Tsiklakis K, Donta C, Gavala S, Karayianni K, Kamenopoulou V, Hourdakis CJ: Dose reduction in maxillofacial imaging using low dose Cone Beam CT. Eur J Radiol 2005; 56: 413417. 17. Dicker GJ, van Spronsen PH, van Ginkel FC, Castelijns JA, van Schijndel RA, Boom HP, et al: Adaptation of lateral pterygoid and anterior digastric muscles after surgical mandibular advancement procedures in different vertical craniofacial types: a magnetic resonance imaging study. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2008; 105: 688697. 18. Guenther KP, Tomczak R, Kessler S, Pfeiffer T, Puhl W: Measurement of femoral anteversion by magnetic resonance imagingevaluation of a new technique in children and adolescents. Eur J Radiol 1995; 21: 4752. 19. Weissheimer A, de Menezes LM, Mezomo M, Dias DM, de Lima EM, Rizzatto SM: Immediate effects of rapid maxillary expansion with Haastype and hyraxtype expanders: a randomized clinical trial. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2011; 140: 366 376. 20. Garrett BJ, Caruso JM, Rungcharassaeng K, Farrage JR, Kim JS, Taylor GD: Skeletal effects to the maxilla after rapid maxillary expansion assessed with conebeam computed tomography. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2008; 134: 89. 21. Hilgers ML, Scarfe WC, Scheetz JP, Farman AG: Accuracy of linear temporomandibular joint measurements with cone beam computed tomography and digital cephalometric radiography. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2005; 128: 803811. 22. Misch KA, Yi ES, Sarment DP: Accuracy of cone beam computed tomography for periodontal defect measurements. J Periodontol 2006; 77: 1261 1266. 23. Periago DR, Scarfe WC, Moshiri M, Scheetz JP, Silveira AM, Farman AG: Linear accuracy and reliability of cone beam CT derived 3dimensional images constructed using an orthodontic volumetric rendering program. Angle Orthod 2008; 78: 387395. Address: 92216 Łódź, ul. Pomorska 251 Tel./Fax: +4842 6757516 email: elzbieta.pawlowska@umed.lodz.pl Received: 5 th July 2013 Accepted: 13 th October 2013 http://www.jstoma.com 113