experimental investigations on formalin-fixed human mandibles

Problemstellung: Die vorliegende experimentelle Untersuchung diente der Analyse der Genauigkeit eines modernen dentalen Volumentomographen (KaVo 3D eXam, KaVo Dental GmbH, Biberach/Riß, Deutschland) bei der Darstellung vestibulärer Knochenläsionen in fünf unterschiedlichen Auflösungen. Dabei sollten vestibuläre Mindestknochenstärken für die Diagnostik beschrieben und der Effekt der gewählten Bildauflösung auf die Visualisierung der Strukturen geklärt werden. Material und Methoden: Die in vitro Untersuchung erfolgte an elf Formalin-fixierten, vollständig präparierten menschlichen Unterkieferhälften. An jedem Fragment wurden durch standardisierte Präparation einzelne Knochenläsionen (Fenestrationen, Dehiszenzen, horizontale parallele Sägeschnitte) vestibulär an den Zahnwurzeln bis zu einer Gesamtzahl von 62 Defektregionen angelegt. Die anschließende radiologische Untersuchung wurde in fünf unterschiedlichen Bildauflösungen (Voxelgrößen mit 0,125, 0,2 mm, 0,25 mm, 0,3 mm und 0,4 mm Kantenlänge) bei einer Stromstärke von 5 mA und einer Betriebsspannung von 120 kV vorgenommen. Zur Auswertung wurde die 3D Imaging- Software Invivo 4 (Anatomage Inc., San Jose, Californien) verwendet. Es erfolgte für jede Aufnahme eine Vermessung der drei bestimmenden Defektparameter Höhe, Breite und Tiefe im Arch-Section-Mode, sowie eine zusätzliche Analyse der Defekthöhen im Volume-Render-Mode des Programmes. Für die Sägeschnitte erfolgte eine Ermittlung ihrer Streckenlängen in der Vertikalansicht. Zusätzlich wurde eine mikroskopische Untersuchung mithilfe eines Stereoauflichtmikroskopes (Zeiss Stemi SV11; Carl Zeiss, Göttingen, Deutschland) und der Software Axiovision Rel. 4.8 (Carl Zeiss, Göttingen, Geutschland) zur Ermittlung der entsprechenden Referenzwerte vorgenommen. Der statistischen Analyse zum Vergleich der radiologischen und mikroskopischen Messwerte dienten das Bland-Altman-Verfahren und der gepaarte t- Test. Zur Überprüfung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der angewandten Methoden wurden im Rahmen der Fehlerberechnung der Methodenfehler nach Dahlberg und der Reliabilitätskoeffizienten nach Houston ermittelt. Ergebnisse: Die DVT- Aufnahmen erlaubten eine Vermessung der Defekte in allen drei Raumebenen. Beim Vergleich der röntgenologisch erhobenen Werte mit der Referenz wurde eine Abhängigkeit der Darstellung von der verwendeten Bildauflösung und von der Knochenstärke der zu untersuchenden Struktur nachgewiesen. Mit Voxelgrößen von 0,25 mm Kantenlänge und kleiner konnte eine präzise Darstellung bei gleichzeitig geringem Risiko einer falsch-negativen Diagnostik (<10%) für Knochendicken ab 0,4 mm erreicht werden. In beiden Ansichtsmodi bewegten sich die mittleren Abweichungen von der Referenz für sämtliche untersuchte Läsionsarten und -parameter in klinisch vernachlässigbaren Dimensionen (0,02 bis 0,52 mm) mit den besten Resultaten für die Fenestrationen. Eine Betrachtung der Differenzen der korrespondierenden Messwertepaare aus der röntgenologischen und stereomikroskopischen Untersuchung anhand der graphischen Darstellung in den Bland-Altman-Plots wies eine gleichmäßige Verteilung mit geringer Streuung auf. Für Voxelgrößen von 0,3 und 0,4 mm Kantenlänge lagen die mittleren Abweichungen von der Referenz ebenfalls in klinisch akzeptablen Bereichen (0,04 bis 0,67 mm) bei jedoch deutlich höherer Falsch-Negativ-Rate von über 40% für Fenestrationen und Dehiszenzen und 80% für die Untersuchung der Sägeschnitte. Knochendicken unter 0,6 mm wurden nicht erkannt. Zudem fiel die Diagnostik der peridentalen Strukturen im Hinblick auf die Aspekte Bildqualität und Kontrast deutlich schwerer als in höheren Bildauflösungen. Schlussfolgerungen: Grundsätzlich wurde für das Gerät KaVo 3D eXam eine maßstabsgetreue, überlagerungs- und verzerrungsfreie Bildgebung für peridentale vestibuläre Knochenstrukturen nachgewiesen. Eine für den klinischen Alltag ausreichend präzise Darstellung bei gleichzeitig geringem Risiko einer falsch-negativen Diagnostik für Knochendicken ab 0,4 mm wurde mit Voxelgrößen von 0,25 mm Kantenlänge und kleiner erreicht. Bei der Analyse in niedrigeren Bildauflösungen sowie in der 3DRendering- Ansicht war ein signifikanter Anstieg der Falsch-Negativ-Rate zu verzeichnen. Mit Abnahme der Voxelgröße wurde eine Zunahme des Spaltauflösungsvermögens und damit eine bessere Darstellung feiner Knochendicken deutlich, ein Einfluss auf die Messgenauigkeit war hingegen nur in sehr geringem Maße festzustellen.Introduction: The aim of this study was to evaluate the accuracy of a commercially available cone-beam computed tomography (CBCT) dental imaging system (KaVo 3D eXam, KaVo Dental GmbH, Biberach/Riß, Deutschland) for its application in the diagnosis of periodontal bony defects. The main focus was on the investigation of the influence of voxel resolution and bone thickness on the identification of intrabony lesions in CBCT. Materials and methods: Artificial osseous defects (fenestrations, dehiscences and horizontal, parallel cuts) were created in the buccal bone of eleven halves of prepared and formalin-fixed human mandibles by standardized preparation to a number of 62 regions of interest. Linear measurements of CBCT scans in five resolutions (0.125, 0.2, 0.25, 0.3 and 0.4 mm voxel size data sets) were performed with the KaVo 3D eXam CBCT scanner (KaVo Dental GmbH, Biberach/Riß, Germany) and the 3D-Imaging software Invivo 4 (Anatomage Inc., San Jose, California). The results were compared to a microscopical examination of the defects with a stereomicroscope (Zeiss Stemi SV11; Carl Zeiss, Göttingen, Germany) and the software Axiovision Rel. 4.8 (Carl Zeiss, Göttingen, Germany). Regarding the fenestrations and dehiscences the three main parameters (height, width and depth) were analyzed separately on CBCT scans and microscopic images. Additionally the defect heights were considered in a 3D rendering-view of the radiographic scans. For the horizontal cuts their length was measured in vertical sections. Comparing these methods of measurement, the accuracy of the KaVo 3D eXam was determined by using the Bland-Altman Analysis and the paired t-test. To describe the reliability and reproducibility of the applied methods, the repeatability error (Dahlberg) and the coefficient of reliability (Houston) were calculated. Results: The periodontal defects could be measured in CBCT in all three planes. Comparing the linear measurements of the radiographic scans to those of the microscopical examination showed that the image obtained was highly dependent on voxel resolution and thickness of the investigated structures. For a resolution of 0.25 mm voxel data sets and higher precise imaging with low rate of false-negatives (<10% for all types of defects) was achieved. Areas with a bone thickness of less than 0.4 mm could not be detected properly. The CBCT measurements showed mean deviations of 0.02 to 0.52 mm with best results for the fenestrations. Clinically these discrepancies could be classified negligibly small. Considering the differences of the corresponding measured values Bland-Altman Analysis proved low spread and equal distribution. For 0.3 and 0.4 mm voxel data sets the mean deviations (0.04 to 0.67 mm) were equally acceptable for standard clinical implications, but with significantly higher rate of false-negatives (40% of fenestrations and dehiscences, 80% of the horizontal cuts). The smallest bone thickness measured was 0.6 mm. In terms of image quality and contrast the identification of the peridental structures was more difficult in lower resolutions. Conclusions: Kavo 3D eXam in general provided distortion-free imaging of peridental structures in three planes, without overlap and true to scale. For standard clinical implications 0.25, 0.2 and 0.125 mm voxel data sets permitted precise radiological diagnostics with low false-negative-rates for a bone-thickness greater than 0,4 mm. Measurements in lower resolutions and in 3D-rendering-view of the scans resulted in substantial increase of the false-negative-rate. Lower voxel-size led to increasing spatial resolution and more precise imaging of delicate bony structures, while showing only little influence on measurement accuracy