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. 2024 Oct 24.
doi: 10.1007/s00056-024-00558-7. Online ahead of print.

Tooth segmentation by low-dose CBCT for orthodontic treatment planning : Explorative ex vivo validation

Maurice Ruetters  1 , Holger Gehrig  2 , Sinclair Awounvo  3 , Ti-Sun Kim  2 , Sara Doll  4 , Korallia Alexandrou  5 , Anna Felten  2 , Christopher Lux  5 , Sinan Sen  6
Affiliations

Tooth segmentation by low-dose CBCT for orthodontic treatment planning : Explorative ex vivo validation

Maurice Ruetters et al. J Orofac Orthop. .

Abstract
in English, German

Purpose: Three-dimensional imaging has become an increasingly important component of orthodontics. Associated with this, however, is a higher radiation exposure for patients. New cone-beam computed tomography (CBCT) devices have been developed that can provide low-dose CBCT (LD-CBCT). We hypothesized that LD-CBCT is as precise and reproducible as standard high-dose CBCT (HD-CBCT) in segmenting roots and crowns as well as measuring tooth length.

Methods: HD-CBCT and LD-CBCT scans were taken of four human cadaveric heads. Thirty single-rooted teeth were segmented twice by one investigator. The length of each tooth was also measured. Lin's concordance correlation coefficient (CCC) was calculated to assess the agreement of HD-CBCT and LD-CBCT measurements and the intraclass correlation coefficient (ICC) was calculated to assess intrarater reliability. Analyses were supported by Bland-Altman plots.

Results: Volume measurements obtained using HD-CBCT were significantly higher than those obtained using LD-CBCT (p < 0.001). CCC was 0.975 (95% confidence interval [CI] = 0.956-0.986) indicating excellent agreement between the two modalities. Intrarater reliability between the two sets of LD-CBCT and HD-CBCT volume measurements was excellent (ICC = 0.998, 95%CI = 0.995-0.999 [HD-CBCT], ICC = 0.997, 95%CI = 0.992-0.998 [LD-CBCT]). CCC for tooth length measurements was 0.991 (95% CI = 0.983-0.995), indicating excellent agreement between HD-CBCT and LD-CBCT. Intrarater reliabilities between the two sets of tooth length measurements were also excellent for both methods (ICC = 0.998, 95%CI = 0.995-0.999 [HD-CBCT], ICC = 0.997, 95%CI = 0.992-0.998 [LD-CBCT]).

Conclusions: Within the limitations of this experimental setting, LD-CBCT is as valid as HD-CBCT for measuring tooth length. Regarding the volume differences, in vivo studies are required to determine their clinical relevance.

Zusammenfassung: ZIELSETZUNG: Dreidimensionale Bildgebung ist zu einem immer wichtigeren Bestandteil der Kieferorthopädie geworden. Damit verbunden ist jedoch eine höhere Strahlenbelastung für Patienten. Neu entwickelte Geräte für die digitale Volumentomographie („cone-beam computed tomography“, CBCT) ermöglichen Tomographien mit reduzierter Strahlenbelastung („low dose cone-beam computed tomography“, LD-CBCT). Wir stellten die Hypothese auf, dass die LD-CBCT bei der Segmentierung von Zahnwurzeln und -kronen sowie bei der Messung von Zahnlängen genauso präzise und reproduzierbar ist wie die konventionelle HD-CBCT mit hoher Strahlendosis.

Methode: Von 4 Köpfen menschlicher Leichen wurden HD-CBCT- und LD-CBCT-Scans angefertigt. 30 Zähne mit einer Wurzel wurden von einem Untersucher zweimal segmentiert. Die Länge jedes Zahns wurde ebenfalls gemessen. Der Konkordanz-Korrelationskoeffizient (CCC) nach Lin wurde berechnet, um die Übereinstimmung von HD-CBCT- und LD-CBCT-Messungen zu ermitteln. Zur Bewertung der Intrarater-Reliabilität wurde der Intraklassen-Korrelationskoeffizient (ICC) berechnet. Die Analysen wurden durch Bland-Altman-Diagramme bestätigt.

Ergebnisse: Die mit HD-CBCT ermittelten Volumenmessungen waren signifikant höher als die mit LD-CBCT ermittelten (p < 0,001). Der CCC betrug 0,975 (95 %-Konfidenzintervall [KI] = 0,956–0,986), was auf eine hervorragende Übereinstimmung zwischen beiden Modalitäten hinweist. Die Intrarater-Reliabilität zwischen den beiden Sätzen von LD-CBCT- und HD-CBCT-Volumenmessungen war ausgezeichnet (ICC = 0,998, 95 %-KI = 0,995–0,999 [HD-CBCT], ICC = 0,997, 95 %-KI = 0,992–0,998 [LD-CBCT]). Die CCC für Zahnlängenmessungen betrug 0,991 (95 %-KI = 0,983–0,995), was auf eine hervorragende Übereinstimmung zwischen HD-CBCT und LD-CBCT hinweist. Auch die Intrarater-Reliabilität zwischen den beiden Messreihen der Zahnlänge war bei beiden Methoden ausgezeichnet (ICC = 0,998, 95 %-KI = 0,995–0,999 [HD-CBCT], ICC = 0,997, 95 %-KI = 0,992–0,998 [LD-CBCT]).

Schlussfolgerungen: Innerhalb der Grenzen dieser experimentellen Anordnung ist LD-CBCT für die Messung der Zahnlänge genauso aussagekräftig wie HD-CBCT. Hinsichtlich der Volumenunterschiede sind In-vivo-Studien erforderlich, um ihre klinische Relevanz zu bestimmen.

Keywords: Low-dose cone-beam computed tomography; Radiation exposure; Three-dimensional imaging; Tooth length; Tooth volume.

PubMed Disclaimer

References

    1. Ruetters M, Gehrig H, Kronsteiner D et al (2022) Low-dose CBCT imaging of alveolar buccal bone adjacent to mandibular anterior teeth—a pilot study. Clin Oral Investig 1:
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