Tooth segmentation by low-dose CBCT for orthodontic treatment planning : Explorative ex vivo validation
- PMID: 39448399
- PMCID: PMC12808202
- DOI: 10.1007/s00056-024-00558-7
Tooth segmentation by low-dose CBCT for orthodontic treatment planning : Explorative ex vivo validation
Abstract
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.
© 2024. The Author(s).
Conflict of interest statement
Declarations. Conflict of interest: M. Ruetters, H. Gehrig, S. Awounvo, T.-S. Kim, S. Doll, K. Alexandrou, A. Felten, C. Lux and S. Sen declare that they have no competing interests. Ethical standards: All procedures involving human participants were in accordance with the ethical standards of the institutional and national research committee and with the 1964 Helsinki declaration and its later amendments or comparable ethical standards. The study was approved by the ethical review board of the University of Heidelberg, Germany (S-017/2020) and by the ethical review board of the medical association of Rhineland–Palatinate (Germany) (2021-15661). Informed consent was not required for this study, because human donors have already given their consent prior to donation of their body to the Department of Anatomy and Cell Biology of the University of Heidelberg for research.
Figures
References
Publication types
MeSH terms
LinkOut - more resources
Full Text Sources
Research Materials
