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Affidabilità delle sovrapposizioni trimensionali nel trattamento distalizzante dei molari superiori
Articolo originale
Affidabilità delle sovrapposizioni trimensionali nel trattamento distalizzante dei molari superiori Ricevuto il: 16 novembre 2011
Reliability of three-dimensional superimpositions in the upper molars distalization treatment
Accettato il: 2 aprile 2012
G. Rollaa,*, A. Macchib, A. Caprioglioc
Disponibile online: 4 maggio 2012
a
Odontoiatra, Specialista in Ortognatodonzia, libero professionista in Verbania Medico Chirurgo, Specialista in Odontostomatologia e in Ortognatodonzia, Presidente Corso di Laurea in Igiene Dentale, Università degli Studi dell’Insubria c Odontoiatra, Specialista in Ortognatodonzia, Direttore Scuola di Specializzazione in Ortognatodonzia, Università degli Studi dell’Insubria b
Parole chiave: Cone Beam Sovrapposizione 3D Distalizzazione molare Pendulum di Hilgers MGBM System
Key words: Cone Beam 3D Superimposition Molar distalization Hilger’s Pendulum MGBM System
*Autore di riferimento: [email protected] (G. Rolla)
Riassunto Obiettivi. Scopo del lavoro è quello di proporre un metodo semplice per effettuare la sovrapposizione tridimensionale di tomografie Cone Beam su punti di repere anatomici stabili durante la crescita del paziente. Materiali e metodi. Due pazienti di età media 13,1 anni in II Classe molare sono stati sottoposti all’esame tomografico pre- e post-distalizzazione dei primi molari superiori attraverso due terapie differenti: il Pendulum di Hilgers e l’MGBM System. La terapia ha avuto la durata di circa 7 mesi. Il risultato ottenuto è stato confrontato con le sovrapposizioni bidimensionali eseguite con due diversi metodi: il “Best Fit” e il metodo strutturale di Bjork. L’esame consiste in una tomografia Cone Beam a bassa dose di radiazioni, eseguito attraverso il macchinario ILUMATM con dimensione voxel 0,3 mm3. La procedura di realizzazione è suddivisa in fasi. Il posizionamento delle slice secondo i piani di riferimento è il primo passaggio. Il secondo passaggio consiste nella segmentazione del volume, per dividere le componenti anatomiche da sovrapporre localmente. Infine le due tomografie sono pronte per essere sovrapposte per punti. Risultati. Le sovrapposizioni ottenute con questo metodo possono considerarsi affidabili se paragonate ai cambiamenti dento-scheletrici rilevati dagli studi effettuati in precedenza e dalle
0391-2000/$ - see front matter © 2012 Elsevier Srl. Tutti i diritti riservati. http://dx.doi.org/10.1016/j.mor.2012.04.001
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| MONDO ORTODONTICO 2012;37(5)(S1):S14-S24
Abstract Objectives. The aim of the study was to establish an easy method to obtain three-dimensional superimposition of Cone Beam tomographies on stable anatomical landmarks in growing patients. Materials and methods. Two patients in Class II molar relationship were selected and subjected to the tomographic exam before and immediately after the distalization of the first upper molars with two different appliances: the Hilgers’ Pendulum and the MGBM System. The results were compared with bidimensional superimposition, done with two methods: the “Best Fit” and the structural method by Bjork. The exam consists in a Cone Beam tomography at low radiation dose with the ILUMATM tomography machine, set at 0.3 mm3 voxel dimension. The realization process was divided in three steps. The first is the image orientation, in order to orient each volume at the same position. The second step is the volume segmentation, to reconstruct the three-dimensional images of every anatomical structure that will be superimposed. The last process is the localization of the same landmarks on the two volumes. Results. The result obtained by the superimposition method proposed may be considered acceptable since the variation between the two volumes corresponds to the dental and skeletal changes induced by treatment with the appliances
Radiologia
sovrapposizioni bidimensionali. Tuttavia non può considerarsi completo per la mancanza di un procedimento che quantifichi l’entità della variazione visibile tra le due tomografie. Il confronto tra sovrapposizione 2D e 3D ha messo in luce i limiti della prima tecnica e i vantaggi dell’altra. La teleradiografia presenta degli errori di base che non permettono una localizzazione univoca dei punti di repere, attraverso la CBCT è possibile invece valutare ogni componente del cranio presa singolarmente e in tutte le proiezioni, senza avere ingrandimenti. È possibile quindi valutare le variazioni in sagittalità e verticalità in entrambi i lati del paziente, esaminare la posizione condilare e della radice dei denti all’interno del processo alveolare in tre dimensioni. Conclusioni. Sicuramente il progresso sta portando a convertire tutti i metodi diagnostici bidimensionali in tridimensionali e il metodo può considerarsi una base su cui costruire un sistema più semplice e completo, permettendone l’utilizzo a tutti i clinici.
used. Further confirmation comes from the comparison with the two-dimensional superimposition. The final result is not completed because it cannot be used to quantify the extent of growth or displacement induced by treatment. The comparison with the two-dimensional superimposition has also highlighted the limitations of the conventional teleradiography and the great advantage of the CBCT. The teleradiography has some basical errors that do not permit an accurate and unique landmarks localitazion. CBCT, instead, allow to evaluate every anatomical structure at 360° with no images superimposition and no magnification, the sagittal and vertical variations in the two different patient’s sides, the condilar position and the dental root position in the alveolar bone. Conclusions. The progress is trying to convert all the diagnostic tools in three-dimensions and this method can be a starting point to create a system accessible to all the orthodontists.
© 2012 Elsevier Srl. Tutti i diritti riservati.
© 2012 Elsevier Srl. All rights reserved.
Introduzione La sovrapposizione è uno strumento di diagnosi e ricerca fondamentale per la comprensione degli effetti del trattamento e della normale crescita della faccia. I primi studi a riguardo si devono a Bjork [1], il quale nel 1955, attraverso l’uso di impianti metallici, riuscì a distinguere tra il riposizionamento e il rimodellamento osseo dei mascellari. Successivamente Bjork e Skieller [2] mostrarono come la sovrapposizione di tracciati cefalometrici poteva essere fatta utilizzando riferimenti anatomici stabili, senza l’utilizzo di impianti. Gli studi di Melsen [3] e Walker [4] sulla crescita della base cranica fornirono ulteriori punti di repere sui quali sovrapporre le radiografie per poter studiare la crescita facciale. La sovrapposizione su tracciati bidimensionali, oltre ad avere i limiti tecnici di una radiografia in proiezione latero-laterale convenzionale, come l’ingrandimento e la sovrapposizione delle strutture anatomiche, presenta inoltre l’evidente impossibilità di studiare il cranio nelle sue tre dimensioni. Dal 1990 si iniziò a studiare come ricavare immagini tridimensionali da scanne-
rizzazioni tomografiche, soprattutto per lo studio di malformazioni cranio-facciali nell’ambito della chirurgia plastica e maxillo-facciale [5]. La tomografia computerizzata (Computed Tomography - CT) a fascio conico, introdotta in odontoiatria nel 1998, ha generato un notevole cambiamento nella radiologia e di conseguenza nella diagnostica odontoiatrica. La grande differenza con il secolo scorso è dovuta all’ideazione di macchine per acquisizioni tomografiche a fascio conico (Cone Beam CT) che possono fare una scansione dell’intero cranio del paziente in pochi secondi, con una bassa dose di radiazioni e con costo contenuto, ottenendo immagini tridimensionali che non contengono distorsioni né sovrapposizioni di strutture anatomiche. In quest’ultimo decennio la tecnologia si è evoluta rapidamente attraverso la costruzione di tomografi sempre più efficienti, con tempi di acquisizione dell’immagine più brevi e quindi con riduzione dei tempi di esposizione alla radiazione. Conseguentemente si sono evoluti i software per la gestione delle immagini. Il vantaggio della CBCT rispetto a una CT convenzionale Fan Beam è principalmente la bassa dose
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di radiazioni emesse: lo studio di Tsiklakis del 2005 evidenzia che la CBCT ha una dose effettiva minore di 8-10 volte rispetto alla CT convenzionale con protocollo standard. Confrontando invece la CBCT con una ortopantomografia si ottiene che quest’ultima ha una dose effettiva più bassa di 3-7 volte rispetto alla nuova tecnologia. Il risultato dipende dall’assorbimento dei raggi di particolari aree anatomiche, il grado di collimazione e la versione del software di acquisizione [6]. A fianco di questa riduzione di dose, il CBCT evidenzia una riduzione della qualità dell’immagine ottenuta, che comunque rimane sufficiente per la risoluzione di molti problemi diagnostici [7]. Confrontando però la CBCT con le radiografie convenzionali si ottengono delle informazioni addizionali notevoli, che giustificano la maggiore esposizione ai raggi [8]. Diversi studi su tecniche di sovrapposizione di due volumi tridimensionali sono stati effettuati da Cevidanes [9–12] alla University of North Carolina attraverso l’utilizzo di tre differenti software: ITK-SNAP (National Library of Medicine and National Institutes of Health, Bethesda, Md), The IMAGINE software (National Institutes of Health, Bethesda, Md) e CMF software (Maurice Müller Institute, Bern, Switzerland), tutti caratterizzati da una lunga e indaginosa procedura. Il metodo proposto consente di evitare la sovrapposizione su punti anatomici in quanto si ritiene che la localizzazione dei suddetti punti richieda, innanzi tutto, una definizione precisa e in seguito l’individuazione di essi in ognuna delle tre dimensioni dello spazio. Per evitare questo passaggio, che può generare errore da parte dell’operatore, viene sovrapposta in modo automatico l’intera base cranica (nel paziente in crescita viene sovrapposta solamente la base cranica anteriore), facendo corrispondere voxel su voxel le due acquisizioni tomografiche.
Scopo della ricerca Lo scopo di questo studio è la ricerca di un metodo semplice per effettuare la sovrapposizione tridimensionale su punti di repere anatomici stabili durante la crescita del paziente, utilizzando un solo software in pazienti caratterizzati da II Classe molare. Il risultato è stato confrontato con le sovrapposizioni bidimensionali sviluppate dalle teleradiografie derivate delle tomografie degli stessi pazienti. S16
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Materiali e metodi Sono stati selezionati due pazienti in II Classe molare e canina per la cui correzione il trattamento prevedeva la distalizzazione dei primi molari superiori. Ottenuto il consenso informato, uno è stato trattato con Pendulum di Hilgers [13] e uno con MGBM System [14]. A ogni paziente è stato chiesto di effettuare un esame CBCT a inizio terapia (T0) e a fine distalizzazione (T1). I pazienti hanno un’età media di 13,1 anni e il tempo di distalizzazione medio è di 7 mesi. Per svolgere la procedura è stato utilizzato il software di rendering, Mimics (Mimics 10.1, Materialise, Leuven, Belgio). Dalle acquisizioni tomografiche sono state ricavate, attraverso il software Dolphin (Dolphin Imaging and Management, Chatworth, CA, USA), le teleradiografie latero-laterali necessarie al confronto con la sovrapposizione bidimensionale. Le CBCT provengono da uno degli apparecchi in commercio, ILUMATM Ultra, (IMTEC Imaging, Ardore, OK, USA). La sovrapposizione tridimensionale è stata confrontata con due metodi di sovrapposizione bidimensionale su teleradiografie ricavate dalle stesse CBCT, il “Best Fit” [15] e il metodo strutturale sviluppato dal Professore Bjork [1]. Gli autori dichiarano che lo studio presentato è stato realizzato in accordo con gli standard etici stabiliti nella Dichiarazione di Helsinki e che il consenso informato è stato ottenuto da tutti i partecipanti prima del loro arruolamento allo studio.
Procedura di sovrapposizione 3D Dopo aver caricato su Mimics i file DICOM, appariranno le slices delle tre proiezioni: assiale, coronale e sagittale. Ognuna di esse dovrà essere orientata posizionando la linea di riferimento che apparirà nel quadrante sul piano di riferimento della proiezione stessa (Piano di simmetria passante per l’apofisi Crista Galli per il piano assiale e piano di Francoforte per il piano sagittale e coronale). In caso non si eseguisse questa operazione i risultati potrebbero essere come quelli nella figura 1, dove si nota un’asimmetria tra i due volumi anche sulla base cranica
Radiologia
Fig. 1
che non è sicuramente influenzata dal trattamento, trattasi quindi di un errore dovuto al mancato orientamento della proiezione assiale. La fase successiva consiste nella ricostruzione tridimensionale delle immagini. Per fare questo bisogna isolare la base cranica dal mascellare superiore e dalla mandibola ed è il passaggio più impegnativo e lungo in termini di tempo. Ogni componente del cranio ha una diversa densità di tessuto e quindi, nella visualizzazione della tomografia, una diversa tonalità di grigio. Per esempio il mascellare superiore ha un osso meno denso della mandibola e quest’ultima è sicuramente meno densa dello smalto dentario. Si deve procedere a scegliere la soglia di densità di tessuto della parte anatomica interessata e isolarla dal resto del cranio. Per fare ciò è necessario eliminare manualmente da ogni slice le regioni esterne all’immagine da riprodurre questo passaggio che richiede una lunga lavorazione. Per rendere il volume meglio visualizzabile è consigliato rimuovere ogni tipo d’artefatto metallico presente nel cavo orale del paziente. Questo produce una deformazione dell’immagine che complica il processo di segmentazione e riduce la qualità del risultato, perciò sarebbe opportuno eliminare bande, miniviti e attacchi prima di effettuare l’esame tomografico. Il software procederà automaticamente al calcolo dell’oggetto tridimensionale e a ognuno di questi si assegna un diverso colore. A questo punto per ogni paziente si sono ottenuti due volumi composti
da cinque parti ciascuno: base cranica, mascellare superiore, mandibola, arcata superiore e inferiore. Il software consente di unire i due volumi ottenuti sovrapponendoli per punti (questi devono essere superiori o uguali a tre per ogni area di sovrapposizione). Il punto scelto deve essere posto controllandone la posizione in tutte e tre le proiezioni dello spazio (fig. 2): a sinistra le proiezioni della tomografia iniziale e a destra di quella finale. La procedura è semplice e veloce, ma il riconoscimento delle strutture anatomiche, per gli ortodontisti che sono abituati a lavorare con radiografie bidimensionali, può risultare non immediato. I punti scelti in questo studio sono: - Area generale: I pazienti selezionati sono ancora in fase di crescita per cui si sono scelti dei punti sulla base cranica anteriore. Il piatto cribiforme è la struttura che rimane stabile prima di tutte le altre, per questo si è scelto il punto più apicale di questa, l’Apofisi Crista Galli. Il secondo e il terzo punto fanno parte della parte anteriore della sella turcica, che rimane stabile dall’età di 5 anni. Più precisamente si sono scelti i punti più posteriori delle apofisi clinoidee anteriori, destra e sinistra [3]. Gli ultimi due punti per quest’area di sovrapposizione sono i punti Pterigoideo di destra e di sinistra: si trovano in corrispondenza della giunzione tra il bordo inferiore del foro rotondo e bordo posteriore della fessura pterigo mascellare. Il foro rotondo fa parte delle grandi ali dello sfenoide, struttura presa in considerazione nelle sovrapposizioni bidimensionali da diversi autori [16]. - Area maxillare: Per riferimenti laterali sono stati presi i punti Pterigomascellare destro e sinistro, considerati i punti più posteriori del mascellare superiore, per cui le misurazioni sagittali possono essere prese da questo punto [17]. Come riferimento sulla linea mediana è stato scelto il forame incisivo. - Area mandibolare: Per l’ultima area di sovrapposizione sono stati individuati quattro punti di repere del nervo alveolare inferiore: il forame mentoniero destro e sinistro e il foro mandibolare destro e sinistro. Il nervo alveolare inferiore risulta stabile nella sua posizione all’interno dell’osso, che subisce femoneni di rimodellamento superiormente e inferiormente a esso [18].
Fig. 1 Sovrapposizione senza orientamento assiale. In verde volume iniziale, in rosso volume finale.
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Fig. 2
Fig. 2
Localizzazione dei punti sul software nelle tre proiezioni.
Risultati
Un paziente, maschio, di razza caucasica, di 13 anni di età, caratterizzato da II classe I divisione normodivergente e II Classe molare e canina, è stato sottoposto
a trattamento ortodontico con un dispositivo tipo Pendulum di Hilgers. Le CBCT a T0 e T1 hanno permesso l’ottenimento della sovrapposizione generale in proiezione frontale e laterale destra (figg. 3, 4). Inoltre è stato possibile ottenere le sovrapposizioni del mascellare superiore (fig. 5) e da qui isolare le sole
Fig. 3
Fig. 4
Caso I: trattamento con Pendulum
Fig. 3 Pendulum: sovrapposizione generale, visione frontale.
Fig. 4 Pendulum: sovrapposizione generale, visione laterale destra.
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Radiologia
componenti dentali (figg. 6, 7) in visione occlusale e laterale. La stessa procedura ha permesso di ottenere le immagini per la mandibola (fig. 8) e le sue componenti dentali (fig. 9).
Il colore verde rappresenta il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T0, il rosso la mandibola e l’arcata dentaria inferiore a T0, l’arancione il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T1 e il giallo chiaro la mandibola e l’arcata dentaria inferiore a T1.
Fig. 5
Caso II: trattamento con MGBM System
Fig. 5 Pendulum:
Un paziente maschio, di razza caucasica, di 13 anni di età con II classe normodivergente, caratterizzato da II Classe molare e canina, è stato sottoposto a trattamento ortodontico con sistema distalizzante tipo MGBM System. La CBCT a T0 e T1 hanno permesso l’ottenimento della sovrapposizione generale in proiezione frontale e laterale destra (figg. 10, 11). Inoltre è stato possibile ottenere le sovrapposizioni del mascellare superiore (fig. 12) e da qui isolare le sole componenti dentali (figg. 13, 14) in visione occlusale e laterale.
Fig. 6
Fig. 8
sovrapposizione su mascellare superiore, visione laterale destra.
Fig. 6 Pendulum: Occlusogramma superiore, visione occlusale.
Fig. 7 Pendulum: Occlusogramma superiore, visione laterale destra.
Fig. 8 Pendulum: Fig. 7
Fig. 9
Sovrapposizione su mandibola, visione frontale.
Fig. 9 Pendulum: Occlusogramma inferiore, visione occlusale.
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Fig. 10
Fig. 10 MGBM System: sovrapposizione generale, visione frontale.
Fig. 11
La stessa procedura ha permesso di ottenere le immagini per la mandibola (fig. 15) e le sue componenti dentali (fig. 16). Il colore verde rappresenta il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T0, il rosso la mandibola
Fig. 13
MGBM System: sovrapposizione generale, visione laterale destra.
Fig. 12 MGBM System: sovrapposizione su mascellare superiore, visione frontale.
Fig. 11
Fig. 14 Fig. 13 MGBM System: occlusogramma superiore, visione occlusale.
Fig. 14 MGBM System: occlusogramma inferiore, visione laterale destra.
Fig. 12
Fig. 15 MGBM System: sovrapposizione su mandibola, visione laterale destra.
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Radiologia
e l’arcata dentaria inferiore a T0, l’arancione il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T1 e il giallo chiaro la mandibola e l’arcata dentaria inferiore a T1.
Sovrapposizioni bidimensionali Gli stessi due casi sono poi stati analizzati con la tecnica di sovrapposizione bidimensionale secondo il metodo strutturale di Bjork e secondo il metodo “Best Fit”. Nel caso I la sovrapposizione generale secondo il metodo strutturale (fig. 17), la sovrapposizione
mascellare (fig. 18) e la sovrapposizione mandibolare (fig. 19) sono simili per risultato alle tre sovrapposizioni ottenute con il metodo “Best Fit” (figg. 20-22) e paragonabili ai risultati ottenuti con la sovrapposizione tridimensionale. Con la medesima procedura si è poi analizzato il caso II, ottenendo risultati simili al caso precedente.
Fig. 18
Fig. 16
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MGBM System: occlusogramma inferiore, visione laterale destra.
Fig. 17 Pendulum: sovrapposizione generale, metodo strutturale.
Fig. 18 Pendulum: sovrapposizione su mascellare superiore, metodo strutturale.
Fig. 17
Fig. 19
Fig. 19 Pendulum: sovrapposizione su mandibola, metodo strutturale.
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Fig. 20
Fig. 20
Fig. 22
Fig. 21
Durante la realizzazione delle sovrapposizioni, la prima osservazione emersa è che in tutti i casi selezionati la posizione della testa del paziente durante l’esame aveva una discreta variazione tra la prima e la seconda tomografia. Questo errore potrebbe essere altrettanto comune nella tecnica di cefalometria latero-laterale, producendo un errore di base non correggibile, a differenza della tomografia che è orientabile. A quest’errore se ne aggiungono altri quali la sovrapposizione delle immagini e quindi la difficoltà nella localizzazione di punti univoci [15]. Il limite più grande è il tempo impiegato per la segmentazione delle immagini nelle tre componenti del cranio. Questo passaggio è necessario se si vuole avere anche una sovrapposizione locale della mandibola e del mascellare superiore per ottenere la visualizzazione della modificazione dell’arcata superiore e inferiore. In caso si volesse solamente ottenere una sovrapposizione generale sulla base cranica questo passaggio sarebbe semiautomatico e richiederebbe un tempo di lavorazione minimo e trascurabile. La sovrapposizione per punti sembra quindi essere un metodo valido. La ricerca di punti di sovrapposizione potrebbe essere ulteriormente ampliata con studi su crani secchi e verificando questo metodo anche su pazienti d’età inferiore a quelli selezionati e su trattamenti più lunghi in termini di tempo. Il rendering finale non consente di ottenere una valutazione quantitativa dell’entità di crescita o
Pendulum: sovrapposizione generale, Best Fit.
Fig. 21 Pendulum: sovrapposizione su mascellare superiore, Best Fit.
Fig. 22 Pendulum: sovrapposizione su mandibola, Best Fit.
Discussione I risultati ottenuti dal metodo di sovrapposizione proposto possono considerarsi accettabili, poiché la variazione tra i due volumi corrisponde alle modificazioni dentali e scheletriche indotte dalla terapia con le apparecchiature utilizzate. Un ulteriore conferma deriva dal confronto con le sovrapposizioni bidimensionali, effettuate con metodi diffusi e approvati dalla comunità scientifica. S22
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dislocamento indotta dal trattamento. Infatti, soprattutto dell’area di sovrapposizione mascellare e mandibolare, i colori non hanno una distinzione netta ma appaiono con un aspetto a macchie. Questo indica che non c’è una variazione significativa tra i due volumi. La sovrapposizione tridimensionale ci consente di studiare anche altre componenti che con la semplice teleradiografia non si potrebbero esaminare. Per esempio è possibile ottenere la visualizzazione del movimento del condilo all’interno della fossa articolare. Il software permette di sovrapporre anche un numero maggiore di volumi, potendo valutare in questi casi la situazione a fine terapia e il follow-up a distanza.
Conclusioni Il confronto con la sovrapposizione bidimensionale, oltre ad avere lo scopo di verifica sul metodo 3D, ha messo anche in luce le grandi differenze tra i due metodi. Queste derivano principalmente dai limiti della tecnica radiografica bidimensionale, con la difficoltà a rilevare con precisione le strutture anatomiche sovrapposte, e dal grande vantaggio del tridimensionale di poter visualizzare qualsiasi struttura con un solo esame. Per esempio è possibile valutare la differenza della crescita o della risposta al trattamento in sagittalità e verticalità nei due diversi lati del paziente, impossibile da ottenere con le radiografie convenzionali. Si può valutare il cambiamento del movimento della radice dentaria all’interno dell’osso o oppure studiare la crescita di strutture anatomiche, come la premaxilla, difficilmente valutabili fino ad ora. Inoltre con la CBCT si ha sempre la certezza di non avere ingrandimenti delle strutture. Negli ultimi dieci anni la tecnologia Cone Beam ha rivoluzionato la diagnostica per immagini in odontoiatria. Tutte le ricerche svolte fino al secolo scorso partivano da immagini bidimensionali di un oggetto tridimensionale, adesso si sta cercando di convertire tutte le conoscenze in 3D. La difficoltà attuale è che questi mezzi non sono alla portata di tutti: i tomografi non sono ancora presenti in larga misura sul territorio, i costi sono elevati e la dose di radiazioni
emessa non giustifica per ogni paziente la richiesta dell’esame. Inoltre i software per la gestione dei volumi sono costosi e necessitano di un periodo di formazione all’utilizzo. Il progresso per essere chiamato tale deve essere alla portata di tutti e il futuro di questa tecnologia nei prossimi anni deve essere volto a questo scopo. Il metodo di sovrapposizione di questo lavoro vuole essere il più semplice possibile con i mezzi attualmente disponibili. L’utilizzo di un solo software e la sovrapposizione per punti rendono il procedimento più facile tra quelli fino a ora descritti in letteratura [8–12]. Tuttavia non può considerarsi completo per la mancanza di un sistema di calcolo della variazione tra la tomografia a T0 e quella effettuata a T1. Una possibile ricerca futura potrà avere proprio questo scopo, cercando una collaborazione con i programmatori del software stesso per cercare di migliorare questo metodo e renderlo completo, per poi renderlo a disposizione dei clinici, insieme a un’adeguata formazione.
Conflitto di interesse Gli autori dichiarano di non aver avuto nessun conflitto di interessi.
Finanziamenti allo studio Gli autori dichiarano di non aver ricevuto finanziamenti per il presente studio. Bibliografia 1. Bjork A. Facial growth in man, studied with the aid of metallic implants. Acta Odontol Scand 1955;13:9-34. 2. Bjork A, Skieller V. Normal and abnormal growth of the mandible. A synthesis of a longitudinal cephalometric implant studies over a period of 25 years. Eur J Ortho 1983;5:1-46. 3. Melsen B. The cranial base.The postnatal development of the cranial base studied histologically on human autopsy material. Acta Odontologica Scandinavica 1974;32(Suppl.):62. 4. Walker GF. Summary of research report on the analysis of craniofacial growth. N Zealand Dent J 1967;63:31-8.
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Parole chiave: Cone Beam Sovrapposizione 3D Distalizzazione molare Pendulum di Hilgers MGBM System
Key words: Cone Beam 3D Superimposition Molar distalization Hilger’s Pendulum MGBM System
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Abstract Objectives. The aim of the study was to establish an easy method to obtain three-dimensional superimposition of Cone Beam tomographies on stable anatomical landmarks in growing patients. Materials and methods. Two patients in Class II molar relationship were selected and subjected to the tomographic exam before and immediately after the distalization of the first upper molars with two different appliances: the Hilgers’ Pendulum and the MGBM System. The results were compared with bidimensional superimposition, done with two methods: the “Best Fit” and the structural method by Bjork. The exam consists in a Cone Beam tomography at low radiation dose with the ILUMATM tomography machine, set at 0.3 mm3 voxel dimension. The realization process was divided in three steps. The first is the image orientation, in order to orient each volume at the same position. The second step is the volume segmentation, to reconstruct the three-dimensional images of every anatomical structure that will be superimposed. The last process is the localization of the same landmarks on the two volumes. Results. The result obtained by the superimposition method proposed may be considered acceptable since the variation between the two volumes corresponds to the dental and skeletal changes induced by treatment with the appliances
Radiologia
sovrapposizioni bidimensionali. Tuttavia non può considerarsi completo per la mancanza di un procedimento che quantifichi l’entità della variazione visibile tra le due tomografie. Il confronto tra sovrapposizione 2D e 3D ha messo in luce i limiti della prima tecnica e i vantaggi dell’altra. La teleradiografia presenta degli errori di base che non permettono una localizzazione univoca dei punti di repere, attraverso la CBCT è possibile invece valutare ogni componente del cranio presa singolarmente e in tutte le proiezioni, senza avere ingrandimenti. È possibile quindi valutare le variazioni in sagittalità e verticalità in entrambi i lati del paziente, esaminare la posizione condilare e della radice dei denti all’interno del processo alveolare in tre dimensioni. Conclusioni. Sicuramente il progresso sta portando a convertire tutti i metodi diagnostici bidimensionali in tridimensionali e il metodo può considerarsi una base su cui costruire un sistema più semplice e completo, permettendone l’utilizzo a tutti i clinici.
used. Further confirmation comes from the comparison with the two-dimensional superimposition. The final result is not completed because it cannot be used to quantify the extent of growth or displacement induced by treatment. The comparison with the two-dimensional superimposition has also highlighted the limitations of the conventional teleradiography and the great advantage of the CBCT. The teleradiography has some basical errors that do not permit an accurate and unique landmarks localitazion. CBCT, instead, allow to evaluate every anatomical structure at 360° with no images superimposition and no magnification, the sagittal and vertical variations in the two different patient’s sides, the condilar position and the dental root position in the alveolar bone. Conclusions. The progress is trying to convert all the diagnostic tools in three-dimensions and this method can be a starting point to create a system accessible to all the orthodontists.
© 2012 Elsevier Srl. Tutti i diritti riservati.
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Introduzione La sovrapposizione è uno strumento di diagnosi e ricerca fondamentale per la comprensione degli effetti del trattamento e della normale crescita della faccia. I primi studi a riguardo si devono a Bjork [1], il quale nel 1955, attraverso l’uso di impianti metallici, riuscì a distinguere tra il riposizionamento e il rimodellamento osseo dei mascellari. Successivamente Bjork e Skieller [2] mostrarono come la sovrapposizione di tracciati cefalometrici poteva essere fatta utilizzando riferimenti anatomici stabili, senza l’utilizzo di impianti. Gli studi di Melsen [3] e Walker [4] sulla crescita della base cranica fornirono ulteriori punti di repere sui quali sovrapporre le radiografie per poter studiare la crescita facciale. La sovrapposizione su tracciati bidimensionali, oltre ad avere i limiti tecnici di una radiografia in proiezione latero-laterale convenzionale, come l’ingrandimento e la sovrapposizione delle strutture anatomiche, presenta inoltre l’evidente impossibilità di studiare il cranio nelle sue tre dimensioni. Dal 1990 si iniziò a studiare come ricavare immagini tridimensionali da scanne-
rizzazioni tomografiche, soprattutto per lo studio di malformazioni cranio-facciali nell’ambito della chirurgia plastica e maxillo-facciale [5]. La tomografia computerizzata (Computed Tomography - CT) a fascio conico, introdotta in odontoiatria nel 1998, ha generato un notevole cambiamento nella radiologia e di conseguenza nella diagnostica odontoiatrica. La grande differenza con il secolo scorso è dovuta all’ideazione di macchine per acquisizioni tomografiche a fascio conico (Cone Beam CT) che possono fare una scansione dell’intero cranio del paziente in pochi secondi, con una bassa dose di radiazioni e con costo contenuto, ottenendo immagini tridimensionali che non contengono distorsioni né sovrapposizioni di strutture anatomiche. In quest’ultimo decennio la tecnologia si è evoluta rapidamente attraverso la costruzione di tomografi sempre più efficienti, con tempi di acquisizione dell’immagine più brevi e quindi con riduzione dei tempi di esposizione alla radiazione. Conseguentemente si sono evoluti i software per la gestione delle immagini. Il vantaggio della CBCT rispetto a una CT convenzionale Fan Beam è principalmente la bassa dose
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di radiazioni emesse: lo studio di Tsiklakis del 2005 evidenzia che la CBCT ha una dose effettiva minore di 8-10 volte rispetto alla CT convenzionale con protocollo standard. Confrontando invece la CBCT con una ortopantomografia si ottiene che quest’ultima ha una dose effettiva più bassa di 3-7 volte rispetto alla nuova tecnologia. Il risultato dipende dall’assorbimento dei raggi di particolari aree anatomiche, il grado di collimazione e la versione del software di acquisizione [6]. A fianco di questa riduzione di dose, il CBCT evidenzia una riduzione della qualità dell’immagine ottenuta, che comunque rimane sufficiente per la risoluzione di molti problemi diagnostici [7]. Confrontando però la CBCT con le radiografie convenzionali si ottengono delle informazioni addizionali notevoli, che giustificano la maggiore esposizione ai raggi [8]. Diversi studi su tecniche di sovrapposizione di due volumi tridimensionali sono stati effettuati da Cevidanes [9–12] alla University of North Carolina attraverso l’utilizzo di tre differenti software: ITK-SNAP (National Library of Medicine and National Institutes of Health, Bethesda, Md), The IMAGINE software (National Institutes of Health, Bethesda, Md) e CMF software (Maurice Müller Institute, Bern, Switzerland), tutti caratterizzati da una lunga e indaginosa procedura. Il metodo proposto consente di evitare la sovrapposizione su punti anatomici in quanto si ritiene che la localizzazione dei suddetti punti richieda, innanzi tutto, una definizione precisa e in seguito l’individuazione di essi in ognuna delle tre dimensioni dello spazio. Per evitare questo passaggio, che può generare errore da parte dell’operatore, viene sovrapposta in modo automatico l’intera base cranica (nel paziente in crescita viene sovrapposta solamente la base cranica anteriore), facendo corrispondere voxel su voxel le due acquisizioni tomografiche.
Scopo della ricerca Lo scopo di questo studio è la ricerca di un metodo semplice per effettuare la sovrapposizione tridimensionale su punti di repere anatomici stabili durante la crescita del paziente, utilizzando un solo software in pazienti caratterizzati da II Classe molare. Il risultato è stato confrontato con le sovrapposizioni bidimensionali sviluppate dalle teleradiografie derivate delle tomografie degli stessi pazienti. S16
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Materiali e metodi Sono stati selezionati due pazienti in II Classe molare e canina per la cui correzione il trattamento prevedeva la distalizzazione dei primi molari superiori. Ottenuto il consenso informato, uno è stato trattato con Pendulum di Hilgers [13] e uno con MGBM System [14]. A ogni paziente è stato chiesto di effettuare un esame CBCT a inizio terapia (T0) e a fine distalizzazione (T1). I pazienti hanno un’età media di 13,1 anni e il tempo di distalizzazione medio è di 7 mesi. Per svolgere la procedura è stato utilizzato il software di rendering, Mimics (Mimics 10.1, Materialise, Leuven, Belgio). Dalle acquisizioni tomografiche sono state ricavate, attraverso il software Dolphin (Dolphin Imaging and Management, Chatworth, CA, USA), le teleradiografie latero-laterali necessarie al confronto con la sovrapposizione bidimensionale. Le CBCT provengono da uno degli apparecchi in commercio, ILUMATM Ultra, (IMTEC Imaging, Ardore, OK, USA). La sovrapposizione tridimensionale è stata confrontata con due metodi di sovrapposizione bidimensionale su teleradiografie ricavate dalle stesse CBCT, il “Best Fit” [15] e il metodo strutturale sviluppato dal Professore Bjork [1]. Gli autori dichiarano che lo studio presentato è stato realizzato in accordo con gli standard etici stabiliti nella Dichiarazione di Helsinki e che il consenso informato è stato ottenuto da tutti i partecipanti prima del loro arruolamento allo studio.
Procedura di sovrapposizione 3D Dopo aver caricato su Mimics i file DICOM, appariranno le slices delle tre proiezioni: assiale, coronale e sagittale. Ognuna di esse dovrà essere orientata posizionando la linea di riferimento che apparirà nel quadrante sul piano di riferimento della proiezione stessa (Piano di simmetria passante per l’apofisi Crista Galli per il piano assiale e piano di Francoforte per il piano sagittale e coronale). In caso non si eseguisse questa operazione i risultati potrebbero essere come quelli nella figura 1, dove si nota un’asimmetria tra i due volumi anche sulla base cranica
Radiologia
Fig. 1
che non è sicuramente influenzata dal trattamento, trattasi quindi di un errore dovuto al mancato orientamento della proiezione assiale. La fase successiva consiste nella ricostruzione tridimensionale delle immagini. Per fare questo bisogna isolare la base cranica dal mascellare superiore e dalla mandibola ed è il passaggio più impegnativo e lungo in termini di tempo. Ogni componente del cranio ha una diversa densità di tessuto e quindi, nella visualizzazione della tomografia, una diversa tonalità di grigio. Per esempio il mascellare superiore ha un osso meno denso della mandibola e quest’ultima è sicuramente meno densa dello smalto dentario. Si deve procedere a scegliere la soglia di densità di tessuto della parte anatomica interessata e isolarla dal resto del cranio. Per fare ciò è necessario eliminare manualmente da ogni slice le regioni esterne all’immagine da riprodurre questo passaggio che richiede una lunga lavorazione. Per rendere il volume meglio visualizzabile è consigliato rimuovere ogni tipo d’artefatto metallico presente nel cavo orale del paziente. Questo produce una deformazione dell’immagine che complica il processo di segmentazione e riduce la qualità del risultato, perciò sarebbe opportuno eliminare bande, miniviti e attacchi prima di effettuare l’esame tomografico. Il software procederà automaticamente al calcolo dell’oggetto tridimensionale e a ognuno di questi si assegna un diverso colore. A questo punto per ogni paziente si sono ottenuti due volumi composti
da cinque parti ciascuno: base cranica, mascellare superiore, mandibola, arcata superiore e inferiore. Il software consente di unire i due volumi ottenuti sovrapponendoli per punti (questi devono essere superiori o uguali a tre per ogni area di sovrapposizione). Il punto scelto deve essere posto controllandone la posizione in tutte e tre le proiezioni dello spazio (fig. 2): a sinistra le proiezioni della tomografia iniziale e a destra di quella finale. La procedura è semplice e veloce, ma il riconoscimento delle strutture anatomiche, per gli ortodontisti che sono abituati a lavorare con radiografie bidimensionali, può risultare non immediato. I punti scelti in questo studio sono: - Area generale: I pazienti selezionati sono ancora in fase di crescita per cui si sono scelti dei punti sulla base cranica anteriore. Il piatto cribiforme è la struttura che rimane stabile prima di tutte le altre, per questo si è scelto il punto più apicale di questa, l’Apofisi Crista Galli. Il secondo e il terzo punto fanno parte della parte anteriore della sella turcica, che rimane stabile dall’età di 5 anni. Più precisamente si sono scelti i punti più posteriori delle apofisi clinoidee anteriori, destra e sinistra [3]. Gli ultimi due punti per quest’area di sovrapposizione sono i punti Pterigoideo di destra e di sinistra: si trovano in corrispondenza della giunzione tra il bordo inferiore del foro rotondo e bordo posteriore della fessura pterigo mascellare. Il foro rotondo fa parte delle grandi ali dello sfenoide, struttura presa in considerazione nelle sovrapposizioni bidimensionali da diversi autori [16]. - Area maxillare: Per riferimenti laterali sono stati presi i punti Pterigomascellare destro e sinistro, considerati i punti più posteriori del mascellare superiore, per cui le misurazioni sagittali possono essere prese da questo punto [17]. Come riferimento sulla linea mediana è stato scelto il forame incisivo. - Area mandibolare: Per l’ultima area di sovrapposizione sono stati individuati quattro punti di repere del nervo alveolare inferiore: il forame mentoniero destro e sinistro e il foro mandibolare destro e sinistro. Il nervo alveolare inferiore risulta stabile nella sua posizione all’interno dell’osso, che subisce femoneni di rimodellamento superiormente e inferiormente a esso [18].
Fig. 1 Sovrapposizione senza orientamento assiale. In verde volume iniziale, in rosso volume finale.
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Fig. 2
Fig. 2
Localizzazione dei punti sul software nelle tre proiezioni.
Risultati
Un paziente, maschio, di razza caucasica, di 13 anni di età, caratterizzato da II classe I divisione normodivergente e II Classe molare e canina, è stato sottoposto
a trattamento ortodontico con un dispositivo tipo Pendulum di Hilgers. Le CBCT a T0 e T1 hanno permesso l’ottenimento della sovrapposizione generale in proiezione frontale e laterale destra (figg. 3, 4). Inoltre è stato possibile ottenere le sovrapposizioni del mascellare superiore (fig. 5) e da qui isolare le sole
Fig. 3
Fig. 4
Caso I: trattamento con Pendulum
Fig. 3 Pendulum: sovrapposizione generale, visione frontale.
Fig. 4 Pendulum: sovrapposizione generale, visione laterale destra.
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componenti dentali (figg. 6, 7) in visione occlusale e laterale. La stessa procedura ha permesso di ottenere le immagini per la mandibola (fig. 8) e le sue componenti dentali (fig. 9).
Il colore verde rappresenta il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T0, il rosso la mandibola e l’arcata dentaria inferiore a T0, l’arancione il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T1 e il giallo chiaro la mandibola e l’arcata dentaria inferiore a T1.
Fig. 5
Caso II: trattamento con MGBM System
Fig. 5 Pendulum:
Un paziente maschio, di razza caucasica, di 13 anni di età con II classe normodivergente, caratterizzato da II Classe molare e canina, è stato sottoposto a trattamento ortodontico con sistema distalizzante tipo MGBM System. La CBCT a T0 e T1 hanno permesso l’ottenimento della sovrapposizione generale in proiezione frontale e laterale destra (figg. 10, 11). Inoltre è stato possibile ottenere le sovrapposizioni del mascellare superiore (fig. 12) e da qui isolare le sole componenti dentali (figg. 13, 14) in visione occlusale e laterale.
Fig. 6
Fig. 8
sovrapposizione su mascellare superiore, visione laterale destra.
Fig. 6 Pendulum: Occlusogramma superiore, visione occlusale.
Fig. 7 Pendulum: Occlusogramma superiore, visione laterale destra.
Fig. 8 Pendulum: Fig. 7
Fig. 9
Sovrapposizione su mandibola, visione frontale.
Fig. 9 Pendulum: Occlusogramma inferiore, visione occlusale.
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Fig. 10
Fig. 10 MGBM System: sovrapposizione generale, visione frontale.
Fig. 11
La stessa procedura ha permesso di ottenere le immagini per la mandibola (fig. 15) e le sue componenti dentali (fig. 16). Il colore verde rappresenta il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T0, il rosso la mandibola
Fig. 13
MGBM System: sovrapposizione generale, visione laterale destra.
Fig. 12 MGBM System: sovrapposizione su mascellare superiore, visione frontale.
Fig. 11
Fig. 14 Fig. 13 MGBM System: occlusogramma superiore, visione occlusale.
Fig. 14 MGBM System: occlusogramma inferiore, visione laterale destra.
Fig. 12
Fig. 15 MGBM System: sovrapposizione su mandibola, visione laterale destra.
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e l’arcata dentaria inferiore a T0, l’arancione il mascellare superiore e l’arcata dentaria superiore a T1 e il giallo chiaro la mandibola e l’arcata dentaria inferiore a T1.
Sovrapposizioni bidimensionali Gli stessi due casi sono poi stati analizzati con la tecnica di sovrapposizione bidimensionale secondo il metodo strutturale di Bjork e secondo il metodo “Best Fit”. Nel caso I la sovrapposizione generale secondo il metodo strutturale (fig. 17), la sovrapposizione
mascellare (fig. 18) e la sovrapposizione mandibolare (fig. 19) sono simili per risultato alle tre sovrapposizioni ottenute con il metodo “Best Fit” (figg. 20-22) e paragonabili ai risultati ottenuti con la sovrapposizione tridimensionale. Con la medesima procedura si è poi analizzato il caso II, ottenendo risultati simili al caso precedente.
Fig. 18
Fig. 16
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MGBM System: occlusogramma inferiore, visione laterale destra.
Fig. 17 Pendulum: sovrapposizione generale, metodo strutturale.
Fig. 18 Pendulum: sovrapposizione su mascellare superiore, metodo strutturale.
Fig. 17
Fig. 19
Fig. 19 Pendulum: sovrapposizione su mandibola, metodo strutturale.
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Fig. 20
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Fig. 22
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Durante la realizzazione delle sovrapposizioni, la prima osservazione emersa è che in tutti i casi selezionati la posizione della testa del paziente durante l’esame aveva una discreta variazione tra la prima e la seconda tomografia. Questo errore potrebbe essere altrettanto comune nella tecnica di cefalometria latero-laterale, producendo un errore di base non correggibile, a differenza della tomografia che è orientabile. A quest’errore se ne aggiungono altri quali la sovrapposizione delle immagini e quindi la difficoltà nella localizzazione di punti univoci [15]. Il limite più grande è il tempo impiegato per la segmentazione delle immagini nelle tre componenti del cranio. Questo passaggio è necessario se si vuole avere anche una sovrapposizione locale della mandibola e del mascellare superiore per ottenere la visualizzazione della modificazione dell’arcata superiore e inferiore. In caso si volesse solamente ottenere una sovrapposizione generale sulla base cranica questo passaggio sarebbe semiautomatico e richiederebbe un tempo di lavorazione minimo e trascurabile. La sovrapposizione per punti sembra quindi essere un metodo valido. La ricerca di punti di sovrapposizione potrebbe essere ulteriormente ampliata con studi su crani secchi e verificando questo metodo anche su pazienti d’età inferiore a quelli selezionati e su trattamenti più lunghi in termini di tempo. Il rendering finale non consente di ottenere una valutazione quantitativa dell’entità di crescita o
Pendulum: sovrapposizione generale, Best Fit.
Fig. 21 Pendulum: sovrapposizione su mascellare superiore, Best Fit.
Fig. 22 Pendulum: sovrapposizione su mandibola, Best Fit.
Discussione I risultati ottenuti dal metodo di sovrapposizione proposto possono considerarsi accettabili, poiché la variazione tra i due volumi corrisponde alle modificazioni dentali e scheletriche indotte dalla terapia con le apparecchiature utilizzate. Un ulteriore conferma deriva dal confronto con le sovrapposizioni bidimensionali, effettuate con metodi diffusi e approvati dalla comunità scientifica. S22
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dislocamento indotta dal trattamento. Infatti, soprattutto dell’area di sovrapposizione mascellare e mandibolare, i colori non hanno una distinzione netta ma appaiono con un aspetto a macchie. Questo indica che non c’è una variazione significativa tra i due volumi. La sovrapposizione tridimensionale ci consente di studiare anche altre componenti che con la semplice teleradiografia non si potrebbero esaminare. Per esempio è possibile ottenere la visualizzazione del movimento del condilo all’interno della fossa articolare. Il software permette di sovrapporre anche un numero maggiore di volumi, potendo valutare in questi casi la situazione a fine terapia e il follow-up a distanza.
Conclusioni Il confronto con la sovrapposizione bidimensionale, oltre ad avere lo scopo di verifica sul metodo 3D, ha messo anche in luce le grandi differenze tra i due metodi. Queste derivano principalmente dai limiti della tecnica radiografica bidimensionale, con la difficoltà a rilevare con precisione le strutture anatomiche sovrapposte, e dal grande vantaggio del tridimensionale di poter visualizzare qualsiasi struttura con un solo esame. Per esempio è possibile valutare la differenza della crescita o della risposta al trattamento in sagittalità e verticalità nei due diversi lati del paziente, impossibile da ottenere con le radiografie convenzionali. Si può valutare il cambiamento del movimento della radice dentaria all’interno dell’osso o oppure studiare la crescita di strutture anatomiche, come la premaxilla, difficilmente valutabili fino ad ora. Inoltre con la CBCT si ha sempre la certezza di non avere ingrandimenti delle strutture. Negli ultimi dieci anni la tecnologia Cone Beam ha rivoluzionato la diagnostica per immagini in odontoiatria. Tutte le ricerche svolte fino al secolo scorso partivano da immagini bidimensionali di un oggetto tridimensionale, adesso si sta cercando di convertire tutte le conoscenze in 3D. La difficoltà attuale è che questi mezzi non sono alla portata di tutti: i tomografi non sono ancora presenti in larga misura sul territorio, i costi sono elevati e la dose di radiazioni
emessa non giustifica per ogni paziente la richiesta dell’esame. Inoltre i software per la gestione dei volumi sono costosi e necessitano di un periodo di formazione all’utilizzo. Il progresso per essere chiamato tale deve essere alla portata di tutti e il futuro di questa tecnologia nei prossimi anni deve essere volto a questo scopo. Il metodo di sovrapposizione di questo lavoro vuole essere il più semplice possibile con i mezzi attualmente disponibili. L’utilizzo di un solo software e la sovrapposizione per punti rendono il procedimento più facile tra quelli fino a ora descritti in letteratura [8–12]. Tuttavia non può considerarsi completo per la mancanza di un sistema di calcolo della variazione tra la tomografia a T0 e quella effettuata a T1. Una possibile ricerca futura potrà avere proprio questo scopo, cercando una collaborazione con i programmatori del software stesso per cercare di migliorare questo metodo e renderlo completo, per poi renderlo a disposizione dei clinici, insieme a un’adeguata formazione.
Conflitto di interesse Gli autori dichiarano di non aver avuto nessun conflitto di interessi.
Finanziamenti allo studio Gli autori dichiarano di non aver ricevuto finanziamenti per il presente studio. Bibliografia 1. Bjork A. Facial growth in man, studied with the aid of metallic implants. Acta Odontol Scand 1955;13:9-34. 2. Bjork A, Skieller V. Normal and abnormal growth of the mandible. A synthesis of a longitudinal cephalometric implant studies over a period of 25 years. Eur J Ortho 1983;5:1-46. 3. Melsen B. The cranial base.The postnatal development of the cranial base studied histologically on human autopsy material. Acta Odontologica Scandinavica 1974;32(Suppl.):62. 4. Walker GF. Summary of research report on the analysis of craniofacial growth. N Zealand Dent J 1967;63:31-8.
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