Klinische validatie van Cone Beam Computed Tomography voor objectieve bepaling van kaakbot kwaliteit en kwantiteit

Abstract

In oral and maxillofacial surgery, 3D radiographs have become a breakthrough technique required for diagnosis and treatment planning and follow-up. Nevertheless, 3D capabilities are no fully explored and bone assessment still relies on subjective and 2D methods. Due to the rapid technological advances in dentomaxillofacial radiology, new image analysis based on 3D Cone-Beam Computed Tomography (CBCT) scans could take into account not only bone quantity but also structure. The primary goal of this thesis was to assess 3D clinical methodologies to quantify and qualify bone for oral maxillofacial procedures. More specifically developing and assessing accuracy and reliability of 3D methods, and the relation of bone morphometric parameters with treatment outcomes. The first chapter starts with an overview of the evolution of 2D to 3D radiographic clinical evaluation of maxillofacial bone, followed by the aims and hypotheses of this doctoral thesis. In Chapters 2 and 3 the accuracy and reliability of several CBCT machines to assess 3D alveolar bone structure was investigated in comparison with the gold standard micro-CT and the clinical reference MSCT. Although overall morphometric analysis showed significant overestimation for all CBCTs and MSCT when compared to micro-CT, a significant structure pattern similarity was found for most of CBCT modalities and high-resolution MSCT, making it a clinical alternative for structure analysis of alveolar bone. Subsequently, in Chapter 4, a machine learning method was developed and evaluated to assist objectivity in clinical bone quality classification. This computer-based classification performed better than a classic subjective evaluation, with 79% prediction accuracy. These findings confirm that objective methods are necessary for evaluation of trabecular bone structure in 3D. Based on the acknowledge in cluster analysis of the previous study, the relation of trabecular bone morphometric parameters and implant survival was investigated in Chapter 5. This matched-control study showed a significant relationship between trabecular bone pattern and implant survival, where especially extreme bone qualities could lead to early implant failure. In the last study, Chapter 6, a 3D method to follow-up condylar remodelling after bimaxillary surgery was proposed and validated. This novel analysis method revealed differences between preoperative and postoperative condyle mineralized bone with less than one voxelsize error and good to excellent reproducibility. It can offer objectivity in the assessment and follow-up of pathological condylar resorption after orthognathic surgeries. Finally, Chapter 7 presents an overall discussion and conclusion from the studies described in the previous chapters. The findings of this doctoral thesis showed that CBCT imaging is a valuable clinical tool to produce reliable analysis of maxillofacial bone if the correct scan protocol is used and errors are taken into account. With the current methods, bone imaging analysis workflow can be developed to answer relevant maxillofacial research questions.

In de orale en maxillofaciale heelkunde is driedimensionele (3D) beeldvorming een belangrijke techniek voor diagnose, planning en de follow-up van de behandeling. Desondanks zijn de voordelen van deze 3D weergave nog niet volledig geëxploiteerd en gebeurt de beoordeling van botkwaliteit voornamelijk op basis van tweedimensionale (2D) radiografieën. Doch, door de snelle technologische vooruitgang in de dentomaxillofaciale radiologie, nieuwe beeldanalyses op basis van 3D Cone-Beam Computed Tomography (CBCT) scans zouden niet alleen botkwantiteit maar ook structuur in rekening kunnen brengen. Het hoofddoel van dit proefschrift was het ontwikkelen en valideren van nieuwe innovatieve methoden die een automatische en objectieve evaluatie van botkwaliteit toe laten in het kader van orale en maxillofaciale chirurgische procedures. In hoofdstuk 1 wordt er een overzicht gegeven van de evolutie van 2D naar 3D radiografische evaluatie van bot, gevolgd door de doelstellingen en hypotheses van dit proefschrift. In hoofdstukken 2 en 3 werd de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van 3D botkwaliteit evaluatie doormiddel van morfometrische bot parameters in zeven CBCT-machines vergeleken met de gouden standaard micro-CT en het klinisch alternatief, de multi-slice CT (MSCT). Zowel CBCT als MSCT waren geassocieerd met een klinische en statistisch significante meetfout. Het structurele patroon van het alveolaire bot bleef echter vergelijkbaar met dat van de micro-CT en MSCT voor 5 van de 7 CBCT machines. Deze studies tonen aan dat het merendeel van de CBCT machines alveolaire botkwaliteit kwantitatief kunnen beoordelen, met een nauwkeurigheid en betrouwbaarheid die micro-CT benadert. In Hoofdstuk 4 werden morfometrische bot parameters uit 100 CBCT scans gebruikt in machine-learning technieken om zo een automatische en objectieve klinische classificatie van botkwaliteit te ontwikkelen. Er werden drie soorten trabeculaire botclusters geïdentificeerd: dun, middelmatig en dens bot. Deze computer-gebaseerde classificatie presteerde beter dan een klassieke subjectieve evaluatie uitgevoerd door 4 onafhankelijken dentomaxillofaciale radiologen. Computerondersteunde beoordeling van het trabeculaire botpatroon op basis van morfometrische parameter zou kunnen helpen in de voorspelling van behandelingssucces bij orale en maxillofaciale ingrepen. Voortbouwend op de vorige studie, werd in Hoofdstuk 5 de relatie onderzocht tussen trabeculaire botmorfometrische parameters en implantaatoverleving. Deze klinische casecontrol studie toonde een significante relatie aan tussen het trabeculaire botpatroon en de implantaatoverleving, waarbij vooral extreme botkwaliteiten kunnen leiden tot vroeg implantaatfalen. In het laatste onderzoek, Hoofdstuk 6, werd een 3D-methode voor de follow-up van de condylar-hermodellering na bimaxillaire chirurgie ontwikkeld en gevalideerd. Deze nieuwe analysemethode onthulde verschillen tussen de mineralisatie van de preoperatieve en postoperatieve condylus op basis van een zeer nauwkeurige evaluatieprocedure (meetfout beperkt tot 1 voxel) met goede tot uitstekende reproduceerbaarheid. Deze nieuwe evaluatietechniek kan gebruikt worden om klinische objectief condylaire veranderingen te bestuderen na orthognathische chirurgie (vb. detectie en follow-up pathologische condylaire resorptie). Ten slotte presenteert Hoofdstuk 7 een algemene discussie en conclusie uit de studies die in de voorgaande hoofdstukken zijn beschreven. De bevindingen van dit proefschrift hebben aangetoond dat CBCT-beeldvorming een waardevol klinisch hulpmiddel is om een betrouwbare analyse van maxillofaciaal bot te produceren als het juiste scanprotocol wordt gebruikt en met fouten rekening wordt gehouden. Met de huidige methoden kan botanalyse workflow worden ontwikkeld om relevante maxillofaciale onderzoeksvragen te beantwoorden.