Έλεγχος των διαφορών του σπογγώδους οστού των γνάθων με τη βοήθεια ειδικού λογισμικού προγράμματος και της υπολογιστικής τομογραφίας

Abstract

Advanced in years neuromuscular function declines and bone weakens. Bone mass is reduced and alterations in bone microstructure are detected, producing a rapid rise in the risk of fracture. With reference to the craniomaxillofacial skeleton these changes in jaw bones are directly connected with age and the presence or absence of metabolic diseases. They are also influenced by strictly local factors like tooth loss, or the presence and the kind of fixed dentures, or even the lack of them. There are a few reports in the literature regarding the impact of age on the craniomaxillofacial skeleton. It is also important to confirm whether there is a causal relationship between tissue changes in jaw bones and various oral conditions, such as periodontal disease, tooth loss and the source and magnitude of the applied strains.Bone strength or resistance to fracture is not easily measured by routine densitometry, being a function of both density and quality. With reference to the craniomaxillofacial skeleton it is not yet known if densitometric analysis and morphologic analysis of dental radiographs combined, could form a useful screening method for identifying individuals with low bone mass. The same applies for clinical variables (such as age, periodontitis and edentulism) that affect densitometric and morphologic analysis.The aim of this study was: i) to report a method to describe and analyze the structure of the trabecular pattern seen on cone-beam computed tomographies of the mandible, ii) to design a suitable software in order to count and register the findings iii) to assess the reproducibility of the methodology and iv) to investigate the possible relationship between trabecular pattern changes in mandibular bone and various conditions such as sex, age and tooth loss. Study design: Cone-beam computed tomographies (CTs) for dental use of 73 males and 89 females were processed. Study subjects consisted of 146 male mandibular halves and 178 female mandibular halves. Two age groups were formed: i) 29-40 years old, ii) ≥65 years old. Patients were also divided into two study groups according to the presence or absence of the second premolar and the first molar tooth: i) dentate mandibular halves, when both of the teeth were present, ii) edentulous mandibular halves when either of them, or both of them were missing. For each tomography two Regions Of Interest (ROI) were selected manually, one on the right and one on the left half of the mandible. The ROI was located posterior to the mental foramen of the mandible. Further digital analysis of the image has led to two types of digital images:a) the binary image, thus segmenting the image into trabeculae and marrow (thus in black and white), b) the skeletonized image, thus the images of the trabeculae were eroded until only a single line of pixels remained. We analysed the binary and skeletonized images to determine the morphological features of the selected area of the cone-beam computed tomographies. A special software has been used to enumerate the black and white pixels and the way black pixels (that is the trabeculae) branch off. The marrow area was similarly examined with the use of “image inversion”. A prompt combination of the results leads us to twenty-six variables for every half of the mandible of every patient. The mean values for each of the variables were determined The IBM-SPSS version 20.0 software was used in order to perform the statistical evaluation of the findings. The reproducibility of the parameters was evaluated by means of Cronbach’s alpha. The correlation between paired variables and the associated statistical significance was evaluated by means of Pearson’s r. The mean values were compared using the Students t-test and the Paired Samples t-test as well. Levene test was used to evaluate the homogeneity of variances in the independent group t-test procedure. The 95% confidence intervals were calculatedResults: The measurements of the parameters used in this study are very reproducible. Although strict threshold values for Cronbach’s α are not provided in the literature, it seems justifiable to conclude that the values of our study are fairly high (Cronbach’s α ≥ 0.916) The values of Pearson’s r (0.0111 ≤ Pearson’s r ≤ 0.2909) shows that there was a positive relationship between the mean values of the variables of the right and left half mandibles, while their correlation was statistically significant for twelve out of twenty-six variables. Within patients of different age groups, no statistically significant difference was found in the mean values of any of the twenty-six variables, whether of men or of women.Women, in all ages, have significantly more “trabecular terminal points/ total area” than men (P <0.05). Within patients aged 29-40 years the mean values of the variable previously mentioned, tended to be higher in women, albeit without statistical significance (p=0.075). In patients aged ≥65 years, no statistically significantly difference was found in the mean values of the twenty-six variables Edentulism was correlated with denser bone in the premolar area: i) in all ages and in both sexes (the mean values of six variables were statistically significantly different between edentulous and dentate mandibular halves), ii) in men aged 29-40 years (the mean values of three variables were statistically significantly different between edentulous and dentate mandibular halves) iii) in women aged ≥65 years (the mean values of two variables were statistically significantly different between edentulous and dentate mandibular halves). In men aged ≥65 years, the mean values of one variable were statistically significantly lower in edentulous mandibular halves. In women aged 29-40 years no statistically significantly difference was found. Conclusion: The measurements of the parameters used in this study were very reproducible. Morphological alterations in jaw bones (in the premolar and the molar area) were not correlated with age. Moderate correlations were found between the morphological findings and sex: young women tended to show denser bone in the premolar area than young men. Edentulism was correlated with denser bone: i) in both sexes and in all ages, ii) in men aged 29-40 years and iii) in women aged ≥65 years.Further effort has to be made though, in order to utilize and standardize one method capable to perforfm comparable results.

Προϊούσης της ηλικίας, η νευρομυϊκή λειτουργία εκπίπτει προοδευτικά και παρατηρείται μείωση της οστικής μάζας και αποδιοργάνωση της μικροαρχιτεκτονικής δομής του οστίτη ιστού του ανθρώπινου σκελετού, με άμεση συνέπεια την αυξημένη συχνότητα εμφάνισης οστικών καταγμάτων. Στο Στοματογναθικό Σύστημα (ΣΓΣ) τόσο η οστική απώλεια όσο και η αποδόμηση της μικροαρχιτεκονικής δομής των γνάθων, εκτός από την ηλικία και την παρουσία ή απουσία γενικών νοσημάτων, επηρεάζονται και από αυστηρά τοπικούς παράγοντες, όπως η απώλεια δοντιών και η ύπαρξη ή έλλειψη προσθετικής αποκατάστασης, καθώς και από το είδος αυτής. Ερωτήματα εγείρονται σχετικά με την επίδραση της ηλικίας στη μικροαρχιτεκτονική δομή του οστού των γνάθων και πώς αυτή επηρεάζεται από μεταβολικά νοσήματα των οστών (όπως η οστεοπόρωση) ή/και από άλλους, τοπικούς παράγοντες, όπως η περιοδοντική νόσος και οι ασκούμενες μασητικές δυνάμεις.Η αντοχή των οστών στα κατάγματα αποτελεί αντικείμενο επιστημονικής έρευνας η οποία εστιάζεται τόσο στην προσπάθεια μελέτης και μέτρησης της οστικής πυκνότητας, αλλά και στη μελέτη και καταγραφή της μικροαρχιτεκτονικής δομής των οστών. Ειδικότερα για τα οστά των γνάθων, διερευνάται και ο ρόλος άλλων παραγόντων όπως η ηλικία, η περιοδοντίτιδα, η νωδότητα.Σκοπός της μελέτης ήταν: α) η εφαρμογή κατάλληλης μεθόδου για τη μελέτη των ποιοτικών χαρακτηριστικών του οστού σε ψηφιακές εικόνες προερχόμενες από υπολογιστικές τομογραφίες της κάτω γνάθου β) η κατασκευή ειδικού λογισμικού για τη μέτρηση και καταγραφή των ευρημάτων, γ)η διερεύνηση της επαναληψιμότητας (reproducibility) της προτεινόμενης μεθοδολογίαςι δ) η διερεύνηση των πιθανών διαφορών που παρουσιάζει η μικροαρχιτεκτονική δομή του οστού της κάτω γνάθου μεταξύ των δύο φύλων, μεταξύ ατόμων διαφορετικής ηλικίας καθώς και μεταξύ νωδών και ενόδοντων ατόμων Υλικό & Μέθοδος: Υλικό αποτέλεσαν οι υπολογιστικές τομογραφίες κάτω γνάθου 73 ανδρών και 89 γυναικών. Τα ημιμόρια των 162 ασθενών συμμετείχαν στην έρευνα ως ανεξάρτητα μεταξύ τους, οπότε προέκυψαν 146 ημιμόρια ανδρών και 178 ημιμόρια γυναικών. Οι ασθενείς, ανήκαν σε δύο ηλικιακές ομάδες: α)29-40 ετών β)65- 98 ετών. Το υλικό διαιρέθηκε σε δύο ομάδες ανάλογα με την παρουσία του β’ προγόμφιου και του α’ γομφίου οπότε προέκυψαν: α)τα ενόδοντα ημιμόρια, στα οποία υπήρχαν και τα δύο δόντια και β)τα νωδά ημιμόρια, στα οποία υπήρχε έλλειψη του β’ προγόμφιου ή/και του α’ γομφίου. Επιλέχθηκε ως ROI η περιοχή αμέσως άπω του γενειακού τρήματος στην παρειακή οβελιαία πανοραμική τομή των υπολογιστικών τομογραφιών, αμφοτερόπλευρα. Έπειτα από κατάλληλη επεξεργασία της ψηφιακής εικόνας προέκυψαν δύο τύποι εικόνας: α) η binary image όπου η εικόνα έχει κατακερματιστεί και απεικονίζει μόνον οστικές δοκίδες και μυελοκυψέλες (δηλαδή μαύρα και λευκά pixels) και β) η skeletonized image όπου οι οστικές δοκίδες απεικονίζονται ως μία μονή σειρά από pixels. Ακολούθως κατασκευάστηκε ειδικό λογισμικό, με το οποίο μετρήθηκε ο αριθμός μαύρων και λευκών pixels, καθώς και ο τρόπος διακλάδωσης των μαύρων pixels, δηλαδή των οστικών δοκίδων. Με αναστροφή της εικόνας, ανάλογες μετρήσεις έγιναν και για τις μυελοκυψέλες. Πρέκυψαν εικοσιέξι μεταβλητές για κάθε ημιμόριο και αξιολογήθηκαν στατιστικά. Η στατιστική αξιολόγηση των ευρημάτων έγινε με την εφαρμογή του στατιστικού προγράμματος IBM-SPSS version 20.0. O δείκτης αξιοπιστίας Cronbach’s α χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση της επαναληψιμότητας (reproducibility) της μεθοδολογίας, ο δείκτης συνάφειας Pearson’s r (correlation) για τον έλεγχο της συσχέτισης, η δοκιμασία student’s T (T-test) και student’s T (T-test) κατά ζεύγη για τον έλεγχο της στατιστικής σημαντικότητας μεταξύ των μέσων όρων των μεταβλητών. Ως επίπεδο στατιστικής σημαντικότητας ορίστηκε το 5% (p<0.05).Αποτελέσματα: Η επαναληψιμότητα της μεθόδου ήταν πολύ ικανοποιητική, με το δείκτη αξιοπιστίας Cronbach’α να διατηρείται πολύ υψηλός (Cronbach’s α ≥ 0.916) για όλες τις μεταβλητές. Οι μέσοι όροι των τιμών του συνόλου των μεταβλητών των δύο ημιμορίων για κάθε ασθενή, παρουσίαζαν θετική συσχέτιση μεταξύ τους (0.0111 ≤ Pearson’s r ≤ 0.2909) και μάλιστα, η συσχέτιση ήταν στατιστικά σημαντική για τις δώδεκα από τις εικοσιέξι μεταβλητές. Συγκρίνοντας τους μέσους όρους των τιμών των μεταβλητών ατόμων που ανήκαν σε διαφορετικές ηλικιακές ομάδες, διαπιστώθηκε ότι καμία από τις εικοσιέξι μεταβλητές δεν παρουσίασε στατιστικά σημαντικές διαφορές, ούτε μεταξύ ανδρών, ούτε μεταξύ γυναικών. Συγκρίνοντας μέσους όρους των τιμών των μεταβλητών μεταξύ ανδρών και γυναικών, διαπιστώθηκε ότι μία από τις εικοσιέξι μεταβλητές παρουσίαζε στατιστικά σημαντικά (p=0.033) υψηλότερες τιμές στις γυναίκες, σε σχέση με τους άνδρες. Η ίδια διαφορά όμως δεν ήταν ισχυρή στις ηλικίες 29-40 ετών (p=0.075), ενώ για τις ηλικίες ≥65 ετών, δεν διαπιστώθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στους μέσους όρους των τιμών καμίας μεταβλητής. Λαμβάνοντας υπόψη την ύπαρξη ή όχι νωδότητας τοπικά, διαπιστώθηκε ότι γενικά, η τοπική νωδότητα οδηγούσε σε πιο πυκνό οστό, με αρκετές μεταβλητές να εμφανίζουν στατιστικά σημαντικές διαφορές των μέσων τιμών τους. Στις γυναίκες «ηλικίας 29-40 ετών» δεν διαπιστώθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές σε καμία μεταβλητή, ενώ στους άνδρες «ηλικίας ≥65 ετών», οι μέσες τιμές μίας μεταβλητής ήταν σημαντικά χαμηλότερες στους νωδούς, σε σχέση με τους ενόδοντες ασθενείς Συμπεράσματα:Η επαναληψιμότητα της χρησιμοποιηθήσας μεθοδολογίας θεωρείται ικανοποιητική. Η μικροαρχιτεκτονική δομή του οστού της κάτω γνάθου στην περιοχή των γομφίων-προγομφίων δεν επηρεάζεται στατιστικά σημαντικά από την ηλικία. Στις μεγάλες ηλικίες η δοκίδωση του οστού δεν παρουσιάζει στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των δύο φύλων, ενώ στις νεαρές ηλικίες οι γυναίκες παρουσιάζουν την τάση να εμφανίζουν πυκνότερη δοκίδωση σε σχέση με τους άνδρες. Η απώλεια του β’ προγόμφιου ή/και του α’ γομφίου, οδηγεί σε πυκνότερη δοκίδωση του οστού της κάτω γνάθου τοπικά, στις εξής ομάδες: α) στο σύνολο του υλικού, ανεξαρτήτως δηλαδή φύλου και ηλικίας, β) στους άνδρες ηλικίας 29-40 ετών και γ) στις γυναίκες ηλικίας ≥65 ετών.Περισσότερη έρευνα είναι απαραίτητη ωστόσο, προκειμένου να προκύψει απολύτως τυποποιημένη μοθοδολογία που θα παρέχει συγκρίσιμα αποτελέσματα.