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Clinical Oral Implants Research

Three-dimensional morphometric analysis of human cadaver bone: microstructural data from maxilla and mandible

Eine dreidimensionale morphometrische Analyse des menschlichen Knochens an einer Leiche: die mikrostrukturellen Daten des Ober- und des Unterkiefers.

Authors


  • Presented in part at the 80th General Session of International Association for Dental Research, March 2002, San Diego, CA, USA.

Correspondence to:
Mete I. Fanuscu, DDS
Assistant Professor
Division of Restorative Dentistry
UCLA School of Dentistry
CHS, 20-114, 10833 Le Conte Avenue
Los Angeles, CA 90095-1668, USA
Tel.: +1 310 825 1767
Fax:+1 310 794 7964
e-mail: mfanuscu@ucla.edu

Abstract

Abstract: The mechanical behavior of bone is a critical factor in the attainment and maintenance of osseointegration. Current procedures and classifications in assessing bone quality have limitations. Micro-computed tomography (microCT) is a new method to image and quantify bone with very high resolution. This study was aimed to analyze cadaveric maxillary and mandibular trabecular bone with 3-D morphometric data acquired through microCT and correlate with conventional bone assessment methods. Moderately resorbed edentulous maxilla and mandible from a human cadaver were scanned in the conventional CT unit with opaque markers indicating specific anterior and posterior sites. These sites were then sectioned and standard periapical radiographs were obtained. Bone cores were harvested from the sectioned sites and scanned in the microCT unit. Bone density values based on the Hounsfield scale ranged from 51 to 529 in the mandible and 186 to 389 in the maxilla, anterior sites being higher in both. Periapical images did not yield distinct differences. 3-D morphometric analysis in microCT produced a range of values with anterior specimens being favorable: bone volume density (0.12–0.291), trabecular thickness (0.12–0.16 mm), trabecular separation (0.46–0.82 mm), trabecular number (1.08–2.071/mm) and structural model index (0.29–1.27). General agreement between bone density and microCT indices was noted; however, subtle differences have to be studied with larger samples. This preliminary study suggests that the understanding of mechanical competence of trabecular bone might reveal further information about the prognosis of implant therapy, advancements in implant design, surgical techniques and grafting.

Résumé

Le comportement mécanique de l'os est un facteur critique de l'obtention et du maintien de l'ostéoïntégration. Les processus et les classifications actuels pour évaluer la qualité osseuse sont limités. La microtomographie par ordinateur (microCT) est une nouvelle méthode à très haute résolution permettant d'enregistrer et de quantifier l'os. Cette étude a eu pour but d'analyser l'os spongieux mandibulaire et maxillaire d'un cadavre à l'aide de données morphométriques en trois dimensions prises par le microCT et de les corréler avec les méthodes d'évaluation osseuse conventionnelles. La mandibule et le maxillaire modérement édentés d'un cadavre ont été balayés par le CT conventionnel avec des marqueurs opaques indiquant les sites antérieurs et postérieurs spécifiques. Ces sites étaient ensuite sectionnés et des radiographies périapicales standards obtenues. Des carottes osseuses ont été prélevées des sites coupés et balayés par le microCT. Les valeurs de densité osseuse basées sur l'échelle de Hounsfield s'étalaient de 51 à 529 dans la mandibule et de 186 à 389 dans le maxillaire, les sites antérieures ayant une valeur plus élevée dans les deux maxillaires. Les images périapicales ne montraient pas de différence. L'analyse morphométrique 3D dans le microCT produisait un étalement de valeurs, les spécimens antérieurs étant plus favorables; densité volumétrique osseuse (0,12–0,29), épaisseur des travées (0,12 à 0,16mm), séparation des travées (0,46 à 0,82 mm), nombre de travées (1,08 à 2,07 l/mm) et indice du modèle structurel (0,29 à 1,27). Un accord général entre la densité osseuse et les indices microCT a été noté avec cependant des petites différences qui devraient être étudiées à l'aide d'échantillons plus importants. Cette étude préliminaire suggère que la connaissance de la compétence mécanique de l'os spongieux pouvait révéler davantage d'informations à propos du pronostic du traitement de l'implant, des avancements dans le modèle implantaire et des techniques de chirurgie et de greffe.

Zusammenfassung

Das mechanische Verhalten des Knochens ist ein wichtiger Faktor zur Erreichung und Aufrechterhaltung der Osseointegration. Die geläufigen Verfahren zur Klassifikation und Beschreibung der Knochenqualität haben ihre Grenzen. Die Mikrokomputertomographie (MicroCT) stellt eine neue Methode zur Darstellung und Quantifizierung von Knochen in sehr hoher Auflösung dar. Diese Studie hatte zum Ziel, die an Leichen von trabekulärem Knochen des Ober- und Unterkiefers mit Hilfe der microCT erhaltenen dreidimensionalen morphometrischen Daten mit den in konventionellen Untersuchungen erhobenen Daten über den Knochen zu korrelieren.

Man scannte mit dem konventionellen Komputertomographen die nur mässig resorbierten zahnlosen Ober- und Unterkiefer einer menschlichen Leiche, und markierte mit röntgenopaquen Zeichen ganz bestimmte anteriore und posteriore Stellen. Diese Stellen wurden anschliessend reseziert und davon standardmässige periapicale Röntgenbilder hergestellt. Anschliessend entnahm man von den resezierten Stellen Knochenzylinder und scannte sie in einem MicroCT. Die Werte bezüglich Knochendichte, basierend auf der Hounsfield-Skala, reichten von 51 bis 529 im Unterkiefer und von 186 bis 389 im Oberkiefer, wobei die anterioren Stellen in beiden Kiefern höhere Werte als die posterioren lieferten. Die periapicalen Röntgenbilder lieferten keine eindeutigen Unterschiede. In den morphometrischen 3-D-Analysen des MicroCT fanden sich jeweils Werte in einer Bandbreite, wobei die anterioren Stellen eher bessere Resultate lieferten; Dichte des Knochenvolumens (0.12–0.29), Dicke der Trabekel (0.12–0.16mm), Trabekelabstand (0.46–0.82mm), Trabekelanzahl (1.08–2.07 l/mm) und struktureller Modellindex (0.29–1.27). Grundsätzlich zeigte sich eine Übereinstimmung zwischen Knochendichte und den Indices aus dem MicroCT, die leichten Unterschiede müssten aber noch mit einer grösseren Anzahl Proben überprüft werden. Diese Grundlagenstudie lässt vermuten, dass das ein besseres Verständnis der mechanischen Eigenschaften von trabekulärem Knochen zusätzliche Informationen zur Prognose der Implantattherapie und der Weiterentwicklung von Implantatdesign, chirurgischen Techniken und Transplantaten liefern könnte.

Resumen

El comportamiento mecánico del hueso es un factor crítico en la consecución y el mantenimiento de la osteointegración. Los procedimientos actuales y las clasificaciones para valorar la calidad del hueso tienen limitaciones. La micro tomografía computarizada (microCT) es un nuevo método para representar y cuantificar el hueso con muy alta resolución. Este estudio se realizó con la intención de analizar el hueso trabecular maxilar y mandibular de cadáveres con datos morfométricos 3-D obtenidos a través de microCT y correlacionarlos con métodos convencionales de valoración ósea. Se escanearon maxilares y mandíbulas moderadamente reabsorbidas de cadáveres humanos con unidades de CT convencionales con marcadores opacos indicando lugares específicos anterior y posterior. Estos lugares fueron posteriormente seccionados y se obtuvieron radiografías periapicales. Se recolectaron núcleos óseos de los lugares seccionados y se escanearon en la unidad microCT. Los valores de densidad ósea basados en la escala de Hounsfield variaron entre 51 a 529 en la mandíbula y 186 a 389 en el maxilar, siendo los lugares anteriores más altos en ambos. Las imágenes periapicales no proporcionaron diferencias distintivas. El análisis morfométrico 3-D en el microCT proporcionó un rango de valores mas favorable en los especímenes anteriores; densidad de volumen óseo (0.12–0.29), grosor trabecular (0.12–0.16 mm) separación trabecular (0.46–0.82), número trabecular (1.08–2.07 l/mm) e índice del modelo estructural (0.29–1.27). Se observó un acuerdo general entre la densidad ósea y los índices de microCT, sin embargo las diferencias sutiles deben ser estudiadas con muestras mayores. Este estudio preliminar sugiere que la comprensión de la competencia mecánica del hueso trabecular puede revelar mas información acerca del pronóstico del tratamiento de implantes, avances en el diseño implantes, técnicas quirúrgicas e injertos.

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