3-Dimensional Changes in the Mandibular Dentition Following Total Arch Distalization in Skeletal Class III Malocclusion

Abstract

The application of temporary anchorage devices has broadened the scope of non-surgical orthodontics by enabling 3-dimensional(3D) movement of the whole dentition in both the maxilla and the mandible. However, due to the complex nature of 3D mandibular superimposition such as lack of anatomic references, residual growth, mandibular rotation etc., the precise mode of individual tooth movement and changes in arch dimension of the mandibular arch is not yet fully understood. Therefore, the aim of the study was to assess the 3-dimensional displacement pattern of mandibular dentition, changes in arch dimension as well as gingival level of the mandibular dentition following total distalization in skeletal Class III malocclusion. Consecutive Skeletal Class III(ANB<0) subjects who undergone comprehensive orthodontic treatment with total arch distalization of the mandible using interradicular TADs at the Department of Orthodontics, Gangnam Severance Hospital were analysed (N=17). After 3D regional mandibular superimposition of pre(T0) and post-treatment(T1) CBCTs using chin and symphysis regions as reference regions, the mandible was segmented and fused with corresponding digital mandibular casts providing superimposed reoriented T1 digital casts to T0. 3D displacement pattern of the individual teeth (Δx, Δy, Δz), changes in arch widths, occlusal plane and clinical crown height (CCH) were evaluated by calculating the 3D changes of anatomical landmarks between T0 and reoriented T1. According to the stepwise 3D superimposition, total distalization of the mandibular arch with TADs in Skeletal Class III malocclusion indicated treatment outcome as follows: 1. Overall, significant posterior movement (Δy) ranging from 1.86-2.59 mm were noted (p<0.001). The first and second premolar indicated 0.82 mm lateral movement (Δx) (p<0.05) whereas other teeth were relatively maintained in the transverse plane. All teeth except for the second molar indicated extrusive movement (Δz) ranging from 0.67-1.35 mm (p<0.05). 2. First premolar (4-4) and second premolar (5-5) widths significantly increased by 1.61 ± 2.34 and 1.62 ± 1.74 mm, respectively(p<0.05). 3. Change in the occlusal plane were noted in the order of extrusion (9/17, 52.9%), clockwise rotation (4/17, 23.5%), intrusion (2/17, 11.8%), clockwise rotation (1/17, 5.9%) and left and right rotation (1/17, 5.9%). 4. CCH was overall maintained (178/238, 67.6-85.3%) and changes were limited. However, significant increase in CCH was noted in the second premolars (P<0.05), with some incidence of mild to moderate recession (9/34). On the contrary, CCH significantly decreased in central incisor(P<0.05), with some incidences of gingival gain (9/34). With the implementation of stepwise 3D superimposition using serial CBCT and digital casts, 3D treatment outcome following total mandibular arch distalization were analysed in detail. In addition to the expected distal displacement of the whole dentition following total distalization, extrusive displacement of all mandible dentition except second molar, increase of premolar widths, mild gingival gain in central incisor, and mild gingival recession of the second premolar were accompanied indicating the complex 3D changes of the mandibular arch.

임시골성고정원(Temporary Anchorage Devices; TADs)의 도입은 상악 및 하악의 전치열 3 차원 이동을 가능하게 함으로써 비수술적 교정치료의 범주를 확대시켰다. 하지만, 하악 전치열 후방이동에 따른 하악치열의 변화 및 치료 효과는 잔여 성장 및 교정치료에 따른 하악골의 회전, 해부학적 기준 영역 설정의 어려움 등으로 치료 전후의 중첩을 통한 정밀한 분석이 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 단계적인 3 차원 하악골 중첩을 통해 골격성 III 급 부정교합의 하악전치열 후방 이동 후 3 차원적 치아와 치열궁 및 치은 변화를 평가하고자 한다. 본 연구는 강남세브란스병원 치과교정과에서 교정치료를 시행한 골격성 III 급 부정교합(ANB<0°) 중 치근사이 공간에 식립된 TADs 를 활용해 하악 전치열 후방 이동을 시행한 17 명을 대상으로 시행되었다. 단계별 3 차원 중첩을 위해 치료 전(T0)과 치료 후(T1)의 CBCT 를 턱끝(chin)과 턱뼈결합(symphysis)을 기준으로 3 차원 하악골중첩(3D regional mandibular superimposition)을 시행한 후, 렌더링된 하악골 모델을 분리하였다. 그 후, 디지털 구강 모형을 CBCT 에 융합시켜 T0 에 재정렬되어 중첩된 T1 디지털 모형을 얻었다. T0 와 재정렬된 T1 에서의 치아 랜드마크의 계산을 통해 개별 치아의 3 차원적 이동양상(Δx, Δy, Δz), 치열궁 폭경, 교합평면 및 임상치관 높이의 변화를 분석하였고, 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 모든 치아에서 약 1.86-2.59 mm 범위의 후방 이동(Δy) 이 관찰되었다(p<0.001). 이와 더불어 제 1 및 제 2 소구치에서 약 0.8mm 측방 이동(Δx)과 제 2 대구치를 제외한 모든 치아에서 약 0.67-1.35 mm 의 정출(Δz)이 관찰되었다(p<0.05). 2. 제 1 소구치와 제 2 소구치간 폭경은 각각 1.61 ± 2.34 mm 와 1.62 ± 1.74 mm 로 유의하게 증가하였다(p<0.05). 3. 교합평면의 변화는 정출 (9/17, 52.9%), 시계 방향 회전 (4/17, 23.5%), 함입 (2/17, 11.8%), 반시계 방향 회전 (1/17, 5.9%) 및 좌우 회전 (1/17, 5.9%) 순으로 관찰되었다. 4. 치료 전후 임상치관의 길이는 대다수의 치아에서 유지되었다. (178/238, 67.6-85.3%). 제 2 소구치에서만 임상치관이 유의하게 증가하였으며(p<0.05) 경도에서 중등도의 치은 퇴축이 일부 동반되었다(9/34). 한편, 중절치 임상치관 길이는 유의하게 감소하여(p<0.05) 일부에서는 치은연 증대 (gingival enlargement) 가 동반되었다 (9/34). 본 연구에서는 일련의 CBCT 와 디지털 모델을 이용한 단계적인 3 차원 중첩을 통해 골격성 제 III 급 부정교합 환자에서의 하악 전치열 후방 이동 후 3 차원적 치료 결과를 분석하였다. 이를 통해 하악 전치열 후방 이동에 따른 예상된 후방 변위 외에도, 제 2 대구치를 제외한 모든 하악 치열의 정출, 소구치간 폭경의 증가, 중절치의 경미한 치은 증대 그리고 제 2 소구치의 경미한 치은 퇴축 등 하악 치열의 복합적인 3 차원적 변화를 확인할 수 있었다.