Journal of Orofacial Orthopedics Fortschritte der Kieferorthopädie
Original article
Three-dimensional investigation of facial surface asymmetries in skeletal malocclusion patients before and after orthodontic treatment combined with orthognathic surgery Dreidimensionale Untersuchung von Gesichtsoberflächenasymmetrien bei Dysgnathiepatienten vor und nach kombinierter kieferorthopädisch-kieferchirurgischer Therapie Mirja Blockhaus1, Janka Kochel1, Jutta Hartmann2, Angelika Stellzig-Eisenhauer1, Philipp Meyer-Marcotty1 Abstract
Zusammenfassung
Objectives. The goal of the following study was to quantify facial soft-tissue asymmetry in patients with pronounced skeletal malocclusion anomalies before and after orthodontic treatment combined with orthognathic surgery. In addition, the facial attractiveness of these patients was rated by dental specialists and laypersons both before and after treatment based on the three-dimensional (3D) data. Patients and methods. An optical sensor was used to noninvasively capture the 3D facial surface data of 60 adult patients including two groups of 20 patients with skeletal Class II or III anomalies and a control group of another 20 subjects with Class I relationships. Facial surface asymmetries were evaluated immediately before the surgical procedure and 1 year thereafter. In addition, subjective ratings of facial attractiveness were obtained based on a questionnaire from orthodontists, maxillofacial surgeons, and laypersons. Results. No differences in facial soft-tissue asymmetry were observed between the Class II and III patients either pre- or postoperatively, but asymmetry was found to be more pronounced in the skeletal malocclusion groups than in the Class I control group both pre- and postoperatively. The subjective ratings of facial attractiveness by the various rater groups yielded more favorable results for the post- than preoperative patient images, reflecting differences that reached overall statistical significance. Conclusion. Quantitative analysis of facial soft-tissue asymmetry and calculating a cutoff value allowed us to distinguish pa-
Ziel. Ziel der Untersuchung war die Quantifizierung dreidimensionaler (3D-)Asymmetrien der Gesichtsweichteile von Patienten mit ausgeprägten Dysgnathien vor und nach kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischer Therapie. Zusätzlich erfolgte prä- und postoperativ die Attraktivitätsbeurteilung der Patienten anhand von 3D-Daten durch Experten und Laien. Patienten und Methodik. Die 3D-Daten der Gesichtsoberfläche von 60 erwachsenen Patienten wurden nichtinvasiv mittels eines optischen Sensors erfasst. Von diesen wiesen 20 Patienten eine Klasse-II-, 20 Patienten eine Klasse-III- sowie 20 Kontrollprobanden eine Klasse-I-Anomalie auf. Die Asymmetrie der Gesichtsoberflächen wurde direkt prä- und 1 Jahr postoperativ berechnet. Zusätzlich erfolgte die subjektive Analyse des Aussehens der Patienten mittels Fragebogen durch Kieferorthopäden, Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgen und Laien. Ergebnisse. Patienten mit Klasse-II-Anomalie unterschieden sich hinsichtlich der Asymmetrie der Gesichtsweichteile weder prä- noch postoperativ von Patienten mit Klasse-III-Anomalie. Dagegen wiesen die Dysgnathiepatienten sowohl prä- als auch postoperativ eine größere Asymmetrie auf als die Kontrollgruppe mit Klasse-I-Anomalie. Insgesamt wurde eine signifikant positivere Bewertung des Aussehens der postoperativen Patienten im Rahmen der subjektiven Analyse nachgewiesen.
epartment of Orthodontics, University Hospital, Würzburg, D Germany 2 Private Orthodontic Practice, Würzburg, Germany
The study results were presented in part, and won the poster award, at the 2010 Annual Meeting of the Germany Orthodontic Society. Ein Teil der Ergebnisse wurde auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kieferorthopädie (DGKFO) 2010 in Frankfurt präsentiert und mit dem Posterpreis prämiert.
Received: June 14, 2012; accepted: June 20, 2013; published online: March 02, 2014
J Orofac Orthop 2014; 75:85-95 DOI 10.1007/s00056-013-0200-x
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Blockhaus M et al. 3D-Weichteilasymmetrien bei Dysgnathiepatienten
tients with skeletal malocclusion from a control group solely on the basis of asymmetry. Combined regimens of orthodontic treatment and orthognathic surgery go some way in reducing asymmetry toward the levels seen in untreated control subjects, while the asymmetry pattern characteristic of this type of malocclusion will persist. Nevertheless, the asymmetry reduction is noticeable enough to result in more favorable ratings of attractiveness.
Keywords Skeletal malocclusion · Esthetics · Attractiveness · 3D · Facial asymmetry
Introduction The human face is characterized by bilateral symmetry, involving an arrangement of elements that are mirror images of each other to the left and right of a dividing line represented by the midsagittal plane. Despite considerable agreement between the bilateral surface structures in terms of size, arrangement and shape, there is no such thing as total symmetry in nature. The phenomenon of facial asymmetry has been referred to as “laterality” [2, 12] and is most pronounced in the lower third of the face [20, 46, 49]. Patients with pronounced skeletal malocclusion are more often affected by three-dimensional (3D) problems, which cause clinically visible asymmetry [42]. Methods of surgical correction depending on the degree of asymmetry have been discussed in the literature (Table 1). Hajeer et al. [19] reported on changes in facial asymmetry resulting from surgically induced changes to soft-tissue structures in skeletal malocclusion patients. Furthermore, changes in soft-tissue volume of up to 80 % have been described after surgically induced changes to hard tissue [39]. Recent discussions have been devoted to the extent of correlation between skeletal asymmetries and asymmetries of the overlying soft tissues [1, 7, 8, 13, 14, 17, 39]. There are conflicting reports about interactions between facial soft and hard tissue [1, 7, 8, 13, 14, 26, 29, 51]. Following demonstrations of more pronounced asymmetry in skeletal structures than in their overlying soft tissues [14, 41], further analysis revealed that information about hard-tissue structures can be derived from soft tissue [7]. As a case in point, higher levels of facial asymmetry were observed in patients with more pronounced Class III anomalies [15]. Cases of pronounced Class II anomalies, by contrast, appear to exhibit only moderate soft-tissue asymmetry [18]. A point of special interest in connection with facial asymmetries concerns any effects on attractiveness. Previous discussions in the literature regarding facial symmetry being associated with facial attractiveness [16, 33, 34, 36, 41] led to the conclusion that there is a progressive correlation. This has been explained by the process of visual face perception, as more than 80 % of both pre-attentive perception and global visual perception focuses centrally along the facial midline. Any asymmetries in this sensitive area will induce perceptive changes that result in
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Schlussfolgerungen. Durch klinischen Einsatz der Berechnung der Asymmetrie der Gesichtsweichteile ist eine Differenzierung von Dysgnathiepatienten gegenüber einer Kontrollgruppe allein anhand der Asymmetrie möglich. Eine kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgische Therapie führt zu einer Reduktion der Asymmetrie der Gesichtsweichteile und zur Annäherung an die Symmetrie einer unbehandelten Kontrollgruppe. Es verbleibt jedoch eine für die Dysgnathie charakteristische Asymmetrie der Gesichtsweichteile. Allerdings hat die Reduktion der Gesichtsasymmetrie eine positivere Attraktivitätseinschätzung zur Folge.
Schlüsselwörter Dysgnathie · Ästhetik · Attraktivität · 3D · Faziale Asymme trie
Hintergrund Das menschliche Gesicht ist durch eine bilaterale Symmetrie charakterisiert, unter der man die spiegelgleiche Anordnung von Elementen zueinander entlang einer sagittal ausgerichteten Symmetrieebene versteht. Es findet sich auf beiden Seiten eine überwiegende Übereinstimmung hinsichtlich Größe, Anordnung und Form. Vollkommene Symmetrie ist in der Natur jedoch nicht existent. Die Asymmetrie beider Gesichtshälften wird als Lateralität bezeichnet [2, 12]. Dabei ist das größte Ausmaß an Asymmetrie im unteren Gesichtsdrittel lokalisiert [20, 46, 49]. Klinisch erkennbare Gesichtsasymmetrien stellen ein dreidimensionales (3D-)Problem dar, das vermehrt bei Patienten mit ausgeprägten Dysgnathien auftritt [42]. In der aktuellen Literatur werden je nach Ausprägung die operativen Korrekturmöglichkeiten diskutiert (Tabelle 1). Hajeer et al. [19] berichten in einer Studie über chirurgische Weichgewebsveränderungen bei Dysgnathiepatienten, die mit Veränderungen der Gesichtsasymmetrie einhergehen. Des Weiteren wird eine Volumenveränderung der Weichgewebe nach operativer Veränderung des Hartgewebes von bis zu 80 % beschrieben [39]. Inwieweit skelettale Asymmetrien mit Asymmetrien des darüber liegenden Weichgewebes korrelieren, ist Gegenstand aktueller Diskussion [1, 7, 8, 13, 14, 17, 39]. So finden sich in der Literatur über die Wechselwirkung zwischen Weich- und Hartgewebe des Gesichtes konträre Aussagen [1, 7, 8, 13, 14, 26, 29, 51]. Es konnte nachgewiesen werden, dass skelettale Strukturen im Vergleich zu den sie bedeckenden Weichgeweben einen höheren Asymmetriegrad zeigen [14, 41]. Weiterführende Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass auch die Weichgewebe selbst einen Hinweis auf die Struktur der Hartgewebe liefern können [7]. So wurde bei Patienten mit zunehmender Ausprägung einer Klasse-III-Anomalie auch eine Zunahme der Gesichtsasymmetrie beschrieben [15]. Dagegen scheint bei Patienten mit ausgeprägter Klasse-II-Anomaliedie Asymmetrie der Weichteile nur moderat ausgeprägt zu sein [18].
Blockhaus M et al. 3D-facial surface asymmetries in orthognathic patients
Table 1. Overview of studies on soft-tissue changes induced by surgery Tabelle 1. Tabellarische Übersicht aktueller Studien zu operativ bedingten Veränderungen der Gesichtsweichteile
Authors
n
Malocclusion
Imaging
Parameters
Asymmetry
Ferrario
5
Class III
Photogrammetry
Volumetric, linear
No
Hajeer
44
Class III Class II
Photogrammetry Asymmetry index
Kobayashi
28
Class III
Asymmetry index in parameters
Volumetric
No
Marsan
25
Class III
Radiography
Angular, linear
No
Nkenke
20
Class III
Photogrammetry
Relative, linear
No
Sforza
9
Class III
Photogrammetry
Angular, linear
No
Soncul
46
Class III
Photogrammetry
Relative
No
less favorable ratings of appearance. This finding indicates that both asymmetry has been identified and that symmetry is a relevant factor in judging facial esthetics [34, 35]. Global capturing of facial asymmetries requires a diagnostic tool that factors in 3D morphology. Numerous study groups have developed processes to quantify facial asymmetries three-dimensionally [4, 6, 9, 10, 14, 18, 19, 22, 24, 25, 31, 37, 40, 44]. The most recent of these methods attain a high level of informational content and are used nowadays by both orthodontists and maxillofacial surgeons to support their diagnostic and planning activities [19, 39, 50, 52]. A common drawback of these methods has been that they continue to rely on landmarks to determine the facial symmetry plane [12, 14, 27, 44]. Examinations of their reliability have shown that errors are liable to occur if this plane is determined on the basis of few reference points which are themselves located in asymmetrical areas and which cannot be reliably determined without observer-related inconsistencies [21]. Consequently, the aim of this study was to use a landmarkindependent method of analyzing 3D soft-tissue asymmetries on the faces of patients with pronounced skeletal malocclusion anomalies before and after treatment, which consisted in orthodontic regimens combined with orthognathic surgery. Another goal was to assess the extent to which different degrees of facial asymmetry and their treatment-induced changes would be reflected in ratings of facial attractiveness.
Patients and methods Patient group
A total of 40 patients (mean age 25.9 ± 7.8 years, 17 man and 23 women) were retrospectively evaluated. Half of these patients had Class II and the other half Class III skeletal malocclusion anomalies requiring treatment, which had included an orthodontic regimen combined with orthognathic surgery in all cases. After comprehensive multidisciplinary treatment planning including consideration of facial surface symmetry, all patients were subjected to a repositioning osteotomy of the jaw bases. No other corrective measures were taken. The maxillary procedures were conducted on the Le Fort I level and the
Yes
Bei Gesichtsasymmetrien ist der Einfluss der Symmetrie auf die Attraktivität von besonderem Interesse. Eine Korrelation zwischen Symmetrie und Attraktivität eines Gesichts wurde bereits in vergangenen Studien diskutiert [16, 33, 34, 36, 41]. Es zeigte sich, dass sich die Attraktivität steigert, je symmetrischer ein Gesicht ist. Dies wird durch den Ablauf der visuellen Wahrnehmung von Gesichtern erklärt. So findet sowohl die initial präattentive Wahrnehmung als auch die globale visuelle Wahrnehmung mit über 80 % in den zentralen Bereichen des Gesichts entlang der Gesichtsmittellinie statt. Eine Asymmetrie in diesen sensiblen Bereichen führt zu einer veränderten Perzeption mit einer negativeren Beurteilung des Aussehens. Dies weist darauf hin, dass zum einen die Asymmetrie erkannt wird und zum anderen die Gesichtssymmetrie ein Faktor für die Beurteilung der fazialen Ästhetik darstellt [34, 35]. Um Gesichtsasymmetrien global erfassen zu können, ist ein diagnostisches Instrument notwendig, das die 3D-Morphologie berücksichtigt. Zahlreiche Arbeitsgruppen haben daher Verfahren entwickelt, die zur 3D-Analyse von Gesichtsasymmetrien herangezogen werden können [4, 6, 9, 10, 14, 18, 19, 22, 24, 25, 31, 37, 40, 44]. Die jüngsten Methoden der 3D-Quantifizierung von Gesichtsasymmetrien erreichen einen hohen Informationsgehalt und werden sowohl in die kieferorthopädische als auch in die kieferchirurgische Diagnostik und Therapieplanung integriert [19, 39, 50, 52]. Der Nachteil eines großen Teils dieser Methoden beruht jedoch darauf, dass nach wie vor auf Landmarken zur Bestimmung der Gesichtssymmetrieebene zurückgegriffen wird [12, 14, 27, 44]. Die Bestimmung der Symmetrieebene anhand weniger Referenzpunkte, die selbst in asymmetrischen Bereichen liegen und bei deren Bestimmung untersucherabhängige Ungenauigkeiten nicht ausgeschlossen werden können, ist fehleranfällig, wie Untersuchungen zur Reliabilität dieser Methoden gezeigt haben [21]. Ziel der Studie war es daher, mittels einer landmarkenunabhängigen Analyse die 3D-Asymmetrien der Gesichtsweichteile bei Patienten mit ausgeprägter Dysgnathie vor und nach kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischer Therapie zu quantifizieren. Darüber hinaus sollte geklärt werden, inwiefern sich das Ausmaß einer Gesichtsasymmetrie bzw. die Veränderung
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Blockhaus M et al. 3D-Weichteilasymmetrien bei Dysgnathiepatienten
mandibular procedures according to the Obwegeser–Dal Pont [48]. The aim of all repositioning osteotomies was to achieve a Class I occlusion. Facial asymmetry was analyzed by 3D stereophotogrammetry performed immediately before surgery (T1) and 1 year ± 2 months thereafter (T2).
der Gesichtsasymmetrie nach kombiniert kieferorthopädischkieferchirurgischer Therapie auf die Bewertung der Attraktivität auswirken.
Measurement technique
Patientengruppe
An optical sensor utilizing phase-measuring triangulation (FaceScan3D; 3D Shape, Erlangen, Germany) was used to capture the surface of each patient's face, which was accomplished without skin contact at high resolution in the z-direction (0.2 mm) within 0.8 s. A mirror configuration allowed the entire face to be captured from ear to ear (> 180°) in a single recording step. Slim3D (3D Shape) software was used on the recorded data for fully automated triangulation, merging, and subsequent refinement [23]. The surface processing resulted in representations of the measured data as triangle meshes for viewing.
Control group
The 3D facial surface data were obtained in the same manner from 20 untreated volunteers (9 men and 11 women) who served as the control group. Their mean age was 24.7 ± 1.3 years. Criteria for inclusion in this group were Class I occlusion, physiological overjet, and no clinically visible asymmetry of the facial soft tissues. Individuals with a history of maxillofacial surgery or congenital anomalies were excluded. This control group was used to determine a cutoff value from which any facial asymmetry was considered more pronounced than average. To arrive at this value, we set the confidence interval to cover all samples at 95 % probability (mean value + 1.969 × standard deviation = 95 % of the samples) [43]. As applied to our study, this meant that there was a 95 % probability that the facial asymmetries in the control group did not exceed the determined cutoff value.
Calculation of asymmetry scores
Facial asymmetry was determined using the method developed by Benz [3]. The triangle mesh of each 3D facial dataset was mirrored, then the original dataset and mirror image were superimposed by a rough estimate and that result was subjected to automatic fine registration using special ICP (iterated closest point) algorithms employed to merge point clouds. For details on this process of automatic fine registration and subsequent results' quantification, we refer the reader to previous publications [3, 21, 32]. Asymmetry was then evaluated by calculating the distance for each triangle in the overlapping area of both surfaces. As a threshold for this automatic calculation, triangles with a distance of > 2 mm in this area were not included. Subsequently all single local distances from the pre- and postoperative scans were used to calculate the total mean distance between the original and mirror image, thus, yielding the asymmetry score for data presentation. Soft-tissue changes from before to after treatment were viewed by color coding each patient's superimposed
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Patienten und Methodik Gegenstand der retrospektiven Untersuchung waren 40 Patienten, die kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgisch behandelt wurden. Der Altersdurchschnitt der Patienten betrug 25,9 ± 7,8 Jahre. Es waren 17 Patienten männlich, 23 weiblich. Eine operationsbedürftige Klasse-II-Anomalie wiesen 20 Patienten auf, weitere 20 Patienten eine operationsbedürftige Klasse-III-Anomalie. Die Therapie beinhaltete bei allen Patienten ein kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgisches Vorgehen. Nach umfassender interdisziplinärer Therapieplanung unter Berücksichtigung der Asymmetrie der Gesichtsoberfläche wurde bei allen Patienten eine Umstellungsosteo tomie der Kieferbasen durchgeführt. Es erfolgten keinerlei weitere korrektive Maßnahmen. Die Verlagerung der Maxilla fand auf der Le-Fort-I-Ebene statt. Die Umstellungsosteotomie der Mandibula wurde nach Obwegeser-Dal Pont vorgenommen [48]. Bei allen Patienten fand eine Umstellungsosteo tomie mit dem Ziel einer Klasse-I-Okklusion statt. Zur Analyse der Gesichtsasymmetrie wurden mittels stereophotogrammetrischer Aufnahme 3D-Daten direkt präoperativ (T1) und 1 Jahr (± 2 Monate) postoperativ (T2) erhoben.
Messgerät und Messmethode
Die 3D-Erfassung der Gesichtsoberfläche erfolgte mit dem Sensor FaceScan3D (3D-Shape GmbH, Erlangen, Deutschland). Dabei handelt es sich um einen optischen Sensor, der nach dem Prinzip der phasenmessenden Triangulation arbeitet. Die 3D-Messdaten der Gesichtsoberfläche werden von dem Sensor berührungslos bei einer hohen Auflösung in zRichtung (0,2 mm) innerhalb von 0,8 s erfasst. Durch eine Spiegelkonstruktion kann mit nur einer Messaufnahme die Gesichtsoberfläche eines Patienten von Ohr zu Ohr (> 180°) erfasst werden. Mithilfe der Software Slim3D (3D-Shape GmbH, Erlangen, Deutschland) erfolgte die Triangulation, Verschmelzung und Nachbearbeitung vollautomatisch [23]. Als Ergebnis der Flächenmodellierung liegen die Messdaten als Dreiecksnetze vor und können entsprechend visualisiert werden.
Kontrollgruppe
Als Kontrollgruppe wurden die 3D-Gesichtsdaten von 20 unbehandelten Probanden akquiriert. Die Einschlusskriterien waren eine Klasse-I-Okklusion, eine physiologische Frontzahnstufe sowie keine klinisch sichtbare Asymmetrie der Gesichtsweichteile. Ausgeschlossen wurden Probanden mit Operationen im Kiefer-/Gesichtsbereich sowie Probanden mit einer kongenitalen Anomalie. Der Altersdurchschnitt betrug 24,7 ± 1,3 Jahre. Es waren 9 Probanden männlich, 11 weiblich. Die Kontrollgruppe wurde zur Ermittlung eines Grenzwerts,
Blockhaus M et al. 3D-facial surface asymmetries in orthognathic patients
Preoperative photos
Postoperative photos
10 mm
-1mm < d < 1 mm
-10 mm
preoperative Vertex-based representation of treatment-induced changes in facial soft tissue
postoperative
Figure 1. Representative patient with Class III occlusion pre- and postsurgical correction of the malocclusion Abbildung 1. Representativer Patient mit dentaler Klasse-III-Okklusion vor und nach operativer Korrektur der Malokklusion
pre- and postoperative 3D datasets. Points were displayed in gray if the distance between both datasets was smaller than the threshold value of ± 1 mm; in yellow to red if located ≥ 1 mm behind the mirrored surface; and in green to blue (in increments of 1 mm) if located ≥ 1 mm before the mirrored surface (Figure 1). Data on the reliability and validity of this method have been reported previously [21, 38]. Hartmann et al. [21] arrived at an extremely low deviation of 0.004 mm analyzing this method's reproducibility.
ab dem eine Gesichtsasymmetrie als überdurchschnittlich galt, herangezogen. Zur Grenzwertbestimmung wurde das Konfidenzintervall festgelegt, bei dem mit einer 95%igen Wahrscheinlichkeit (Mittelwert + 1,969 × Standardabweichung) = 95% der erfassten Stichproben) alle Stichproben erfasst werden [43]. Bezogen auf die vorliegende Studie bedeutete dies, dass die Gesichtsasymmetrie der Kontrollgruppe mit einer 95 %igen Wahrscheinlichkeit den statistisch ermittelten Grenzwert nicht überschritt.
Attractiveness ratings
Zur Bestimmung der Gesichtsasymmetrie wurde die von Benz [3] entwickelte Methode verwendet. Das Dreiecksnetz des 3DGesichtsdatensatzes wurde gespiegelt und nachfolgend der Originaldatensatz und das Spiegelbild mittels einer Grobregistrierung zur Deckung gebracht. Anschließend erfolgt basierend auf speziellen Iterated-closest-point-Algorithmen (ICP), mit denen Punktewolken zusammengefügt werden, die automatische Feinregistrierung. Dieses Vorgehen sowie die anschließende Quantifizierung der Ergebnisse sind in früheren Publikationen nachzulesen [3, 21, 32].
Facial appearance was rated by 10 orthodontists, 10 maxillofacial surgeons, and 20 laypersons. None of the raters were aware of the study objective. Both the pre- and postoperative faces captured by the FaceScan3D sensor were oriented along their symmetry planes for this purpose using image processing software (3D Viewer; 3D Shape). The faces were presented to the raters as grayscale images—thus, ruling out any effects of color texture on the ratings—which were strictly confined to the facial surface. These were presented in random sequence with-
Berechnung des Asymmetriegrads
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Blockhaus M et al. 3D-Weichteilasymmetrien bei Dysgnathiepatienten
Table 2. Cutoff value for greater-than-average asymmetry, derived from the mean asymmetry score in the control group Tabelle 2. Asymmetriegrad der Kontrollgruppe und ermittelter Grenz wert
Asymmetry scores expressed in mm × 10−3 Group
n
Mean ± SD
Cutoff
Control
20
54.0 ± 9.7
73.0a
SD standard deviation. a 0.540 + 1.960 × 0.097 = 0.730 × 10−3 Table 3. Intergroup comparison of preoperative asymmetry scores Tabelle 3. Präoperative Asymmetriegrade im Vergleich der verschiedenen Gruppen
Asymmetry scores expressed in mm × 10−3 Group
n
Mean ± SD
Control
20
54.0 ± 9.7
Class II
20
68.4 ± 24.4
Control
20
54.0 ± 9.7
Class III
20
77.7 ± 33.6
Class II
20
68.4 ± 24.4
Class III
20
77.7 ± 33.6
Difference p value − 14.6
0.030*
− 23.6
0.014*
Subjektive Beurteilung − 9.3
0.417
SD standard deviation. Asterisks (*) indicate significant differences (p ≤ 0.05).
out disclosing to the raters whether a face was surgically treated or untreated. A scale of attractiveness ranging from 1 (unattractive) to 7 (very attractive) was used.
Statistical analysis
Asymmetry scores and attractiveness ratings were analyzed with statistics software (SPSS v. 14.0; SPSS Inc., Chicago, IL, USA) using non-parametric tests for connected samples (Mann–Whitney test and Wilcoxon test). Quantitative analysis was based on mean values with standard deviations (asymmetry scores) and median values (attractiveness ratings), and differences were regarded as statistically significant at p ≤ 0.05.
Results Asymmetry scores
The mean asymmetry score of the facial soft tissues in the control group was 54.0 × 10−3 (SD 9.7 × 10−3). The cutoff value for asymmetry scores was calculated considering the tabulated values of the distribution function for the 95 % confidence interval (mean value + 1.969 × standard deviation = 95 % of samples). The cutoff value thus obtained was 73.0 × 10−3 (Table 2). The gender distribution across the various groups was not statistically significant (p = 0.085). Preoperatively, the patient group with Class II anomalies had a mean asymmetry score of 68.4 × 10−3, thus, not reaching the cutoff value, while the preoperative mean score in the Class III
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Zur Bestimmung der Asymmetrie wurde der Abstand für jedes Dreieck im Überlappungsbereich der beiden Oberflächen berechnet. Dreiecke mit einem Abstand von > 2 mm im Überlappungsbereich wurden als Grenzwert für diese automatische Berechnung nicht mit einbezogen. Der mittlere absolute Abstand dabs (mm) zwischen dem Original und dem Spiegelbild wurde prä- und postoperativ aus allen lokalen Einzelabständen berechnet und als Asymmetriegrad verwendet. Mithilfe der Überlagerung der prä- und postoperativen 3D-Datensätze eines Patienten konnten die Weichteilveränderungen farbkodiert visualisiert werden. War der Abstand zwischen dem prä- und postoperativen Datensatz kleiner als der Schwellenwert von ± 1 mm, wurden die Punkte grau dargestellt. Punkte, die 1 mm oder mehr hinter der gespiegelten Oberfläche lagen, wurden gelb bis rot, und Punkte, die 1 mm oder mehr davor lagen, in der Abstufung von je 1 mm grün bis blau dargestellt (Abbildung 1). Die Reliabilität und Validität der Methode wurden bereits in der Literatur beschrieben [21, 38]. Hartmann et al. [21] fanden in ihrer Studie zur Reproduzierbarkeit der Asymmetriegradbestimmung eine äußerst geringe Abweichung von 0,004 mm.
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Die subjektive Beurteilung der Attraktivität der Patientengesichter wurde von 10 Kieferorthopäden, 10 Mund-, Kieferund Gesichtschirurgen und 20 Laien vorgenommen. Das Ziel der Studie war den Beurteilern unbekannt. Die sowohl prä- als auch postoperativ mit dem FaceScan3D in 3D erfassten Gesichter wurden mittels der Software 3D-Viewer der Firma 3DShape GmbH, Erlangen, Deutschland nach ihrer Symmetrieebene ausgerichtet. Die Gesichter wurden in Graustufen abgebildet und so dargestellt, dass zur Beurteilung ausschließlich die Gesichtsoberfläche zur Verfügung stand und somit eine farbliche Textur die Einstufung nicht beeinflusste. Die Patientengesichter wurden hinsichtlich ihres Aussehens auf einer Skala von 1 (gering attraktiv) bis 7 (sehr attraktiv) eingestuft. Den Beurteilern war nicht bekannt, ob es sich um operierte oder nichtoperierte Gesichter handelte. Die Präsentation der Gesichter erfolgte in randomisierter Reihenfolge.
Statistik
Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte mithilfe von SPSS® 14.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA). Die statistische Analyse der Asymmetriegradberechnung und der subjektiven Beurteilung erfolgte mit Hilfe eines nichtparametrischen Tests für verbundene Stichproben (Mann-Whitney-Test und WilcoxonTest). Zur quantitativen Analyse wurden die Mittelwerte (M) bzw. der Median (subjektive Beurteilung) und die Standardabweichung (SD) ermittelt. Das Signifikanzniveau wurde mit p
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Zusammenfassung
Objectives. The goal of the following study was to quantify facial soft-tissue asymmetry in patients with pronounced skeletal malocclusion anomalies before and after orthodontic treatment combined with orthognathic surgery. In addition, the facial attractiveness of these patients was rated by dental specialists and laypersons both before and after treatment based on the three-dimensional (3D) data. Patients and methods. An optical sensor was used to noninvasively capture the 3D facial surface data of 60 adult patients including two groups of 20 patients with skeletal Class II or III anomalies and a control group of another 20 subjects with Class I relationships. Facial surface asymmetries were evaluated immediately before the surgical procedure and 1 year thereafter. In addition, subjective ratings of facial attractiveness were obtained based on a questionnaire from orthodontists, maxillofacial surgeons, and laypersons. Results. No differences in facial soft-tissue asymmetry were observed between the Class II and III patients either pre- or postoperatively, but asymmetry was found to be more pronounced in the skeletal malocclusion groups than in the Class I control group both pre- and postoperatively. The subjective ratings of facial attractiveness by the various rater groups yielded more favorable results for the post- than preoperative patient images, reflecting differences that reached overall statistical significance. Conclusion. Quantitative analysis of facial soft-tissue asymmetry and calculating a cutoff value allowed us to distinguish pa-
Ziel. Ziel der Untersuchung war die Quantifizierung dreidimensionaler (3D-)Asymmetrien der Gesichtsweichteile von Patienten mit ausgeprägten Dysgnathien vor und nach kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischer Therapie. Zusätzlich erfolgte prä- und postoperativ die Attraktivitätsbeurteilung der Patienten anhand von 3D-Daten durch Experten und Laien. Patienten und Methodik. Die 3D-Daten der Gesichtsoberfläche von 60 erwachsenen Patienten wurden nichtinvasiv mittels eines optischen Sensors erfasst. Von diesen wiesen 20 Patienten eine Klasse-II-, 20 Patienten eine Klasse-III- sowie 20 Kontrollprobanden eine Klasse-I-Anomalie auf. Die Asymmetrie der Gesichtsoberflächen wurde direkt prä- und 1 Jahr postoperativ berechnet. Zusätzlich erfolgte die subjektive Analyse des Aussehens der Patienten mittels Fragebogen durch Kieferorthopäden, Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgen und Laien. Ergebnisse. Patienten mit Klasse-II-Anomalie unterschieden sich hinsichtlich der Asymmetrie der Gesichtsweichteile weder prä- noch postoperativ von Patienten mit Klasse-III-Anomalie. Dagegen wiesen die Dysgnathiepatienten sowohl prä- als auch postoperativ eine größere Asymmetrie auf als die Kontrollgruppe mit Klasse-I-Anomalie. Insgesamt wurde eine signifikant positivere Bewertung des Aussehens der postoperativen Patienten im Rahmen der subjektiven Analyse nachgewiesen.
epartment of Orthodontics, University Hospital, Würzburg, D Germany 2 Private Orthodontic Practice, Würzburg, Germany
The study results were presented in part, and won the poster award, at the 2010 Annual Meeting of the Germany Orthodontic Society. Ein Teil der Ergebnisse wurde auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Kieferorthopädie (DGKFO) 2010 in Frankfurt präsentiert und mit dem Posterpreis prämiert.
Received: June 14, 2012; accepted: June 20, 2013; published online: March 02, 2014
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Blockhaus M et al. 3D-Weichteilasymmetrien bei Dysgnathiepatienten
tients with skeletal malocclusion from a control group solely on the basis of asymmetry. Combined regimens of orthodontic treatment and orthognathic surgery go some way in reducing asymmetry toward the levels seen in untreated control subjects, while the asymmetry pattern characteristic of this type of malocclusion will persist. Nevertheless, the asymmetry reduction is noticeable enough to result in more favorable ratings of attractiveness.
Keywords Skeletal malocclusion · Esthetics · Attractiveness · 3D · Facial asymmetry
Introduction The human face is characterized by bilateral symmetry, involving an arrangement of elements that are mirror images of each other to the left and right of a dividing line represented by the midsagittal plane. Despite considerable agreement between the bilateral surface structures in terms of size, arrangement and shape, there is no such thing as total symmetry in nature. The phenomenon of facial asymmetry has been referred to as “laterality” [2, 12] and is most pronounced in the lower third of the face [20, 46, 49]. Patients with pronounced skeletal malocclusion are more often affected by three-dimensional (3D) problems, which cause clinically visible asymmetry [42]. Methods of surgical correction depending on the degree of asymmetry have been discussed in the literature (Table 1). Hajeer et al. [19] reported on changes in facial asymmetry resulting from surgically induced changes to soft-tissue structures in skeletal malocclusion patients. Furthermore, changes in soft-tissue volume of up to 80 % have been described after surgically induced changes to hard tissue [39]. Recent discussions have been devoted to the extent of correlation between skeletal asymmetries and asymmetries of the overlying soft tissues [1, 7, 8, 13, 14, 17, 39]. There are conflicting reports about interactions between facial soft and hard tissue [1, 7, 8, 13, 14, 26, 29, 51]. Following demonstrations of more pronounced asymmetry in skeletal structures than in their overlying soft tissues [14, 41], further analysis revealed that information about hard-tissue structures can be derived from soft tissue [7]. As a case in point, higher levels of facial asymmetry were observed in patients with more pronounced Class III anomalies [15]. Cases of pronounced Class II anomalies, by contrast, appear to exhibit only moderate soft-tissue asymmetry [18]. A point of special interest in connection with facial asymmetries concerns any effects on attractiveness. Previous discussions in the literature regarding facial symmetry being associated with facial attractiveness [16, 33, 34, 36, 41] led to the conclusion that there is a progressive correlation. This has been explained by the process of visual face perception, as more than 80 % of both pre-attentive perception and global visual perception focuses centrally along the facial midline. Any asymmetries in this sensitive area will induce perceptive changes that result in
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Schlussfolgerungen. Durch klinischen Einsatz der Berechnung der Asymmetrie der Gesichtsweichteile ist eine Differenzierung von Dysgnathiepatienten gegenüber einer Kontrollgruppe allein anhand der Asymmetrie möglich. Eine kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgische Therapie führt zu einer Reduktion der Asymmetrie der Gesichtsweichteile und zur Annäherung an die Symmetrie einer unbehandelten Kontrollgruppe. Es verbleibt jedoch eine für die Dysgnathie charakteristische Asymmetrie der Gesichtsweichteile. Allerdings hat die Reduktion der Gesichtsasymmetrie eine positivere Attraktivitätseinschätzung zur Folge.
Schlüsselwörter Dysgnathie · Ästhetik · Attraktivität · 3D · Faziale Asymme trie
Hintergrund Das menschliche Gesicht ist durch eine bilaterale Symmetrie charakterisiert, unter der man die spiegelgleiche Anordnung von Elementen zueinander entlang einer sagittal ausgerichteten Symmetrieebene versteht. Es findet sich auf beiden Seiten eine überwiegende Übereinstimmung hinsichtlich Größe, Anordnung und Form. Vollkommene Symmetrie ist in der Natur jedoch nicht existent. Die Asymmetrie beider Gesichtshälften wird als Lateralität bezeichnet [2, 12]. Dabei ist das größte Ausmaß an Asymmetrie im unteren Gesichtsdrittel lokalisiert [20, 46, 49]. Klinisch erkennbare Gesichtsasymmetrien stellen ein dreidimensionales (3D-)Problem dar, das vermehrt bei Patienten mit ausgeprägten Dysgnathien auftritt [42]. In der aktuellen Literatur werden je nach Ausprägung die operativen Korrekturmöglichkeiten diskutiert (Tabelle 1). Hajeer et al. [19] berichten in einer Studie über chirurgische Weichgewebsveränderungen bei Dysgnathiepatienten, die mit Veränderungen der Gesichtsasymmetrie einhergehen. Des Weiteren wird eine Volumenveränderung der Weichgewebe nach operativer Veränderung des Hartgewebes von bis zu 80 % beschrieben [39]. Inwieweit skelettale Asymmetrien mit Asymmetrien des darüber liegenden Weichgewebes korrelieren, ist Gegenstand aktueller Diskussion [1, 7, 8, 13, 14, 17, 39]. So finden sich in der Literatur über die Wechselwirkung zwischen Weich- und Hartgewebe des Gesichtes konträre Aussagen [1, 7, 8, 13, 14, 26, 29, 51]. Es konnte nachgewiesen werden, dass skelettale Strukturen im Vergleich zu den sie bedeckenden Weichgeweben einen höheren Asymmetriegrad zeigen [14, 41]. Weiterführende Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass auch die Weichgewebe selbst einen Hinweis auf die Struktur der Hartgewebe liefern können [7]. So wurde bei Patienten mit zunehmender Ausprägung einer Klasse-III-Anomalie auch eine Zunahme der Gesichtsasymmetrie beschrieben [15]. Dagegen scheint bei Patienten mit ausgeprägter Klasse-II-Anomaliedie Asymmetrie der Weichteile nur moderat ausgeprägt zu sein [18].
Blockhaus M et al. 3D-facial surface asymmetries in orthognathic patients
Table 1. Overview of studies on soft-tissue changes induced by surgery Tabelle 1. Tabellarische Übersicht aktueller Studien zu operativ bedingten Veränderungen der Gesichtsweichteile
Authors
n
Malocclusion
Imaging
Parameters
Asymmetry
Ferrario
5
Class III
Photogrammetry
Volumetric, linear
No
Hajeer
44
Class III Class II
Photogrammetry Asymmetry index
Kobayashi
28
Class III
Asymmetry index in parameters
Volumetric
No
Marsan
25
Class III
Radiography
Angular, linear
No
Nkenke
20
Class III
Photogrammetry
Relative, linear
No
Sforza
9
Class III
Photogrammetry
Angular, linear
No
Soncul
46
Class III
Photogrammetry
Relative
No
less favorable ratings of appearance. This finding indicates that both asymmetry has been identified and that symmetry is a relevant factor in judging facial esthetics [34, 35]. Global capturing of facial asymmetries requires a diagnostic tool that factors in 3D morphology. Numerous study groups have developed processes to quantify facial asymmetries three-dimensionally [4, 6, 9, 10, 14, 18, 19, 22, 24, 25, 31, 37, 40, 44]. The most recent of these methods attain a high level of informational content and are used nowadays by both orthodontists and maxillofacial surgeons to support their diagnostic and planning activities [19, 39, 50, 52]. A common drawback of these methods has been that they continue to rely on landmarks to determine the facial symmetry plane [12, 14, 27, 44]. Examinations of their reliability have shown that errors are liable to occur if this plane is determined on the basis of few reference points which are themselves located in asymmetrical areas and which cannot be reliably determined without observer-related inconsistencies [21]. Consequently, the aim of this study was to use a landmarkindependent method of analyzing 3D soft-tissue asymmetries on the faces of patients with pronounced skeletal malocclusion anomalies before and after treatment, which consisted in orthodontic regimens combined with orthognathic surgery. Another goal was to assess the extent to which different degrees of facial asymmetry and their treatment-induced changes would be reflected in ratings of facial attractiveness.
Patients and methods Patient group
A total of 40 patients (mean age 25.9 ± 7.8 years, 17 man and 23 women) were retrospectively evaluated. Half of these patients had Class II and the other half Class III skeletal malocclusion anomalies requiring treatment, which had included an orthodontic regimen combined with orthognathic surgery in all cases. After comprehensive multidisciplinary treatment planning including consideration of facial surface symmetry, all patients were subjected to a repositioning osteotomy of the jaw bases. No other corrective measures were taken. The maxillary procedures were conducted on the Le Fort I level and the
Yes
Bei Gesichtsasymmetrien ist der Einfluss der Symmetrie auf die Attraktivität von besonderem Interesse. Eine Korrelation zwischen Symmetrie und Attraktivität eines Gesichts wurde bereits in vergangenen Studien diskutiert [16, 33, 34, 36, 41]. Es zeigte sich, dass sich die Attraktivität steigert, je symmetrischer ein Gesicht ist. Dies wird durch den Ablauf der visuellen Wahrnehmung von Gesichtern erklärt. So findet sowohl die initial präattentive Wahrnehmung als auch die globale visuelle Wahrnehmung mit über 80 % in den zentralen Bereichen des Gesichts entlang der Gesichtsmittellinie statt. Eine Asymmetrie in diesen sensiblen Bereichen führt zu einer veränderten Perzeption mit einer negativeren Beurteilung des Aussehens. Dies weist darauf hin, dass zum einen die Asymmetrie erkannt wird und zum anderen die Gesichtssymmetrie ein Faktor für die Beurteilung der fazialen Ästhetik darstellt [34, 35]. Um Gesichtsasymmetrien global erfassen zu können, ist ein diagnostisches Instrument notwendig, das die 3D-Morphologie berücksichtigt. Zahlreiche Arbeitsgruppen haben daher Verfahren entwickelt, die zur 3D-Analyse von Gesichtsasymmetrien herangezogen werden können [4, 6, 9, 10, 14, 18, 19, 22, 24, 25, 31, 37, 40, 44]. Die jüngsten Methoden der 3D-Quantifizierung von Gesichtsasymmetrien erreichen einen hohen Informationsgehalt und werden sowohl in die kieferorthopädische als auch in die kieferchirurgische Diagnostik und Therapieplanung integriert [19, 39, 50, 52]. Der Nachteil eines großen Teils dieser Methoden beruht jedoch darauf, dass nach wie vor auf Landmarken zur Bestimmung der Gesichtssymmetrieebene zurückgegriffen wird [12, 14, 27, 44]. Die Bestimmung der Symmetrieebene anhand weniger Referenzpunkte, die selbst in asymmetrischen Bereichen liegen und bei deren Bestimmung untersucherabhängige Ungenauigkeiten nicht ausgeschlossen werden können, ist fehleranfällig, wie Untersuchungen zur Reliabilität dieser Methoden gezeigt haben [21]. Ziel der Studie war es daher, mittels einer landmarkenunabhängigen Analyse die 3D-Asymmetrien der Gesichtsweichteile bei Patienten mit ausgeprägter Dysgnathie vor und nach kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischer Therapie zu quantifizieren. Darüber hinaus sollte geklärt werden, inwiefern sich das Ausmaß einer Gesichtsasymmetrie bzw. die Veränderung
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Blockhaus M et al. 3D-Weichteilasymmetrien bei Dysgnathiepatienten
mandibular procedures according to the Obwegeser–Dal Pont [48]. The aim of all repositioning osteotomies was to achieve a Class I occlusion. Facial asymmetry was analyzed by 3D stereophotogrammetry performed immediately before surgery (T1) and 1 year ± 2 months thereafter (T2).
der Gesichtsasymmetrie nach kombiniert kieferorthopädischkieferchirurgischer Therapie auf die Bewertung der Attraktivität auswirken.
Measurement technique
Patientengruppe
An optical sensor utilizing phase-measuring triangulation (FaceScan3D; 3D Shape, Erlangen, Germany) was used to capture the surface of each patient's face, which was accomplished without skin contact at high resolution in the z-direction (0.2 mm) within 0.8 s. A mirror configuration allowed the entire face to be captured from ear to ear (> 180°) in a single recording step. Slim3D (3D Shape) software was used on the recorded data for fully automated triangulation, merging, and subsequent refinement [23]. The surface processing resulted in representations of the measured data as triangle meshes for viewing.
Control group
The 3D facial surface data were obtained in the same manner from 20 untreated volunteers (9 men and 11 women) who served as the control group. Their mean age was 24.7 ± 1.3 years. Criteria for inclusion in this group were Class I occlusion, physiological overjet, and no clinically visible asymmetry of the facial soft tissues. Individuals with a history of maxillofacial surgery or congenital anomalies were excluded. This control group was used to determine a cutoff value from which any facial asymmetry was considered more pronounced than average. To arrive at this value, we set the confidence interval to cover all samples at 95 % probability (mean value + 1.969 × standard deviation = 95 % of the samples) [43]. As applied to our study, this meant that there was a 95 % probability that the facial asymmetries in the control group did not exceed the determined cutoff value.
Calculation of asymmetry scores
Facial asymmetry was determined using the method developed by Benz [3]. The triangle mesh of each 3D facial dataset was mirrored, then the original dataset and mirror image were superimposed by a rough estimate and that result was subjected to automatic fine registration using special ICP (iterated closest point) algorithms employed to merge point clouds. For details on this process of automatic fine registration and subsequent results' quantification, we refer the reader to previous publications [3, 21, 32]. Asymmetry was then evaluated by calculating the distance for each triangle in the overlapping area of both surfaces. As a threshold for this automatic calculation, triangles with a distance of > 2 mm in this area were not included. Subsequently all single local distances from the pre- and postoperative scans were used to calculate the total mean distance between the original and mirror image, thus, yielding the asymmetry score for data presentation. Soft-tissue changes from before to after treatment were viewed by color coding each patient's superimposed
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Patienten und Methodik Gegenstand der retrospektiven Untersuchung waren 40 Patienten, die kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgisch behandelt wurden. Der Altersdurchschnitt der Patienten betrug 25,9 ± 7,8 Jahre. Es waren 17 Patienten männlich, 23 weiblich. Eine operationsbedürftige Klasse-II-Anomalie wiesen 20 Patienten auf, weitere 20 Patienten eine operationsbedürftige Klasse-III-Anomalie. Die Therapie beinhaltete bei allen Patienten ein kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgisches Vorgehen. Nach umfassender interdisziplinärer Therapieplanung unter Berücksichtigung der Asymmetrie der Gesichtsoberfläche wurde bei allen Patienten eine Umstellungsosteo tomie der Kieferbasen durchgeführt. Es erfolgten keinerlei weitere korrektive Maßnahmen. Die Verlagerung der Maxilla fand auf der Le-Fort-I-Ebene statt. Die Umstellungsosteotomie der Mandibula wurde nach Obwegeser-Dal Pont vorgenommen [48]. Bei allen Patienten fand eine Umstellungsosteo tomie mit dem Ziel einer Klasse-I-Okklusion statt. Zur Analyse der Gesichtsasymmetrie wurden mittels stereophotogrammetrischer Aufnahme 3D-Daten direkt präoperativ (T1) und 1 Jahr (± 2 Monate) postoperativ (T2) erhoben.
Messgerät und Messmethode
Die 3D-Erfassung der Gesichtsoberfläche erfolgte mit dem Sensor FaceScan3D (3D-Shape GmbH, Erlangen, Deutschland). Dabei handelt es sich um einen optischen Sensor, der nach dem Prinzip der phasenmessenden Triangulation arbeitet. Die 3D-Messdaten der Gesichtsoberfläche werden von dem Sensor berührungslos bei einer hohen Auflösung in zRichtung (0,2 mm) innerhalb von 0,8 s erfasst. Durch eine Spiegelkonstruktion kann mit nur einer Messaufnahme die Gesichtsoberfläche eines Patienten von Ohr zu Ohr (> 180°) erfasst werden. Mithilfe der Software Slim3D (3D-Shape GmbH, Erlangen, Deutschland) erfolgte die Triangulation, Verschmelzung und Nachbearbeitung vollautomatisch [23]. Als Ergebnis der Flächenmodellierung liegen die Messdaten als Dreiecksnetze vor und können entsprechend visualisiert werden.
Kontrollgruppe
Als Kontrollgruppe wurden die 3D-Gesichtsdaten von 20 unbehandelten Probanden akquiriert. Die Einschlusskriterien waren eine Klasse-I-Okklusion, eine physiologische Frontzahnstufe sowie keine klinisch sichtbare Asymmetrie der Gesichtsweichteile. Ausgeschlossen wurden Probanden mit Operationen im Kiefer-/Gesichtsbereich sowie Probanden mit einer kongenitalen Anomalie. Der Altersdurchschnitt betrug 24,7 ± 1,3 Jahre. Es waren 9 Probanden männlich, 11 weiblich. Die Kontrollgruppe wurde zur Ermittlung eines Grenzwerts,
Blockhaus M et al. 3D-facial surface asymmetries in orthognathic patients
Preoperative photos
Postoperative photos
10 mm
-1mm < d < 1 mm
-10 mm
preoperative Vertex-based representation of treatment-induced changes in facial soft tissue
postoperative
Figure 1. Representative patient with Class III occlusion pre- and postsurgical correction of the malocclusion Abbildung 1. Representativer Patient mit dentaler Klasse-III-Okklusion vor und nach operativer Korrektur der Malokklusion
pre- and postoperative 3D datasets. Points were displayed in gray if the distance between both datasets was smaller than the threshold value of ± 1 mm; in yellow to red if located ≥ 1 mm behind the mirrored surface; and in green to blue (in increments of 1 mm) if located ≥ 1 mm before the mirrored surface (Figure 1). Data on the reliability and validity of this method have been reported previously [21, 38]. Hartmann et al. [21] arrived at an extremely low deviation of 0.004 mm analyzing this method's reproducibility.
ab dem eine Gesichtsasymmetrie als überdurchschnittlich galt, herangezogen. Zur Grenzwertbestimmung wurde das Konfidenzintervall festgelegt, bei dem mit einer 95%igen Wahrscheinlichkeit (Mittelwert + 1,969 × Standardabweichung) = 95% der erfassten Stichproben) alle Stichproben erfasst werden [43]. Bezogen auf die vorliegende Studie bedeutete dies, dass die Gesichtsasymmetrie der Kontrollgruppe mit einer 95 %igen Wahrscheinlichkeit den statistisch ermittelten Grenzwert nicht überschritt.
Attractiveness ratings
Zur Bestimmung der Gesichtsasymmetrie wurde die von Benz [3] entwickelte Methode verwendet. Das Dreiecksnetz des 3DGesichtsdatensatzes wurde gespiegelt und nachfolgend der Originaldatensatz und das Spiegelbild mittels einer Grobregistrierung zur Deckung gebracht. Anschließend erfolgt basierend auf speziellen Iterated-closest-point-Algorithmen (ICP), mit denen Punktewolken zusammengefügt werden, die automatische Feinregistrierung. Dieses Vorgehen sowie die anschließende Quantifizierung der Ergebnisse sind in früheren Publikationen nachzulesen [3, 21, 32].
Facial appearance was rated by 10 orthodontists, 10 maxillofacial surgeons, and 20 laypersons. None of the raters were aware of the study objective. Both the pre- and postoperative faces captured by the FaceScan3D sensor were oriented along their symmetry planes for this purpose using image processing software (3D Viewer; 3D Shape). The faces were presented to the raters as grayscale images—thus, ruling out any effects of color texture on the ratings—which were strictly confined to the facial surface. These were presented in random sequence with-
Berechnung des Asymmetriegrads
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Blockhaus M et al. 3D-Weichteilasymmetrien bei Dysgnathiepatienten
Table 2. Cutoff value for greater-than-average asymmetry, derived from the mean asymmetry score in the control group Tabelle 2. Asymmetriegrad der Kontrollgruppe und ermittelter Grenz wert
Asymmetry scores expressed in mm × 10−3 Group
n
Mean ± SD
Cutoff
Control
20
54.0 ± 9.7
73.0a
SD standard deviation. a 0.540 + 1.960 × 0.097 = 0.730 × 10−3 Table 3. Intergroup comparison of preoperative asymmetry scores Tabelle 3. Präoperative Asymmetriegrade im Vergleich der verschiedenen Gruppen
Asymmetry scores expressed in mm × 10−3 Group
n
Mean ± SD
Control
20
54.0 ± 9.7
Class II
20
68.4 ± 24.4
Control
20
54.0 ± 9.7
Class III
20
77.7 ± 33.6
Class II
20
68.4 ± 24.4
Class III
20
77.7 ± 33.6
Difference p value − 14.6
0.030*
− 23.6
0.014*
Subjektive Beurteilung − 9.3
0.417
SD standard deviation. Asterisks (*) indicate significant differences (p ≤ 0.05).
out disclosing to the raters whether a face was surgically treated or untreated. A scale of attractiveness ranging from 1 (unattractive) to 7 (very attractive) was used.
Statistical analysis
Asymmetry scores and attractiveness ratings were analyzed with statistics software (SPSS v. 14.0; SPSS Inc., Chicago, IL, USA) using non-parametric tests for connected samples (Mann–Whitney test and Wilcoxon test). Quantitative analysis was based on mean values with standard deviations (asymmetry scores) and median values (attractiveness ratings), and differences were regarded as statistically significant at p ≤ 0.05.
Results Asymmetry scores
The mean asymmetry score of the facial soft tissues in the control group was 54.0 × 10−3 (SD 9.7 × 10−3). The cutoff value for asymmetry scores was calculated considering the tabulated values of the distribution function for the 95 % confidence interval (mean value + 1.969 × standard deviation = 95 % of samples). The cutoff value thus obtained was 73.0 × 10−3 (Table 2). The gender distribution across the various groups was not statistically significant (p = 0.085). Preoperatively, the patient group with Class II anomalies had a mean asymmetry score of 68.4 × 10−3, thus, not reaching the cutoff value, while the preoperative mean score in the Class III
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Zur Bestimmung der Asymmetrie wurde der Abstand für jedes Dreieck im Überlappungsbereich der beiden Oberflächen berechnet. Dreiecke mit einem Abstand von > 2 mm im Überlappungsbereich wurden als Grenzwert für diese automatische Berechnung nicht mit einbezogen. Der mittlere absolute Abstand dabs (mm) zwischen dem Original und dem Spiegelbild wurde prä- und postoperativ aus allen lokalen Einzelabständen berechnet und als Asymmetriegrad verwendet. Mithilfe der Überlagerung der prä- und postoperativen 3D-Datensätze eines Patienten konnten die Weichteilveränderungen farbkodiert visualisiert werden. War der Abstand zwischen dem prä- und postoperativen Datensatz kleiner als der Schwellenwert von ± 1 mm, wurden die Punkte grau dargestellt. Punkte, die 1 mm oder mehr hinter der gespiegelten Oberfläche lagen, wurden gelb bis rot, und Punkte, die 1 mm oder mehr davor lagen, in der Abstufung von je 1 mm grün bis blau dargestellt (Abbildung 1). Die Reliabilität und Validität der Methode wurden bereits in der Literatur beschrieben [21, 38]. Hartmann et al. [21] fanden in ihrer Studie zur Reproduzierbarkeit der Asymmetriegradbestimmung eine äußerst geringe Abweichung von 0,004 mm.
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Die subjektive Beurteilung der Attraktivität der Patientengesichter wurde von 10 Kieferorthopäden, 10 Mund-, Kieferund Gesichtschirurgen und 20 Laien vorgenommen. Das Ziel der Studie war den Beurteilern unbekannt. Die sowohl prä- als auch postoperativ mit dem FaceScan3D in 3D erfassten Gesichter wurden mittels der Software 3D-Viewer der Firma 3DShape GmbH, Erlangen, Deutschland nach ihrer Symmetrieebene ausgerichtet. Die Gesichter wurden in Graustufen abgebildet und so dargestellt, dass zur Beurteilung ausschließlich die Gesichtsoberfläche zur Verfügung stand und somit eine farbliche Textur die Einstufung nicht beeinflusste. Die Patientengesichter wurden hinsichtlich ihres Aussehens auf einer Skala von 1 (gering attraktiv) bis 7 (sehr attraktiv) eingestuft. Den Beurteilern war nicht bekannt, ob es sich um operierte oder nichtoperierte Gesichter handelte. Die Präsentation der Gesichter erfolgte in randomisierter Reihenfolge.
Statistik
Die Auswertung der Ergebnisse erfolgte mithilfe von SPSS® 14.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA). Die statistische Analyse der Asymmetriegradberechnung und der subjektiven Beurteilung erfolgte mit Hilfe eines nichtparametrischen Tests für verbundene Stichproben (Mann-Whitney-Test und WilcoxonTest). Zur quantitativen Analyse wurden die Mittelwerte (M) bzw. der Median (subjektive Beurteilung) und die Standardabweichung (SD) ermittelt. Das Signifikanzniveau wurde mit p
