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Micro-CT analysis of human teeth after exposure to controlled thermal stress
Michael Sandholzer
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Sylvia Kirchengast
DOI
10.25365/thesis.11011
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30059.42705.687163-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Bis zum heutigen Tag wurden nur vereinzelt Methoden mit dem Ziel publiziert, Risse und Fissuren innerhalb von Knochen und Zähnen zu visualisieren, welche durch hohe Temperatu-ren verursacht werden. Während der letzten Jahrzehnte änderte sich der Fokus der Forschung von den makroskopischen hin zu den mikroskopischen Hitze-induzierten Veränderungen. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die nicht invasive mikro-CT Technologie verwendet, um das Hitze-induzierte Rissvolumen zu analysieren und die Veränderungen bei verschiede-nen Temperaturstufen bei menschlichen Zähnen zu beobachten.
Insgesamt wurden 18 isolierte menschliche Zähne wurden in drei Gruppen eingeteilt und in einem elektrischen Muffelofen bei kontrollierten Temperaturen (400°C, 650°C und 800°C) verbrannt. Anschließend wurde eine Reihe von hochauflösenden Scans (Voxel Größe: 17.7 – 27.0 µm) mittels eines SkyScan 1174 kompakt mikro-CT Scanners gemacht. Nach der Re-konstruktion und Konvertierung der Rohdaten wurden die daraus resultierenden Bilddaten segmentiert. In der Pilotstudie basierte die manuelle Segmentierung der 15 verbrannten Mola-ren und Prämolaren auf der Klassifizierung der Voxeldaten aufgrund ihrer Grauwertunter-schiede (unter Verwendung von Visage Imaging Amira 5.2). Im Gegensatz dazu wurde bei der Hauptstudie (14 Scans von Weisheitszähnen) eine automatisierte Segmentierung verwen-det, welche auf einem komplexen Bildverarbeitungsalgorithmus basiert (Definiens XD Deve-loper 1.2) um das Volumen der Risse, der Pulpa und des Zahngewebes zu evaluieren. Für eine qualitative Beschreibung der Hitze-induzierten Veränderungen wurden in beiden Studien dreidimensionalen Modelle mit Amira 5.2.2 erstellt.
Die Bilddaten der Pilotstudien wurden nur für die Erstellung von dreidimensionalen Modellen verwendet. Die statistische Auswertung der Bilddaten der Hauptstudie zeigte einen statistisch signifikanten Temperatur-abhängigen Anstieg von Hitze-induzierten Rissen und Fissuren zwischen den drei Temperaturgruppen. Zusätzlich konnten Klassifizierungen bezüglich der Verteilung, Richtung und Form von Hitze-induzierten Veränderungen aufgrund der dreidi-mensionalen Modelle vorgenommen werden.
Im Gegensatz zu bisher publizierten wissenschaftlichen Arbeiten, kann mit dieser neuartigen Methode die gesamte dreidimensionale Ausbreitung von Hitze-induzierten Rissen und Fissu-ren innerhalb von Zähnen präsentiert werden. Die Pilot- und Hauptstudie wurde unter den in der Literatur vorgeschlagenen experimentellen Umständen durchgeführt und offenbarten neue Einblicke in die Hitze-induzierte Veränderungen von Zähnen, welche die bisherigen Resultate stützen, aber auch neue Perspektiven bei forensischen Untersuchungen und archäologischem Ausgrabungsmaterial eröffnen.
Abstract
(Englisch)
By now, only a few methods have been published dealing with the visualization of heat-induced cracks and fissures inside bones and teeth. During the last few decades the focus of interest shifted from the macroscopic to the microscopic level of heat-induced changes. In this diploma thesis, the method of non-invasive x-ray micro tomography (micro-CT) was used as a novel approach for volume analysis of heat-induced fissures and cracks to study the reaction of human teeth to various levels of thermal stress.
In total, 18 isolated human teeth were divided into three groups and burned under controlled temperatures of 400°C, 650°C and 800°C in an electric furnace. After the heating, a series of high-resolution scans (voxel-size 17.7 - 27.0 µm) were made with a SkyScan 1174 compact micro-CT scanner. Following reconstruction and conversion of the raw data, the obtained im-ages were segmented. In the pilot study manual segmentation of the 15 burned molars and premolars was a simple classification of voxel data on the basis of grey scale differences, using Visage Imaging Amira 5.2. In contrast, the main study (14 scans of third molars) used au-tomated segmentation based on a complex image analysis algorithm (Definiens XD Developer 1.2) to evaluate the volume of the cracks, the dental pulp and the dental tissue. To qualita-tively analyze heat-induced changes, in both studies three-dimensional models were computed with Amira 5.2.2.
The image data of the pilot study were only used for three-dimensional models. The statistical evaluation of the main study image data shows temperature-dependent increase of heat-induced cracks and fissures between the three temperature groups. In addition, the distribu-tion, direction and shape of the heat-induced cracks and fissures could be classified due to the computed three-dimensional models.
In contrast to earlier publications, this novel method allows to visualize the entire three-dimensional expansion of heat-induced cracks and fissures inside hard dental tissue. Therefore the pilot and main study used the same experimental conditions proposed in literature, revealing novel insight into heat-induced changes of teeth, confirming previous results and offering new perspectives for forensic investigations as well as archaeological excavation material.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
micro-CT x-ray micro tomography analysis of burned human remains forensic anthropology forensic odontology heat-induced changes
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikro-CT Leichenbrand forenische Anthropologie forenische Odontologie Hitze-induzierte Veränderung
Autor*innen
Michael Sandholzer
Haupttitel (Englisch)
Micro-CT analysis of human teeth after exposure to controlled thermal stress
Paralleltitel (Deutsch)
Micro-CT Analyse von menschlichen Zähnen nach der Einwirkung von kontrollierter thermischer Belastung
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
63 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Sylvia Kirchengast
AC Nummer
AC08300727
Utheses ID
9926
Studienkennzahl
UA | 442 | | |