The diagnostic performance of chronologic age in the assessment of skeletal maturity

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1 1 Chronologic age and skeletal maturity The diagnostic performance of chronologic age in the assessment of skeletal maturity Tiziano Baccetti DDS, PhD*, Lorenzo Franchi DDS, PhD**, Laura De Toffol DDS, MS***, Bruno Ghiozzi DDS, PhD****, Paola Cozza MD, DDS, MS ***** * Assistant Professor, Department of Orthodontics, The University of Florence, Florence, Italy; Thomas M. Graber Visiting Scholar, Department of Orthodontics and Pediatric Dentistry, School of Dentistry, The University of Michigan, Ann Arbor. ** Lecturer, Department of Orthodontics, The University of Florence, Florence, Italy; Thomas M. Graber Visiting Scholar, Department of Orthodontics and Pediatric Dentistry, School of Dentistry, The University of Michigan, Ann Arbor. *** Fellow, Department of Orthodontics, The University of Rome Tor Vergata, Rome, Italy. **** Fellow, Department of Orthodontics, The University of Florence, Florence, Italy. ***** Professor and Head, Department of Orthodontics, The University of Rome Tor Vergata, Rome, Italy. Correspondence to: Tiziano Baccetti, Università degli Studi di Firenze Via del Ponte di Mezzo, Firenze Italy Tel.: +39 (0) Fax: +39 (0) t.baccetti@odonto.unifi.it Objective. The aim of this study was to analyze the relationship between chronologic age the and individual skeletal maturity as assessed by means of the cervical vertebral maturation (CVM) method during the circumpubertal period. Materials and methods. The evaluated sample of 600 subjects consisted of 100 subjects (50 males and 50 females) for each of 6 age groups, from 9 years through 14 years of age. Individual skeletal maturity for all subjects was determined by using the CVM method. The relationship between chronologic age and the most prevalent CVM stage at each age group was evaluated statistically by means of indicators of diagnostic test performance that specify the ability of a diagnostic test to identify a condition. Results. The diagnostic performance of chronologic age for the detection of the onset of the adolescent peak in skeletal maturation was very low both in males and in females. In male subjects, the chronologic age of 9 years ± 6 months presented with strong diagnostic power for the identification of a pre-pubertal stage in skeletal maturation. In female subjects, the chronologic age of 14 years ± 6 months corresponded with a strong probability of a postpubertal stage in skeletal maturation. Conclusions. In males, chronologic age can identify a pre-pubertal stage of skeletal development, and in females a post-pubertal stage. In both males and females, chronologic age cannot recognize the onset of the adolescent peak in skeletal maturation. Baccetti T, Franchi L, De Toffol L, Ghiozzi B, Cozza P. The diagnostic performance of chronologic age in the assessment of skeletal maturity. Prog Orthod 2006;7(2): PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

2 Chronologic age and skeletal maturity 2 Introduction The optimal time to start therapy is one of the crucial aspects of treatment planning in dentofacial orthopedics. The identification of the adolescent growth spurt in the individual patient entails particular clinical significance in the treatment protocols for a wide variety of dento-skeletal disharmonies 1-3. Previous studies 4-6 have demonstrated that there is a large variability in the timing and amount of physical growth between individuals at the beginning of adolescence. For this reason measures of physiological maturity have been researched in preference to chronologic age for the evaluation of individual development. A series of biologic indicators of individual skeletal maturity has become available, and it has been used in a large number of investigations in dentofacial orthopedics: increases in statural height 7-9, hand and wrist maturation 10-13, cervical vertebral maturation Several studies have evaluated specifically the relationship between these biologic indicators and the onset, the duration, and the rate of growth of the mandible during adolescence, which is essential for orthodontic treatment planning. Among these investigations the cervical vertebral maturation (CVM) method demonstrated reliability for the detection of the maximum pubertal increase in mandibular growth The CVM method is particularly useful when mandibular skeletal maturity has to be appraised by means a single observation (single cephalogram) 3. Although chronologic age shows wide variation when correlated with developmental events during adolescence, the majority of the investigators have reported an average age of years for the onset of the pubertal growth spurt with approximately one year difference between males and females 18-20, Moreover, chronologic age has been used frequently in investigations into the different outcomes of orthodontic treatment protocols performed at different stages of development. In these studies, the age of the patients at the start of treatment represented the criterion to define early vs late treatment groups for various types of dentoskeletal disharmonies For example, Wertz and Dreskin 29 described Obiettivo. Lo scopo di questo studio è stato quello di analizzare il rapporto tra età cronologica e la maturità scheletrica individuale valutata per mezzo del metodo della Maturazione delle Vertebre Cervicali (MVC) durante il periodo circumpuberale. Materiali e metodi. È stato valutato un campione di 600 soggetti che è stato suddiviso in 6 gruppi per fascia di età dai 9 ai 14 anni. Ciascun gruppo era costituito da 100 soggetti (50 maschi e 50 femmine). È stata valutata la maturità scheletrica individuale di tutti i soggetti per mezzo del metodo di MVC. Il rapporto tra l età cronologica e lo stadio di MVC più prevalente in ciascun gruppo di età è stato valutato statisticamente per mezzo di indicatori di capacità diagnostica in grado di valutare l'abilità di un test diagnostico nell'identificare una determinata condizione. Risultati. La capacità diagnostica dell'età cronologica nell identificazione dell inizio del picco puberale nella maturità scheletrica era molto basso sia per i maschi, sia per le femmine. Nei soggetti di sesso maschile il gruppo con età cronologica di 9 anni ± 6 mesi presentava un forte potere diagnostico per l'identificazione di uno stadio prepuberale nella maturità scheletrica. Nei soggetti di sesso femminile il gruppo con età cronologica di 14 anni ± 6 mesi presentava una forte probabilità di maturità scheletrica corrispondente ad uno stadio postpuberale. Conclusioni. L età cronologica nei maschi è in grado di identificare uno stadio prepuberale di sviluppo scheletrico mentre nelle femmine uno stadio postpuberale. Sia nei maschi, sia nelle femmine l età cronologica non può essere utilizzata per valutare l'inizio del picco di crescita puberale nella maturità scheletrica. Key words: Diagnostic performance test; Chronologic age; Skeletal maturity; Cervical vertebral maturation method. PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

3 3 Chronologic age and skeletal maturity greater and more stable orthopedic changes induced by rapid maxillary expansion in patients under the age of 12 years with respect to patients from 12 to 18 years of age. McNamara and co-workers 30 contrasted the skeletal changes produced by the FR-2 appliance in subjects with Class II malocclusion who started treatment at 8 years and 6 months and at 11 years and 6 months, respectively. The aim of the present investigation was to analyze the diagnostic performance of the circumpubertal ages (from 9 years through 14 years) with respect to individual skeletal maturity as assessed by means of the cervical vertebral maturation method. Materials and methods This large cross-sectional investigation consisted of 600 subjects (300 males and 300 females) derived from a parent sample of 800 subjects with age comprised between 8 years and 6 months, and 14 years and 6 months from the Departments of Orthodontics of the Universities of Florence and Rome Tor Vergata. This age range was considered suitable to represent the circumpubertal period as the majority of the investigators have reported an average age of 11 years and 6 months for the onset of the pubertal growth spurt 18-20, Lateral cephalograms were available for all selected subjects. The exclusionary criteria consisted of: craniofacial anomalies, cleft lip and palate, poor quality of the lateral cephalograms. The sample of 600 subjects was comprised of 100 subjects (50 males and 50 females) for each of six age groups: 9 years ± 6 months, 10 years ± 6 months, 11 years ± 6 months, 12 years ± 6 months, 13 years ± 6 months, and 14 years ± 6 months. Appraisal of skeletal maturity All subjects were analyzed by means of a reliable method for Objectif. Le but de cette étude était d'analyser le rapport entre l'âge chronologique et la maturité squelettique individuelle comme on fait avec la méthode vertébrale cervicale de maturation (CVM) pendant la période circumpuberal. Sujets et méthodes. L'échantillon évalué de 600 sujets est composé de 100 sujets (50 mâles et 50 femelles) pour chacune de 6 catégories d'âge, de 9 ans à 14 ans. La maturité squelettique individuelle pour tous les sujets a été déterminée en employant la méthode CVM. Le rapport entre l'âge chronologique et l'étape CVM la plus répandue à chaque catégorie d'âge a été évalué statistiquement au moyen d'indicateurs de test de diagnostic qui indiquent la capacité d'un test de diagnostic d'identifier une condition. Résultats. L'exécution diagnostique de l'âge chronologique pour la détection du début de la augmentation de la velocité de croissance en adolescence dans la maturation squelettique était très basse dans les mâles et dans les femelles. Dans les sujets masculins, l'âge chronologique de 9 ans de ± 6 mois a présenté une puissance diagnostique forte pour l'identification d'une étape pre-pubertal dans la maturation squelettique. Dans les sujets femelles, l'âge chronologique de 14 ans de ± 6 mois a correspondue à une probabilité forte d'une étape de post-pubertal dans la maturation squelettique. Conclusions. Dans les mâles, l'âge chronologique peut identifier une étape pre-pubertal du développement squelettique, et dans les femelles une étape de post-pubertal. Dans les deux mâles et femelles, l'âge chronologique ne peut pas identifier le début du pique de croissance en adolescence dans la maturation squelettique. Traduit par Maria Giacinta Paolone 178 PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

4 Chronologic age and skeletal maturity 4 the assessment of individual skeletal maturity. The recently improved version of the Cervical Vertebral Maturation (CVM) method was used on lateral cephalograms 3. The six stages of cervical vertebral maturation are illustrated diagrammatically in figure 1 and defined as follows: Cervical Stage 1 (CS1): the peak in mandibular growth will occur not earlier than two years after this stage; Cervical Stage 2 (CS2): the peak in mandibular growth will occur not earlier than one year after this stage; Cervical Stage 3 (CS3): the peak in mandibular growth will occur within one year after this stage; Cervical Stage 4 (CS4): the peak in mandibular growth has occurred within one or two years before this stage; Cervical Stage 5 (CS5): the peak in mandibular growth has occurred not later than one year before this stage. Cervical Stage 6 (CS6): the peak in mandibular growth has occurred not later than two years before this stage. Statistical Analysis The lateral cephalograms of the 600 examined subjects were analyzed by one expert examiner for the appraisal of the CVM stages. This examiner was blind as to the chronologic age of the patients. Percent agreement and kappa statistics were calculated for the evaluation of intraexaminer agreement in the appraisal of CVM stages: the percent agreement was 94.8% with a K of The prevalence of the CVM stages in the different age groups was calculated. The relationship between the skeletal maturity (stages in CVM) and chronologic age was evaluated by means of measures of diagnostic performance 34 : sensitivity, (identifies the condition) specificity (identifies only the specific condition), positive predictive value, and positive likelihood ratio 34. The likelihood ratio incorporates both the sensitivity and specificity of the test El objetivo de este estudio fue el de analizar la relación entre la edad cronológica y la madurez esquelética individual según (CVM), que es un método que utiliza el análisis de las vértebras cervicales, para poder diagnosticar la maduración durante el período alrededor del la edad púberal. Materiales y métodos. La muestra evaluada fue de 600 individuos que consistían en 100 sujetos (50 hombres y 50 mujeres) divididos en cada uno de los 6 grupos de misma edad, a partir 9 años a 14 años de la edad. La madurez esquelética individual para todos los sujetos fue determinada usando el método CVM. La relación entre la edad cronológica y la etapa más frecuente CVM en cada categoría de edad, fue evaluada estadísticamente por medio de los indicadores de funcionamiento de la prueba de diagnóstico que especificaban la capacidad de la prueba de diagnóstico para identificar una condición especifica. Resultados. En realidad el diagnóstico de la edad cronológica para la detección del inicio del pico adolescente en la maduración esquelética era muy bajo en hombres y en mujeres. En las sujetos varones la edad cronológica de 9 años de ± 6 meses se presentó con aumento fuerte en el diagnóstico para la identificación de una etapa pre-puberal de la maduración esquelética. En los sujetos femeninos la edad cronológica de 14 años de ± 6 meses correspondió con una alta probabilidad de una etapa post-puberal de la maduración esquelética. Conclusiones. En hombres, la edad cronológica puede identificar una etapa pre-puberal del desarrollo esquelético mientras que en las mujeres una etapa post-puberal. En ambos hombre y mujeres, la edad cronológica no puede dar a reconocer el inicio del pico de la adolescencia con respecto a la maduración esquelética. Traducido por Santiago Isaza Penco PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

5 5 Chronologic age and skeletal maturity Fig. 1 Schematic representation of the six stages of cervical vertebral maturation method 3. and provides a direct estimate of how much a test result will change the odds of having a condition 34. A likelihood ratio greater than 1 indicates that the test result is associated with the presence of the condition, while a result of 1 means absence of any diagnostic performance. The further likelihood ratios are from 1, the stronger the evidence for the presence or absence of the condition. Likelihood ratios above 10 are considered to provide strong evidence to rule in diagnosis in most circumstances 35. Variables to be diagnosed ( conditions ) were defined on the basis of the most prevalent CVM stage in the different age groups. The same statistical procedure was applied to age groups divided by gender. Results The prevalence of the CVM stages in the different age groups is reported in table 1. Tables 2 and 3 report the prevalence of the CVM stages in the age groups for males and females, separately. The diagnostic tests with the corresponding 95% confidence intervals are reported in tables 4-6. In the pooled sample, the 9-year age group demonstrated high values in the diagnostic tests for the pre-pubertal stage CS1 in skeletal maturation (positive likelihood ratio = 12.15) (Table 4), while the 10- year age group presented with low diagnostic scores with regard to the same pre-pubertal stage CS1 (positive likelihood ratio = 2.35). The low scores of the measures of diagnostic performance for both the 11-year and 12-year age groups (positive likelihood ratios = 2.92 and 1.63, respectively) indicate that these age intervals perform poorly in the diagnosis of the onset of the pubertal growth spurt (stage CS3). The 13-year age group revealed low scores (positive likelihood ratio = 4.65) for the diagnosis of the post-pubertal stage CS4, whereas a moderately high score (positive likelihood ratios = 7.92) for the diagnosis of the post-pubertal stage CS6 was assessed for the 14-year age group. As for the diagnostic performance of the age intervals in detecting individual skeletal maturity in the female group (Table 5) low scores were found for the diagnosis of CS1 at both 9-year and 10-year 180 PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

6 Chronologic age and skeletal maturity 6 Table 1 Prevalence of the CVM stages at the different ages. Numbers equal percentages (*indicates the most prevalent stage). CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 CS6 9 years (± 6 months) 73* (N=100) 10 years (± 6 months) 47* (N=100) 11 years (± 6 months) * (N=100) 12 years (± 6 months) * (N=100) 13 years (± 6 months) * 14 8 (N=100) 14 years (± 6 months) * (N=100) Table 2 Prevalence of the CVM stages at the different ages in the female group (* indicates the most prevalent stage). CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 CS6 9 years (± 6 months) 35* (N=50) (70%) (20%) (10%) 10 years (± 6 months) 21* (N=50) (42%) (28%) (30%) 11 years (± 6 months) * (N=50) (14%) (18%) (62%) (6%) 12 years (± 6 months) * (N=50) (12%) (16%) (40%) (30%) (2%) 13 years (± 6 months) * 7 1 (N=50) (8%) (16%) (46%) (14%) (2%) 14 years (± 6 months) * (N=50) (8%) (18%) (30%) (44%) Table 3 Prevalence of the CVM stages at the different ages in the male group (* indicates the most prevalent stage). CS1 CS2 CS3 CS4 CS5 CS6 9 years (± 6 months) 38* (N=50) (76%) (20%) (4%) 10 years (± 6 months) 26* (N=50) (52%) (36%) (12%) 11 years (± 6 months) * (N=50) (30%) (32%) (34%) (4%) 12 years (± 6 months) * (N=50) (24%) (26%) (28%) (22%) 13 years (± 6 months) * 7 0 (N=50) (8%) (24%) (26%) (28%) (14%) 14 years (± 6 months) * 8 11 (N=50) (12%) (18%) (32%) (16%) (22%) age groups (positive likelihood ratios = 5.27 and 2.29, respectively), as well as for the diagnosis of CS3 at both 11-year and 12-year age groups (positive likelihood ratios = 4.49 and 1.83, respectively). The 13-year age group revealed a moderately high score (positive likelihood ratio = 7.04) for the diagnosis of the post-pubertal stage CS4, whereas a high score (positive likelihood ratios = 9.46) for the diagnosis of the post-pubertal stage CS6 was assessed for the 14-year age group in females. In the male groups, a high score was recorded for the diagnosis of CS1 at 9-year of age (positive likelihood ratio = 10.03). All other age groups demonstrated very low scores of diagnostic performance (positive likelihood ratio ranging from 1.43 to 2.88) for different CVM stages (Table 6). Discussion It has been known now for over 50 years that chronologic age shows a wide individual variability when correlated with developmental events around puberty 4-6, and that the use of a biologic indicator is recommended when evaluating individual skeletal maturity In recent times the cervical vertebral maturation method has demonstrated to be a reliable developmental indicator to detect somatic maturation with special regard to mandibular skeletal maturity 3, which is of great importance in dentofacial orthopedics because larger ortho- PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

7 7 Chronologic age and skeletal maturity Table 4 Diagnostic value of the age intervals in detecting individual skeletal maturity. The pos. likelihood ratio at the age 9 indicates that there is a high probability that a 9 year old is in the pre-puberal stage of skeletal maturation. 9 years (± 6 months) 10 years (± 6 months) 11 years (± 6 months) (N=100) (N=100) (N=100) Variable diagnosed: CS1 CS1 CS3 Diagnostic tests Value (95% CI) Value (95% CI) Value (95% CI) Sensitivity 44.5% ( ) 28.7% ( ) 33.3% ( ) Specificity 93.8% ( ) 87.8% ( ) 88.6% ( ) Pos. Predictive Value 73% ( ) 47% ( ) 48% ( ) Pos. Likelihood Ratio ( ) 2.35 ( ) 2.92 ( ) 12 years (± 6 months) 13 years (± 6 months) 14 years (± 6 months) (N=100) (N=100) (N=100) Variable diagnosed: CS3 CS4 CS6 Diagnostic tests Value (95% CI) Value (95% CI) Value (95% CI) Sensitivity 23.6% ( ) 39.8% ( ) 80.5% ( ) Specificity 85.5% ( ) 87.6% ( ) 89.8% ( ) Pos. Predictive Value 34% ( ) 37% ( ) 33% ( ) Pos. Likelihood Ratio 1.63 ( ) 4.65 ( ) 7.92 ( ) Table 5 Diagnostic performance of the age intervals in detecting individual skeletal maturity in the female group. The pos. likelihood ratio of 9.46 at age 14 indicates that there is a medium to high probability that a 14 year old girl is post puberal. 9 years (± 6 months) 10 years (± 6 months) 11 years (± 6 months) (N=50) (N=50) (N=50) Variable diagnosed: CS1 CS1 CS3 Diagnostic tests Value (95% CI) Value (95% CI) Value (95% CI) Sensitivity 38% ( ) 29.2% ( ) 38.8% ( ) Specificity 92.8% ( ) 87.3% ( ) 91.4% ( ) Pos. Predictive Value 70% ( ) 42% ( ) 62% ( ) Pos. Likelihood Ratio 5.27 ( ) 2.29 ( ) 4.49 ( ) 12 years (± 6 months) 13 years (± 6 months) 14 years (± 6 months) (N=50) (N=50) (N=50) Variable diagnosed: CS3 CS4 CS6 Diagnostic tests Value (95% CI) Value (95% CI) Value (95% CI) Sensitivity 25% ( ) 46% ( ) 95.7% ( ) Specificity 86.4% ( ) 89.2% ( ) 89.9% ( ) Pos. Predictive Value 40% ( ) 46% ( ) 44% ( ) Pos. Likelihood Ratio 1.83 ( ) 7.04 ( ) 9.46 ( ) paedic effects have been reported in individuals treated during pubertal peak growth 15. The aim of the present investigation was to analyze the diagnostic performance of chronologic age with respect to the outcomes of the reliable CVM method in the appraisal of individual skeletal maturation by means of powerful statistical procedures (sensitivity, specificity, positive predictive value, and positive likelihood ratio). These tests are appropriate to describe the properties of diagnostic or screening variables, to summarize diagnostic accuracy, and they entail a clinical usefulness 34, PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

8 Chronologic age and skeletal maturity 8 Table 6 Diagnostic performance of the age intervals in detecting individual skeletal maturity in the male group. The pos. likelihood ratio at age 9 indicates that there is a high probability that a 9 year old boy is in the pre-puberal stage of skeletal maturation. 9 years (± 6 months) 10 years (± 6 months) 11 years (± 6 months) (N=50) (N=50) (N=50) Variable diagnosed: CS1 CS1 CS3 Diagnostic tests Value (95% CI) Value (95% CI) Value (95% CI) Sensitivity 52.8% ( ) 31.7% ( ) 26.6% ( ) Specificity 94.7% ( ) 89% ( ) 86% ( ) Pos. Predictive Value 76% ( ) 52% ( ) 34% ( ) Pos. Likelihood Ratio ( ) 2.88 ( ) 1.90 ( ) 12 years (± 6 months) 13 years (± 6 months) 14 years (± 6 months) (N=50) (N=50) (N=50) Variable diagnosed: CS3 CS4 CS4 Diagnostic tests Value (95% CI) Value (95% CI) Value (95% CI) Sensitivity 21.9% ( ) 32.6% ( ) 37.2% ( ) Specificity 84.7% ( ) 86% ( ) 86.8% ( ) Pos. Predictive Value 28% ( ) 28% ( ) 32% ( ) Pos. Likelihood Ratio 1.43 ( ) 2.32 ( ) 2.81 ( ) Chronologic age showed very low diagnostic power with regard to the detection of pre-pubertal skeletal maturity (CS1) at 10 years, of the onset of the pubertal peak (CS3) at both 11 years and 12 years, and of post-pubertal skeletal maturity at 13 years (CS4). The diagnostic performance for the identification of the post-pubertal CS6 at the 14 year interval was relatively stronger (positive likelihood ratio = 7.92), with still only 33% of the subjects exhibiting the diagnosed stage. On the other hand the diagnostic performance of the 9 year interval for the identification of the pre-pubertal CS1 was high beyond the threshold 35 of 10 for the positive likelihood ratio. This means that a subject with a chronologic age of 9 years ± 6 months presents with a high probability of showing a pre-pubertal stage of skeletal maturation. The analysis of the prevalence of different CVM stages in the 9-year group (Table 1) reveals that 93% of the subjects were either at CS1 or at CS2 ie at a pre-pubertal stage of skeletal maturation. Classical studies of the past have indicated the significant differences in the timing of developmental skeletal changes between genders during adolescence 4-6,27,28. For this reason the present study evaluated also the diagnostic performance of chronologic age with respect to the CVM method in males and females separately. In fact, in the present study, the mean age for the onset of the pubertal growth spurt (CS3) was 11 years and 5 months ± 1 year and 3 months for the total sample, while it was 11 years and 8 months ± 1 year and 4 months in the male group and it was 11 years and 2 months ± 1 year and 1 month in the female group (between-gender difference was statistically significant, p < 0.05). As for the male group, the results of tbhe diagnostic test were very similar to the results for the pooled sample, with the exception of lower diagnostic values for a post-pubertal stage of skeletal maturation at 14 years of age. It must be emphasized also that the most prevalent stage at this age interval for the male group was CS4 instead of CS6. This provides evidence that male subjects tend to remain less mature at late adolescent ages. The analysis of the prevalence of the CVM stages at the different age intervals in the male group (Tab. 2) confirms the validity of the 9-year interval (Tab. 4) to assess pre-pubertal skeletal maturation (96% of the male subjects when CS1 and CS2 are combined). On the other hand the female group showed a low diagnostic score for PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

9 9 Chronologic age and skeletal maturity the detection of pre-pubertal skeletal maturity (CS1) at 9 years and at 10 years, and of the onset of the pubertal peak (CS3) at both 11 years and 12 years. The probability of detecting post-pubertal skeletal maturity (CS4) at 13 years was higher than in males and in the pooled sample (Tab. 6) and the same can be stated for the probability of detecting the post-pubertal CS6 at 14 years of age in females. The appraisal of the prevalence rates for the CVM stages at different ages in the female group (Tab. 3) reveals further that 92 % of the females at 14 years ± 6 months has reached already a post-pubertal stage in skeletal maturation. These findings corroborate the wide evidence present in the literature that chronologic age is a largely variable parameter when used to describe developmental changes around puberty 4-6. Consequently, the use of age intervals as a criterion for the analysis of the effects of dentofacial orthopedics at different developmental stages during adolescence is not warranted, unless the assessment of treatment outcomes refer to the extreme ages of the circumpubertal period (before 9 years, especially in males, and after 14 years, especially in females). Conclusions The findings of the present study revealed that: chronologic age showed a very low diagnostic performance for the detection of the onset of the adolescent peak in skeletal maturation both in males and in females; in male subjects the chronologic age of 9 years ± 6 months corresponded with strong probability to a pre-pubertal stage in skeletal maturation; in female subjects the chronologic age of 14 years ± 6 months corresponded with strong probability to a post-pubertal stage in skeletal maturation. References 1. Proffit WR. Treatment timing: effectiveness and efficiency. In: McNamara JA Jr, Kelly KA editors. Treatment timing: orthodontics in four dimensions. Monograph 39. Craniofacial Growth Series. Ann Arbor: Center for Human Growth and Development; University of Michigan; 2002:pp McNamara JA Jr, Brudon WL. Orthodontics and dentofacial orthopedics. Ann Arbor, Michigan: Needham Press, Inc; 2001 p Baccetti T, Franchi L, McNamara JA Jr. The cervical vertebral maturation (CVM) method for the assessment of optimal treatment timing in dentofacial orthopedics. Semin Orthod. 2005;11: Simmons K, Greulich WW. Menarcheal age and the height, weight and skeletal age of girls aged 7 to 17 years. J Pediat. 1943;22: Tanner JM. Growth at adolescence. 2 nd ed. Oxford: Blackwell Scientific Publications; Marshall WA. Puberty. In: Falkner F, Tanner JM. Human growth. London: Baillère Tindall; 1978 p Hägg U, Pancherz H. Dentofacial orthopaedics in relation to chronologic age, growth period and skeletal development: an analysis of 72 male patients with Class II Division 1 malocclusion treated with the Herbst appliance. Eur J Orthod 1988 Aug;10(3): Hansen K, Pancherz H, Hägg U. Long-term effects of the Herbst appliance in relation to the treatment growth period: a cephalometric study. Eur J Orthod 1991 Dec;13(6): Ömblus J, Malmgren O, Hägg U. Mandibular growth during initial treatment with the Bass orthopaedic appliance in relation to age and growth periods. Eur J Orthod 1997 Feb;19(1): Mitani H, Fukazawa H. Effects of chincap force on the timing and amount of mandibular growth associated with anterior reversed occlusion (Class III malocclusion) during puberty. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1986 Dec;90(6): Kopecky GR, Fishman LS. Timing of cervical headgear treatment based on skeletal maturation. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1993 Aug;104(2): Tulloch JFC, Phillips C, Koch G, Proffit WR. The effect of early intervention on skeletal pattern in Class II malocclusion: a randomized clinical trial. Am J Orthod Dentofac Orthop 1997;111: Keeling SD et al. Anteroposterior skeletal and dental changes after early Class II treatment with bionators and headgear. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1998 Jan;113(1): O Brien K et al. Effectiveness of early orthodontic treatment with the Twin-block appliance: a multicenter, randomized, controlled trial. Part 1: Dental and skeletal effects. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2003 Aug;124(2): Faltin K, Faltin RM, Baccetti T, Franchi L, Ghiozzi B, McNamara JA Jr. Long-term effectiveness and treatment timing for Bionator therapy. Angle Orthod 2003 Jun;73(3): Franchi L, Baccetti T, McNamara JA Jr. Treatment and posttreatment effects of acrylic splint Herbst appliance therapy. Am J Orthod Dentofacial Or- 184 PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

10 Chronologic age and skeletal maturity 10 thop 1999 Apr;115(4): Baccetti T, Franchi L, Cameron CG, McNamara JA Jr. Treatment timing for rapid maxillary expansion. Angle Orthod 2001 Oct;71(5): Nanda RS. The rates of growth of several facial components measured from serial cephalometric roentgenograms. Am J Orthod. 1955;41: Hum Biol Sep;27(3): Hunter C. The correlation of facial growth with body height and skeletal maturation at adolescence. Angle Orthod 1966 Jan;36(1): Tofani M. Mandibular growth at puberty. Am J Orthod Aug;62(2): O Reilly M, Yanniello GJ. Mandibular growth changes and maturation of cervical vertebrae a longitudinal cephalometric study. Angle Orthod Apr;58(2): Mitani H, Sato K. Comparison of mandibular growth with other variables during puberty. Angle Orthod Fall;62(3): Franchi L, Baccetti T, McNamara JA Jr. Mandibular growth as related to cervical vertebral maturation and body height. Am J Orthod Dentofac Orthop 2000 Sep;118(3): Franchi L, Baccetti T. The use of maturational indices for the identification of optimal treatment timing in dentofacial orthopedics. In: McNamara JA. Jr,. Kelly KA editors. Treatment timing: orthodontics in four dimensions. Craniofacial Growth Series, Vol 39, Center for Human Growth and Development, The University of Michigan, Ann Arbor, USA; 2002 p Baccetti T, Franchi L, McNamara JA Jr. An improved version of the cervical vertebral maturation (CVM) method for the assessment of mandibular growth. Angle Orthod 2002 Aug;72(4): Houston WJ, Miller JC, Tanner JM. Prediction of the timing of the adolescent growth spurt from ossification events in hand-wrist films. Br J Orthod 1979 Jul;6(3): Taranger J, Hägg U. Timing and duration of adolescent growth. Acta Odontol Scand 1980;38(1): Nanda SK. Prediction of facial growth using different biologic criteria in females. In: Carlson DS, Ribbens KA editors. Craniofacial growth during adolescence. Monograph 20. Craniofacial Growth Series. Ann Arbor: Center for Human Growth and Development; University of Michigan; 1987:pp Wertz R, Dreskin M. Midpalatal suture opening: a normative study. Am J Orthod 1977 Apr;7(4): McNamara JA, Jr., Bookstein FL, Shaughnessy TG. Skeletal and dental changes following functional regulator therapy on Class II patients. Am J Orthod 1985;88: Baik HS. Clinical results of the maxillary protraction in Korean children. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1995 Dec;108(6): Merwin D, Ngan P, Hagg U, Yiu C, Wei SH. Timing for effective application of anteriorly directed orthopedic force to the maxilla. Am J Orthod Dentofacial Orthop Sep;112(3): Kapust AJ, Sinclair PM, Turley PK. Cephalometric effects of face mask/expansion therapy in Class III children: a comparison of three age groups. Am J Orthod Dentofacial Orthop Feb;113(2): Greenhalgh T. How to read a paper. Papers that report diagnostic or screening tests. BMJ 1997 Aug 30;315(7107): Deeks JJ, Altman DG. Diagnostic tests 4: likelihood ratios. BMJ 2004 Jul;329(7458): PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

11 11 Chronologic age and skeletal maturity La capacità diagnostica dell età cronologica nella valutazione della maturità scheletrica Tiziano Baccetti, Lorenzo Franchi, Laura De Toffol, Bruno Ghiozzi, Paola Cozza Introduzione L epoca ottimale per iniziare la terapia è uno degli aspetti fondamentali del piano di trattamento in ortopedia dentofacciale. L identificazione del picco di crescita adolescenziale nel paziente individuale assume un particolare significato clinico nei protocolli terapeutici per un ampia varietà di disarmonie dentoscheletriche 1-3. Studi precedenti 4-6 hanno dimostrato che esiste una grande variabilità nella durata e nella quantità di crescita tra individui all inizio dell adolescenza. Per questo motivo indicatori della maturità fisiologica sono stati preferiti all età cronologica per la valutazione dello sviluppo individuale. Si sono resi disponibili tutta una serie di indicatori biologici della maturità scheletrica individuale che sono stati utilizzati in numerosi studi riguardanti l ortopedia dentofacciale: incrementi nell altezza 7-9, maturazione della mano e del polso 10-13, maturazione delle vertebre cervicali Molti studi hanno valutato in maniera specifica il rapporto tra questi indicatori biologici e l inizio, la durata e la velocità di crescita della mandibola durante l adolescenza, che risulta essere di primaria importanza per il piano di trattamento ortodontico. Alcuni di questi studi hanno dimostrato l affidabilità del metodo della maturazione delle vertebre cervicali (MVC) per l individuazione del massimo incremento puberale nella crescita mandibolare Il metodo di MVC è particolarmente utile quando la maturità scheletrica della mandibola deve essere valutata sulla base di una singola osservazione (singola teleradiografia in proiezione latero-laterale) 3. Sebbene l età cronologica dimostri un ampia variabilità quando viene correlata con eventi di sviluppo durante l adolescenza, la maggior parte degli autori riporta un età media di anni per l inizio del picco di crescita puberale con circa un anno di differenza tra i maschi e le femmine 18-20, Inoltre l età cronologica è stata usata frequentemente in studi che hanno valutato i risultati di protocolli di trattamento ortodontico effettuati a diversi stadi di sviluppo. In questi studi l età dei pazienti all inizio del trattamento rappresentava il criterio per definire i gruppi trattati precocemente e quelli trattati tardivamente per i vari tipi di disarmonie dentoscheletriche Ad esempio Wertz e Dreskin 29 hanno riscontrato come l espansione rapida del palato era in grado di indurre modificazioni ortopediche di entità maggiore e più stabili in pazienti al di sotto dell età di 12 anni rispetto a pazienti di età compresa tra i 12 e i 18 anni. McNamara et al. 30 hanno confrontato le modificazioni scheletriche prodotte dall apparecchio FR-2 in soggetti con malocclusione di II Classe che avevano iniziato il trattamento a 8 anni e 6 mesi rispetto a quelli che avevano iniziato il trattamento a 11 anni e 6 mesi. Obiettivo del presente lavoro è stato quello di analizzare la capacità diagnostica delle età circumpuberali (dai 9 anni fino ai 14 anni) nei confronti della maturità scheletrica individuale valutata per mezzo del metodo della maturazione delle vertebre cervicali. Materiali e metodi Il presente studio di tipo trasversale ha analizzato un campione di 600 soggetti (300 maschi e 300 femmine) selezionati da un campione iniziale di 800 soggetti di età compresa tra 8 anni e 6 mesi e 14 anni e 6 mesi presso i reparti di Ortodonzia delle Università degli Studi di Firenze e di Roma Tor Vergata. Questo intervallo di età è stato considerato appropriato per descrivere il periodo circumpuberale dal momento che la maggior parte degli autori ha riportato un età media di 11 anni e 6 mesi per l inizio del picco di crescita puberale 18-20, Per tutti i soggetti selezionati erano disponibili le teleradiografie in proiezione latero-laterale. I criteri di esclusione erano rappresentati da: anomalie craniofacciali, labio-gnato-palato schisi, scarsa qualità delle teleradiografie. Il campione di 600 soggetti è stato suddiviso in sei gruppi di età, ciascuno costituito da 100 soggetti (50 maschi e 50 femmine): 9 anni ± 6 mesi, 11 anni ± 6 mesi, 12 anni ± 6 mesi, 13 anni ± 6 mesi e 14 anni ± 6 mesi. Valutazione della maturità scheletrica Tutti i soggetti sono stati analizzati per mezzo di un metodo affidabile per la valutazione della maturità scheletrica individuale. La versione più recente del metodo della maturazione delle vertebre cervicali (MVC) è stata applicata alle teleradiografie in proiezione latero-laterale 3. I sei stadi di MVC sono illustrati graficamente in figura 1 e sono stati definiti nel modo seguente: stadio cervicale 1 (CS1), il picco puberale nella crescita mandibolare avrà luogo non prima di due anni dopo questo stadio; stadio cervicale 2 (CS2), il picco puberale nella crescita mandibolare avrà luogo non prima di un anno dopo questo stadio; stadio cervicale 3 (CS3), il picco di crescita mandibolare avrà luogo entro un anno dopo questo stadio; stadio cervicale 4 (CS4), il picco puberale di crescita mandibolare ha avuto luogo uno o due anni prima di questo stadio; stadio cervicale 5 (CS5), il picco puberale di crescita mandibolare ha avuto luogo non più tardi di un anno prima di questo stadio; stadio cervicale 6 (CS6), il picco puberale di crescita mandibolare ha avuto luogo non più tardi di due anni prima di questo stadio. 186 PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

12 Chronologic age and skeletal maturity 12 Analisi statistica Le teleradiografie in proiezione latero-laterale dei 600 soggetti esaminati sono state analizzate da un operatore esperto nella valutazione degli stadi di MVC. L operatore non era a conoscenza dell età cronologica dei pazienti. La percentuale di concordanza e la statistica kappa sono state calcolate per la valutazione della concordanza intraoperatore nella valutazione degli stadi di MVC: la percentuale di concordanza era di 94,8% con un K di 0,90. È stata calcolata la prevalenza degli stadi di MVC nei diversi gruppi di età. La variabile da diagnosticare ( condizione ) è stata definita sulla base dello stadio di MVC più prevalente nei diversi gruppi di età. La relazione tra la maturità scheletrica (stadi di MVC) e l età cronologica è stata valutata per mezzo di variabili per la valutazione della capacità diagnostica 34 : sensibilità (percentuale di soggetti con la condizione in esame che presentano un risultato positivo al test diagnostico percentuale di soggetti con un definito stadio di MVC che presentano una definita età cronologica), specificità (percentuale di soggetti senza la condizione che presentano un risultato negativo al test diagnostico percentuale di soggetti senza il definito stadio di MVC che presentano un età cronologica diversa da quella definita), valore predittivo positivo (percentuale di soggetti che presentano un risultato positivo al test diagnostico e mostrano la condizione in esame percentuale di soggetti con la definita età cronologica che presentano il definito stadio di MVC) e rapporto di verosimiglianza positivo (la probabilità che un risultato positivo al test diagnostico venga riscontrato in un soggetto con la condizione rispetto ad un soggetto senza la condizione la probabilità che la definita età cronologica possa essere riscontrata in un soggetto con il definito stadio di MVC rispetto ad un soggetto senza il definito stadio di MVC) 34. Un rapporto di verosimiglianza maggiore di 1 indica che il risultato del test è associato con la presenza della condizione (la definita età cronologica è associata al definito stadio di MVC), mentre un risultato pari a 1 indica assenza di qualsiasi capacità diagnostica. Quanto più i rapporti di verosimiglianza sono maggiori di 1 tanto più forte è l evidenza della presenza o assenza di una condizione. Rapporti di verosimiglianza maggiori di 10 sono considerati fornire una forte evidenza della diagnosi della condizione nella maggior parte dei casi 35. La stessa procedura statistica è stata applicata ai gruppi di età suddivisi per sesso. Risultati La prevalenza degli stadi di MVC nei diversi gruppi di età è riportata in tabella 1. Le tabelle 2 e 3 riportano la prevalenza degli stadi di MVC nei gruppi di età per i soggetti di sesso maschile e femminile separatamente. I test diagnostici con il corrispondente intervallo di confidenza al 95% sono riportati nelle tabelle 4-6. Nel campione complessivo (maschi e femmine), il gruppo di 9 anni mostrava valori elevati nei test diagnostici per lo stadio prepuberale CS1 della maturità scheletrica (rapporto di verosimiglianza positivo = 12,15) (Tab. 4), mentre il gruppo di 10 anni presentava valori diagnostici bassi nei riguardi dello stesso stadio prepuberale CS1 (rapporto di verosimiglianza positivo = 2,35). I valori bassi per le misure della capacità diagnostica per i gruppi di 11 e 12 anni (rapporto di verosimiglianza positivo = 2,92 e 1,63, rispettivamente) indicano che questi intervalli di età presentano una scarsa capacità diagnostica per l inizio del picco di crescita puberale (stadio CS3). Il gruppo di 13 anni mostrava valori bassi (rapporto di verosimiglianza positivo = 4,65) della diagnosi dello stadio postpuberale CS4, mentre un valore moderatamente elevato (rapporto di verosimiglianza positivo = 7,92) per la diagnosi dello stadio postpuberale CS6 era stato riscontrato nel gruppo di 14 anni. Per quanto riguarda la capacità diagnostica degli intervalli di età nell individuare la maturità scheletrica individuale nel gruppo di soggetti di sesso femminile (Tab. 5) sono stati riscontrati valori bassi per la diagnosi di CS1 nei gruppi di 9 e 10 anni (rapporto di verosimiglianza positivo = 5,27 e 2,29, rispettivamente) e per la diagnosi di CS3 nei gruppi di 11 e 12 anni (rapporto di verosimiglianza positivo = 4,49 e 1,83, rispettivamente). Il gruppo di 13 anni presentava un valore moderatamente elevato (rapporto di verosimiglianza positivo = 7,04) per la diagnosi dello stadio postpuberale CS4 mentre i soggetti di sesso femminile del gruppo di 14 anni mostravano un valore elevato per la diagnosi dello stadio postpuberale CS6 (rapporto di verosimiglianza positivo = 9,46). I soggetti di sesso maschile presentavano un valore elevato per la diagnosi di CS1 (rapporto di verosimiglianza positivo = 10,03). Tutti gli altri gruppi di età mostravano valori molti bassi di capacità diagnostica (rapporto di verosimiglianza positivo compreso tra 1,43 e 2,88) per i diversi stadi di MVC (Tab. 6). Discussione Da oltre 50 anni è stato dimostrato che l età cronologica mostra un ampia variabilità individuale quando viene correlata con gli eventi di sviluppo intorno alla pubertà 4-6. Pertanto è raccomandabile utilizzare un indicatore biologico per valutare la maturità scheletrica individuale Recentemente è stato dimostrato che il metodo della maturazione delle vertebre cervicali può essere considerato un indicatore di sviluppo affidabile per la valutazione della maturazione somatica e in modo particolare della maturità scheletrica della mandibola 3, Questo aspetto è di fondamentale importanza in ortopedia dentofacciale in quanto i maggiori effetti scheletrici sono stati riscontrati in soggetti trattati durante il picco di crescita puberale 15. Obiettivo del presente studio è stato quello di analizzare la capacità diagnostica dell età cronologica nei confronti del metodo della maturazione delle vertebre cervicali nella valutazione della maturità scheletrica individuale per mezzo di potenti procedure statistiche (sensibilità, specificità, valore predittivo positivo e rapporto di verosimiglianza positivo). Questi test sono particolarmente indicati per descrivere le proprietà di va- PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

13 13 Chronologic age and skeletal maturity riabili diagnostiche e di screening, per valutare l accuratezza diagnostica e risultano di utilità clinica 34,35. L età cronologica ha mostrato un potere diagnostico basso per l individuazione della maturità scheletrica prepuberale (CS1) all età di 10 anni, dell inizio del picco di crescita puberale (CS3) all età di 11 e 12 anni e della maturità scheletrica postpuberale all età di 13 anni (CS4). La capacità diagnostica per l identificazione dello stadio postpuberale CS6 all età di 14 anni era relativamente buona (rapporto di verosimiglianza positivo = 7,92) con soltanto il 33% dei soggetti che mostravano lo stadio diagnosticato. La capacità diagnostica all età di 9 anni per l identificazione dello stadio prepuberale CS1 era ben al di sopra del valore soglia di per il rapporto di verosimiglianza positivo. Questo significa che un soggetto con un età cronologica di 9 anni ± 6 mesi presenta una elevata probabilità di trovarsi ad uno stadio prepuberale di maturità scheletrica. L analisi del prevalenza dei diversi stadi di MVC nel gruppo di 9 anni (Tab. 1) rivela che il 93% dei soggetti era ad uno stadio di maturità scheletrica prepuberale CS1 o CS2. Studi classici del passato hanno individuato differenze significative nell epoca d inizio delle modificazioni scheletriche tra i sessi durante l adolescenza 4-6,27,28. Per questa ragione il presente studio ha valutato anche la capacità diagnostica dell età cronologica rispetto al metodo di MVC nei maschi e nelle femmine separatamente. Il presente studio ha messo in evidenza che l età media per l inizio del picco di crescita puberale (CS3) era di 11 anni e 5 mesi ± 1 anno e 3 mesi per il campione totale, mentre era di 11 anni e 8 mesi ± 1 anno e 4 mesi nel gruppo dei maschi e di 11 anni e 2 mesi ± 1 anno e 1 mese nel gruppo delle femmine (la differenza tra i sessi era statisticamente significativa, p < 0,05). Per quanto riguarda il gruppo dei maschi i risultati dei test diagnostici erano molto simili ai risultati del campione totale, con l eccezione di valori diagnostici più bassi per uno stadio di maturità scheletrica postpuberale all età di 14 anni. È da sottolineare inoltre che lo stadio di maturità scheletrica più prevalente in questo intervallo di età per il gruppo dei maschi era il CS4 piuttosto che il CS6. Questo risultato mette in evidenza che i soggetti di sesso maschile tendono a rimanere meno maturi durante le età adolescenziali tardive. L analisi della prevalenza degli stadi di MVC nei diversi intervalli di età nel gruppo di sesso maschile (Tab. 2) conferma la validità dell intervallo di 9 anni (Tab. 4) per stabilire la presenza di una maturità scheletrica prepuberale (96% dei maschi quando CS1 e CS2 sono combinati). D altra parte il gruppo di sesso femminile presentava un basso valore diagnostico per l individuazione della maturità scheletrica prepuberale (CS1) all età di 9 anni e di 10 anni e del picco puberale (CS3) all età di 11 anni e 12 anni. La probabilità di individuare una maturità scheletrica postpuberale (CS4) nelle femmine all età di 13 anni era più elevata rispetto ai maschi e al campione totale (Tab. 6) e lo stesso si può affermare per la probabilità di individuare lo stadio postpuberale CS6 all età di 14 anni. L analisi delle percentuali di prevalenza degli stadi di MVC nei diversi gruppi di età per i soggetti di sesso femminile (Tab. 3) rivela inoltre che il 92% delle femmine all età di 14 anni ± 6 mesi ha già raggiunto uno stadio postpuberale di maturità scheletrica. Questi risultati confermano ciò che è già stato ampiamente dimostrato nella letteratura ovvero che l età cronologica rappresenta un parametro molto variabile quando viene utilizzato per descrivere i cambiamenti di sviluppo intorno alla pubertà 4-6. Di conseguenza l utilizzazione degli intervalli di età come criterio per l analisi degli effetti indotti dalla ortopedia dentofacciale nei diversi stadi di sviluppo o durante l adolescenza non è raccomandabile a meno che la valutazione dei risultati del trattamento si riferisca ad età che si trovano alle estremità del periodo circumpuberale (prima dei 9 anni, specialmente nei maschi, e dopo i 14 anni, specialmente nelle femmine). Conclusioni I risultati del presente studio hanno dimostrato che: l età cronologica presenta una capacità diagnostica molto bassa per l individuazione dell inizio del picco adolescenziale nella maturità scheletrica sia nei maschi che nelle femmine; nei soggetti di sesso maschile l età cronologica di 9 anni ± 6 mesi corrisponde con elevata probabilità ad uno stadio prepuberale nella maturità scheletrica; nei soggetti di sesso femminile l età cronologica di 14 anni ± 6 mesi corrisponde con elevata probabilità ad uno stadio postpuberale nella maturità scheletrica. 188 PROGRESS in ORTHODONTICS 2006; 7(2):

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