Novel magnetic resonance imaging techniques for articular cartilage and subchondral bone:studies on MRI Relaxometry and short echo time imaging

• Main Author: Rautiainen, J. (Jari)
• Other Authors: Nieminen, M. (Miika)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2015
• Subjects: Sweep imaging with Fourier transform; articular cartilage; calcified cartilage; magnetic resonance imaging; osteoarthritis; relaxation time; subchondral bone; kalkkeutunut rusto; magneettikuvaus; nivelrikko; nivelrusto; relaksaatioaika; rustonalainen luu; sweep imaging with Fourier transform
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207643; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526207643

Abstract Osteoarthritis is a common joint disease in the adult population characterized by degeneration and limited repair capability of articular cartilage. Cartilage degeneration is also associated with remodeling and sclerosis of the subchondral bone. The relative contributions of these processes are not fully understood partly because of a lack of proper biomarkers for the diagnosis and follow-up of the disease progress. Current diagnostic methods are too insensitive or subjective for reliable and early diagnosis of osteoarthritis. Novel magnetic resonance imaging (MRI) techniques can be used for indirect assessment of cartilage constituents. In addition, the imaging of the subchondral bone and osteochondral junction has become feasible, which has been very difficult with conventional MRI methods due to the very fast signal (T2) decay in those tissues. Quantitative MRI of cartilage involves measurement of relaxation time parameters (T1, T2, T1ρ, T2ρ, TRAFF, T1sat) and investigation of how the parameters reflect the properties of the cartilage. SWIFT (Sweep imaging with Fourier transform) is an MRI technique capable of imaging short T2 structures, enabling assessment of the osteochondral junction as well as the subchondral bone. The aim of this work was to investigate osteoarthritic changes occurring in articular cartilage and subchondral bone in experimental animal models of osteoarthritis and degenerated human specimens with quantitative MRI measurements and SWIFT imaging at 9.4 T. Moreover, the feasibility of the different quantitative MRI techniques in the assessment of osteoarthritic changes was studied. For reference, biomechanical, quantitative and qualitative histology, biochemical and micro-computed tomography measurements were conducted. Novel adiabatic T1ρ and T2ρ relaxation time parameters were more sensitive than conventional methods (T1, T2) or continuous wave T1ρ to both early degenerative changes in a rabbit model of cartilage degeneration and to spontaneous degeneration of human cartilage. SWIFT enabled assessment of the structural properties of the subchondral bone. Moreover, signal changes related to the degree of osteoarthritis were detected at the cartilage–bone interface with SWIFT. These methods may provide new tools for improving the diagnosis of early osteoarthritis. Further studies are needed to investigate the clinical feasibility of these MRI techniques. === Tiivistelmä Nivelrikko on yleinen nivelsairaus, johon ei tällä hetkellä ole parannuskeinoa. Nivelrikossa nivelrusto rappeutuu asteittain aiheuttaen lopulta kudoksen tuhoutumisen; samanaikaisesti myös rustonalaisessa luussa sekä rusto–luurajapinnassa tapahtuu muutoksia. Nivelrustokudoksen uusiutumiskyky on erittäin heikko, joten vauriot olisi hyvä havaita varhaisessa vaiheessa. Nivelrikon syntymekanismeja ei kuitenkaan vielä täysin ymmärretä, koska nykyiset seurantamenetelmät eivät ole riittävän tarkkoja taudin etenemisen tarkkailemiseksi. Magneettikuvausteknologian kehitys mahdollistaa kuitenkin nivelruston koostumuksen tarkastelun nivelen ulkopuolelta. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen avulla (T1, T2, T1ρ, T2ρ, TRAFF, T1sat relaksaatioaikaparametrit) voidaan mitata epäsuorasti nivelruston koostumusta ja rakennetta. SWIFT (Sweep Imaging with Fourier Transform) on uusi lyhyen kaikuajan magneettikuvausmenetelmä, joka mahdollistaa myös erittäin lyhyen T2-relaksaatioajan omaavien kudosten, kuten rusto–luurajapinnan sekä rustonalaisen luun kuvaamisen. Työssä tutkittiin nivelrikossa syntyviä muutoksia nivelrustossa, rusto–luurajapinnassa ja rustonalaisessa luussa erilaisissa eläinmalleissa sekä ihmiskudoksessa. Lisäksi työssä tarkasteltiin eri magneettikuvaustekniikoiden herkkyyttä havaita muutokset näissä kudoksissa. Nivelruston ja rustonalaisen luun ominaisuuksien määrittelemiseen käytettiin verrokkimenetelminä biomekaanisia, histologisia sekä biokemiallisia mittauksia ja tietokonetomografiakuvauksia. Kvantitatiivisista magneettikuvausparametreista adiabaattinen T1ρ sekä adiabaattinen T2ρ osoittautuivat herkimmiksi havaitsemaan muutoksia varhaisen nivelrikon eläinmallissa sekä ihmiskudosnäytteissä. SWIFT-magneettikuvaustekniikka puolestaan mahdollisti sekä rustonalaisen luukudoksen tilan arvioinnin että nivelrikossa tapahtuvien muutosten havainnoinnin rusto–luurajapinnassa. Nämä menetelmät voivat mahdollistaa nivelrikon diagnosoinnin taudin varhaisessa vaiheessa, mutta lisätutkimuksia vaaditaan menetelmien soveltuvuudesta kliiniseen käyttöön.