University of Oulu

Quantitative magnetic resonance imaging methods for evaluation of articular cartilage in knee osteoarthritis : free-precession and rotating-frame relaxation studies at 3 Tesla

Saved in:
Author: Casula, Victor
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Medicine
Medical Research Center
Format: ebook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526213521
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-10-11
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium 7 of Oulu University Hospital (Kajaanintie 50), on 21 October 2016, at 12 noon
Tutor: Professor Miika T. Nieminen
Docent Eveliina Lammentausta
Associate Professor Simo Saarakkala
Reviewer: Professor Xiaojuan Li
Doctor Matthew Koff
Opponent: Doctor Edwin Oei
Description:

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a common chronic condition that reduces the quality of life of millions of individuals worldwilde. In OA, the progressive degradation of articular cartilage (AC) and bone can cause joint pain and disability. Currently there is no effective treatment available for OA besides gross joint replacement surgery. This is largely due to the lack of accurate biomarkers to test potential drugs and treatments that could stop or reverse the disease progression. The primary tools in use for OA diagnostics are inadequate in the early stage of the disease and merely allow its late manifestations to be visualized. Quantitative MRI (qMRI) has demonstrated the ability to distinguish degenerated from intact AC prior to radiographic changes. Moreover, so-colled rotating frame relaxation time parameters are sensitive to the slow molecular motion domain, relevant for clinical applications. T and T relaxation time measurements using adiabatic spin-lock pulses (AdT and AdT) have shown superior sensitivity to cartilage degeneration in vitro over conventional qMRI parameters. This thesis aimed to compare the differences that exist between established qMRI methods for AC against arthroscopic evaluation as well as optimize and validate AdT and AdT mapping of cartilage in vivo.

The findings showed that T1 and T2 relaxation time and delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC) were able to discriminate among different arthroscopic grades of cartilage lesions. However, arthroscopic findings and qMRI parameters were not correlated, supporting the viewpoint that qMRI may be able to elicit more comprehensive information on the quality of remaining cartilage tissue as compared to diagnostic arthroscopy, which detects cartilage loss.

AdT and AdT mapping of cartilage in vivo were successfully implemented and validated on a clinical MRI system. AdT and AdT were able to overcome limitations of the existing methods (continuous wave spin-lock approach), which are challenging to implement on clinical settings for their susceptibility to field inhomogeneity and relatively high power deposition in tissue. The association of AdT and AdT with cartilage and bone marrow lesions and osteophytes was demonstrated. The findings indicate the utility of AdT and AdT mapping as potential biomarkers for evaluation of early cartilage degeneration in OA research and clinical applications.


Tiivistelmä

Nivelrikko on tavallinen krooninen sairaus, joka huonontaa miljoonien ihmisten elämänlaatua ympäri maailman. Nivelrikossa nivelruston ja luun asteittain etenevä rappeuma voi aiheuttaa nivelkipua ja liikuntakyvyttömyyttä. Tällä hetkellä nivelrikkoon ei ole muuta tehokasta hoitokeinoa kuin tekonivelleikkaus. Tämä johtuu suuremmaksi osaksi tarkkojen biomarkkereiden puutteesta, joiden avulla voitaisiin kokeilla mahdollisia nivelrikon pysäyttäviä tai tautia parantavia lääkkeitä tai hoitokeinoja. Nykyisin nivelrikon diagnostiikassa käytetyimmät menetelmät ovat riittämättömiä sairauden alkuvaiheessa, ja ne tunnistavat vain sairauden loppuvaiheet. Kvantitatiivisilla magneettikuvausmenetelmillä pystytään erottamaan rappeutunut ja ehjä nivelrusto toisistaan ennen röntgenkuvissa havaittavia muutoksia. Nk. pyörivän koordinaatiston relaksaatioaikaparametrit ovat herkkiä havaitsemaan hidasta molekyyliliikettä, jolla on merkitystä kliinisissä sovelluksissa. Kokeellisissa olosuhteissa T- ja T-relaksaatioaikojen mittaaminen käyttäen adiabaattisia spin-lukkopulsseja (AdT ja AdT) on osoittautunut erityisen tarkaksi nivelruston rappeutumisen toteamiseksi verrattuna perinteisiin kvantitatiivisiin magneettikuvausmenetelmiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli vertailla vakiintuneita nivelrikon kvantitatiivisia magneettikuvausmenetelmiä sekä optimoida ja validoida AdT- ja AdT-menetelmien käyttöä ihmisen ruston tutkimisessa.

Tulokset osoittivat, että T1- ja T2-relaksaatioajat sekä varjoainetehosteinen nivelruston magneettikuvaus pystyivät erottelemaan niveltähystyksessä määritettyjä nivelrikon eri asteita. Kuitenkaan niveltähystyslöydökset ja kvantitatiiviset magneettikuvausparametrit eivät korreloineet viitaten kvantitatiivisen magneettikuvauksen kykyyn osoittaa tarkemmin jäljellä olevan ruston laatua verrattuna niveltähystykseen, jossa arvioidaan ruston puutosta.

Nivelruston AdT- ja AdT-relaksaatioaikamittaukset onnistuttiin suorittamaan ja validoimaan vapaaehtoisilla koehenkilöillä kliinisellä magneettikuvauslaitteella. AdT ja AdT eivät kärsineet samoista puutteista kuin tavanomaiset jatkuva-aaltoiset spin-lukkomenetelmät, joka ovat herkkiä kenttäepähomogeenisuuksille ja aiheuttavat suuremman radiotaajuusaltistuksen. Tutkimuksessa osoitettiin AdT- ja AdT-mittausten ja luuödeemin sekä osteofyyttien välinen yhteys. Tulokset osoittivat, että AdT- ja AdT-mittaukset ovat potentiaalisia biomarkkereita varhaisen nivelruston rappeuman havaitsemiseksi tutkimus- ja kliinisessä käytössä.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-1352-1
ISBN Print: 978-952-62-1351-4
Issue: 1389
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.