University of Oulu

Quantitative magnetic resonance imaging of articular cartilage and meniscus during osteoarthritis progression : experimental and clinical feasibility of novel MRI methods

Saved in:
Author: Kajabi, Abdul Wahed1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine, Medicine, Medical Research Center Oulu
3University of Eastern Finland
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 7.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526226972
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-09-01
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 F202 of the Faculty of Medicine (Aapistie 5 B), on 11 September 2020, at 4 p.m.
Tutor: Professor Miika T. Nieminen
Associate Professor Mikko J. Nissi
Doctor Victor Casula
Reviewer: Associate Professor Edwin Oei
Associate Professor Jonas Svensson
Opponent: Associate Professor Matthew F. Koff
Description:

Abstract

Osteoarthritis (OA) is the most common degenerative joint disease, causing joint pain and functional disability in millions of people worldwide. OA is characterized by the progressive loss of articular cartilage and involves the whole joint including articular cartilage, meniscus, subchondral bone and synovium. Despite great success in modern medicine, there is still no effective treatment to prevent or cure OA. This is largely due to the absence of a reliable and sensitive biomarker that is able to identify early OA and follow up the disease progression. Early diagnosis of OA can lead the way to appropriate interventions that can potentially avoid the onset or progression of OA.

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) has been indirectly associated with the compositional changes and biomechanical properties of articular cartilage and meniscus. In addition to T1 and T2 relaxation time measurements, rotating frame of reference (RFR) relaxation parameters were found to be sensitive to the degenerative changes in articular cartilage and meniscus. The RFR parameters involve spin-locking irradiation, which can be modified to provide multiple relaxation methods such as continuous-wave T (CWT), adiabatic T (AdT), adiabatic T (AdT) and relaxation along a fictitious field (TRAFF). The aim of this thesis was to investigate the potential of qMRI parameters (T1, T2, CWT, AdT, AdT, TRAFF) for the assessment of structural and compositional changes in articular cartilage in a rabbit model of early OA and an equine model of post-traumatic OA. Biomechanical properties and histology were used as references. Moreover, the clinical feasibility of AdT and AdT for the evaluation of structural changes in meniscus was studied in human OA.

Compared to other qMRI parameters, T1, CWT and AdT were more sensitive to the degenerative cartilage changes in both the rabbit model of early OA and the equine model of post-traumatic OA. The parameters were highly associated with cartilage tissue properties. Furthermore, AdT and AdT detected meniscus tissue alterations associated with meniscal tear and full-thickness cartilage lesions in human OA. These findings indicate the potential of T1, CWT and AdT mapping for the evaluation of early OA changes in articular cartilage, and clinical feasibility of AdT and AdT for the assessment of meniscus.

see all

Tiivistelmä

Nivelrikko on yleisin nivelten sairaus, joka aiheuttaa huomattavaa kipua ja liikkumisvaikeuksia miljoonille ihmisille ympäri maailmaa. Nivelrikossa nivelrusto ohenee, mutta sairaus vaikuttaa koko niveleen ja kaikkiin sen kudoksiin, nivelrustoon, nivelkierukoihin, rustonalaiseen luuhun ja nivelkapseliin. Huolimatta nykylääketieteen saavutuksista, nivelrikkoa parantavaa tai estävää hoitoa ei ole olemassa. Merkittävä syy tehokkaiden hoitojen puuttumiseen on luotettavien ja herkkien nivelrikon diagnosointimenetelmien puute. Tällaisilla menetelmillä voitaisiin tunnistaa varhaisvaiheen nivelrikko ja seurata luotettavasti sen etenemistä. Varhainen diagnoosi mahdollistaisi paremmin nivelrikon etenemisen ennaltaehkäisyn, ja sitä kautta sen hidastamisen tai jopa pysäyttämisen kokonaan.

Kvantitatiivisen magneettikuvauksen avulla voidaan epäsuorasti havainnoida muutoksia nivelruston ja nivelkierukoiden rakenteellisissa sekä toiminnallisissa ominaisuuksissa. T1- ja T2-relaksaatioaikamittausten ohella niin kutsuttujen pyörivän koordinaatiston relaksaatioparametrien on havaittu olevan herkkiä nivelruston ja nivelkierukoiden degeneratiivisille muutoksille. Pyörivän koordinaatiston parametrien mittauksessa käytettyä spin-lukko-pulssia voidaan muuttaa ja siten tuottaa erilaisia kontrasteja, kuten jatkuvan aallon T (CW-T), adiabaattinen T (AdT), adiabaattinen T (AdT) ja fiktiivisen kentän relaksaatio (TRAFF). Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää kvantitatiivisten magneettikuvausparametrien (T1, T2, CWT, AdT, AdT ja TRAFF) potentiaalia kanin varhaisen nivelrikon ja ponin traumaperäisen nivelrikon tautimalleissa. Nivelruston biomekaanisia ominaisuuksia ja histologiaa käytettiin verrokkimenetelminä. Väitöskirjatyössä selvitettiin AdT :n ja AdT:n kliinistä soveltuvuutta nivelkierukan rakenteellisten ominaisuuksien arviointiin ihmisillä.

Muihin magneettikuvausparametreihin verrattuna T1, CWT sekä AdT olivat herkimpiä degeneratiivisille muutoksille kanin ja ponin tautimalleissa. Nivelkierukassa AdT ja AdT havaitsivat kudosmuutoksia, jotka liittyivät nivelkierukan repeämiseen ja nivelrustovaurioihin ihmisen nivelrikossa. Väitöskirjatyön havainnot osoittavat, että T1, CWT sekä AdT ovat potentiaalisia menetelmiä varhaisen nivelrikon aiheuttamien rustomuutosten havaitsemiseen sekä AdT ja AdT kliinisesti soveltuvia nivelkierukan arviointiin.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Kajabi, A. W., Casula, V., Ojanen, S., Finnilä, M. A., Herzog, W., Saarakkala, S., … Nieminen, M. T. (2020). Multiparametric MR imaging reveals early cartilage degeneration at 2 and 8 weeks after ACL transection in a rabbit model. Journal of Orthopaedic Research. https://doi.org/10.1002/jor.24644

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Kajabi, A. W., Casula, V., Sarin, J. K., Ketola, J. H., Nykänen, O., te Moller, … Nissi, M. J. (2020). Evaluation of articular cartilage with quantitative MRI in an equine model of post‐traumatic osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research. https://doi.org/10.1002/jor.24780

  3. Kajabi, A. W., Casula, V., Nissi, M. J., Peuna, A., Podlipská, J., Lammentausta, E., … Nieminen, M. T. (2018). Assessment of meniscus with adiabatic T₁ᵨ and T₂ᵨ relaxation time in asymptomatic subjects and patients with mild osteoarthritis: a feasibility study. Osteoarthritis and Cartilage, 26(4), 580–587. https://doi.org/10.1016/j.joca.2017.12.006

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-2697-2
ISBN Print: 978-952-62-2696-5
Issue: 1580
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 217 Medical engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.