University of Oulu

Mapping of T dispersion parameters in articular cartilage

Saved in:
Author: Elsayed, Hassaan1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230610
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-10-15
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 P117 (Aapistie 5B), on 22 October 2021, at 12 noon
Tutor: Professor Miika Nieminen
Doctor Matti Hanni
Doctor Stefan Zbyn
Reviewer: Professor Mikko Kettunen
Professor Konstantin Momot
Opponent: Professor Raimo Sepponen
Description:

Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) is a widely used diagnostic method in medicine, and it can provide anatomical and diagnostic data from biological tissue. Quantitative MRI parameters, such as T2 and T can give insights into tissue structure and composition. In addition, T dispersion contains information from a range of slow molecular processes.

Relaxation dispersion parameters are metrics computed from two or more T measurements in order to quantify the information embedded in the T dispersion. In this monograph, three different dispersion parameters were evaluated: correlation time (τc), R(=1/T) ratio, and R difference. τc is a characteristic property of the tissue that can be fitted from multiple T measurements. Both R ratio and R difference quantify the resemblance between a single T measurement and T2.

The purpose of this monograph was to examine the sensitivity of dispersion parameters to changes in spin-lock frequency as well as to varying collagen fiber network orientations in articular cartilage with respect to B0. In addition, the relation between dispersion parameter and tissue properties was investigated. Finally, the dispersion parameters were assessed as biomarkers of tissue changes in an experimental model of post-traumatic osteoarthritis.

All dispersion parameters studied in this monograph were able to show laminar appearance of cartilage. Correlation time as well as R difference are potentially independent from off-resonance shifts in measurements. Contrast enhancement effects on R ratio were observed by increasing the off-resonance shift. Both correlation time and R ratio showed sensitivity to collagen fiber network orientation. This observation was, however, not confirmed for R difference. The histological and biomechanical properties of cartilage could not be statistically predicted based on dispersion parameters due to the small sample size. Nevertheless, it was found that correlation time could distinguish between intact and degraded cartilage, while R ratio and R difference might be sensitive to within-sample changes in degraded cartilage.

see all

Tiivistelmä

Magneettikuvaus (MK) on laajalti käytetty diagnostinen menetelmä lääketieteessä ja tuottaa anatomista ja diagnostista tietoa biologisista kudoksista. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen parametrit, kuten T2- ja T-relaksaatioajat mahdollistavat kudosten rakenteen ja koostumuksen selvittämisen. Tämän lisäksi, T-dispersio antaa tietoa kudoksessa tapahtuvista hitaista molekyylitason prosesseista.

Relaksaatiodispersioparametrit lasketaan kahden tai useamman erillisen T-mittauksen perusteella ja niiden avulla voidaan relaksaatiodispersiossa oleva informaatio numeerisessa muodossa. Tässä työssä on tutkittu kolmea eri dispersioparametriä, korrelaatioaikaa τc, sekä relaksaationopeuksien (R) suhdetta ja erotusta. Korrelaatioaika on kudoksen ominaisuus, joka lasketaan useiden T-mittausten perusteella, kun taas relaksaationopeuksiin perustuvat parametrit kuvaavat T- ja T2-mittauksen välistä eroa eri menetelmin.

Monografiassa selvitettiin näiden parametrien herkkyyttä suhteessa ns. spin-lukitus (spin-lock) taajuuden valintaan, sekä ruston kollageenisäikeistön suuntaan suhteessa magneettikenttään. Lisäksi dispersioparametrien ja kudosten ominaisuudet välistä yhteyttä selvitettiin. Lopuksi dispersioparametrejä hyödynnettiin kudosmuutosten havaitsemisessa kokeellisessa rustovauriomallissa.

Kaikki dispersioparametrit pystyivät todentamaan nivelruston histologisesti havaitun vyöhykerakenteen. Korrelaatioaika ja R-erotus ovat potentiaalisesti riippumattomia mittausten ns. off-resonanssisiirtymistä. Kontrastierot paranivat, kun R-suhteen laskennassa off-resonanssisiirtymää suurennettiin. Sekä korrelaatioaika että R-suhde olivat herkkiä kollageenisäikeistön suunnalle. Samaa ilmiötä ei kuitenkaan havaittu R-erotukselle. Dispersioparametrien perusteella ei voitu ennustaa nivelruston histologisia tai biomekaanisia ominaisuuksia tutkimuksissa käytetyn pienen näytekoon takia. Kuitenkin monografiassa havaittiin, että korrelatioajan avulla voidaan erottaa toisistaan ehjä ja vaurioitunut nivelrusto, kun taas R-suhde ja -erotus ovat herkempiä kuvaamaan vaurioituneen nivelruston sisäisiä muutoksia.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-3061-0
ISBN Print: 978-952-62-3060-3
Issue: 1640
Type of Publication: G4 Doctoral dissertation (monograph)
Field of Science: 217 Medical engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.