Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) is a highly valuable clinical diagnostic tool. Quantitative MRI (qMRI) is based on utilizing MRI studies to measure and calculate different quantitative parameters. These parameters include relaxation time parameters, such as T₁, T₂ and T_1ρ. Relaxation anisotropy is a phenomenon that causes variation in relaxation time values when the orientation of the target is changed in relation to the main magnetic field. In clinical imaging, the phenomenon is also referred to as the magic angle effect.

In biological tissues, relaxation anisotropy has been observed to affect results especially in highly ordered collagenous tissues, such as cartilage and tendon. Relaxation anisotropy is generally seen as an artifact disturbing clinical images. On the other hand, as relaxation anisotropy arises based on the structure of a tissue, it could serve as a biomarker for studying and diagnosing the state of the tissue.

The aim of this thesis was to empirically study relaxation anisotropy of different qMRI parameters in multiple biological tissues. Measurements were carried out as rotation experiments in which tissue samples were rotated in the magnetic field of a preclinical MRI device. Relaxation times were measured at different sample orientations, and relaxation anisotropy was quantified to allow comparison of qMRI parameters and different tissue types. In addition, the use of relaxation anisotropy as a potential biomarker for cartilage degeneration was assessed by quantifying the relaxation anisotropy of naturally degenerated cadaveric human cartilage samples

The results showed that different qMRI parameters varied greatly in their sensitivity to relaxation anisotropy in ordered tissue. Furthermore, ordered collagenous tissues, cartilage and tendon, showed clear anisotropic relaxation properties. The other investigated soft tissues (brain, spinal cord, heart, kidney) did not exhibit relaxation anisotropy. Relaxation anisotropy of T₂ in cartilage was observed to be significantly lower for cartilage samples of advanced degeneration compared to less degenerated samples. These findings indicate that relaxation anisotropy is a significant phenomenon in MRI of cartilage and tendon, and it has potential to be used as a biomarker for observing cartilage degeneration.

Tiivistelmä

Magneettikuvaus (MRI) on paljon käytetty ja hyödyllinen kliininen kuvantamisemenetelmä. Kvantitatiivinen magneettikuvaus (qMRI) perustuu erilaisten kvantitatiivisten parametrien mittaamiseen ja määrittämiseen magneettikuvaustutkimusten avulla. Näistä tyypillimpiä ovat erilaiset relaksaatioaikaparametrit, kuten T₁, T₂ ja T_1ρ -relaksaatioajat. Relaksaatioanisotropia on ilmiö, jossa mitatun relaksaatioparametrin arvo riippuu kohteen asennosta suhteessa magneettikuvauslaitteen pääkenttään. Kliinisessä kuvantamisessa ilmiöstä käytetään myös nimeä ”magic angle effect“.

Biologisissa kudoksissa relaksaatioanisotropian on havaittu vaikuttavan erityisesti kollageenia sisältävissä järjestäytyneissä kudoksissa, kuten rustossa ja jänteissä. Relaksaatioanisotropia nähdään usein magneettitutkimuksia haittaavana artefaktana. Toisaalta, koska anisotropia syntyy kudoksen järjestäytyneen rakenteen seurauksena, sen avulla voisi olla mahdollista tutkia ja arvioida kudoksen tilaa.

Väitöskirjatyön tavoitteena oli empiiristen rotaatiomittausten avulla tutkia eri qMRI-parametrien relaksaatioanisotropiaa erilaisissa biologisissa kudoksissa. Mittauksissa kudosnäytteitä pyöritettiin prekliinisen magneettikuvauslaitteen magneettikentässä, ja relaksaatioajat mitattiin näytteiden eri orientaatioissa. Relaksaatioanisotropia kvantifioitiin, jotta vertailuja eri parametrien ja kudostyyppien välillä voitiin tehdä. Tämän lisäksi relaksaatioanisotropian hyödyntämistä ruston degeneraation tunnistamiseen selvitettiin ihmisperäisillä rustonäytteillä.

Tulosten perusteella todettiin, että relaksaatioanisotropia vaihteli suuresti eri relaksaatioparametrien välillä järjestäytyneessä kudoksessa. Rusto- ja jännekudoksessa relaksaatioanisotropia oli selkeästi havaittava ilmiö useimmille relaksaatioparametreille, kun taas monissa muissa kudoksissa (aivot, selkäranka, sydän, munuainen) relaksaatioanisotropiaa ei käytännössä havaittu. T₂-relaksaatioanisotropian havaittiin olevan merkittävästi pienempi pitkälle degeneroituneissa rustonäytteissä verrattuna vähemmän degeneroituneisiin näytteisiin. Väitöskirjatyön havaintojen perusteella voidaan todeta, että relaksaatioanisotropia on merkittävä ilmiö ruston ja jänteen magneettikuvauksessa, ja sillä voisi olla potentiaalia toimia kliinisenä markkerina ruston degeneroitumisen havaitsemisessa.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Hänninen, N., Rautiainen, J., Rieppo, L., Saarakkala, S., & Nissi, M. J. (2017). Orientation anisotropy of quantitative MRI relaxation parameters in ordered tissue. Scientific Reports, 7(1), 9606. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10053-2

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Hänninen, N. E., Liimatainen, T., Hanni, M., Gröhn, O., Nieminen, M. T., & Nissi, M. J. (2022). Relaxation anisotropy of quantitative MRI parameters in biological tissues. Scientific Reports, 12(1), 12155. https://doi.org/10.1038/s41598-022-15773-8

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Hänninen, N. E., Nykänen, O., Prakash, M., Hanni, M., Nieminen, M. T., & Nissi, M. J. (2021). Orientation anisotropy of quantitative MRI parameters in degenerated human articular cartilage. Journal of Orthopaedic Research, 39(4), 861–870. https://doi.org/10.1002/jor.24778

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version