University of Oulu

Comparison of relaxation properties of collagen gel MRI phantoms at multiple magnetic fields

Saved in:
Author: Aro, Olli-Pekka1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Science, Physics
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.9 MB)
Pages: 68
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202008152795
Language: English
Published: Oulu : O.-P. Aro, 2020
Publish Date: 2020-08-17
Thesis type: Master's thesis
Tutor: Casula, Victor
Reviewer: Heimonen, Kyösti
Casula, Victor
Description:

Abstract

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disorder in the world. OA affects the articular cartilage of synovial joints, causing disabilities and pain to those affected by the disease. The early stages of OA mainly affect the collagen and proteoglycan content of articular cartilage, causing it to lose its mechanical strength and start degrading. Magnetic resonance imaging (MRI) is a popular, non-invasive tool in OA diagnostics as it has the capability to detect morphological lesions and changes in the chemical composition of articular cartilage.

In this thesis, an MRI phantom study was designed and performed with the aim to investigate the effect of collagen and chondroitin sulfate (CS) concentration on the relaxation properties of gel-based phantoms at different magnetic field strengths. Three series of MRI phantoms as gels containing collagen and CS were made and dried to obtain final concentrations of collagen between 20–60 mg/g and CS between 0–40 mg/g. Three different relaxation properties were measured of the phantoms; R1 and R2 relaxation rates of the phantoms were measured at three different MRI field strengths (1.5, 3.0, and 9.4 T). Measurements at 1.5 and 3.0 T measurements were performed at Oulu University Hospital, while 9.4 T measurements were performed in Kuopio at the University of Eastern Finland. Additionally, R1rho relaxation rates were measured at 9.4 T with multiple spin-lock frequencies.

From the measurements, it was determined that R1 rates of the gels increased with the collagen concentration, while R2 values were similar between the different series at lower magnetic fields but were noticeably higher and increased with increasing CS concentration at 9.4 T. R1rho values increased with both collagen and CS content but the amplitude of the spin-lock pulse had next to no effect on the relaxation rates.

Tiivistelmä

Nivelrikko on maailman yleisin nivelsairaus, joka vaikuttaa kantavien nivelten nivelrustoon, aiheuttaen kipua ja liikuntakyvyn sekä elämänlaadun heikkenemistä. Nivelrikon varhainen vaihe vaikuttaa pääasiassa nivelruston kollageeni- ja kondroitiinisulfaattipitoisuuteen, johtaen ruston mekaanisen vahvuuden ja kantokyvyn heikentymiseen ja lopulta ruston rappeutumiseen. Magneettikuvaus eli MRI on yksi suosituimmista nivelrikon diagnosointitavoista, sillä se kykenee havaitsemaan muutoksia ruston kemiallisessa rakenteessa ilman niveleen kajoamista esim. tähystysleikkauksen kautta.

Tässä opinnäytteessä kuvaillaan MRI-kuvantamisfantomitutkimusta, jonka päämääränä oli tutkia nivelruston olennaisimpien rakenneosien eli kollageenin ja kondroitiinisulfaatin konsentraatioiden vaikutusta relaksaationopeuteen erivahvuisissa magneettikentissä. Tutkimuksessa tehtiin kolme geelipohjaista MRI-fantomisarjaa, joissa kollageenin lopullinen konsentraatio vaihteli sarjan mukaan 20–60 mg/g välillä, kun taas kondroitiinisulfaatin konsentraatio oli 0–40 mg/g. Erilaisia magneettikuvauslaitteita käytettiin ulkoisen magneettikentän vahvuuden ja relaksaationopeuksien yhteyden selvittämiseksi; mittaukset 1.5 ja 3.0 Teslassa tehtiin Oulun yliopistollisessa sairaalassa, kun taas mittaukset 9.4 Teslassa suoritettiin Kuopiossa, Itä-Suomen yliopistossa. Kolme relaksaationopeutta mitattiin geeleistä; R1- ja R2-nopeudet mitattiin kolmessa erivahvuisessa magneettikentässä (1.5, 3.0 ja 9.4 T). Lisäksi R1rho-arvot mitattiin 9.4 Teslassa usealla "spin-lock" -taajuudella, jotta taajuuden amplitudin vaikutus relaksaationopeuteen saataisiin selville.

Tutkimuksen lopputuloksena saatiin, että geelien R1-nopeudet kasvoivat lisääntyneen kollageenikonsentraation myötä. Toisaalta R2-arvot olivat samankaltaisia keskenään heikommissa magneettikentissä konsentraatioista riippumatta, mutta olivat selvästi suurempia ja kasvoivat suurentuneen kondroitiinisulfaattikonsentraation myötä 9.4 Teslassa. R1ρ-nopeudet kasvoivat sekä suurentuneen kollageeni- että kondroitiinisulfaattipitoisuuden myötä, mutta "spin-lock" -taajuudella ei ollut juurikaan vaikutusta nopeuksiin.

see all

Subjects:
Copyright information: © Olli-Pekka Aro, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.