University of Oulu

Anisotropy of transverse relaxation in MRI of articular cartilage

Saved in:
Author: Kantola, Ville1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Science, Physics
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.7 MB)
Pages: 52
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202110129124
Language: English
Published: Oulu : V. Kantola, 2021
Publish Date: 2021-10-12
Thesis type: Master's thesis
Tutor: Nieminen, Miika
Karjalainen, Jouni
Reviewer: Heimonen, Kyösti
Nieminen, Miika
Description:

Abstract

The purpose of this M.Sc thesis was to study the anisotropic behaviour of transverse magnetic relaxation in articular cartilage using quantitative magnetic resonance imaging. Articular cartilage contains structures with a high degree of organization present in a predictable manner throughout the depth of the tissue, making it an interesting, albeit complex to model, candidate for anisotropy studies. The goal of the study was to use a transverse relaxation anisotropy model previously studied in an in vitro MRI study with a highfield research magnet, and attempt to employ this concept in a more clinical MRI setting using an ex vivo joint sample and a clinical MRI device. An additional goal of the study was to compare the transverse relaxation behaviour of cartilage obtained from different parts of an ex vivo joint sample. The measurements consisted of a bovine stife joint, consisting mostly of bone, soft tissue and cartilage, imaged in a 3 T clinical magnet.

The imaging was performed using a large sampling of 30 unique sample orientations in relation to the main magnetic field, with angles of 5–0 degrees between each individual measurement. An image coregistration software was used to register all of the rotated images to a single geometry, allowing comparison of the measurements regardless of original measurement angle. Transverse relaxation time maps were created for each of the measurements from the corresponding coregistered images. Three regions of interest, two from femoral and one from tibial cartilage, were selected from the cartilage surfaces of the images and separated further into depth-wise sub-segments. In order to accurately rotate the large sample between measurements, a 3D printed rotation platform was additionally designed and constructed for the study.

This study showed that the anisotropy model previously used in studies with small cartilage samples and high field-strength MRI can be applied in a more clinical setting using a large ex vivo sample and a clinical MRI device. The relaxation rates obtained by fitting the established anisotropy model to the data obtained from the measurements followed this model remarkably well. Both the isotropic and anisotropic components of the relaxation rate model could be defined for each studied cartilage region. In the surface segment of cartilage the isotropic and anisotropic components showed little difference, while in the deeper cartilage the anisotropic component was found to be 2–7 times larger than its isotropic counterpart. The sizes of the selected regions of interest were also shown to affect the values of the fitted anisotropy models, where an increase in region size corresponded with lower values for both isotropic and anisotropic fitting components.

Tiivistelmä

Tämän maisteritutkielman tavoitteena oli tutkia nivelruston poikittaisen magnetisaation relaksaation kulmariippuvuutta kvantitatiivisen magneettikuvauksen keinoin. Nivelrusto sisältää suuren määrän selkeästi organisoituneita rakenteita, joiden organisaation määrä ja anisotropia riippuu mm. ruston syvyydestä. Tämä tekee nivelrustosta mielenkiintoisen, mutta samalla haastavan tutkimuskohteen. Tutkielman pääasiallinen tavoite oli valita aiemmin ultrakorkeissa tutkimusmagneeteissa pienillä kudosnäytteillä käytetty relaksaatioanisotropiamalli, ja soveltaa sitä kliinisen magneettikuvauslaitteen kuvausympäristöön käyttäen verrattaen suurta ex vivo naudan nivelnäytettä. Pyrkimyksenä oli siis havaita, mikäli relaksaatioanisotropiaa, ja tähän liittyvää magic angle-efektiä, voidaan onnistuneesti mallintaa kyseisen mallin avulla mittausympäristön siirtyessä puhtaasta tutkimusympäristöstä kohti kliinistä mittausympäristöä. Lisäksi tutkielmassa verrattiin polvinivelen eri kohdista valittujen rustosegmenttien poikittaisia relaksaatio-ominaisuuksia, sekä valitun rustosegmentin koon vaikutusta anisotropiamallin sovitus- ja virheparametreihin.

Tutkielman mittaukset koostuivat ex vivo naudan polvinivelen magneettikuvauksesta kliinisessä käytössä olevalla 3 T magneettikuvauslaitteella. Näytteen orientaationanisotropian tutkimiseksi näyte kuvattiin useasta eri kulmasta magneettikuvauslaitteen päämagneettikenttään nähden poikittaismagnetisaatiopainotteisella MESE magneettikuvaussekvenssillä. Näyte kuvattiin yhteensä 30:stä eri kulmasta 5 tai 10 asteen välein kattaen yhteensä 200 asteen laajuisen käännön. Magneettikuvauksista eri näyteorientaatioissa saadut kuvat rekisteröitiin samaan geometriaan käyttäen tähän tarkoitukseen laadittua ohjelmistoa. Rekisteröidyistä kuvista muodostettiin poikittaisrelaksaatioaikakartat, joita käyttäen sääri- ja lonkkaluun nivelrustosta valittiin kolme lähes suorakulmaista aluetta jatkoanalyysiin. Nämä valitut alueet jaettiin vielä syvyyssuunnassa keskeltä kahteen samansuuruiseen segmenttiin. Näytteen tarkka pyörittäminen haluttuihin orientaatioihin mittausten aikana mahdollistettiin tähän tarkoitukseen tutkielman aikana suunnitellulla ja valmistetulla pyöritysalustalla.

Tutkimuksessa vahvistettiin aiemmin korkean magneettikentän kuvauksissa pienillä rustonäytteillä toimineen sovitusmallin toimivuus myös verrattain heikomman päämagneettikentän omaavalla kliinisellä magneettikuvauslaitteella. Relaksaatioaikakartoista laskettuun relaksaationopeusdataan sovitettu anisotropiamalli toimi huomattavan hyvin havaitun anisotropian mallintamisessa kaikissa tutkituissa rustosegmenteissä. Jokaisen tutkitun segmentin relaksaationopeusdatan sovituksista voitiin mallin mukaisesti erottaa isotrooppinen ja anistrooppinen relaksaatiokomponentti. Tutkittujen pintasegmenttien sovituskomponenttien arvot eivät osoittaneet merkittäviä eroja isotrooppisten ja anisotrooppisten komponenttien välillä. Sen sijaan syvissä segmenteissä anisotroppinen komponentti oli poikkeuksetta isotrooppista komponenttia suurempi, saavuttaen 2–7 kertaa isotrooppista komponenttia suuremman arvon. Havainnot tukevat vallitsevaa teoriaa nivelruston poikittaisrelaksaationopeuden kulmariippuvuuden kasvusta ruston syvissä osissa, joskaan magneettikuvauslaitteen heikon resoluution vuoksi näitä ruston osia ei pystytty tarkasti erottamaan toisistaan. Suurin relaksaation kulmariippuvuus havaittiin lonkkaluun syvässä rustosegmentissä. Valittujen segmenttien koon havaittiin myös vaikuttavan mallin sovituskomponenttien arvoihin. Vertailuun valitun koesegmentin kokoa kasvatettaessa relaksaationopeuden kulmariippuvuus pieneni, kun taas segmenttiä pienennettäessä havaittu relaksaation kulmariippuvuuden määrä kasvoi.

see all

Subjects:
Copyright information: © Ville Kantola, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.