Mapping of <em>T</em>_1ρ dispersion parameters in articular cartilage

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>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 <em>T</em>₂ and <em>T</em>_1ρ can give insights into tissue structure and composition. In addition, <em>T</em>_1ρ dispersion contains information from a range of slow molecular processes.</p><p>Relaxation dispersion parameters are metrics computed from two or more <em>T</em>_1ρ measurements in order to quantify the information embedded in the <em>T</em>_1ρ dispersion. In this monograph, three different dispersion parameters were evaluated: correlation time (τ_c), <em>R</em>_1ρ(=1/<em>T</em>_1ρ) ratio, and <em>R</em>_1ρ difference. τ_c is a characteristic property of the tissue that can be fitted from multiple <em>T</em>_1ρ measurements. Both <em>R</em>_1ρ ratio and <em>R</em>_1ρ difference quantify the resemblance between a single <em>T</em>_1ρ measurement and <em>T</em>₂.</p><p>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 <em><b>B</b></em>₀. 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.</p><p>All dispersion parameters studied in this monograph were able to show laminar appearance of cartilage. Correlation time as well as <em>R</em>_1ρ difference are potentially independent from off-resonance shifts in measurements. Contrast enhancement effects on <em>R</em>_1ρ ratio were observed by increasing the off-resonance shift. Both correlation time and <em>R</em>_1ρ ratio showed sensitivity to collagen fiber network orientation. This observation was, however, not confirmed for <em>R</em>_1ρ 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 <em>R</em>_1ρ ratio and <em>R</em>_1ρ difference might be sensitive to within-sample changes in degraded cartilage.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Magneettikuvaus (MK) on laajalti käytetty diagnostinen menetelmä lääketieteessä ja tuottaa anatomista ja diagnostista tietoa biologisista kudoksista. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen parametrit, kuten <em>T</em>₂- ja <em>T</em>_1ρ-relaksaatioajat mahdollistavat kudosten rakenteen ja koostumuksen selvittämisen. Tämän lisäksi, <em>T</em>_1ρ-dispersio antaa tietoa kudoksessa tapahtuvista hitaista molekyylitason prosesseista.</p><p>Relaksaatiodispersioparametrit lasketaan kahden tai useamman erillisen <em>T</em>_1ρ-mittauksen perusteella ja niiden avulla voidaan relaksaatiodispersiossa oleva informaatio numeerisessa muodossa. Tässä työssä on tutkittu kolmea eri dispersioparametriä, korrelaatioaikaa τ_c, sekä relaksaationopeuksien (<em>R</em>_1ρ) suhdetta ja erotusta. Korrelaatioaika on kudoksen ominaisuus, joka lasketaan useiden <em>T</em>_1ρ-mittausten perusteella, kun taas relaksaationopeuksiin perustuvat parametrit kuvaavat <em>T</em>_1ρ- ja <em>T</em>₂-mittauksen välistä eroa eri menetelmin.</p><p>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.</p><p>Kaikki dispersioparametrit pystyivät todentamaan nivelruston histologisesti havaitun vyöhykerakenteen. Korrelaatioaika ja <em>R</em>_1ρ-erotus ovat potentiaalisesti riippumattomia mittausten ns. off-resonanssisiirtymistä. Kontrastierot paranivat, kun <em>R</em>_1ρ-suhteen laskennassa off-resonanssisiirtymää suurennettiin. Sekä korrelaatioaika että <em>R</em>_1ρ-suhde olivat herkkiä kollageenisäikeistön suunnalle. Samaa ilmiötä ei kuitenkaan havaittu <em>R</em>_1ρ-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 <em>R</em>_1ρ-suhde ja -erotus ovat herkempiä kuvaamaan vaurioituneen nivelruston sisäisiä muutoksia.</p></div>