Comparison between T2 and T1rho relaxation anisotropy in bovine articular cartilage

Abstract

The purpose of this M.Sc. thesis was to study the anisotropy of four quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) relaxation parameters, T2, continuous-wave T1ρ (300/500 Hz), and adiabatic T1ρ, in articular cartilage of multiple bovine joint samples. The varying collagen fibril orientation and macromolecular composition of articular cartilage contribute to specific relaxation times, making them dependent on the orientation of the tissue with respect to the main magnetic field of the MRI scanner. Relaxometry measurements can give valuable information about the suitability of different qMRI parameters for diagnostics of different join diseases. In this study, the orientation dependence of measured parameters in whole ex vivo bovine knee joint samples was examined, and the results from multiple samples imaged with a clinical MRI scanner were compared. Additionally, this work includes the key results from the comparison analysis done with different regions of interest (ROI).

The measurements were done with six bovine knee samples which were imaged with a clinical 3 T MRI scanner. The orientation of each sample in the main magnetic field was changed by rotating a specifically designed sample holder between measurements. Samples were imaged with four different imaging sequences at five orientations. Acquired images were coregistered to the same angle to match the geometries and regions of separate images. The coregistered images were used to calculate angle specific relaxation time maps for each measured relaxation parameter. Four ROIs were selected, one surface and one deep segment for both femoral and tibial cartilage, and averaged relaxation rates were calculated from these ROIs.

This comparison study showed that measurements of multiple qMRI parameters in whole ex vivo joint samples with a clinical MRI scanner produced comparable results between multiple samples. The analysed relaxation rate levels varied between the samples and between different ROI regions, but the comparison showed that the measurement results were in accordance with the findings from previous studies. T2 was found to be the most orientation dependent relaxation parameter, followed by continuous-wave T1ρ (300 Hz). Continuous-wave T1ρ (500 Hz) and adiabatic T1ρ showed even smaller orientation dependence. The effect of different relaxation time thresholds and ROI widths on the calculated relaxation rates were notable in some cases, and the ROI analysis confirmed that the relaxation time threshold and ROI sizes used in this study and in former studies produced reliable results. The findings of this study support the earlier results that hold promise for finding the qMRI parameters that are the most sensitive to the early degenerative changes in articular cartilage. Comparison of different qMRI relaxation parameters will improve the knowledge about the anisotropic behaviour of these parameters in highly ordered tissues, as well as the knowledge about their suitability for clinical use.

Tämän Pro gradu -työn tarkoituksena oli tutkia neljän kvantitatiivisen magneettikuvauksen (quantitative magnetic resonance imaging, qMRI) relaksaatioparametrin, T2, jatkuva-aaltoinen (continuous-wave, CW) T1ρ 300/500 Hz ja adiabaattinen T1ρ, orientaatioriippuvuutta useiden naudan nivelnäytteiden nivelrustossa. Nivelruston vaihteleva kollageenisäikeiden suunta ja makromolekyylikoostumus vaikuttavat tiettyihin relaksaatioaikoihin, mikä tekee niistä riippuvaisia kudoksen orientaatiosta magneettikuvauslaitteen päämagneettikentän suhteen. Relaksometriamittaukset voivat antaa arvokasta tietoa eri qMRI-parametrien soveltuvuudesta eri nivelsairauksien diagnostiikkaan. Tässä tutkimuksessa selvitettiin naudan polvinivelnäytteistä mitattujen parametrien orientaatioriippuvuutta ja verrattiin useiden kliinisellä MRI-skannerilla kuvattujen näytteiden tuloksia. Lisäksi tämä työ sisältää keskeisimmät tulokset eri mielenkiintoalueilla (region of interest, ROI) tehdystä vertailuanalyysistä.

Mittauksissa kuusi naudan polvinäytettä kuvattiin kliinisellä 3 T MRI-skannerilla. Kunkin näytteen orientaatiota päämagneettikentässä muutettiin kiertämällä erityisesti suunniteltua näytealustaa mittausten välillä. Näytteitä kuvattiin neljällä eri magneettikuvaussekvenssillä viidessä näyteorientaatiossa. Kuvien geometriat ja alueet rekisteröitiin samaan orientaatioon. Rekisteröityjä kuvia käytettiin kulmakohtaisten relaksaatioaikakarttojen laskemiseen kullekin mitatulle relaksaatioparametrille. Neljä ROI:ta valittiin, yksi pinta ja yksi syvä segmentti sekä reisiluun että sääriluun rustolle, ja keskimääräiset relaksaationopeudet laskettiin näistä ROI-alueista.

Tämä vertailututkimus osoitti, että useiden qMRI-parametrien mittaukset kokonaisista ex vivo -nivelnäytteistä kliinisellä magneettikuvauslaitteella tuottivat vertailukelpoisia tuloksia näytteiden välillä. Analysoidut relaksaationopeudet vaihtelivat näytteiden ja eri ROI-alueiden välillä, mutta vertailu osoitti, että mittaustulokset olivat linjassa aiempien tutkimusten tulosten kanssa. T2:n todettiin olevan anisotrooppisin relaksaatioparametri, CW-T1ρ 300 Hz seuraavaksi anisotrooppisin. CW-T1ρ 500 Hz ja adiabaattinen T1ρ osoittivat vähäisempää orientaatioriippuvuutta. Erilaisten relaksaatioajan raja-arvojen ja ROI-leveyksien vaikutus laskettuihin relaksaationopeuksiin oli joissain tapauksissa huomattava, ja ROI-analyysi vahvisti, että tässä tutkimuksessa ja aiemmissa tutkimuksissa käytetyt relaksaatioajan raja-arvot ja ROI-koot tuottivat luotettavia tuloksia. Tämän työn tulokset tukevat aiempien tutkimusten tuloksia, jotka viittaavat mahdollisuuteen löytää nivelruston varhaisille rappeumamuutoksille herkimmät qMRI-parametrit. Erilaisten qMRI-relaksaatioparametrien vertailu lisää tietämystä näiden parametrien anisotrooppisesta käyttäytymisestä erittäin järjestyneissä kudoksissa sekä niiden soveltuvuudesta kliiniseen käyttöön.