Utility of quantitative magnetic resonance imaging for articular cartilage assessment in clinical scenarios

Abstract

Abstract

It is estimated that around 7% of all individuals are affected by osteoarthritis (OA) worldwide. Despite such a high prevalence of OA, its exact pathogenesis remains unknown. Currently, there are only limited treatment options available for OA.

Multiple Quantitative Magnetic Resonance Imaging (qMRI) techniques have been developed to detect early OA-related changes in cartilage. These methods include, but are not limited to, T2 and T1ρ relaxation times, which are able to show changes in the cartilage extracellular matrix (ECM). Texture analysis methods enable the extraction of quantitative information from images or relaxation time maps to better elucidate changes in articular cartilage.

The purpose of this study was to evaluate the use of qMRI methods in clinical patients. First, the knee cartilage of WNT1 mutation-positive (MP) patients was studied using T2 and T1 relaxation times, T2 texture analysis, and cartilage thickness. Second, the ankle cartilage of stable and unstable Weber-B/supination external rotation-type ankle fractures was studied using the T2 relaxation time shortly after the injury. Third, the knee cartilage and OA symptoms of morbidly obese patients who underwent a gastric bypass operation were studied using the T2 relaxation time and an OA symptom questionnaire in a 12-month follow-up. The weight loss of a patient was classified as successful if the total weight loss reached 20%. All the patients in this thesis were also compared with a respective control group.

First, the T2 texture analysis indicated improvements in the cartilage ECM of the WNT1 MP patients, which were not detected by the mean relaxation times. Texture features also exhibited a linear correlation with age, unlike mean T2 or T1ρ relaxation times. These findings suggest a superior sensitivity of the texture analysis compared to mean relaxation times. Second, T2 relaxation times demonstrated shortening with ankle fractures compared to healthy controls. However, the clinical interpretation of these results is not completely clear due to limited available information on the topic. Third, T2 relaxation times showed shorter values with unsuccessful weight loss compared to successful weight loss, which could result from possible changes in joint biomechanics and bone mineral density. However, the T2 alterations did not reflect the changes in OA symptoms.

Tiivistelmä

Arviolta 7 % kaikista maailman ihmisistä kärsii nivelrikosta, jonka tarkka patogeneesi on edelleen tuntematon näin merkittävästä prevalenssista huolimatta. Tällä hetkellä nivelrikkoon on olemassa vain rajallisesti hoitovaihtoehtoja.

Useita kvantitatiivisen magneettikuvantamisen (qMRI) menetelmiä on kehitetty havaitsemaan varhaisia nivelrikkoon liittyviä rustomuutoksia. Näihin metodeihin kuuluu T2 ja T1 relaksaatioajat, jotka kykenevät osoittamaan muutoksia ruston solunulkoisessa matriisissa. Tekstuurianalyysimetodit mahdollistavat kvantitatiivisen informaation keräämisen kuvista ja relaksaatioaikakartoista havainnollistaen nivelruston muutoksia.

Tutkimuksen tarkoituksena oli arvioida qMRI metodien käyttöä kliinisillä potilailla. Ensimmäisenä tutkittiin WNT1 mutaatiopositiivisten (MP) henkilöiden polvirustoa T2 ja T1 relaksaatioaikoja, T2 tekstuurianalyysiä sekä rustopaksuutta käyttäen. Toisena tutkittiin vakaiden ja epävakaiden Weber B-/supinaatio-ulkokiertonilkkamurtumien rustoa T2 relaksaatioaikaa käyttäen. Kolmantena tutkittiin sairaalloisen ylipainoisia potilaita, jotka kävivät läpi vatsanlaukun ohitusleikkauksen. Näiden yksilöiden polvirustoa sekä polvinivelrikon oireita arvioitiin 12 kuukauden seurannassa T2 relaksaatioaikaa sekä nivelrikon kyselylomaketta käyttäen. Potilaan painonlasku luokiteltiin onnistuneeksi, jos lähtöpainosta onnistuttiin pudottamaan vähintään 20 %. Kaikkia tämän teesin tutkimuspotilaita verrattiin kunkin tutkimuksen kontrolliryhmään.

Ensimmäisenä todettiin T2 tekstuurianalyysin osoittavan paranemista WNT1 MP henkilöiden polviruston solunulkoisessa matriisissa. Vastaavaa eroa ei havaittu keskimääräisillä relaksaatioajoilla. Tekstuuriominaisuudet osoittivat myös lineaarista riippuvuutta iän suhteen, toisin kuin keskimääräiset T2 tai T1 relaksaatioajat. Nämä löydökset viittaavat tekstuurianalyysin olevan herkempi rustomuutoksille verrattuna keskimääräisiin relaksaatioaikoihin. Toisena todettiin T2 relaksaatioaikojen lyhentyvän nilkkamurtumissa verrattuna terveisiin kontrolleihin. Kuitenkin tulosten kliininen tulkinta ei ole täysin selvää aiheen rajallisen informaation vuoksi. Kolmantena todettiin T2 relaksaatioaikojen lyhentymistä epäonnistuneeseen painonlaskuun liittyen. Tämä voi mahdollisesti selittyä nivelten biomekaniikan sekä luustontiheyden muutoksilla.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>Lehtovirta, S., M&auml;kitie, R. E., Casula, V., Haapea, M., Niinim&auml;ki, J., Niinim&auml;ki, T., Peuna, A., Lammentausta, E., M&auml;kitie, O., &amp; Nieminen, M. T. (2019). Defective WNT signaling may protect from articular cartilage deterioration &ndash; a quantitative MRI study on subjects with a heterozygous WNT1 mutation. Osteoarthritis and Cartilage, 27(11), 1636&ndash;1646. https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.001 <a href="https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.001">https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.001</a></p> </li> <li> <p>Lehtovirta, S., Casula, V., Haapea, M., Nortunen, S., Lepoj&auml;rvi, S., Pakarinen, H., Nieminen, M. T., Lammentausta, E., &amp; Niinim&auml;ki, J. (2023). Assessment of articular cartilage of ankle joint in stable and unstable unilateral weber type-B/SER-type ankle fractures shortly after trauma using T2 relaxation time. Acta Radiologica Open, 12(7), 20584601231202033. https://doi.org/10.1177/20584601231202033 <a href="https://doi.org/10.1177/20584601231202033">https://doi.org/10.1177/20584601231202033</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231006138987">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Lehtovirta, S., Kemppainen, A., Haapea, M., Nevalainen, M., Lammentausta, E., Kyll&ouml;nen, E., Koivukangas, V., Lehenkari, P., Karppinen, J., Casula, V., Nieminen, M. T. (2023) Effects of bariatric surgery on knee articular cartilage and osteoarthritis symptoms &ndash; a 12-month follow-up using T2 relaxation time and WOMAC osteoarthritis index. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>Lehtovirta, S., M&auml;kitie, R. E., Casula, V., Haapea, M., Niinim&auml;ki, J., Niinim&auml;ki, T., Peuna, A., Lammentausta, E., M&auml;kitie, O., &amp; Nieminen, M. T. (2019). Defective WNT signaling may protect from articular cartilage deterioration &ndash; a quantitative MRI study on subjects with a heterozygous WNT1 mutation. Osteoarthritis and Cartilage, 27(11), 1636&ndash;1646. https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.001 <a href="https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.001">https://doi.org/10.1016/j.joca.2019.07.001</a></p> </li> <li> <p>Lehtovirta, S., Casula, V., Haapea, M., Nortunen, S., Lepoj&auml;rvi, S., Pakarinen, H., Nieminen, M. T., Lammentausta, E., &amp; Niinim&auml;ki, J. (2023). Assessment of articular cartilage of ankle joint in stable and unstable unilateral weber type-B/SER-type ankle fractures shortly after trauma using T2 relaxation time. Acta Radiologica Open, 12(7), 20584601231202033. https://doi.org/10.1177/20584601231202033 <a href="https://doi.org/10.1177/20584601231202033">https://doi.org/10.1177/20584601231202033</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231006138987">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Lehtovirta, S., Kemppainen, A., Haapea, M., Nevalainen, M., Lammentausta, E., Kyll&ouml;nen, E., Koivukangas, V., Lehenkari, P., Karppinen, J., Casula, V., Nieminen, M. T. (2023) Effects of bariatric surgery on knee articular cartilage and osteoarthritis symptoms &ndash; a 12-month follow-up using T2 relaxation time and WOMAC osteoarthritis index. Manuscript in preparation. </p> </li> </ol> </div>