Abstract The Northern Finland 1966 Birth Cohort (NFBC 1966) is a general population study started in the 1960’s including 12,058 people born in the provinces of Oulu and Lapland. We studied magnetic resonance imaging (MRI) changes of the brain in subjects with schizophrenia at age 33–35 years. Another sub-group consisted of non-psychotic members of the NFBC 1966 who were born premature. In subjects with schizophrenia (n = 54) the volumes of whole brain, grey and white matter were reduced 2–3% and the volume of CSF was increased 7% compared to the general population control subjects (n = 100) without a psychotic episode. Regional grey matter density was reduced in several regions including frontal, temporal, parietal and occipital cortices, deep grey matter and cerebellum. Grey matter density was increased in the basal ganglia, anterior cingulate and medial orbitofrontal cortex. There were white matter deficits in inter- and intrahemispheric tracts bilaterally in the frontal, temporal, parietal and occipital lobes, subcortical structures, cerebellum and brainstem. CSF excesses were found in the lateral and third ventricles. Grey and white matter deficits were associated with duration of illness, so that the longer the duration, the smaller the density in the deficit regions. The hippocampal volume was reduced 2-3%, but the change was explained by the total brain volume reduction. We also investigated the effect of preterm birth or low birth weight on education, occupation (n = 715; controls 10,132), cognitive capacity and brain structure (n = 9; controls 95) in adulthood in the non-psychotic group of the NFBC 1966. The premature subjects had slightly lower educational and occupational performance in adulthood and they performed more poorly in verbal learning. There were no differences in the tissue segmentation analysis of the brain; however, we could not determine whether the negative finding was due to small sample size. In conclusion, we have confirmed previous findings of brain abnormalities in schizophrenia in an epidemiological population-based sample. The grey and white matter deficits were widespread and the abnormalities were associated with duration of illness, suggesting progressive changes. In the premature group of the NFBC, minor adult cognitive deviances were found in the absence of major imaging findings. / Tiivistelmä Pohjois-Suomen vuoden 1966 syntymäkohortti on epidemiologinen seurantatutkimus, joka on käynnistetty 1960-luvulla ja johon kuuluu 12,058 Oulun ja Lapin läänissä 1966 syntynyttä lasta. Tutkimme aivojen magneettikuvausmuutoksia 33–35v. ikäisillä skitsofreniaan sairastuneilla kohortin jäsenillä. Toinen tutkimusjoukkomme koostui kohortin keskosena syntyneistä ei-psykoottisista aikuisista. Aivotilavuus, harmaan ja valkean aineen tilavuus olivat 2–3 % pienempiä ja aivoselkäydinnesteen tilavuus 7 % suurempi skitsofreniapotilailla (n = 54) verrattuna syntymäkohortin kontrollihenkilöihin (n = 100), joilla ei ollut sairaushistoriassaan psykoosiepisodia. Skitsofreniapotilailla harmaan aineen tiheys oli alentunut otsa-, ohimo-, päälaen- ja takaraivon lohkon kuorikerroksessa, syvällä harmaan aineen alueella sekä pikkuaivoissa. Harmaan aineen tiheys oli lisääntynyt tyvitumakealueilla sekä paikallisesti otsalohkon kuorikerroksessa. Valkean aineen tiheys oli vähentynyt laaja-alaisesti aivojen eri lohkoissa. Aivoselkäydinnesteen määrä oli lisääntynyt aivokammioissa. Harmaan ja valkean aineen tiheyden muutos edellä mainituilla alueilla oli suhteessa sairauden kestoon siten, että pitempään sairastaneilla tiheys oli vähentynyt enemmän. Hippokampustilavuus oli pienentynyt 2–3 %, mutta tämä selittyi aivojen kokonaistilavuuden pienenemisellä. Selvitimme kohortin ei-psykoottisten ryhmässä ennenaikaisen syntymän ja pienen syntymäpainon vaikutusta aikuisiän koulutustasoon, työllistymiseen (n = 715; kontrolleja 10,132), sekä kognitiivisissa testeissä suoriutumiseen ja aivorakenteisiin (n = 9; kontrolleja 95). Keskosena syntyneillä oli hieman keskimääräistä alhaisempi koulutustaso ja työllistyminen aikuisiässä. Lisäksi he suoriutuivat huonommin kielellisen oppimisen testissä. Aivorakennemuutoksia heillä ei kuitenkaan löytynyt, mutta tämä negatiivinen löydös jää epävarmaksi pienen otoskoon vuoksi. Varmistimme aiempia tutkimuslöydöksiä rakenteellisista aivomuutoksista skitsofreniassa epidemiologisessa otoksessa väestötasolla. Muutokset olivat laaja-alaisia, ja tulokset viittaavat etenevään prosessiin. Kohortin keskosena syntyneillä todettiin aikuisiässä lieviä muutoksia kognitiivisessa suoritumisessa ilman selkeitä magneettikuvauslöydöksiä.

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) provides high contrast and spatial resolution images in arbitrarily chosen plane without ionizing radiation. These valuable features make it an attractive technique for guiding percutaneous interventional procedures. The purpose of this study was to develop percutaneous abdominal diagnostic and therapeutic procedures in MRI surroundings by evaluating the feasibility, safety and clinical results of specific interventional procedures. The safety and accuracy of MRI-guided abdominal biopsy was evaluated by performing MRI-guided biopsy on 31 patients who were not amenable for an ultrasound-guided biopsy. The locations of the lesions were liver, pancreas, lymph node, retroperitoneal mass, adrenal gland, and spleen. Fine-needle aspiration (FNA) biopsy was performed on all 31 patients; 18 patients underwent both FNA biopsy and cutting needle core biopsy. The sensitivity, specificity and accuracy of FNA and core biopsies were 71, 100 and 81%, and 90, 100 and 94%, respectively. No immediate or late complications occurred. The feasibility and safety of MRI-guided percutaneous drainage of pancreatic fluid collections was assessed by performing ten percutaneous drainages under MRI-guidance. Five of the patients had symptomatic pseudocysts and five had pancreatic abscesses. All procedures were performed with an MRI-compatible drainage kit using the Seldinger technique. All drainage catheters could be successfully placed into the pancreatic fluid collections under MRI-guidance with a mean procedure time of 44 minutes. No immediate complications occurred. The feasibility and safety of MRI-guided percutaneous nephrostomy was evaluated by performing eight nephrostomies with MRI-guidance. The degree of the dilatation of the renal collecting system varied from minimal to severe. All procedures were performed solely under MRI guidance with MRI-compatible instruments. Seven out of eight nephrostomies were successfully performed under MRI guidance; nephrostomy catheter could not be placed in a nondilated system. The mean procedure time was 26 minutes. No major complications occurred during the procedures or follow-up. The safety and effectiveness of MRI-guided percutaneous laser ablation for the treatment of small renal cell carcinoma (RCC) was assessed by treating eight patients with ten tumors with percutaneous MRI-guided laser ablation. All tumors were biopsy-proven RCCs. One to four laser fibers were used per tumor and the tumors were ablated under near real-time MRI control. All but one tumor were successfully ablated in one session. One complication, a myocardial infarction, occurred; all other patients tolerated the procedure well. No local recurrence was discovered during the follow-up with a mean time of 20 months. / Tiivistelmä Magneettikuvauksella elimistön kudoksista ja sairauksista saadaan tarkkaa tietoa missä tahansa kuvaussuunnassa ilman ionisoivaa säteilyä. Näiden ominaisuuksiensa takia magneettikuvaus on houkutteleva menetelmä myös kuvantaohjattujen perkutaanisten toimenpiteiden tekemiseen. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää perkutaanisia vatsan magneettiohjattuja toimenpiteitä. Tämä tehtiin arvioimalla magneettikuvauksen soveltuvuutta, turvallisuutta ja kliinisiä tuloksia erilaisten diagnostisten ja terapeuttisten toimenpiteiden ohjaamisessa. Magneettiohjattujen vatsan neulanäytteiden turvallisuutta ja tarkkuutta arvioitiin 31 potilaalla, joille ei voitu tehdä ultraääniohjattua biopsiaa. Näytteitä otettiin maksasta, haimasta, imusolmukkeista, retroperitoneaalisista kasvaimista, lisämunuaisista ja pernasta. Kaikilta 31 potilaalta otettiin solunäyte, 18 potilaalta otettiin lisäksi kudosnäyte. Solunäytteiden sensitiivisyys oli 71 %, spesifisyys 100 % ja tarkkuus 90 %; kudosnäytteissä vastaavat luvut olivat 90 %, 100 % ja 94 %. Neulanäytteiden otosta ei aiheutunut yhtään komplikaatiota. Magneettiohjauksen soveltuvuutta ja turvallisuutta haiman nestekertymien perkutaanisessa dreneerauksessa arvioitiin kymmenellä potilaalla, joista puolella oli oireileva haiman pseudokysta ja puolella haiman absessi. Kaikki kanavoinnit tehtiin Seldingerin tekniikalla käyttäen magneettiyhteensopivia toimenpidevälineitä. Kaikkien nestekertymien dreneeraus magneettiohjatusti onnistui ilman välittömiä komplikaatioita ja keskimäärin toimenpiteeseen kului aikaa 44 minuuttia. Magneettiohjauksen soveltuvuutta ja turvallisuutta punktionefrostomian tekemiseen tutkittiin kahdeksalla potilaalla, joilla hydronefroosin aste vaihteli vähäisestä vaikeaan. Kaikki toimenpiteet tehtiin magneettiyhteensopivilla toimenpidevälineillä. Magneettiohjatut punktionefrostomiat onnistuivat lukuun ottamatta yhtä potilasta, jolla munuaispikareissa oli vähäistä laajentumaa. Keskimääräinen toimenpideaika oli 26 minuuttia eikä yhtään hoitoa vaativaa komplikaatiota tapahtunut. Magneettiohjatun perkutaanisen munuaissyövän laserpolton turvallisuutta ja tehokkuutta tutkittiin kahdeksalla potilaalla, joilla oli yhteensä kymmenen kasvainta. Kaikki kasvaimet olivat biopsialla varmennettuja munuaissyöpiä. Laserpoltot tehtiin lähes reaaliaikaisessa magneettikuvauskontrollissa käyttäen yhdestä neljään laserkuitua jokaista kasvainta kohden. Yhtä lukuun ottamatta kaikkien kasvainten poltto onnistui yhdellä hoitokerralla. Yhdellä potilaalla hoitoa komplisoi sydäninfarkti, mutta muut sietivät hoidon hyvin. Potilaita seurattiin hoidon jälkeen keskimäärin 20 kuukautta eikä seurannassa todettu yhtään taudin uusiutumaa.

Abstract Cartilage-related diseases such as osteoarthritis (OA) are a major cause of disability and decrease in the quality of life. Moreover OA causes a heavy economical burden on the social welfare and health care systems. Conventional magnetic resonance imaging (MRI) provides accurate noninvasive method of morphological evaluation of the articular cartilage. However, there are early degenerative changes in the articular cartilage that can be evaluated with modern quantitative MRI methods prior to the signs of cartilage loss. In this study, T2 relaxation time of the articular cartilage was further evaluated in 1.5T in vivo using clinical patients and asymptomatic volunteers. The detection of focal patellar cartilage lesions in T2 mapping as compared to standard clinical MRI was evaluated. T2 mapping showed more lesions than the clinical MRI, and in T2 maps the lesions appeared generally wider. This suggests that T2-mapping is feasible in the clinical setting and may reveal cartilage lesions not seen in the standard knee MRI. The normal topographical variation of T2 relaxation time of articular cartilage in different compartments of the knee joint and at different zones of cartilage in young healthy adults was assessed. T2 values were significantly higher in the superficial zone as compared to the deep tissue at all locations and there was remarkable variation in T2 relaxation between different locations. The normal variation in cartilage T2 within a joint is significant and should be acknowledged when pathology-related T2 changes are investigated. The short- and long-term repeatability of T2 relaxation time measurements of articular cartilage in the knee joint was assessed. The results showed mostly good repeatability, and with careful patient positioning T2 relaxation time at the different cartilage surfaces of the knee can be accurately determined. / Tiivistelmä Nivelrikko, joka usein liittyy nivelruston vaurioitumiseen, aiheuttaa merkittävää toimintakyvyn ja elämänlaadun heikentymistä ikääntyvässä väestössä. Lisäksi nivelrikosta aiheutuu merkittäviä kustannuksia sosiaali- ja terveydenhuollolle. Magneettikuvaus on tarkka kajoamaton menetelmä rustovaurioiden arvioimiseksi. Kuitenkin rustovaurion alkuvaiheessa tapahtuu ruston sisäisiä rakenteellisia ja biokemiallisia muutoksia, joita on mahdollista arvioida uusilla kvantitatiivisilla magneettikuvausmenetelmillä ennen varsinaisten rustopuutosten kehittymistä. Tässä tutkimuksessa tutkittiin ruston T2-relaksaatioaikamittausta 1.5T magneettikuvauslaitteella sekä potilasaineistossa että vapaaehtoisilla. Tutkimuksessa verrattiin paikallisten rustomuutosten havaitsemisen herk¬kyyttä T2-relaksaatioaikakartoituksen ja tavanomaisen kliinisen magneetti¬kuvauksen välillä kliinisessä potilasaineistossa. T2-relaksaatiomittaus osoitti useampia muutoksia kuin kliininen magneettikuvaus ja muutokset olivat yleensä laajempia. Voidaan olettaa, että T2-relaksaatioaikamittaus soveltuu kliiniseen käyttöön ja voi osoittaa tavanomaisessa magneettikuvauksessa näkymättömiä rustomuutoksia. Tutkimuksessa arvioitiin ruston T2-relaksaatioajan paikkakohtaista ja kerroksittaista vaihtelua polven nivelpintojen eri alueilla nuorten vapaaehtoisten aineistossa. T2-relaksaatioaika oli merkitsevästi pidempi ruston pinnallisessa kuin syvässä kerroksessa kaikilla nivelpintojen alueilla. Lisäksi T2-relaksaatioajassa oli merkittävää normaalia vaihtelua eri alueiden välillä ja tämä tulisi huomioida ruston patologisia muutoksia arvioitaessa. Tutkimuksessa arvioitiin polven ruston T2-relaksaatioajan lyhyen ja pitkän aikavälin toistettavuutta vapaaehtoisaineistossa. Tulokset osoittivat enimmäkseen hyvää toistettavuutta ja huolellisella asettelulla voidaan ruston T2-relaksaatioaika mitata luotettavasti polven nivelpintojen eri alueilla.

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) is a well-established imaging modality for disorders of the musculoskeletal system. The distinguishing advantages of MRI are absence of ionizing radiation, excellent tissue contrast and the ability to use any arbitrary imaging plane. MRI can also be used as a guidance method for various percutaneous procedures. The purpose of this study was to evaluate the feasibility of MRI guidance for musculoskeletal biopsies and therapeutic bone drillings. A 0.23 tesla open configuration MRI scanner with an interventional optical guidance system was used. 172 percutaneous biopsies performed using MRI guidance were reviewed to define the safety and accuracy of the guidance method. The value of fine needle aspiration biopsy (FNAB) as a supplementary diagnostic procedure for core biopsy was also evaluated. The overall diagnostic accuracy of MRI-guided biopsy was 0.95, sensitivity 0.91, and specificity 0.98. The diagnostic accuracy of histological biopsy alone was 0.93, sensitivity 0.89, and specificity 0.98, and accuracy for FNAB alone was 0.85, sensitivity 0.80, and specificity 0.90. MRI guidance was deemed feasible and accurate and fine needle biopsy a useful supplement. The feasibility and safety of MRI-guided retrograde drilling of osteochondritis dissecans of the knee were evaluated by analysing ten procedures. All the lesions were successfully located and reached without complications. All patients experienced pain alleviation and follow-up MRI showed ossification in all. The feasibility and safety of MRI-guided retrograde drilling of osteochondritis dissecans of the talus were assessed by evaluating four procedures. Technical success was achieved in all cases and no complications were reported. All patients experienced some clinical benefit, although the changes in the pathological imaging findings were subtle. The feasibility and safety of MRI-guided core decompression for avascular necrosis of the femoral head were assessed by analysing twelve such procedures. The patients quantified their symptoms before and after the procedure. All procedures were successful without complications. All patients with low-stage disease benefited from the procedure. MRI guidance seems accurate, safe and technically feasible for the therapeutic bone drillings studied. / Tiivistelmä Magneettikuvaus (MK) on vakiintunut tuki- ja liikuntaelimistön sairauksien kuvantamismenetelmä. Sen erityispiirteitä ovat ionisoivan säteilyn puuttuminen, erinomainen kudoskontrasti sekä mahdollisuus saada kuvia mielivaltaisesta leiketasosta. Magneettikuvausta voidaan myös käyttää ohjausmenetelmänä useiden perkutaanisten toimenpiteiden yhteydessä. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli selvittää MK-ohjauksen käyttökelpoisuus tuki- ja liikuntaelimistön neulanäytteenottojen ja hoidollisten luuporausten ohjausmenetelmänä. Tutkimuksessa käytettiin 0.23 teslan avomagneettia, jossa oli lisäksi optinen ohjausjärjestelmä. MK-ohjauksen turvallisuuden ja tarkkuuden selvittämiseksi tutkittiin 172 perkutaanista MK-ohjattua neulanäytteenottoa. Myös paksuneulanäyteen yhteydessä otetun ohutneulanäytteen antama lisäarvo arvioitiin. MK-ohjatun neulanäytteenoton kokonaistarkkuus oli 0.95, herkkyys 0.91 ja spesifisyys 0.98. Pelkän histologisen näytteenoton vastaavat tunnusluvut olivat 0.93, 0.89 ja 0.90 ja pelkän ohutneulanäytteen tunnusluvut olivat 0.85, 0.80 ja 0.90. Magneettikuvaus todettiin käyttökelpoiseksi ja tarkaksi ohjausmenetelmäksi ja ohutneulanäyte hyödylliseksi lisätoimenpiteeksi. MK-ohjauksen turvallisuutta ja soveltuvuutta polven osteokondriitin poraushoitoon arvioitiin kymmenen toimenpiteen perusteella. Kaikkiin kohteisiin osuttiin, eikä komplikaatioita ilmennyt. Kaikkien potilaiden kipu helpottui ja seurantakuvauksissa nähtiin luutumista. MK-ohjauksen turvallisuutta ja soveltuvuutta telaluun osteokondriitin poraushoitoon arvioitiin neljän toimenpiteen perusteella. Toimenpide onnistui teknisesti kaikissa tapauksissa, eikä komplikaatioita esiintynyt. Kaikki potilaat hyötyivät jonkin verran, mutta poikkeava kuvalöydös muuttui vain vähän. MK-ohjatun reisiluun pään avaskulaarisen nekroosin poraushoidon turvallisuutta ja soveltuvuutta arvioitiin kahdentoista toimenpiteen perusteella. Potilaat määrittivät oireensa numeerisesti ennen ja jälkeen toimenpiteen. Kaikki toimenpiteet onnistuivat, eikä komplikaatioita esiintynyt. Toimenpiteestä hyötyivät kaikki potilaat, joilla oli varhaisvaiheen tauti. Magneettikuvaus vaikuttaa tarkalta, turvalliselta ja teknisesti soveltuvalta ohjausmenetelmältä tutkittujen terapeuttisten luuporausten yhteydessä.

Abstract Low back pain (LBP) causes enormous costs to society. Certain magnetic resonance imaging (MRI) findings, including disc degeneration and disc herniation, have been associated with LBP in epidemiologic studies. Even though LBP should be considered a biopsychosocial condition, there is a need to define the possible existence of specific pathological conditions beyond LBP. One of these possible conditions is Modic change (MC). Modic changes are subchondral and vertebral bone marrow changes revealed by MRI. Although their association with LBP has been previously studied, some results remain contradictory, and we need to explore MC more thoroughly and to determine whether they are a feature of intervertebral disc degeneration or whether they exist in isolation. Moreover, it is unknown whether heritability is a contributing factor to MC. This study explored the heritability and morphology of MC and their association with severe, prolonged and disabling LBP. The data consisted of two general population samples, TwinsUK from the United Kingdom (mainly female), and the Hong Kong Disc Degeneration Cohort (HKDDC) from Hong Kong, China. The TwinsUK sample included a longitudinal ten-year follow-up, whereas the HKDDC sample was cross-sectional. The heritability of MC was found to be 30%. Modic changes were associated with other MRI findings such as disc degeneration, disc displacement and Schmorl’s nodes. A greater size of MC increased these associations. Type 1 MC were more strongly associated with disc displacement and disc degeneration than Modic type 2 change. Modic changes appeared to be independently associated with disabling LBP; severe, prolonged LBP; and back-related disability. Posterior MC and MC in the whole antero-posterior (AP) length of the vertebral body were more strongly associated with severe, prolonged LBP than other MC. A greater number and size of MC increased this association. In terms of disc degeneration, MC were independently associated with loss of disc height and disc signal intensity. Incident MC were independently associated with loss of disc height and disc bulge in a ten-year follow-up. Modic changes are heritable, and are associated with severe and disabling LBP. The location, size and number of MC affect the association of MC with other MRI findings, LBP and back-related disability. / Tiivistelmä Alaselkäkivusta aiheutuu valtavat kustannukset yhteiskunnalle. Tietyt magneettikuvauslöydökset, kuten välilevyrappeuma ja välilevytyrä, on yhdistetty alaselkäkipuun epidemiologisissa tutkimuksissa. Alaselkäkipua arvioidaan yleensä biopsykososiaalisen mallin avulla, koska sen syytekijät tunnetaan huonosti. Lannerangan Modic-muutoksia pidetään yhtenä mahdollisena alaselkäkivun syytekijänä. Modic-muutokset ovat rustonalaisia, nikaman luuytimen muutoksia, jotka näkyvät magneettikuvantamisella. Tulokset Modic-muutosten ja alaselkäkivun yhteydestä ovat kuitenkin ristiriitaisia. Modic-muutosten sijainnin, koon ja muodon vaikutus alaselkäkipuun tunnetaan edelleen puutteellisesti. Lisäksi niiden perinnöllisyys on epäselvä. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin Modic-muutosten perinnöllisyyttä ja tarkempaa morfologiaa, kuten sijaintia ja kokoa lannerangassa, sekä selvitettiin niiden yhteyttä haittaavaan ja voimakkaaseen alaselkäkipuun. Tutkimus perustui kahteen väestöperäiseen aineistoon: TwinsUK-kaksosaineistoon (pääosin naisia) Yhdistyneistä kuningaskunnista ja Hong Kong Disc Degeneration -kohorttiin Hongkongista, Kiinasta. TwinsUK-aineisto sisälsi seurantatietoja 10 vuoden ajalta, ja Hongkongin aineisto oli kerätty yhdestä aikapisteestä. Modic-muutosten perinnöllisen osuuden todettiin olevan 30 %. Modic-muutokset olivat yhteydessä muihin magneettikuvauslöydöksiin kuten välilevyrappeumaan, välilevypullistumaan ja Schmorlin keräsiin. Tyypin 1 Modic-muutokset olivat voimakkaammin yhteydessä välilevypullistumiin ja -rappeumaan kuin tyypin 2 muutokset. Modic-muutokset olivat yhteydessä toimintakykyä alentavaan ja voimakkaaseen, pitkittyneeseen alaselkäkipuun. Koko nikaman läpimitan käsittävät ja nikaman takaosassa sijaitsevat muutokset olivat voimakkaammin yhteydessä alaselkäkipuun. Muutosten suurempi koko ja yhteislukumäärä lannerangassa voimistivat sen yhteyttä alaselkäkipuun. Modic-muutokset olivat yhteydessä välilevyn madaltumiseen ja signaali-intensiteetin laskuun. Kymmenen vuoden seuranta-aikana ilmaantuneet Modic-muutokset olivat yhteydessä välilevyn madaltumiseen ja välilevypullistumaan. Modic-muutokset ovat perinnöllisiä ja ne ovat yhteydessä voimakkaaseen sekä toimintakykyä heikentävään alaselkäkipuun. Muutosten tyypin lisäksi niiden sijainti, koko ja lukumäärä tulee huomioida alaselkäkipua arvioitaessa.

Abstract Primary hallmark of osteoarthritis (OA) is the progressive degeneration of articular cartilage. An accurate estimation of cartilage mechanics is important when analyzing the subject-specific function of the knee joint and risks for the onset and development of OA due to cartilage damage. Finite element (FE) modeling can help to estimate peak joint stresses and strains and explain how they could lead to OA. FE models of the knee joint during simplified gait were developed to define the level of material complexity required for 3D FE modeling of the knee joint in estimation of reliable tissue stresses and strains within articular cartilage of the knee joint; and to investigate the predictive value of FE modeling of the knee joint on the development and progression of radiographic OA within obese and normal weight subjects. It was found that maximum principal stresses and strains within articular cartilage in the knee joint during walking are highly sensitive to the material parameters of cartilage. It was not possible to match simultaneously stresses, strains and contact pressures between simplified (non-fibrillar) and advanced (fibrillar) models. Though, it was possible to find parameters for transversely isotropic models that enable the estimation of stresses and strains throughout the depth of cartilage similarly to more advanced fibril reinforced models. Locations of peak cumulative stresses in obese subjects at the baseline without radiographic OA showed a good agreement with the locations of cartilage loss and magnetic resonance imaging (MRI) based scoring in four year follow-up when they had developed OA. Simulated weight loss in obese subjects significantly reduced the highest cumulative stresses in cartilage to the level of normal weight subjects. The cartilage degeneration algorithm was able to predict subject-specific progression of OA similarly with MRI follow-up data and separate subjects with radiographic OA from healthy subjects. The computational FE models developed in this thesis represent useful tools to identify possible risk locations within the knee joint and how they relate to OA onset and progression. The presented methods have clinical potential in the diagnostics of knee joint OA in a subject-specific manner and in simulating the effect of interventions on the progression of OA thus helping with an effective treatment planning. / Tiivistelmä Nivelrikon tunnusomaisin piirre on nivelrustokudoksen rappeutuminen ja kuluminen. Nivelruston tehtävänä on tasata niveliin kohdistuvaa kuormitusta. Rustokudoksen mekaanisten ominaisuuksien määrittäminen on tärkeässä roolissa, kun halutaan arvioida tarkemmin polvinivelen toimintakykyä sekä rustokudoksen rappeutumista. Magneettikuvantamisen pohjalta tehtävä polvinivelen biomekaaninen tietokonemallinnus mahdollistaa rustokudoksen jännitys- ja puristusjakauman arvioinnin simuloidun kuormituksen aikana, mikä edelleen voi antaa vastauksia siihen, kehittyykö niveleen tulevaisuudessa nivelrikko, tai miten tietyn nivelrikkopotilaan sairaus etenee. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli kehittää kolmiulotteisia polvinivelen biomekaanisia tietokonemalleja, joiden perusteella simuloitiin normaalia kävelyä. Polvinivelen kolmiulotteinen geometria luotiin terveiden koehenkilöiden sekä nivelrikkopotilaiden magneettikuvista. Malleilla selvitettiin aluksi, miten monimutkaisena materiaalina nivelrusto tulee mallintaa, jotta mallin ennustama jännitys- ja puristusjakauma on silti realistinen. Tämän jälkeen tutkittiin, miten hyvin tietokonemallinnus ennustaa polvinivelrikon kehittymistä ja etenemistä sekä nivelruston rappeutumista ylipainoisilla potilailla. Tutkimuksessa havaittiin, että tietokonemallin ennustamat jännitys- ja puristusjakaumat nivelrustossa kävelyn aikana riippuvat merkittävästi nivelrustolle valitusta materiaalimallista ja sen parametreista. Tietokonemallien ennustamat nivelruston jännityskeskittymien sekä ruston rappeutumisen sijainnit vastasivat erittäin hyvin nivelrustokudoksen todellisen kulumisen sijainteja magneettikuvasta arvioituna neljän vuoden seuranta-ajan jälkeen. Tietokonemalleilla oli myös mahdollista simuloida painon pudotuksen vaikutusta, jolloin nivelrustokudoksen jännitys- ja puristusjakaumat palautuivat normaalien koehenkilöiden tasolle. Tässä tutkimuksessa kehitetyt polvinivelen tietokonemallit tarjoavat tutkijoille uuden työkalun paikallistaa sellaiset kohdat nivelpinnalta, joissa kuormituksen aiheuttama mekaaninen jännitys on suurta; nämä kohdat ovat kaikista riskialtteimpia nivelrikon kehittymiselle. Kehitettyjä malleja voidaan perustutkimuksen lisäksi jatkokehittää edelleen kohti kliinistä sovellusta, jolloin niitä voitaisiin hyödyntää esimerkiksi simuloitaessa erilaisten hoitojen vaikutusta kuormitusjakaumiin ja rustokudoksen rappeutumiseen.

Abstract Brain activity fluctuations occur in multiple spatial and temporal scales. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has shown that infra slow fluctuations (ISF) of blood oxygen level-dependent signal (BOLD) are organized into well-defined areas called resting state networks (RSN). ISFs have also been detected in full-band EEG (fbEEG) data and in recent years, many have combined these two modalities to enable more accurate measurements of brain fluctuations. In simultaneous EEG-fMRI measurements the ISFs of BOLD signal have been found to be correlated with amplitude envelopes of faster electrophysiological data, suggesting the same underlying neuronal dynamics. Also direct correlations have been found in task related studies but not previously in resting state studies. Understanding the relation between EEG and BOLD signal in resting state might prove beneficial in the research of baseline activity fluctuations of the brain. Functional connectivity (FC) of the RSNs has been found to vary in different tasks and in some diseases, but also in resting state in healthy people. Despite numerous studies, no clear cause for these variations has yet been found. To research these open questions we performed simultaneous fbEEG-fMRI studies. The measurements from both modalities were analyzed with independent component analysis to improve the comparability of these results. Correlation analysis revealed that the EEG ISFs correlate with BOLD signal both temporally and spatially. These correlations showed spatiotemporal variability that was related to the strength of RSN functional connectivity. These results indicate that the ISFs of EEG and BOLD reflect a common source of fluctuations. The understanding of the correlations between ISFs in EEG and fMRI BOLD signals gives basic information of brain dynamics and of the variables that affect it. A better understanding of the background of brain activity helps in the development of more effective treatments for various neurological diseases as the knowledge of the mechanisms behind them grows. The ability to measure RSN activity with EEG more accurately can help in the development of new methods for early diagnosis of diseases. / Tiivistelmä Aivojen toiminta vaihtelee monissa avaruudellisissa ja ajallisissa mittakaavoissa. Toiminnallisissa magneettikuvauksissa (TMK) on havaittu, että veren happipitoisuudesta riippuvan (engl. BOLD) signaalin erittäin hitaat vaihtelut ovat järjestäytyneet hyvin määriteltyihin alueisiin, joita kutsutaan lepotilahermoverkostoiksi. Erittäin hitaita vaihteluita on havaittu myös täysikaistaisesta aivosähkökäyrästä (fbEEG). Viime vuosina nämä kaksi menetelmää on usein yhdistetty tarkemman mittaustuloksen aikaansaamiseksi. Samanaikaisissa EEG-TMK-mittauksissa BOLD signaalin erittäin hitaiden vaihteluiden on huomattu korreloivan nopeampien elektrofysiologisten värähtelyjen amplitudien verhokäyrien kanssa, mikä viittaa samaan perustana olevaan neuraaliseen dynamiikkaan. Myös suoria korrelaatioita on löydetty tehtäviin liittyvissä tutkimuksissa, mutta ei aiemmin lepotilatutkimuksissa. Lepotilan EEG:n ja BOLD-signaalin suhteen ymmärrys voi osoittautua hyödylliseksi aivojen perustilan aktiivisuuden vaihteluiden tutkimisessa. Hermoverkostojen toiminnallisen liittyvyyden on todettu huojuvan tietyissä tehtävissä ja joissain sairauksissa, mutta myös lepotilassa terveillä henkilöillä. Runsaasta tutkimuksesta huolimatta ei liittyvyyden huojunnalle ole vielä löytynyt selkeää aiheuttajaa. Näiden avoimien kysymysten tutkimiseksi suoritimme yhdenaikaisia fbEEG-TMK-mittauksia. Kummankin modaliteetin mittaustuloksia analysoitiin itsenäisten komponenttien analyysillä tulosten vertailtavuuden parantamiseksi. Korrelaatioanalyysit osoittivat, että EEG:n erittäin hitaat vaihtelut korreloivat ajallisesti ja avaruudellisesti TMK:n BOLD-signaalin kanssa. Näissä korrelaatioissa esiintyi sekä paikkaan että aikaan liittyvää huojuntaa, joka oli yhteydessä lepotilahermoverkostojen toiminnallisen liittyvyyden vahvuuteen. Nämä tulokset viittaavat siihen, että samat tekijät tuottavat EEG:n ja TMK:n BOLD-signaalien hitaat vaihtelut. EEG:n ja TMK:n signaalien erittäin hitaiden vaihteluiden välisen korrelaation ymmärtäminen antaa perustason tietoa aivojen toiminnan dynamiikasta sekä siihen vaikuttavista tekijöistä. Parempi ymmärrys aivotoiminnan taustoista auttaa kehittämään tehokkaampia hoitoja neurologisiin sairauksiin, kun tieto mekanismeista niiden takana tarkentuu. Mahdollisuus mitata lepotilahermoverkostojen toimintaa EEG:llä aiempaa tarkemmin voi auttaa kehittämään uusia menetelmiä sairauksien varhaiseen diagnostiikkaan.

Abstract Osteoarthritis (OA) is the commonest joint disease in the world, and it has a major socioeconomic impact. OA causes progressive degenerative changes in the composition and structure of articular cartilage and subchondral bone. Clinical diagnosis of OA is based on physical examination and qualitative evaluation of changes on plain radiographs. Current clinical imaging methods are subjective or insensitive to early OA changes. Therefore, new methods are needed so as to quantify composition of the cartilage and characteristics of the subchondral bone. The aim of this thesis was to evaluate the potential of clinically applicable X-ray-based methods for the assessment of the cartilage proteoglycan content as well as the structure and density of subchondral bone in a knee joint. Subchondral bone density and structure (local binary patterns, Laplacian, and fractal-based algorithms) analysis methods for two-dimensional (2-D) plain radiographs were validated against three-dimensional (3-D) bone microarchitecture obtained from micro-computed tomography ex vivo and applied to plain radiographs in vivo. Furthermore, a method developed for the evaluation of articular cartilage proteoglycan content from computed tomography (CT) was validated against a delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage (dGEMRIC), which is widely used as a proteoglycan sensitive method, in subjects referred for an arthroscopy of the knee joint. Subchondral bone density and structure evaluated from 2-D radiographs were significantly related to the bone volume fraction and true 3-D microarchitecture of bone, respectively. In addition, bone density- and structure-related parameters from radiographs were significantly different among subjects with different stages of OA. Cartilage proteoglycan content evaluated from CT was significantly related to dGEMRIC method. Furthermore, dGEMRIC was associated with bone structure from a 2-D radiograph. In conclusion, analysis of bone structure and density is feasible from clinically available 2-D radiographs. A novel CT method sensitive to proteoglycan content should be considered when a 3-D view of cartilage quality is needed. / Tiivistelmä Nivelrikko on maailman yleisin nivelsairaus. Se aiheuttaa merkittävää kärsimystä potilaille, ja sillä on suuri taloudellinen vaikutus yhteiskuntaan. Nivelrikko aiheuttaa palautumattomia muutoksia nivelrustokudoksen ja rustonalaisen luun koostumukseen ja rakenteeseen. Nivelrikon diagnoosi perustuu kliiniseen tutkimukseen ja röntgenkuvien silmämääräiseen arviointiin. Nykyiset nivelrikon kliiniset kuvantamismenetelmät ovat subjektiivisia eivätkä riittävän tarkkoja nivelrikon varhaisten muutosten osoittamiseen, minkä vuoksi rustokudoksen koostumuksen ja rustonalaisen luun muutosten arviointiin tarvitaan uusia menetelmiä. Tämän väitöskirjantyön tarkoituksena oli tutkia uusien röntgensäteilyyn perustuvien menetelmien soveltuvuutta polvinivelen rustokudoksen proteoglykaanipitoisuuden sekä luun tiheyden ja rakenteen arviointiin. Rustonalaisen luun tiheyttä ja rakennetta arvioitiin digitaalisesta röntgenkuvasta tietokonepohjaisilla menetelmillä ja tuloksia verrattiin mikrotietokonetomografiassa nähtävään luun kolmiulotteiseen rakenteeseen. Röntgenkuvasta laskettavia muuttujia verrattiin myös eriasteisesta nivelrikosta kärsivien henkilöiden välillä. Rustokudoksen proteoglykaanipitoisuutta epäsuorasti mittaavaa tietokonetomografiamenetelmää verrattiin vastaavaan magneettikuvausmenetelmään henkilöillä, jotka olivat menossa polven niveltähystykseen. Röntgenkuvasta laskettu rustonalaisen luun tiheys ja rakenne olivat tilastollisesti selkeästi yhteydessä luun tilavuusmäärään ja mikrorakenteeseen, ja ne erosivat eriasteisesta nivelrikosta kärsivien henkilöiden välillä. Proteoglykaanipitoisuutta arvioivien tietokonetomografia- ja magneettikuvausmenetelmien välillä oli tilastollisesti merkitsevä korrelaatio. Ruston proteoglykaanipitoisuutta arvioivan magneettikuvausmenetelmän ja röntgenkuvasta laskettavan luun rakenteen välillä oli myös tilastollinen yhteys. Loppupäätelmänä voidaan todeta, että luun tiheyttä ja rakennetta on mahdollista arvioida kliinisesti saatavilla olevista röntgenkuvista. Tietokonetomografiamenetelmän käyttöä tulee harkita tutkimuksissa silloin, kun rustokudoksen tilasta halutaan kolmiulotteista tietoa.

Abstract Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is the second most common neurodegenerative disease leading to early-onset dementia with an estimated worldwide prevalence of 10 to 30 cases per 100000 individuals in the age group of 46 to 65 years. Behavioral variant frontotemporal dementia (bvFTD) is the most common FTLD subtype. It is characterized by a progressive deterioration of behavior and personality as well as executive dysfunction. In Finland, almost 50 % of familial FTLD cases are attributable to the C9ORF72 mutation. bvFTD is associated with a characteristic pattern of brain atrophy detectable in structural MRI. However, these changes are typically not visible in the early stages of the disease. Resting-state functional MRI (RS-fMRI) is being increasingly used to evaluate changes in functional connectivity within neuronal networks in the brain but only a few RS-fMRI investigations of bvFTD patients have been published with inconsistent results. The object of this thesis was to investigate functional connectivity changes detected in the salience (SLN) and default mode networks (DMN) in bvFTD. Another aim was to clarify the role of other cognitive resting-state networks in this disease. A cohort of 26 bvFTD patients was studied, with 8 of these patients carrying the C9ORF72 expansion. Connectivity changes were detected in multiple clinically relevant cognitive networks. Decreased functional connectivity was observed in the SLN, which is associated with guiding of behavior. Increased activity was present in the DMN and the dorsal attention network (DAN). In C9ORF72 associated bvFTD, there was an abnormal linkage detected between the DMN and the thalamus. Currently, fMRI is generally used as a research tool and in a group setting. Different study methods have been used in the literature and also in the studies of this thesis, the analysis procedures differed to some extent. The variety of analysis methods may explain the heterogeneity in fMRI findings in bvFTD patients. There is a need for standardization of the fMRI methodology, larger study groups and also in the future the methodology should be improved so that single patient analysis would provide results to allow a confident diagnosis of this disease. / Tiivistelmä Otsa-ohimolohkorappeuma (Frontotemporal lobar degeneration, FTLD) on toiseksi yleisin etenevä dementiaan johtava sairaus, joka ilmaantuu usein jo työikäisenä. Otsalohkodementia on otsa-ohimolohkorappeuman yleisin alamuoto, jonka oireisto painottuu persoonan ja käyttäytymisen muutoksiin sekä toiminnan ohjauksen ongelmiin. Suomessa C9ORF72-toistojaksomutaatio selittää lähes 50 % perinnöllisistä otsa-ohimolohkorappeumista. Aivojen rakenteellisella magneettikuvauksella (MK) voidaan havaita rakenteellisia muutoksia, jotka ilmaantuvat kuitenkin vasta taudin edettyä vaikeampaan vaiheeseen. Aivojen lepotilan toiminnallinen magneettikuvaus (TMK) mahdollistaa aivojen hermoverkkojen toiminnan eli konnektiviteetin kartoituksen. Aiemmin TMK:a on tutkittu esim. Alzheimerin taudissa. Otsalohkodementiassa TMK:sta on julkaistu ainoastaan yksittäisiä tutkimuksia ja tulokset ovat olleet osin ristiriitaisia. Väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena on ollut selvittää valve-lepotilan hermoverkossa ja olennaisen tunnistavassa hermoverkossa tapahtuvia muutoksia otsalohkodementiaa sairastavilla potilailla. Toisena tavoitteena on ollut tutkia muissa kognitiivisissa hermoverkoissa tapahtuvia muutoksia. Otsalohkodementiaa sairastaville potilaille (n= 26) sekä ikä- ja sukupuolivakioiduille kontrolleille on tehty kliininen tutkimus ja rakenteellinen sekä toiminnallinen aivojen magneettikuvaus. Kahdeksalla potilaalla todettiin C9ORF72-toistojaksomutaatio. Useiden kognitiivisten hermoverkkojen toiminnassa havaittiin muutoksia, jotka korreloivat potilaiden kliinisiin oireisiin. Alentunutta konnektiviteettia todettiin olennaisen tunnistavassa hermoverkossa, joka osallistuu käyttäytymisen säätelyyn. Lisääntynyttä konnektiviteettia esiintyi valve-lepotilan hermoverkossa ja tarkkaavaisuus hermoverkossa. Potilailla, joilla on C9ORF72-mutaatio, havaittiin epänormaali yhteys valve-lepotilan hermoverkon ja talamuksen välillä. TMK:ta käytetään tällä hetkellä lähinnä tutkimustyökaluna. Analyysityökaluissa on ollut vaihtelevuutta eri julkaisuissa ja osin myös tämän väitöskirjan osatöissä. Julkaistut TMK-löydökset otsalohkodementiassa ovat osin ristiriitaisia ja se saattaa selittyä erilaisilla analyysimenetelmillä. Metodologiaa tulisi standardisoida ja lisäksi tarvitaan suurempia potilasryhmiä ja menetelmien kehittämistä, jotta TMK:n käyttö yksilötason kliinisessä diagnostiikassa olisi jatkossa mahdollista.

Abstract The purpose of the present work was to investigate whether children with non-lesional temporal lobe epilepsy (TLE) have deficits in neuropsychological performance and whether the possible deficits can be investigated using functional magnetic resonance imaging (fMRI). In this population-based study, 21 children aged 8-15 with non-lesional TLE and a normal intelligence quotient were evaluated and compared with 21 healthy, age- and gender-matched controls. Neuropsychological assessments, clinical examinations, electroencephalography (EEG) and structural and functional MRI were performed on all the subjects. Three fMRI methods were used: resting-state regional homogeneity, resting-state functional connectivity and task-induced blood oxygenation level-dependent activation. The patients with non-lesional TLE showed good neuropsychological performance on average, although the girls were found to have significant problems in several neuropsychological tests. The deficits were not restricted to elements of performance involving the classical temporal lobe memory system but were also found in tests requiring frontal and parietal lobe functioning. Early onset of epilepsy and duration of epilepsy had significant negative effects on neuropsychological performance. All the fMRI methods detected significant functional differences between the TLE patients and the healthy controls, not only in the temporal lobes but also in broad networks extending to the frontal, parietal and thalamic areas. These differences seemed to differ markedly in location between the TLE patients depending on the interictal EEG findings. Neuropsychological performance results were supported by the fMRI findings, implying that TLE should be regarded as a widespread disruption of the brain networks and not just malfunction of a single region in the brain within these networks. This needs to be taken into consideration when evaluating learning abilities among TLE patients even at an early stage in epilepsy. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää onko lapsilla, jotka sairastavat tuntemattomasta syystä aiheutuvaa ohimolohkoepilepsiaa, neuropsykologisia ongelmia ja aiheuttavatko mahdolliset ongelmat aivojen toiminnallisessa magneettikuvauksessa nähtäviä muutoksia. Tähän väestöpohjaiseen tutkimukseen otettiin 21 tuntemattomasta syystä ohimolohkoepilepsiaa sairastavaa normaaliälyistä 8-15-vuotiaista lasta ja verrattiin heitä 21 terveeseen, ikä- ja sukupuolivakioituun kontrollihenkilöön. Kaikille tutkimukseen osallistuneille tehtiin neuropsykologinen tutkimus, kliininen tutkimus, aivosähkökäyrä sekä rakenteellinen ja toiminnallinen aivojen magneettikuvaus. Toiminnallisessa magneettikuvauksessa käytettiin veren happipitoisuudesta riippuvaista (engl. blood oxygenation level-dependent) kontrastia kuvantamaan levossa aivojen paikallista homogeniteettia (engl. regional homogeneity) ja toiminnallista kytkennällisyyttä (engl. functional connectivity) sekä kognitiivisten tehtävien herättämiä aktivaatio-vasteita. Tuntemattomasta syystä ohimolohkoepilepsiaa sairastavien lasten neuropsykologinen suoriutuminen oli keskimäärin hyvää, vaikkakin tytöillä oli nähtävillä tilastollisesti merkitseviä ongelmia useissa eri testeissä. Ongelmat eivät rajoittuneet pelkästään klassisiin ohimolohkoalueen muistitoimintoihin, vaan niitä havaittiin myös otsa- ja päälakilohkojen toimintoja edellyttävissä testeissä. Varhainen sairastumisikä ja epilepsian kesto heikensivät suoriutumista tilastollisesti merkitsevästi osatesteissä, joissa tarvittiin näönvaraisen hahmottamisen taitoja, psykomotorista nopeutta ja työmuistia. Ohimolohkoepilepsiaa sairastavien ja terveiden kontrollien aivoissa löydettiin toiminnallisia eroja kaikilla toiminnallisen magneettikuvauksen menetelmillä. Eroja ei todettu ainoastaan ohimolohkoissa, vaan niitä löytyi myös otsa- ja päälakilohkoon sekä tyvitumakealueelle ylettyvissä laaja-alaisissa hermoverkostoissa. Epilepsiapotilailla erojen paikantuminen riippui kohtaustenvälisestä aivosähkökäyrälöydöksestä. Neuropsykologisen suoriutumisen tulokset tukevat toiminnallisen magneettikuvauksen löydöksiä kuvastaen temporaaliepilepsian olevan laaja-alainen hermoverkostojen häiriö eikä pelkästään tietyn aivoalueen toiminnan häiriö. Tämä tulee huomioida arvioitaessa ohimolohkoepilepsiaa sairastavien lasten oppimiskykyä jo epilepsian alkuvaiheessa.