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 Osteoarthritis (OA) is a heterogenic joint disease significantly affecting the quality of life of a patient, causing pain and disability. OA causes degenerative changes to the structure and composition of articular cartilage and subchondral bone. Currently, effective treatments for OA are limited, partly due to limitations in defining the imaging biomarkers of early OA. Improvement of imaging modalities in OA research and clinical setup is a requirement for quantitating early OA-related tissue features. In the clinical and preclinical setup, computed tomography (CT) enables imaging of bone and, using specific contrast agents, articular cartilage. The aim of this study is to create and validate novel micro-computed tomography (μCT) methods to quantify OA-related features and modifications in articular cartilage and subchondral bone. Contrast-enhanced μCT methods for imaging the collagen (phosphotungstic acid (PTA) and phosphomolybdic acid (PMA)) and GAG (CA4+) content of the articular cartilage in vitro were validated against various reference methods measuring the biochemical composition of articular cartilage. To improve the μCT imaging of subchondral bone, grey-level co-occurrence matrix (GLCM) based analysis of sub-resolution features of subchondral bone was introduced. In addition, to test the translatability of the GLCM-based analysis to clinical resolution, sub-resolution features extracted from clinical cone-beam CT were validated against the subchondral bone morphometrics from the μCT. PTA showed stronger association with the collagen content of the articular cartilage compared to PMA. PTA was also associated with collagen content even in degraded articular cartilage. CA4+ distribution was found to accumulate in chondrons and surrounding areas, suggesting that it is a prominent contrast agent for high-resolution μCT studies of chondrocytes. The GLCM-based analysis of subchondral bone provided information on cellular structure from μCT images and trabecular bone micro-structures from clinical CT images. In conclusion, μCT imaging can provide quantitative information on the collagen content and chondrons of articular cartilage, as well as on osteocytes in subchondral bone. The methods presented here extend the tools for researchers to quantify osteochondral tissue modifications in OA. Furthermore, the developed image processing tools could be translatable to the clinical CT. / Tiivistelmä Nivelrikko on heterogeeninen niveltauti, joka huonontaa yksilön elämän laatua aiheuttaen kipua ja liikuntakyvyttömyyttä. Nivelrikko aiheuttaa nivelkudosten rappeumaa vaikuttaen mm. ruston ja rustonalaisen luun rakenteeseen ja koostumukseen. Nivelrikon kudosmuutosten kuvantamisen kehittäminen ja määrällinen tutkiminen taudin alkuvaiheissa tukisivat nykyisten nivelrikon hoitomenetelmien kehittämistä. Kliinisessä käytössä ja perustutkimuksessa, tietokonetomografia (TT) mahdollistaa luukuvantamisen ja varjoaineita käytettäessä myös rustokuvantamisen. Tämän väitöskirjan tavoitteena on esitellä ja validoida uusia mikrotietokonetomografia-menetelmiä (μTT) nivelrikon rusto- ja luumuutosten määrälliseen tutkimukseen. Varjoaineavusteisia μTT in vitro menetelmiä ruston kollageenin (fosfovolframihappoa (PTA) ja fosfomolybdeenihappoa (PMA)) ja GAG (CA4+) jakauman määrälliseen tutkimukseen validoitiin useilla eri ruston biokemiallista koostumusta mittaavilla vertailumenetelmillä. Rustonalaisen luun kuvantamista kehitettiin soveltamalla harmaasävyjen tekstuurianalyysiä, jolla pyrittiin tunnistamaan kuva-alkiota pienempiä luurakenteita. Rustonalaisen luun μTT-kuvien analyysien tulokset validoitiin synkrotronisäteilyyn perustuvan μTT:n avulla. Lisäksi tekstuurianalyysin soveltuvuutta testattiin kliinisen resoluution kartiokeilan TT-kuville. Kuvista analysoituja tekstuuriparametrejä verrattiin μTT:lla mitattuun todelliseen rustonalaisen luun rakenteeseen. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että PTA on spesifimpi kollageenille testatuista varjoaineista ja sen jakauma on verrannollinen kollageenijakaumaan jopa rappeutuneessa nivelrustossa. GAG-spesifisen varjoaineen CA4+:n todettiin kerääntyvän myös kondroneihin, mikä viittaa siihen, että kyseinen varjoaine soveltuisi potentiaalisesti rustosolujen korkean resoluution μTT-tutkimuksiin. Rustonalaisen luun μTT-kuvista analysoitujen tekstuuriparametrien havaittiin olevan verrannollisia osteosyyttien tilavuusfraktion kanssa. Väitöskirjassa esitettyjen tulosten perusteella μTT-kuvantaminen tarjoaa kvantitatiivisen menetelmän nivelruston kollageenijakauman ja rustosolujen sekä rustonalaisen luun osteosyyttien tutkimuksiin. Väitöskirjassa esitetyt menetelmät laajentavat jo olemassa olevaa tutkimusmenetelmien kirjoa nivelrikon aiheuttamien nivelrusto- ja luumuutosten tutkimuksessa. Lisäksi kehitetyt kuva-analyysimenetelmät voivat tarjota tarkempaa tietoa kliinisestä TT:sta.

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 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 Osteoarthritis (OA) is a common degenerative disease of synovial joints becoming more frequent with age. Pain, stiffness and functional disability caused by OA negatively affect the quality of individuals’ lives. In order to prevent the manifestation of symptoms and further OA progress, early diagnosis is essential. Ultrasonography has the potential to detect various abnormalities in the knee joint, however its place in clinical practice remains uncertain. The present study aimed to determine the diagnostic performance of the semi-quantitative wide-area ultrasound (US) scanning of knee femoral cartilage degeneration, osteophytes and meniscal extrusion using magnetic resonance imaging as the reference tool. Diagnostic ability of conventional radiography (CR) was also determined and the performances of both modalities compared. Subsequently, the association of structural US findings with knee pain and function was investigated. Finally, quantitative US image analysis focusing on detection and evaluation of subchondral bone integrity in early OA was developed. The US quantitative outcomes were compared with CR and arthroscopy. Tibio-femoral osteophytes, medial meniscal extrusion and medial femoral cartilage morphological degeneration were identified by US with better or at least comparable accuracy than by CR, in which joint space narrowing was used as a composite measure of cartilage damage and meniscal extrusion. The global femoral cartilage grade associated strongly with increased pain and disability. Site-specifically, especially medial cartilage degeneration and femoral lateral osteophytes were associated with increased pain and disability. Regarding the quantitative outcomes, significant increase in US intensity in the femoral subchondral bone depth 0.35–0.7 mm and decrease in intensity slope up to 0.7 mm depth were observed during radiographic or arthroscopic OA progression. Novel wide-area US scanning provides relevant additional diagnostic information on tissue-specific OA pathology not depicted by CR. US-detected changes of femoral cartilage and osteophytes are also associated with clinical symptoms. Consequently, the use of US as a complementary imaging tool along with CR may enable more accurate diagnostics of knee OA. Furthermore, developed quantitative US analysis is a promising tool for detection of femoral subchondral bone changes in knee OA. / Tiivistelmä Nivelrikko on erittäin yleinen nivelten rappeumasairaus, joka aiheuttaa kipua, jäykkyyttä sekä liikkumisvaikeutta. Nivelrikon nykyistä varhaisempi diagnosointi olisi äärimmäisen tärkeää, jotta voitaisiin vähentää oireiden esiintymistä ja hidastaa sairauden etenemistä. Ultraäänikuvaus on lupaava menetelmä nivelrikon varhaisdiagnostiikkaan, mutta sitä ei kuitenkaan ole vielä yleisesti hyväksytty rutiininomaiseen kliiniseen käyttöön. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli selvittää polven semi-kvantitatiivisen ultraäänikuvauksen diagnostista kykyä verrattuna perinteiseen röntgenkuvaukseen, kun arvioidaan rustokudoksen kulumista, luupiikkejä sekä nivelkierukan siirtymää. Magneettikuvausta käytettiin vertailumenetelmänä. Toisena tavoitteena oli selvittää yhteyttä polven ultraäänilöydösten ja polven kivun sekä liikkuvuuden välillä. Lopuksi selvitettiin, voidaanko kvantitatiivisella analyysilla parantaa ultraäänikuvauksen tarkkuutta varhaisvaiheen nivelrikkopotilaiden rustonalaisen luun kunnon määrittämiseen. Röntgenkuvaukseen verrattuna ultraäänikuvaus osoittautui vähintään yhtä hyväksi tai paremmaksi kuvantamismenetelmäksi, kun arvioitiin reisi- ja sääriluun luupiikkejä, sisemmän nivelkierukan siirtymää tai rustokudoksen kulumista. Reisiluun nivelruston yleinen kulumisen aste oli suoraan verrannollinen potilaiden polvinivelen liikerajoituksiin ja kipuun. Erityisesti reisiluun sisemmän puolen nivelruston kuluminen sekä ulomman puolen luupiikit liittyivät potilaiden oireisiin. Kvantitatiiviset ultraäänitulokset osoittivat, että ultraäänen rusto-luurajapinnalta tulevan heijastuksen maksimi-intensiteetti lisääntyi sekä intensiteetin tason laskunopeus vähentyi nivelrikon vaikeusasteen kasvaessa. Tutkimus osoitti, että ultraäänikuvauksella voidaan saada tärkeää diagnostista lisätietoa polven nivelrikon aiheuttamista kudosmuutoksista, joita ei pystytä havaitsemaan perinteisellä röntgenkuvauksella. Ultraäänikuvauksessa näkyvät kudosmuutokset liittyvät myös potilaan kliinisiin oireisiin. Lisäksi rustonalaista luuta voidaan analysoida kvantitatiivisesti ultraäänikuvien perusteella, mikä edelleen helpottaa kuvien tulkintaa. Tutkimuksen perusteella voidaankin suositella ultraäänikuvauksen nykyistä laajempaa kliinistä käyttöä röntgenkuvausta täydentävänä tutkimusmenetelmänä nivelrikon varhaisdiagnostiikassa.

Abstract Osteoarthritis is a common joint disease in the adult population characterized by degeneration and limited repair capability of articular cartilage. Cartilage degeneration is also associated with remodeling and sclerosis of the subchondral bone. The relative contributions of these processes are not fully understood partly because of a lack of proper biomarkers for the diagnosis and follow-up of the disease progress. Current diagnostic methods are too insensitive or subjective for reliable and early diagnosis of osteoarthritis. Novel magnetic resonance imaging (MRI) techniques can be used for indirect assessment of cartilage constituents. In addition, the imaging of the subchondral bone and osteochondral junction has become feasible, which has been very difficult with conventional MRI methods due to the very fast signal (T2) decay in those tissues. Quantitative MRI of cartilage involves measurement of relaxation time parameters (T1, T2, T1ρ, T2ρ, TRAFF, T1sat) and investigation of how the parameters reflect the properties of the cartilage. SWIFT (Sweep imaging with Fourier transform) is an MRI technique capable of imaging short T2 structures, enabling assessment of the osteochondral junction as well as the subchondral bone. The aim of this work was to investigate osteoarthritic changes occurring in articular cartilage and subchondral bone in experimental animal models of osteoarthritis and degenerated human specimens with quantitative MRI measurements and SWIFT imaging at 9.4 T. Moreover, the feasibility of the different quantitative MRI techniques in the assessment of osteoarthritic changes was studied. For reference, biomechanical, quantitative and qualitative histology, biochemical and micro-computed tomography measurements were conducted. Novel adiabatic T1ρ and T2ρ relaxation time parameters were more sensitive than conventional methods (T1, T2) or continuous wave T1ρ to both early degenerative changes in a rabbit model of cartilage degeneration and to spontaneous degeneration of human cartilage. SWIFT enabled assessment of the structural properties of the subchondral bone. Moreover, signal changes related to the degree of osteoarthritis were detected at the cartilage–bone interface with SWIFT. These methods may provide new tools for improving the diagnosis of early osteoarthritis. Further studies are needed to investigate the clinical feasibility of these MRI techniques. / Tiivistelmä Nivelrikko on yleinen nivelsairaus, johon ei tällä hetkellä ole parannuskeinoa. Nivelrikossa nivelrusto rappeutuu asteittain aiheuttaen lopulta kudoksen tuhoutumisen; samanaikaisesti myös rustonalaisessa luussa sekä rusto–luurajapinnassa tapahtuu muutoksia. Nivelrustokudoksen uusiutumiskyky on erittäin heikko, joten vauriot olisi hyvä havaita varhaisessa vaiheessa. Nivelrikon syntymekanismeja ei kuitenkaan vielä täysin ymmärretä, koska nykyiset seurantamenetelmät eivät ole riittävän tarkkoja taudin etenemisen tarkkailemiseksi. Magneettikuvausteknologian kehitys mahdollistaa kuitenkin nivelruston koostumuksen tarkastelun nivelen ulkopuolelta. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen avulla (T1, T2, T1ρ, T2ρ, TRAFF, T1sat relaksaatioaikaparametrit) voidaan mitata epäsuorasti nivelruston koostumusta ja rakennetta. SWIFT (Sweep Imaging with Fourier Transform) on uusi lyhyen kaikuajan magneettikuvausmenetelmä, joka mahdollistaa myös erittäin lyhyen T2-relaksaatioajan omaavien kudosten, kuten rusto–luurajapinnan sekä rustonalaisen luun kuvaamisen. Työssä tutkittiin nivelrikossa syntyviä muutoksia nivelrustossa, rusto–luurajapinnassa ja rustonalaisessa luussa erilaisissa eläinmalleissa sekä ihmiskudoksessa. Lisäksi työssä tarkasteltiin eri magneettikuvaustekniikoiden herkkyyttä havaita muutokset näissä kudoksissa. Nivelruston ja rustonalaisen luun ominaisuuksien määrittelemiseen käytettiin verrokkimenetelminä biomekaanisia, histologisia sekä biokemiallisia mittauksia ja tietokonetomografiakuvauksia. Kvantitatiivisista magneettikuvausparametreista adiabaattinen T1ρ sekä adiabaattinen T2ρ osoittautuivat herkimmiksi havaitsemaan muutoksia varhaisen nivelrikon eläinmallissa sekä ihmiskudosnäytteissä. SWIFT-magneettikuvaustekniikka puolestaan mahdollisti sekä rustonalaisen luukudoksen tilan arvioinnin että nivelrikossa tapahtuvien muutosten havainnoinnin rusto–luurajapinnassa. Nämä menetelmät voivat mahdollistaa nivelrikon diagnosoinnin taudin varhaisessa vaiheessa, mutta lisätutkimuksia vaaditaan menetelmien soveltuvuudesta kliiniseen käyttöön.