Background: Fresh osteochondral allograft (OCA) transplantation represents a biologic restoration technique as an alternative treatment option for larger osteochondral lesions of the talus (OLT). The purpose of this study was to evaluate midterm outcomes after OCA transplantation for the treatment of OLT. Methods: Nineteen patients (20 ankles) received partial unipolar OCA transplant for symptomatic OLT between January 1998 and October 2014. The mean age was 34.7 years, and 53% were male. The average graft size was 3.8 cm2. All patients had a minimum follow-up of 2 years. Outcomes included the American Academy of Orthopaedic Surgeons Foot and Ankle Module (AAOS-FAM), the Olerud-Molander Ankle Score (OMAS), and pain and satisfaction questionnaires. Failure of OCA was defined as conversion to arthrodesis or revision OCA transplantation. Results: Five of 20 ankles (25%) required further surgery, of which 3 (5%) were considered OCA failures (2 arthrodesis and 1 OCA revision). The mean time to failure was 3.5 (range, 0.9 to 6.7) years. Survivorship was 88.7% at 5 years and 81.3% at 10 years. The median follow-up of the 17 patients with grafts in situ was 9.7 years. The mean OMAS improved significantly from 40 points preoperatively to 71 points postoperatively (P < .05; range, 5 to 55). The mean postoperative AAOS-FAM core score was 81.5 ± 15 (range, 40.5 to 96.6). Fifteen of 17 patients responded to follow-up questions regarding their ankle; 14 patients reported less pain and better function, and 13 patients were satisfied with the results of the procedure. Conclusion: Our study of midterm results after OCA transplantations showed that this procedure was a reasonable treatment option for large OLT. Level of Evidence: Level IV, case series.

京都大学 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13636号 / 論医博第2327号 / 新制||医||1074(附属図書館) / (主査)教授 川上 浩司, 教授 森本 尚樹, 教授 安達 泰治 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Walking without pain in the toe has a significant impact on a person’s well-being. Human mobility will be impaired in osteoarthritis of the big toe, and pain will occur during walking. By replacing the cartilage or bone injury with an individualised implant, osteochondral injuries to the knee and ankle can be treated. One company that develops and produces these implants together with associated surgical instruments is called Episurf Medical AB. The company can evaluate a lesion and design the individual implant with its associated instrument based on magnetic resonance imaging or computed tomography images. Episurf currently has a production of implants with associated surgical instruments for the knee and ankle but wants to expand further to implants for the metatarsophalangeal joint (MTP joint), commonly named the big toe joint. In order to perform the work process and create the implant and the surgical instruments, Episurf needs qualitative images taken with MRI or CT. Episurf has specific protocols for CT and MRI for imaging the knee and ankle, but no protocol exists yet for the MTP. In this project, CT and MRI have been used to scan the MTP, where various parameters such as foot position, image plane, slice thickness, slice increment and FOV were tested. For CT, different tube currents and tube voltages and their effect on image quality was also tested. In MRI, different sorts of sequences to use when taking pictures of MTP were evaluated. In addition to CT, a scan was also performed with cone-beam computed tomography(CBCT) to see if it could be an additional imaging modality. When evaluating the images for all imaging modalities, Signal to Noise Ratio(SNR), spatial resolution and contrast were considered. For CT, the radiation was evaluated against image quality, and for MRI, the time aspect was evaluated. For images taken with a CT, the parameter setting for the slice thickness should be 0.5-0.8 mm, and the slice increment should be 50% of the slice thickness. As the foot is not a radiation-sensitive region, the radiation can be high. Since the radiation is recommended to be high and the only critical area to evaluate is the big toe, it is enough to include only the forefoot. Finally, the patient’s foot should be in the standing position to have the best possible evaluation opportunities. MRI needs additional tests to find the best relationship between time, SNR, slice increment and slice thickness. More tests also need to be performed for CBCT, where its technology is examined to create an acceptable segmented 3D model, as it was difficult in this project. / Att kunna gå utan smärta i tån har en stor påverkar för en människas välmående. Vid osteorarithis i stortån kommer människans rörlighet att försämras och smärta uppstår vid gången. För att behandla osteokondrala skador för knä och ankeln ersätts skador på brosket eller benet med ett individanpassat implantat. Ett företag som utvecklar och producerar dessa implantat ihop med tillhörande kirurgiska instrument heter Episurf Medical. Baserat på bilder tagna av en MRI eller en CT kan företaget utvärdera en skada och designa det individanpassande implantat med dess tillhörande instrument. Episurf har idag en produktion av implantat med tillhörande kirurgiska instrument för knät och ankeln men har nu velat expandera vidare till implantat för metatarsalphalangen-leden(MTP joint), stortåleden. För att kunna utföra arbetsprocessen och skapa implantatet och de kirurgiska instrumenten behöver Episurf kvalitativa bilder tagna med magnetiskresonanstomografi(MRI) eller datortomografi(CT). För knä och ankeln finns det specifika protokoll för de olika maskinerna skapade för avbildning av knä och ankel, men ännu existerar det inget för MTP. I detta projekt har CT och MRI använts vid skanningar av MTP, där olika parametrar som fotposition, bildplan, snittjockleken och snittöverlapp testas. För CT testades även olika rörström och rörspänning och deras påverkan på bild-kvalitén. Inom MRI utvärderas vilka typer av sekvenser som ska användas när bilder av MTP tas. Förutom CT gjordes även en skanning med kon-datortomografi(CBCT)för att se om den kunde vara en ytterligare avbildnings modalitet. Vid utvärdering avbilderna för alla avbildningsmodaliteter togs Signal to noise ratio, spatiell upplösning och kontrast i beaktande. För CT utvärderades strålningen gentemot bildkvalitet och för MRI utvärderades tidsaspekten. För bilder tagna med en CT bör parameter inställningen för snittjockleken vara 0.5-0.8 mm och snittöverlappet vara 50% av snittjockleken. Då foten inte är en strålkänslig region bör strålningen vara hög. Eftersom strålningen rekommenderas vara hög och det enda intressanta området att utvärdera är stortåbenet, räcker det med att endast inkludera framfoten. Slutligen bör patientens fot vara i stående position för att få så bra utvärderings möjligheter som möjligt. För MRI behöver ytterligare tester för att finna den bästa relationen mellan tid, SNR och snitt tjocklek. Fler tester behöver också utföras för CBCT där dess teknik undersöks, detta för att kunna skapa bra bilder att 3D-segmentera då det var svårt i detta projekt.

The structure of the ankle joint complex creates an ideal balance between mobility and stability, which enables gait. If a lesion emerges in the ankle joint complex, the anatomical structure is altered, which may disturb mobility and stability and cause intense pain. A lesion in the articular cartilage on the talus bone, or a lesion in the subchondral bone of the talar dome, is referred to as an Osteochondral Lesion of the Talus (OLT). Replacing the damaged cartilage or bone with an implant is one of the methods that can be applied to treat OLTs. Episurf Medical develops and produces patient-specific implants (Episealers) along with the necessary associated surgical instruments by, inter alia, creating a corresponding 3D model of the ankle (talus, tibial, and fibula bones) based on either a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scan or a Computed Tomography (CT) scan. Presently, the3D models based on MRI scans can be created automatically, but the 3Dmodels based on CT scans must be created manually, which can be very time-demanding. In this thesis project, a U-net based Convolutional Neural Network (CNN) was trained to automatically segment 3D models of ankles based on CT images. Furthermore, in order to optimize the quality of the incoming CT images, this thesis project also consisted of an evaluation of the specified parameters in the Episurf CT talus protocol that is being sent out to the clinics. The performance of the CNN was evaluated using the Dice Coefficient (DC) with five-fold cross-validation. The CNN achieved a mean DC of 0.978±0.009 for the talus bone, 0.779±0.174 for the tibial bone, and 0.938±0.091 for the fibula bone. The values for the talus and fibula bones were satisfactory and comparable to results presented in previous researches; however, due to background artefacts in the images, the DC achieved by the network for the segmentation of the tibial bone was lower than the results presented in previous researches. To correct this, a noise-reducing filter will be implemented. / Fotledens komplexa anatomi ger upphov till en ideal balans mellan rörlighetoch stabilitet, vilket i sin tur möjliggör gång. Fotledens anatomi förändras när en skada uppstår, vilket kan påverka rörligheten och stabiliteten samt orsaka intensiv smärta. En skada i talusbenets ledbrosk eller i det subkondrala benet på talusdomen benämns som en Osteochondral Lesion of the Talus(OLT). En metod att behandla OLTs är att ersätta den del brosk eller bensom är skadat med ett implantat. Episurf Medical utvecklar och producerar individanpassade implantat (Episealers) och tillhörande nödvändiga kirurgiska instrument genom att, bland annat, skapa en motsvarande 3D-modell av fotleden (talus-, tibia- och fibula-benen) baserat på en skanning med antingen magnetisk resonanstomografi (MRI) eller datortomografi (CT). I dagsläget kan de 3D-modeller som baseras på MRI-skanningar skapas automatiskt, medan de 3D-modeller som baseras på CT-skanningar måste skapas manuellt - det senare ofta tidskrävande. I detta examensarbete har ett U-net-baserat Convolutional Neuralt Nätverk (CNN) tränats för att automatiskt kunna segmentera 3D-modeller av fotleder baserat på CT-bilder. Vidare har de speciferade parametrarna i Episurfs CT-protokoll för fotleden som skickas ut till klinikerna utvärderats, detta för att optimera bildkvaliteten på de CT-bilder som används för implantatspositionering och design. Det tränade nätverkets prestanda utvärderades med hjälp av Dicekoefficienten (DC) med en fem-delad korsvalidering. Nätverket åstadkom engenomsnittlig DC på 0.978±0.009 för talusbenet, 0.779±0.174 för tibiabenet, och 0.938±0.091 för fibulabenet. Värdena för talus och fibula var adekvata och jämförbara med resultaten presenterade i tidigare forskning. På grund av bakgrundsartefakter i bilderna blev den DC som nätverket åstadkom för sin segmentering av tibiabenet lägre än tidigiare forskningsresultat. För att korrigera för bakgrundsartefakterna kommer ett brusreduceringsfilter implementeras

Knorpeldefekte des Kniegelenks zeichnen sich durch eine sehr begrenzte spontane Heilungstendenz aus und führen im Verlauf häufig zur Arthrose. Trotz intensiver Forschungsbemühungen konnte bisher keine neue Therapieoption eine zufrieden-stellende Alternative zu den bisherigen Therapien hervorbringen. Eine ACI in Kombination mit einem künstlich hergestellten Knorpel-Knochen-Ersatzmaterial scheint jedoch großes Potential für die Therapie von Knorpel-Knochen-Schäden zu besitzen. Im vorliegenden Langzeittierversuch mit Kaninchen wurde eine einzeitige ACI mit einem biphasischen Ersatzmaterial (TruFit®) und platelet-rich-plasma (PRP) kombiniert. Zu diesem Zweck wurde in der medialen Femurkondyle ein critical-size-Defekt mit einem Durchmesser von 4,5 mm gesetzt. In der ersten Versuchsgruppe blieb der Defekt unbehandelt (Leer). Bei der zweiten Gruppe wurde die Defekthöhle mit einem TruFit®-Zylinder aufgefüllt (TFP). Gruppe drei erhielt zusätzlich PRP (TFP+PRP) und Gruppe vier wurde darüber hinaus mit einer einzeitigen ACI kombiniert (TFP+PRP+C), bei der Chondrozyten mit Hilfe eines speziellen Kollagenase-Schnellverdaus isoliert werden konnten. Die Auswertung der Knorpel-Knochen-Regeneration erfolgte nach 12 Monaten durch eine Mikroradiographie, eine intravitale Fluoreszenzmarkierung des Knochens und durch Toluidinblau-O- und Safranin-O-Färbungen. Verwendet wurden die Scores nach Wakitani und O’Driscoll. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine TruFit®-Therapie die Knochenregeneration positiv beeinflussen kann. Die Zugabe von PRP bewirkte die Bildung von zahlreichen dünnen Trabekeln mit einer erhöhten Anzahl trabekulärer Verbindungen, allerdings auch eine schlechtere Rekonvaleszenz der subchondralen Knochenschicht. Bezüglich der Knorpelheilung schnitt die Gruppe TFP+PRP+C am besten ab, wobei die Unterschiede nicht signifikant waren. Insgesamt zeigten alle Versuchsgruppen eine unzureichende osteochondrale Regeneration, so dass für die Therapie am Menschen zunächst weitere Studien nötig sind, die sowohl ossär als auch chondral eine verbesserte Heilungspotenz demonstrieren können. Bisher fehlen groß angelegte Studien um Therapieempfehlungen bezüglich des Ersatzmaterials, der genauen Durchführung der einzeitigen ACI und Zusätzen wie Wachstumsfaktoren zu machen.