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 (OA) is a common chronic condition that reduces the quality of life of millions of individuals worldwilde. In OA, the progressive degradation of articular cartilage (AC) and bone can cause joint pain and disability. Currently there is no effective treatment available for OA besides gross joint replacement surgery. This is largely due to the lack of accurate biomarkers to test potential drugs and treatments that could stop or reverse the disease progression. The primary tools in use for OA diagnostics are inadequate in the early stage of the disease and merely allow its late manifestations to be visualized. Quantitative MRI (qMRI) has demonstrated the ability to distinguish degenerated from intact AC prior to radiographic changes. Moreover, so-colled rotating frame relaxation time parameters are sensitive to the slow molecular motion domain, relevant for clinical applications. T1ρ and T2ρ relaxation time measurements using adiabatic spin-lock pulses (AdT1ρ and AdT2ρ) have shown superior sensitivity to cartilage degeneration in vitro over conventional qMRI parameters. This thesis aimed to compare the differences that exist between established qMRI methods for AC against arthroscopic evaluation as well as optimize and validate AdT1ρ and AdT2ρ mapping of cartilage in vivo. The findings showed that T1 and T2 relaxation time and delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC) were able to discriminate among different arthroscopic grades of cartilage lesions. However, arthroscopic findings and qMRI parameters were not correlated, supporting the viewpoint that qMRI may be able to elicit more comprehensive information on the quality of remaining cartilage tissue as compared to diagnostic arthroscopy, which detects cartilage loss. AdT1ρ and AdT2ρ mapping of cartilage in vivo were successfully implemented and validated on a clinical MRI system. AdT1ρ and AdT2ρ were able to overcome limitations of the existing methods (continuous wave spin-lock approach), which are challenging to implement on clinical settings for their susceptibility to field inhomogeneity and relatively high power deposition in tissue. The association of AdT1ρ and AdT2ρ with cartilage and bone marrow lesions and osteophytes was demonstrated. The findings indicate the utility of AdT1ρ and AdT2ρ mapping as potential biomarkers for evaluation of early cartilage degeneration in OA research and clinical applications. / Tiivistelmä Nivelrikko on tavallinen krooninen sairaus, joka huonontaa miljoonien ihmisten elämänlaatua ympäri maailman. Nivelrikossa nivelruston ja luun asteittain etenevä rappeuma voi aiheuttaa nivelkipua ja liikuntakyvyttömyyttä. Tällä hetkellä nivelrikkoon ei ole muuta tehokasta hoitokeinoa kuin tekonivelleikkaus. Tämä johtuu suuremmaksi osaksi tarkkojen biomarkkereiden puutteesta, joiden avulla voitaisiin kokeilla mahdollisia nivelrikon pysäyttäviä tai tautia parantavia lääkkeitä tai hoitokeinoja. Nykyisin nivelrikon diagnostiikassa käytetyimmät menetelmät ovat riittämättömiä sairauden alkuvaiheessa, ja ne tunnistavat vain sairauden loppuvaiheet. Kvantitatiivisilla magneettikuvausmenetelmillä pystytään erottamaan rappeutunut ja ehjä nivelrusto toisistaan ennen röntgenkuvissa havaittavia muutoksia. Nk. pyörivän koordinaatiston relaksaatioaikaparametrit ovat herkkiä havaitsemaan hidasta molekyyliliikettä, jolla on merkitystä kliinisissä sovelluksissa. Kokeellisissa olosuhteissa T1ρ- ja T2ρ-relaksaatioaikojen mittaaminen käyttäen adiabaattisia spin-lukkopulsseja (AdT1ρ ja AdT2ρ) on osoittautunut erityisen tarkaksi nivelruston rappeutumisen toteamiseksi verrattuna perinteisiin kvantitatiivisiin magneettikuvausmenetelmiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli vertailla vakiintuneita nivelrikon kvantitatiivisia magneettikuvausmenetelmiä sekä optimoida ja validoida AdT1ρ- ja AdT2ρ-menetelmien käyttöä ihmisen ruston tutkimisessa. Tulokset osoittivat, että T1- ja T2-relaksaatioajat sekä varjoainetehosteinen nivelruston magneettikuvaus pystyivät erottelemaan niveltähystyksessä määritettyjä nivelrikon eri asteita. Kuitenkaan niveltähystyslöydökset ja kvantitatiiviset magneettikuvausparametrit eivät korreloineet viitaten kvantitatiivisen magneettikuvauksen kykyyn osoittaa tarkemmin jäljellä olevan ruston laatua verrattuna niveltähystykseen, jossa arvioidaan ruston puutosta. Nivelruston AdT1ρ- ja AdT2ρ-relaksaatioaikamittaukset onnistuttiin suorittamaan ja validoimaan vapaaehtoisilla koehenkilöillä kliinisellä magneettikuvauslaitteella. AdT1ρ ja AdT2ρ eivät kärsineet samoista puutteista kuin tavanomaiset jatkuva-aaltoiset spin-lukkomenetelmät, joka ovat herkkiä kenttäepähomogeenisuuksille ja aiheuttavat suuremman radiotaajuusaltistuksen. Tutkimuksessa osoitettiin AdT1ρ- ja AdT2ρ-mittausten ja luuödeemin sekä osteofyyttien välinen yhteys. Tulokset osoittivat, että AdT1ρ- ja AdT2ρ-mittaukset ovat potentiaalisia biomarkkereita varhaisen nivelruston rappeuman havaitsemiseksi tutkimus- ja kliinisessä käytössä.