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 Today, the diagnosis of osteoporosis and assessment of fracture risk is based on estimation of bone mineral density (BMD) determined by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). A lack has been shown in the prediction of individual fracture risk using DXA-based BMD (BMDDXA). Digital radiography (DR) has eased the application of dual-energy techniques for separating bone and soft tissue, but the direct application of dual-energy digital radiography (DEDR) to determine BMD has not been investigated. Additionally, with BMD and bone mass, bone geometry affects strongly the mechanical strength of bone. Geometrical parameters can also be determined from the DR images. This study aimed to investigate the ability of DEDR to determine BMD and whether the combination of DEDR-based BMD and geometry improves the prediction of maximal load. Fracture and osteoporosis diagnoses could thus be done with one examination, i.e. with DEDR, whereas in the current routine both DR imaging and DXA examination are needed for diagnoses. Reindeer femora were imaged by DR with two different energies (79 and 100 kVp). The different geometrical parameters were also determined from the 79 kVp images. The BMD measured by DEDR (BMDDEDR) were calculated using the calculation principle of DXA. The ability of BMDDEDR to predict BMDDXA was investigated. The femora were mechanically tested in an axial loading configuration with the shaft in a vertical position to determine mechanical parameters. The best combination of BMDDEDR and geometrical parameters to predict bone maximal load was explored. BMDDXA was used for comparison. Significant moderate to high linear correlations were observed in all regions of the upper femur (femoral neck, Ward’s triangle, trochanter and inter-trochanter) between BMDDEDR and BMDDXA. BMDDEDR of the femoral neck and BMDDXA of the femoral neck predicted maximal load similarly. The best combination of parameters to predict maximal load was BMDDEDR at Ward’s triangle, femoral shaft diameter (FSD) and femoral shaft axis length (FNAL) (r = 0.79, p < 0.05). The study shows that DEDR is a suitable method to determine BMD in vitro and the combination of BMD and geometry improves the prediction of bone maximal load when compared to BMDDEDR of femoral neck or trochanter only. The thesis also includes unpublished data from a preliminary human study. / Tiivistelmä Osteoporoosin diagnosointi ja murtumariskin määrittäminen perustuvat kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla (DXA) mitattavaan luun mineraalitiheyden (BMD) arviointiin. DXA:lla määritetyn luun mineraalitiheyden (BMDDXA) on kuitenkin osoitettu olevan puutteellinen murtumariskin yksilöllisessä ennustamisessa. Digitaalinen röntgenkuvaus (DR) on helpottanut sellaisten kaksienergisten tekniikoiden toteuttamista, joissa luu ja pehmytkudos on eroteltu toisistaan. Kaksienergisen digitaalisen röntgenkuvausmenetelmän (DEDR) soveltamista BMD:n määrittämiseen ei ole tutkittu. BMD:n ja luun massan lisäksi on luun geometrialla vahva vaikutus luun mekaaniseen lujuuteen. Geometriset parametrit voidaan määrittää niin ikään digitaalisista röntgenkuvista. Tässä työssä tutkittiin, pystytäänkö DEDR:llä määrittämään BMD sekä parantaako DEDR:llä mitattujen BMD:n ja geometrian yhdistelmä luun maksimikuormituksen ennustetta. Näin ollen murtuma- ja osteoporoosidiagnoosit voitaisiin tehdä yhdellä tutkimuksella (DEDR), kun nykyisin diagnoosit vaativat sekä digitaalisen röntgenkuvauksen että DXA-tutkimuksen. Poron reisiluut kuvattiin digitaalisen röntgenlaitteen kahdella eri kuvausjännitteellä (79 ja 100 kVp). 79 kVp -kuvista määritettiin myös erilaiset geometriaparametrit. BMD laskettiin DEDR-kuvista (BMDDEDR) DXA:n laskentaperiaatetta käyttäen. BMDDEDR:n kyky ennustaa BMDDXA:a tutkittiin. Maksimikuormituksen selvittämiseksi reisiluut testattiin mekaanisesti aksiaalisuunnassa varren ollessa pystysuorassa asennossa. BMDDEDR- ja geometriaparametreista määritettiin paras yhdistelmä maksimikuorman ennustamiseen. BMDDXA-arvoja käytettiin analysoinnissa vertailun vuoksi. BMDDEDR- ja BMDDXA-arvojen välillä havaittiin merkitsevä keskinkertainen tai korkea korrelaatio kaikissa mielenkiintoalueissa (reisiluun kaula, Wardin kolmio, sarvennoisen alue ja reisiluun varren alue). Wardin kolmiosta mitatun BMD:n (WABMDDEDR), reisiluun varren halkaisijan (FSD) ja reisiluun kaulan kautta kulkevan akselin (FNAL) yhdistelmä ennusti parhaiten luun haurautta (r = 0.79, p < 0.05). Tutkimus osoittaa, että DEDR on sopiva menetelmä BMD:n määrittämiseen tutkimusolosuhteissa ja että BMD:n ja geometrian yhdistelmä parantaa maksimikuormituksen ennustetta pelkästään reisiluun kaulasta tai sarvennoisesta mitattuun BMDDEDR:iin verrattuna. Väitöskirja sisältää myös julkaisemattomia tuloksia alustavista ihmistutkimuksista.

Abstract Hip fracture is the most severe complication of osteoporosis. The occurrence of hip fracture is increasing worldwide as a result of the ageing of the population. The clinical assessment of osteoporosis and to some extent hip fracture risk is based on the measurement of bone mineral density (BMD) using dual X-ray absorptiometry (DXA). However, it has been demonstrated that most hip fractures occurring after a fall involve non-osteoporotic populations and that the geometry plays a critical role in the fracture risk assessment. A potential alternative for the assessment of hip fracture risk is finite element modelling, which is a computational method allowing simulation of mechanical loading. The aim of this study was to investigate different finite-element (FE) methods for predicting hip fracture type and eventually hip failure load in the simulation of a fall on the greater trochanter. An experimental fall on the greater trochanter was performed on over 100 cadaver femurs in order to evaluate the failure load and fracture type. In all studies, assessment of BMD, measurement of geometrical parameters and generation of finite element models were performed using DXA, digitized plain radiographs and computed tomography scans. The present study showed that geometrical parameters differ between specific hip fracture types. FE studies showed feasible accuracy in the prediction of hip fracture type, even by using homogeneous material properties. Finally, a new method to generate patient-specific volumetric finite element models automatically from a standard radiographic picture was developed. Preliminary results in the prediction of failure load and fracture type were promising when compared to experimental fractures. / Tiivistelmä Lonkkamurtuma on osteoporoosin vakavin seuraus. Lonkkamurtumatapaukset kasvavat maailmanlaajuisesti väestön ikääntymisen myötä. Osteoporoosin ja osin myös lonkkamurtumariskin kliininen arviointi perustuu luun mineraalitiheyden mittaamiseen kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla (Dual-energy X-ray absorptiometry, DXA). On kuitenkin osoitettu, että suurin osa kaatumisen seurauksena tapahtuvista lonkkamurtumatapauksista tapahtuu henkilöillä joilla ei ole todettua osteoporoosia, ja että myös luun muoto on tärkeä tekijä arvioitaessa lonkkamurtumariskiä. Laskennallinen mallintaminen elementtimenetelmällä mahdollistaa mekaanisen kuormituksen simuloinnin ja on potentiaalinen vaihtoehto lonkkamurtumariskin arviointiin. Tämän työn tarkoituksena on tutkia elementtimenetelmiä lonkkamurtumatyypin ja lopulta lonkan murtolujuuden ennustamiseksi simuloimalla kaatumista sivulle. Yli sataa reisiluuta kuormitettiin kokeellisesti murtolujuuden ja murtumatyypin määrittämiseksi. Luun mineraalitiheyden arviointi, muotoparametrien mittaus ja elementtimallit tehtiin käyttäen DXA:a, digitalisoituja röntgenkuvia ja tietokonetomografiakuvia. Tämä tutkimus osoittaa, että luun muotoparametrit vaihtelevat eri lonkkamurtumatyyppien välillä. Lonkkamurtumatyyppi voitiin ennustaa hyvällä tarkkuudella elementtimenetelmän avulla silloinkin, kun käytettiin homogeenisia materiaaliominaisuuksia. Lopuksi kehitettiin uusi menetelmä yksilöllisten kolmiulotteisten elementtimallien automaattiseen luontiin tavallisista röntgenkuvista. Alustavat tulokset lonkan murtolujuuden ja murtumatyypin ennustamisessa ovat lupaavia.