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.