Voxel based assessment of disease progression in articular cartilage with MRI follow-up examinations of the T2-relaxation time [Elektronische Ressource] / vorgelegt von José María Raya García del Olmo

Jose Raya

Description

Aus dem Josef Lissner Laboratory for Biomedical Imagingde s Instituts f ur¨ Klinische Radiologieder Ludwig-Maximilians-Uni v ersit at¨ M unchen¨Direktor: Prof. Dr . med Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCRV ox el-based assessment of disease progression inarticular cartilage with MRI follo w-up e xaminationsof the T relaxation time2Dissertation zum Erwerb des Doktor grades der Humanbiologie an der MedizinischenF akult at¨ der Ludwig-Maximilians-Uni v ersit at¨ zu M unchen¨v or gele gt v onJos e´ Mar ´ıa Raya Garc ´ıa del OlmoausSe villa (Spanien)2009Mit Genehmigung der Medizinischen Fakultat¨ der Universitat¨ Munchen¨Berichterstatter: Prof. Dr . med. Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCRProf. Dr . med. Dipl. Ing. V olkmar JanssonMitberichterstatter: Prof. Dr . med. Claus BelkarPri v .-Doz. Dr . med. Reinhold T ilingMitbetreuung durch die promo vierten Mitarbeiter: Prof. Dr . med. Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCRPri v .-Doz. Dr . med. Christian GlaserDr . rer . nat. Olaf DietrichDekan: Prof. Dr . med. Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCRT ag der m undlichen¨ Pr ufung:¨ 07.10.2009rContentsZusammenfassung 11 Introduction 52 Anatomy and physiology of the articular cartilage 92.1 Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.1.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sujets

• Gesundheit

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 50
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Aus dem Josef Lissner Laboratory for Biomedical Imaging
de s Instituts f ur¨ Klinische Radiologie
der Ludwig-Maximilians-Uni v ersit at¨ M unchen¨
Direktor: Prof. Dr . med Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCR
V ox el-based assessment of disease progression in
articular cartilage with MRI follo w-up e xaminations
of the T relaxation time2
Dissertation zum Erwerb des Doktor grades der Humanbiologie an der Medizinischen
F akult at¨ der Ludwig-Maximilians-Uni v ersit at¨ zu M unchen¨
v or gele gt v on
Jos e´ Mar ´ıa Raya Garc ´ıa del Olmo
aus
Se villa (Spanien)
2009Mit Genehmigung der Medizinischen Fakultat¨ der Universitat¨ Munchen¨
Berichterstatter: Prof. Dr . med. Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCR
Prof. Dr . med. Dipl. Ing. V olkmar Jansson
Mitberichterstatter: Prof. Dr . med. Claus Belkar
Pri v .-Doz. Dr . med. Reinhold T iling
Mitbetreuung durch die promo vierten Mitarbeiter: Prof. Dr . med. Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCR
Pri v .-Doz. Dr . med. Christian Glaser
Dr . rer . nat. Olaf Dietrich
Dekan: Prof. Dr . med. Dr . h.c. Maximilian F . Reiser , F A CR, FRCR
T ag der m undlichen¨ Pr ufung:¨ 07.10.2009Contents
Zusammenfassung 1
1 Introduction 5
2 Anatomy and physiology of the articular cartilage 9
2.1 Anatomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Ph ysiology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Osteoarthritis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 P athogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.2 Risk f actors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.3 Diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.4 Pre v alence and incidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9
2.3.5 Therap y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.6 Socio-economical aspects of O A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0
3 MRI of articular cartilage 21
3.1 MRI of the proteoglycans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Sodium MRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.2 Delayed Gadolinium enhanced MRI of the cartilage (dGEMRIC) . . . . . . 23
3.1.3 T imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
3.2 MRI of the collagen netw ork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 T relaxation time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
3.3 MRI methods sensiti v e to proteoglycan and collagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Quantitati v e measurements of cartilage morphology . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 Dif fusion tensor imaging (DTI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Emer ging techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6
3.4.1 Ultra-short echo time MRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.2 g agCEST MRI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 T calculation in conditions of low SNR 392
4.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0
i
rContents
4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 .2.1 MRI measurement protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.2 Calculation of the T relaxation time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
4.2.3 of the SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.4 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.5 Accurac y and precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3
4.2.6 Phantom measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.7 In vi v o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.1 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.2 Phantom measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.3 In vi v o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9
4.4.1 The f t methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4.2 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.3 Phantom measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.4 In vi v o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7
5 Voxel based reproducibility of T with a new registration algorithm 592
5.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9
5.1.1 T ransformation Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.2 Measure of alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.3 Optimization method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.1.4 Comparison of re gistered datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.1 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.2 In vitro measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.3 In vi v o measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.1 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.2 Role of the o v erlap v olume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.3 In vitro measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.4 In vi v o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8
5.4.1 The re gistration algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.2 V alidation of the re gistration algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.3 Reproducibility of cartilage T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
5.5 Further applications of the re gistration algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5.1 of cartilage thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5.2 Cartilage deformation after e x ercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4
5.5.3 Interindi vidual model using clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
iiContents
6 Application to disease monitoring 79
6.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.1 MRI measurement protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.2 V olunteers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.1.3 Calculation of the T errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802
6.1.4 2 -signif cance map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.1.5 Ev aluation in MA CT patients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.1 Calculation of the T errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832
6.2.2 2 -signif cance chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.3 Ev aluation on MA CT patients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6
6.3.1 Calculation of the T errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862
6.3.2 2 -signif cance chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.3 Ev aluation on MA CT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7 Conclusions 93
A Cramer´ -Rao lower bound (CRLB) 95
B Noise-corrected exponential for images acquired with multi-channel coils 97
C Derivation of the theoretical 2 -significance chart 99
Bibliography 119
Index of Notation 121
Acknowledgments 125
iii
ssssList of Figures
2 .1 Anatomy of the knee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 W ater content map measured at 17.6 T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Collagen zonal architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.