Search

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.

Osteoporotic hip fractures are associated with high mortality and morbidity rates as well as significant costs. Low-frequency (LF) axial transmission ultrasound is a promising modality for assessing mineral density and geometrical properties. Thus, it may yield additional information on the risk of osteoporotic fractures. This study aimed to evaluate the ability of LF ultrasound to assess osteoporotic status and the risk of fracture in postmenopausal women. Also, lifestyle-related risk factors of hip fractures and the additional discrimination value of combining lifestyle-related risk factors and LF ultrasound velocity were assessed. Two study populations were used. The first consisted of 1,222 older women. Lifestyle-related risk factors and mobility were assessed at baseline. The women were followed for 13 years and the fractures that occurred were recorded. A subgroup of the women was later measured with LF ultrasound and dual-energy x-ray absorptiometry (DXA). The other study population included 95 postmenopausal women whose fracture history was gathered and bone status assessed with LF ultrasound, DXA and peripheral quantitative computed tomography (pQCT). Low body mass and impaired mobility predicted hip fractures. In addition, the risk of cervical hip fracture was increased by low physical activity and decreased by moderate coffee consumption and hypertension. Smoking and old age increased the risk of trochanteric hip fracture. The LF ultrasound velocity reflected to some degree the geometry and bone mineral density of the proximal femur. Decreased low-frequency ultrasound velocity was a significant risk factor of hip fracture even when combined with lifestyle-related risk factors. The LF ultrasound method showed similar fracture discrimination ability compared to DXA and pQCT, especially on the radius. In conclusion, the LF ultrasound method showed promising results in bone characterization and fracture discrimination. Further prospective studies with larger population are needed to confirm the combined effect of clinical risk factors and LF ultrasound. Tiivistelmä Osteoporoottisiin lonkkamurtumiin liittyy korkean sairastavuuden ja kuolleisuuden lisäksi huomattavat taloudelliset kustannukset. Tässä työssä tutkittiin matalataajuisen ultraäänitekniikan soveltuvuutta osteoporoosin ja murtumariskin arviointiin. Matalataajuista luun pituusakselin suuntaista ultraäänitekniikkaa voidaan käyttää luun mineraalitiheyden ja rakenteen tutkimiseen. Lisäksi tutkittiin elintapoihin liittyviä lonkkamurtuman riskitekijöitä sekä näiden yhdistämistä ultraäänimittaustulosten kanssa riskimalliin. Tutkimuksessa käytettiin kahta tutkimuspopulaatiota. Ensimmäisen muodosti 1222 ikääntynyttä naista, joiden elintavat ja liikuntakyky kartoitettiin tutkimuksen alussa. Kolmentoista vuoden seuranta-ajan aikana tapahtuneet murtumat kerättiin potilasarkistoista. Osa naisista osallistui matalataajuisella aksiaalisuuntaisella ultraäänellä tehtyyn mittaukseen ja kaksienergiseen röntgentutkimukseen (DXA). Toinen tutkimuspopulaatio koostui 95 postmenopausaalisesta naisesta. Naisten murtumahistoria kerättiin ja heille tehtiin matalataajuinen ultraäänimittaus sekä DXA- ja perifeerinen tietokonetomografiatutkimus (pQCT). Alhainen painoindeksi ja heikentynyt liikuntakyky lisäsivät lonkkamurtuman riskiä. Vähäinen fyysinen aktiivisuus lisäsi ja kohtalainen kahvinjuonti ja verenpainetauti alensivat reisiluun kaulan murtumariskiä. Tupakointi ja korkea ikä kasvattivat sarvennoisen alueen lonkkamurtuman riskiä. Matalataajuisen ultraäänen nopeus oli yhteydessä reisiluun yläosan geometriaan ja mineraalitiheyteen. Alhainen ultraäänen nopeus oli merkittävä lonkkamurtuman riskitekijä sekä yksin että yhdistettynä elintapamuuttujiin. Lisäksi ultraäänimenetelmä saavutti röntgenmenetelmiin (DXA ja pQCT) verrattavan erottelukyvyn murtumapotilaiden ja kontrollihenkilöiden välillä. Tutkittu ultraäänimenetelmä osoittautui lupaavaksi työkaluksi luun karakterisoinnissa ja murtumariskin arvioinnissa. Laajempia seurantatutkimuksia tulosten vahvistamiseksi tarvitaan erityisesti elintapoihin liittyvien riskitekijöiden ja ultraäänen yhdistämisen osalta.