Hochaufgelöste Diffusions-Tensor-Bildgebung des hyalinen Gelenkknorpels mit der Hochfeld-Magnetresonanztomographie
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war es, zu klären welche Aussagen die DTI über die Binnenstruktur des hyalinen Gelenkknorpels erlaubt. Die Untersuchungen wurden ex vivo an einem experimentellen Hochfeld-MR-Tomographen durchgefuehrt. Damit sollte eine Grundlage dafür erarbeitet werden, abzuschätzen, welches Potential die Technik im Rahmen der Früherkennung und des Therapiemonitorings bei Arthrose für eine Anwendung in vivo bietet. Als Interpretationsbasis dienten die biomechanische Testung und die histologische bzw. rasterelektronenmikroskopische Aufarbeitung der Proben. Das urspruengliche Untersuchungskonzept beinhaltete lediglich gesunde Knorpelproben, die z.T. enzymatisch angedaut, mechanisch belastet bzw. geschaedigt werden sollten um Matrixveraenderungen modellhaft nachzustellen. Waehrend des Projekts wurde ein nicht realisierbarer Anteil der Schaedigung (kontrollierte und MRT-artefaktfreie Oberflaechenabtragung) verlassen zugunsten der Untersuchung von frueh-arthrotischen Proben. Der rein DTI-basierte Ansatz wurde durch einen multiparametrischen ergaenzt um eine moeglichst umfassende bildgebende Charakterisierung der Proben zu erhalten. Zudem konnten ausserhalb des Protokolls ex vivo Datenakquisitionen am 1,5T-Ganzkoerper-MRT durchgefuehrt werden, die Hinweise auf die Machbarkeit und Aussagefaehigkeit der Technik bei ‚klinischen‘ Feldstaerken geben. Aufbauend auf den Erfahrungen aus dem Projekt konnten weltweit die ersten in vivo DTI Daten am Patellaknorpel in einer Pilotstudie erhoben werden. Zusaetzlich zum Ursprungskonzept wurde die histologische Aufarbeitung um die quantitative polarisationsmikroskopische (PLM) Auswertung ergaenzt. Der Antrag hat dazu beigetragen unsere Arbeitsgruppe international als eine der wenigen primaer bildgebenden Arbeitsgruppen, die eine anatomische Datenaufarbeitung leisten kann, zu etablieren. DTI-Eigenvektoren (EV) korrelieren stark mit der Kollagenfaservorzugsrichtung und erlauben die Quantifizierung der zonalen Dicken im Knorpel. Im intakten und angedauten Praeparat korreliert ADC mit dem PG-Gehalt, FA und EV erscheinen davon (und vom ADC) unabhaengig und informieren ueber die Struktur des Kollagenfasernetzwerks. Alle DTI-Parameter verändern sich quantifizierbar hinsichtlich Wert und topographischer Verteilung unter Last und bei Arthrose. Sie erschliessen bildgebend spezifische strukturelle und kompositionelle Eigenschaften der Knorpelmatrix, die bisher nur anhand anatomisch-pathologischer Kriterien zur Charakterisierung verschiedener Krankheitsstadien beurteilt werden konnten. Unser Verstaendnis der morphologischen Einflussfaktoren auf die bildgebenden Befunde erlaubt es nun ein morphologie-konformes und im Hinblick auf die beobachteten Veraenderungen unter Last und bei Arthrose plausibles Modell fuer die DTI- Bildgebung des Knorpels aufzustellen. Darin bestimmt die Porengroesse einen Sockelbetrag des ADC der vermutlich erst bei staerkerer Stoerung des Kollagenfasernetzwerks alteriert wird waehrend der PG-Gehalt den ADC in den frueheren Stadien der Arthrose vergleichsweise stark moduliert. Demgegenueber sind FA und EV durch die Porenform (zonale Anisotropie) determiniert. Im multiparametrischen Ansatz liegt ein noch darueber hinausgehendes Potential zur bildgebenden Charakterisierung der fruehen degenerativen Knorpelschaedigung. So scheint die FA spezifisch Struktur-assoziiert zu sein, waehrend die T2-Zeit sowohl von Struktur (Kollagenfasernetzwerk) als auch von Zusammensetzung (Wassergehalt) abhaengt. Ueber die Kombination von T1, B1, T2 wird der Wassergehalt im Knorpel bildgebend messbar, sodass nun fuer alle wesentlichen Knorpelkomponenten (Proteoglykane, Kollagen, Wassergehalt) MRT-Parameter(kombinationen) verfuegbar sind. Die Darstellung des Wassergehalts und seiner Verteilung ueber den Knorpelquerschnitt traegt substanziell zur bildgebenden Identifizierung frueh arthrotisch veraenderter Proben bei. Weiterfuehrendes Ziel ist es jetzt, ein praktikables analytisches (statistisches) Modell zu entwickeln und zu validieren, das es ermoeglicht die erarbeiteten multidimensionalen Daten (ADC, FA, Wassergehalt, jeweils in ihrem Verlauf von der Knorpelknochengrenze zur Knorpeloberflaeche) aufzuarbeiten (Publikation in Vorbereitung). Die hier erhobenen Daten unterstreichen das Potential der DTI und der multiparametrischen MRT fuer die Diagnose und Verlaufsbeobachtung von Knorpelschaeden bei Arthrose. Darueber hinaus haben sie Evidenz generiert, die es ermoeglicht, weiterfuehrende Arbeitshypothesen und Ansaetze fuer Folgeprojekte sowie arthrosespezifische Versuchs- und Nachverarbeitungsstrategien zu definieren, die ohne sie nicht haetten ausgearbeitet werden koennen. Gerade mit dem multiparametrischen Ansatz erscheint jetzt eine Schwelle erreicht, bei der MR-technisch ein praktikables Anwendungspaket vorliegt. Die so generierten Daten werden neue Herausforderungen an die quantitative Analysemethodik (v.a. im Schnittbereich zwischen Statistik und Bildanalyse-orientierter Informatik) stellen.
Publications
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Diffusion tensor imaging of human hyaline articular cartilage at 1.5T. 14th ISMRM congress, 2006, Seattle, USA, 3606
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José G. Raya, Gerd Melkus, Olaf Dietrich, Elisabeth Mützel, Eva Gruber, Lucianna Filidoro, Maximilian F. Reiser, Peter M. Jakob, Christian Glaser
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Collagenous fiber architecture of articular cartilage: direct comparison between high field DTI and scanning electron microscopy. ISS Closed Meeting, 2008, New Delhi
Christian Glaser, Lucianna Filidoro, Daniel L. Weber, Jürgen Weber, José G. Raya, Elisabeth Mützel, Peter M. Jakob, Reinhold Putz, Maximilian F. Reiser
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Collagenous fibre architecture of articular cartilage: Comparison between high field DTI and scanning electron microscopy. ESSR, 2008, Galway
Christian Glaser, Lucianna Filidoro, Daniel L. Weber, Andreas P. Arnoldi, Jürgen Weber, José G. Raya, Peter M. Jakob, Reinhard Putz, Elisabeth Mützel, Maximilian F. Reiser
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Collagenous fibre architecture of articular cartilage: comparison between high field DTI und scanning electron microscopy. ECR, 2008, Vienna, B-578
Lucianna Filidoro, Daniel L. Weber, Andreas P. Arnoldi, Jürgen Weber, José G. Raya, Peter M. Jakob, Maximilian F. Reiser, Reinhard Putz, Elisabeth Mützel, Christian Glaser
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Multiparametric Characterization of Healthy and Diseased Articular Cartilage at 17.6 T. 94th RSNA congress, 2008, Chicago, p. 137
José G. Raya, Gerd Melkus, Olaf Dietrich, Elisabeth Mützel, Eva Gruber, Lucianna Filidoro, Maximilian F Reiser, Peter Jakob, Christian Glaser
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Multiparametric characterization of healthy and diseased patellar cartilage under loading conditions at 17.6 T. ESMRMB, 2008, Valencia, 242
José G. Raya, Gerd Melkus, Olaf Dietrich, Elisabeth Mützel, Maximilian F. Reiser, Peter M. Jakob, Christian Glaser
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Hochaufgelöste Diffusions-Tensor-MRT der Kollagenfaserarchitektur im Gelenkknorpel: Korrelation mit der Rasterelektronenmikroskopie. 90. Deutscher Röntgenkongress, 2009, Berlin
Christian Glaser, Lucianna Filidoro, José G. Raya, Daniel Weber, Annie Horng, Andreas Arnoldi, Andreas Kellerer, Jürgen Weber, Peter M Jakob, Reinhald Putz, Elisabeth Mützel, Maximilian F. Reiser
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Multiparametric analysis of healthy and diseased articular cartilage at 17.6 T and correlation with histology. 17th ISMRM congress, 2009, Honolulu, Hawaii, 4001
José G. Raya, Gerd Melkus, Olaf Dietrich, Elisabeth Mützel, Maximilian F. Reiser, Peter M. Jakob, Christian Glaser
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Multiparametrische Charakterisierung des gesunden und kranken Knorpels unter Druck bei 17.6 T. 90. Deutscher Röntgenkongress, 2009, Berlin, VO 330.3
José G. Raya, Gerd Melkus, Olaf Dietrich, Elisabeth Mützel, Maximilian F. Reiser, Peter M. Jakob, Christian Glaser
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Change in the DTI parameters of the articular cartilage with progressive proteoglycan depletion. 18th ISMRM congress, 2010, Stockholm, Sweden, 228
José G Raya, Melkus Gerd, Silvia Adam-Neumaier, Olaf Dietrich, Maximilian F Reiser, Peter Jakob, Christian Glaser
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DT-MRI Based Computation of Collagen Fiber Deformation in Human Articular Cartilage: A Feasibility Study. Ann Biomed Eng. 2010 Jul;38(7):2447-63
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DTI and T2 changes in progressively PG depleted cartilage. ECR, 2010, Vienna, B- 312
José G. Raya, Gerd Melkus, Silvia Adam-Neumayer, Olaf Dietrich, Maximilian Reiser, Peter Jakob, Christian Glaser
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In vivo DTI of the Knee at 7-T Using a Dedicated Birdcage Transmit 28-channel Receive Knee Coil: First Results. 96th RSNA congress, 2010, Chicago, LL-MKS-MO4B
José G. Raya, Olaf Dietrich, Michael Recht, Christian Glaser
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Change of Diffusion Tensor Imaging Parameters in Articular Cartilage With Progressive Proteoglycan Extraction. Invest Radiol. 2011 Apr 4. [Epub ahead of print]
José G Raya, Melkus G, Adam-Neumair S, Dietrich O, Mützel E, Kahr B, Reiser MF, Jakob PM, Putz R, Glaser C
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In Vivo DTI des Retropatellarknorpels bei 7 T: Ist es machbar, was sehen wir, sehen wir eventuell mehr als bisher? - Erste Ergebnisse von Gesunden und Befunde bei Arthrose. Deutscher Röntgenkongress, 2011, Hamburg
José G Raya, Annie Horng, Svetlana Krasnokutsky, Olaf Dietrich, Luis Beltran, Maximilian F Reiser, Michael Recht, Chrisitian Glaser
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Multiparametric assessment of healthy and OA articular cartilage under loading at 17.6 T. 19th ISMRM congress, 2011, Montréal, Canada, 3207
José G Raya, Gerd Melkus, Olaf Dietrich, Silvia Adam-Neumair, Maximilian F Reiser, Peter Jakob, Christian Glaser
