Nivelruston magneettikuvantamisparametrien ja biomekaanisten parametrien välinen yhteys

(1)

- tarkastelussa nivelruston korrelaatioaika

The associations between magnetic resonance imaging and biomechanical parameters of articular cartilage - examining articular cartilage using correlation time

Mikko T. Nissinen Pro Gradu -tutkielma Sovelletun fysiikan koulutusohjelma Itä-Suomen yliopisto, Sovelletun fysiikan laitos

(2)

Mikko T. Nissinen: Nivelruston magneettikuvantamisparametrien ja biomekaanisten parametrien välinen yhteys - tarkastelussa nivelruston korrelaatioaika

Pro Gradu -tutkielma, 68 sivua, 9 liitettä (9 sivua) Tutkielman ohjaajat:

Professori Miika Nieminen FT, Oulun yliopisto ja Oulun yliopistollinen sairaala Professori Rami Korhonen FT, Itä-Suomen yliopisto, Sovelletun fysiikan laitos Dosentti Mikko Nissi FT, Itä-Suomen yliopisto, Sovelletun fysiikan laitos

Tutkijatohtori Petri Tanska FT, Itä-Suomen yliopisto, Sovelletun fysiikan laitos Maaliskuu 2019

Avainsanat: nivelrusto, biomekaniikka, tietokonemallinnus, magneettikuvaus, korrelaatioaika, permeabiliteetti, säievahvistettu poroelastinen materiaali

Tiivistelmä

Nivelrikko on yksi merkittävimmistä tuki- ja liikuntaelinten sairauksista länsimaisissa yhteiskunnissa. Nivelrikossa nivelrusto rappeutuu ja kuluu pois nivelpinnoilta, mikä aiheuttaa kipuja ja niveljäykkyyttä. Nivelrikon oireet heikentävät elämänlaatua ja aiheuttavat työkyvyn alenemista. Lisäksi nivelrikosta aiheutuu kuluja terveydenhuollossa ja sairauspoissaoloina.

Nivelrikkoon ole tehokasta hoitokeinoa. Tämän vuoksi nivelrikon ehkäisy olisi kus- tanustehokas hoitokeino. Nivelrikon ehkäisemisen ja kehittymisen kannalta olisi tär- keää taudin ja sen riskitekijöiden havaitseminen jo nivelrikon varhaisessa vaiheessa.

Yksi mahdollinen keino olisi tutkia tuki- ja liikuntaelimistöä esimerkiksi magneettikuvauksen avulla. Magneettikuvauksessa nivelruston rakennetta voidaan tutkia käyt- täen erilaisia magneettikuvausparametreja, kuten relaksaatioaikoja. Korrelaatioaika on uusi magneettikuvausparametri, joka kuvaa molekyylien liikkeitä nivelrustossa.

Korrelaatioajan on aiemmin havaittu olevan herkkä nivelruston kollageeni- ja pro- teoglykaanipitoisuuksille.

Nivelruston mekaaniset ominaisuudet muuttuvat nivelrikon kehittyessä ja ovat si- doksissa nivelruston rakenteeseen sekä kollageenin, proteoglykaanien ja veden mää- rään nivelrustossa. Ruston mekaaniseen käyttäytymiseen vaikuttaa etenkin veden liik- kuvuus ja paineistuminen. Veden määrää rustossa säätelevät kollageeniverkosto ja proteoglykaanimolekyylien sähköiset varaukset. Permeabiliteetti on parametri, joka kuvaa nesteen liikkuvuutta nivelrustossa. Permeabiliteetin on havaittu olevan herkkä proteoglykaanipitoisuuden muutoksille nivelrikon varhaisessa vaiheessa. Siten voidaan esittää hypoteesi, että korrelaatioajan ja permeabiliteetin välillä on yhteys.

Tässä työssä tutkittiin ihmisen nivelrustoa käyttäen magneettikuvausta, mekaanista testausta sekä tietokonemallinnusta. Työn tarkoituksena oli määrittää korrelaatioaika jaT₁-,T₂- jaT_1ρ -relaksaatioajat sekä säievahvistetun poroelastisen materiaalimallin parametrit nivelrustolle ja tutkia parametrien välisiä yhteyksiä. Lisäksi tutkittiin korrelaatioajan sovituksen ja materiaalimallin sovitukseen käytettäviä me- netelmiä. Säievahvistetun poroelastisen materiaalimallin parametrit optimoitiin so- vittamalla malli biomekaaniseen mittausdataan.

Korrelaatioajan ja T₂-relaksaatioajan havaittiin olevan yhteydessä permeabiliteetin puristuksesta johtuvaa muutosta kuvaavan vakion M kanssa. Tuloksien mukaan M:n kasvaessa korrelaatioaikaτ_c lyhenee jaT₂-relaksaatioaika kasvaa tarkasteltaessa

(3)

pintarustoa.

Korrelaatioaikojen havaittiin kasvavan nivelruston pinnalta syvärustoon. Vastaa- vasti relaksaatioajat lyhenivät pintarustosta syvärustoon. Korrelaatioajat sekä relaksaatioajat vastasivat aiemmin kirjallisuudessa esitettyjä arvoja. Optimoidut materiaalimallin parametrien arvot vastasivat kirjallisuudessa esitettyjä arvoja nivelrikkoiselle rustolle.

Tässä työssä määritettiin ensimmäistä kertaa sekä korrelaatioajat että mekaaniset parametrit nivelrikkoiselle ihmisen polvilumpion nivelrustolle. Nivelruston korrelaa- tioaikaan liittyvä mekanismi ja korrelaatioajan tulkinta vaativat kuitenkin vielä lisää tutkimusta.

(4)

societies. In OA, articular cartilage degenerates and wears off from joint surfaces, causing pain and joint stiffness. Symptoms of OA reduce quality of life and work capability. In addition, OA causes enormous costs for public health care system (e.g.

due to sick leaves).

There is no effective cure for OA. Thus, prevention would be a very cost-effective option. In order to prevent the onset and progression of OA, it would be vital to have an effective early diagnosis method for OA. This can be achieved, for example, by examining musculoskeletal system via novel magnetic resonance imaging methods.

In magnetic resonance imaging, the structure and composition of cartilage may be studied using various parameters such as relaxation times. Correlation time is a new parameter that describes molecular motion in cartilage and possibly in other tissues.

The correlation time has previously been found to be sensitive to the collagen and proteoglycan concentrations of articular cartilage.

Mechanical properties of cartilage alter during the progression of OA. The mechanical properties are linked to the structure and composition of cartilage, which is mainly composed of collagen, proteoglycan, chondrocytes and water. The mobility and pressurization of water inside the solid matrix of cartilage influence the mechanical function of cartilage. The amount and the mobility of water in the tissue are controlled by the collagen network and electric charges of the proteoglycans. Permea- bility is a parameter that describes fluid flow inside the tissue. It has been associated with the proteoglycan content of the tissue. Thus, we hypothesized that the correlation time and tissue permeability could have a connection, as they have been linked to the same cartilage macromolecules.

In this study human articular cartilage was investigated using magnetic resonance imaging, mechanical testing and finite element (FE) method based computational modeling. The aim of the thesis was to determine the correlation time and the relaxation times T₁, T₂ and T_1ρ together with the fibril-reinforced poroelastic material (FRPE) parameters for the articular cartilage and to study how these parameters are related with each other. In addition, methods for fitting the correlation time and optimizing the material model were studied. The FRPE model parameters were determined by fitting the FE model data to the biomechanical testing data using a non-linear optimization method.

The correlation time and T₂ relaxation time in the superficial layer of cartilage correlated with the permeability-strain dependency factor (M), which describes the non-linear increase in the tissue permeability. The results suggest that the correlation time decreases and T₂ relaxation time increases as M increases (higher the M, the more non-linear the change in the strain-dependent permeability).

The correlation times were shorter in the superficial zone than in the middle or deep zones of the cartilage. On the other hand, the relaxation times were longer on the surface and shorter in the deeper zones. The correlation times and relaxation times were comparable with the literature values. In this work, both the correlation times and the FRPE model parameters were determined for the first time for osteoarthritic human patellar articular cartilage. The underlying mechanism and interpretation of correlation time for articular cartilage should be further studied.

(5)

Lyhenteet

TULE Tuki-ja liikuntaelimistö

FEM Finite Element Method, elementtimenetelmä MRI Magnetic Resonance Imaging, magneettikuvaus

PCM PeriCellular Matrix, perisellulaarimatriisi, solun lähiympäristö ECM Extra Cellular Matrix; soluväliaine

PG Proteoglykaani GAG Glykosaminoglykaani

FCD Fixed Charge Density; sidottu varaustiheys HA Hyaluronic Acid; hyaluronihappo

NMR Nuclear Magnetic Resonance; ydinmagneettinen resonanssi RF Radio Frequency, radiotaajuus

FID Free Induction Decay, vapaasti vaimeneva induktio, vapaasti vaimeneva signaali FSE Fast Spin Echo, nopea spin-kaiku

A/D Analog/Digital, analoogisenen digitaalinen

ADC Analog to Digital Converter, Analogisesta digitaliseksi muuntaja 2D Kaksiulotteinen

3D Kolmiulotteinen

T1 Magneettikentän suuntainen relaksaatioaika

T2 Magneettikentään nähden kohtisuoran magnetisaation relaksaatioaika T1ρ Magneettikentän suuntainen relaksaatioaika pyörivässä koordinaatistossa τc Rotationaalinen korrelaatioaika

R1 Magneettikentän suuntainen relaksaationopeus

R2 Magneettikentään nähden kohtisuoran magnetisaation relaksaationopeus R1ρ Magneettikentän suuntainen relaksaationopeus pyörivässä koordinaatistossa dGEMRIC GadopenteenihappotehostettuT1-kuvaus

SAR Specific absorption rate, absorbtiosta aiheutuva kudoksen lämpeneminen FRPE Fibril-reinforced poroelastic, säievahvistettu poroelastinen

PBS Phosphate buffered saline, fysiologinen suolaliuos

RMSE Root Mean Squared Error, Pienimmän neliösumman virhe MSE Mean Squared Error, Keksiarvon keskivirhe

MAE Mean Absolute Error, keskimääräinen absoluuttinen virhe

(6)

S Spin-kvanttiluku

µ¯ Spinin magneettinen momentti B¯ Magneettikenttävektori

γ Gyromagneettinen vakio M¯ Magnetisaatiovektori

B Magneettikentän voimakkuus E_α Spinin energiatila (spin alas) E_β Spinin energiatila (spin ylös)

B₀ Ulkoisen magneettikentän voimakkuus B¯₀ Ulkoinen magneettikenttä

~ Redusoitu Planckin vakio h Planckin vakio

ω Kulmataajuus

ω₀ Larmorin (kulma)taajuus, magneettinen resonanssitaajuus v₀ Larmorin taajuus

V Tilavuus

θ Prekessioakselin kulma, magnetisaatiovektorin kulma suhteessa magneettikenttään φ Vaihekulma

t_p Radiotaajuuspulssin kesto

G_x Gradientin voimakkuus x-suunnassa G_y Gradientin voimakkuus y-suunnassa G_z Gradientin voimakkuus z-suunnassa G_ss Leikkeen valinta gradientti

G_pe Vaihe-eron aiheuttamiseen leikkeessä käytettävä gradientti G_ro Taajuuseron aiheuttamiseen käytettävä gradientti

T₁ Magneettikentän suuntainen relaksaatioaika

T₂ Magneettikentään nähden kohtisuoran magnetisaation relaksaatioaika T_1ρ Magneettikentän suuntainen relaksaatioaika pyörivässä koordinaatistossa M_z Magnetisaatio magneettikentän suunnassa

M_x Magnetisaatio x-suunnassa M_y Magnetisaatio y-suunnassa

M⊥ Magnetisaatio kohtisuoraan magneettikenttään nähden τ_c (Rotationaalinen) korrelaatioaika

R₁ Magneettikentän suuntainen relaksaationopeus

R₂ Magneettikentään nähden kohtisuoran magnetisaation relaksaationopeus R_1ρ Magneettikentän suuntainen relaksaationopeus pyörivässä koordinaatistossa

(7)

l pituus

ε Venymä, muodonmuutos ε Venymätensori

σ Jännitys

σ Jännitystensori ν Poissonin luku

E Youngin moduuli, jäykkyysmoduuli C Jäykkyysmatriisi

E_S Elastisen materiaalin Youngin moduuli H_A Elastisen materiaalin tasapainomoduuli σtot Kokonaisjännitystensori

σ_s Kiinteän matriisin kokonaisjännitystensori σ_f Nestefaasin kokonaisjännitystensori

Φs Kiinteän matriisin suhteellinen osatilavuus Φ_f Nesteen suhteelliset osatilavuus

p Nesteen paine I Yksikkötensori

σ_E Efektiivinen kiinteän matriisin jännitystensori v_s Kiinteän faasin nopeusvektori

vf Nestefaasin nopeusvektori k Materiaalin permeabiliteetti

K Diffusive drag coefficient, Diffuntoitumisvastuskerroin q Nesteen virtaama

e Materiaalin huokoisuus

k₀ Materiaalin permeabiliteetti ennen puristusta e₀ Materiaalin huokoisuus ennen puristusta

M Puristuksesta johtuvaa permeabiliteetin muutosta kuvaava vakio E_f^ε Kollageenisäikeen venymästä riippuva Youngin moduuli

E_f⁰ Kollageenisäikeen Youngin moduuli alkutilanteessa ε_f Säikeen venymä

E_nf Kollageenittömän matriisin Youngin moduuli

(8)

Tämä Pro gradu-tutkielma on tehty Itä-Suomen yliopistossa, Sovelletun fysiikan lai- toksella Biofysiikan-tutkimusryhmässä (Biophysics of Bone and Cartilage, BBC) yh- teistyössä Oulun yliopiston lääketieteellisen kuvantamisen, fysiikan ja tekniikan tut- kimusryhmän (Research Unit of Medical Imagaing, Physics and Technology, MIPT) kanssa vuosina 2017 ja 2018.

Haluaisin kiittää Pro gradu -tutkielmani ohjaajia professori Miika Niemistä, FT, professori Rami Korhosta, FT, dosentti Mikko Nissiä, FT ja tutkijatohtori Petri Tans- kaa FT. Professori Nieminen mahdollisti työn suorittamisen kesän 2017 aikana ja hä- nen tutkimusryhmänsä yhdessä dosentti Nissin kanssa auttoivat ymmärtämään uutta magneettikuvausparametria paremmin. Tohtori Tanskaa haluan kiittää alkuperäisen hypoteesin kehittämisestä, minkä pohjalta tutkimusta lähdettiin suorittamaan. Pro- fessori Korhonen ja tohtori Tanska myös auttoivat ymmärtämään käytettyä materi- aalimallia sekä rajaamaan tulosten tarkastelua.

Haluan myös kiittää tutkimuksessa käytettävän datan keräämiseen osallistuneita henkilöitä Mithilesh Prakashia, FM, Olli Nykästä, FM, ja Nina Hännistä, FM. Nina Hännistä haluan lisäksi kiittää magneettikuvausparametrien laskennasta ja histolo- giakuvista. Lisäksi haluan kiittää Sovelletun fysiikan laitoksen henkilökuntaa sekä sovelletun fysiikan ja ympäristötieteen opiskelijoiden ainejärjestöä, Hyeenaa tuesta ja erilaisista aktiviteeteista opintojeni aikana.

Lopuksi haluan kiittää perhettäni ja ystäviäni saamastani tuesta opintojeni aikana.

Labor improbus omnia vincit Kuopiossa maaliskuussa 2019 Mikko Nissinen

(9)

SISÄLTÖ

Sisältö

1 Johdanto 9

2 Nivelrusto 11

2.1 Nivelrikko . . . 17

3 Magneettikuvaus 19

3.1 Magneettikuvaksen fysiikka ja laitteisto . . . 19 3.1.1 MRI:n fysiikka . . . 20 3.1.2 Laitteisto . . . 23 3.2 Magneettikuvauksessa yleisesti käytetyt parametrit - T₁, T₂, T_1ρ . . . 26 3.3 τc -korrelaatioaika . . . 29 3.4 Nivelruston magneettikuvantaminen . . . 30

4 Nivelruston biomekaniikka 33

4.1 Nivelruston mekaaninen testaus . . . 34 4.2 Nivelruston biomekaaninen mallinnus . . . 38 4.3 Elementtimenetelmä ja optimointi . . . 41

5 Tutkimuksen tavoitteet 43

6 Materiaalit ja menetelmät 44

6.1 Näytteet ja kokeelliset mittaukset . . . 44 6.2 Magneettikuvaus . . . 45 6.3 Biomekaaninen mallinnus ja optimointi . . . 45

7 Tulokset 50

7.1 τ_c -korrelaatioaika . . . 50 7.2 Biomekaaninen mallinnus . . . 51 7.3 Korrelaatioanalyysi . . . 52

8 Pohdinta 57

9 Johtopäätökset 60

Viiteet 61

A Liitteet

(10)

1 Johdanto

Tuki- ja liikuntaelimistön (lyh. TULE) sairaudet ovat joukko luu-, lihas-, nivel- ja hermosairauksia, joiden aiheuttamat kivut ja liikkumiskyvyn heikkeneminen aiheuttavat normaalin toimintakyvyn ja työskentelyn heikkenemistä [1–4]. TULE-sairauksista aiheutuu Suomessa vuosittain useiden miljardien eurojen kustannukset sairauspois- saolojen ja terveydenhuollon kustannusten myötä [4]. Yhdysvalloissa TULE-sairauksien määrän havaittiin kasvavan useilla miljoonilla ja sairauksista aiheutuvien kulujen useilla miljardeilla dollareilla tarkasteluvälien 1996-1998 ja 2009-2011 välillä [1]. Mer- kittävimpiä TULE-sairauksia ovat nivelrikko, osteoporoosi, nivelreuma sekä erilaiset selkä ja niska-hartiaseudun vaivat, joista nivelrikko on yleisin [2–6].

Nivelrikko on koko niveleen vaikuttava, nivelruston rappeutumista aiheuttava sairaus, jonka perimmäistä syytä tai syntymekanismia ei tiedetä [7]. Nivelrikko voidaan jakaa kahteen päätyyppiin, primääriseen ja sekundaariseen nivelrikkoon [8]. Primääri- sessä nivelrikossa nivelruston rakenne haurastuu ikääntymisen myötä. Ihmisen ikään- tyessä nivelruston aineenvaihdunta hidastuu ja mekaanisesta kulumisesta johtuvien vaurioiden korjaaminen on hitaampaa. Lisäksi primääriseen nivelrikkoon vaikuttavat muun muassa ihmisen paino, sukupuoli, perimä ja aktiivisuus kasvuiässä [2, 6–8].

Sekundaarinen nivelrikko taas saa alkunsa nivelpinnan vauriosta, niveltä ympä- röivien nivelsiteiden vaurioitumisesta tai nivelen liian suuresta kuormituksesta, mistä seuraa nivelpinnan rikkoutuminen, nivelrustovaurion leviäminen ja ruston kuluminen [2, 7–10]. Nivelrikko aiheuttaa vuosittain useiden miljoonien eurojen kustannukset terveydenhuollossa sekä heikentää ihmisten elämänlaatua [2, 4, 5]. Nivelrikkoa ennal- taehkäisevien sekä taudin etenemistä hidastavien hoitokeinojen tutkimisen ja kehit- tämisen kannalta merkittäviä tekijöitä ovat nivelruston rakenteen biomekaanisten ja biokemiallisten mekanismien ymmärtäminen terveessä ja nivelrikkoisessa nivelrustossa [9–12].

Nivelrusto on niveltyvien luiden päitä peittävä pehmytkudos, joka mahdollistaa nivelpintojen kitkattoman liikkeen, suojaa luita kulumiselta ja vaimentaa iskuja nive- lissä. Nivelruston paksuus on muutamia millimetrejä ja ruston paksuus vaihtelee ni- velten ja yksilöiden välillä [11, 13–17]. Nivelrusto on kaksifaasinen kudos, jonka muodostavat nestefaasi ja huokoinen kiinteä matriisi [11, 12, 18–20]. Nivelruston kiinteä matriisi suojaa kudosta ja soluja mekaaniselta kulumiselta sekä sitoo nestettä. Rus- ton sisäinen neste toimii iskunvaimentimena ja jäykistää nivelrustoa [11–13, 21, 22].

Terve nivelrusto on jäykkää ja kimmoisaa, jolloin se kestää mekaanista kuormitusta ja vaimentaa nivelpintoihin kohdistuvia voimia [13, 16, 23]. Nivelrikossa nivelruston rakenne hajoaa ja nivelrusto pehmenee, mikä vaikuttaa nivelen liikkeeseen ja ruston kykyyn vaimentaa iskuja [13, 23]. Nivelruston mekaaniset ominaisuudet voidaan selvittää biomekaanisen testauksen ja mallintamisen avulla [11, 12, 23, 24].

Biomekaanisen testauksen ja mallien avulla pyritään selvittämään nivelruston ra-

(11)

Johdanto 10

kenteen ja rakenneosien vaikutus nivelruston mekaaniseen käyttäytymiseen eri nivelrikon vaiheissa ja kuormitustilanteissa [25, 26]. Nivelruston mallinnuksessa hyödyn- netään usein elementtimenetelmää (engl. Finite Element Method, FE/FEM) [12, 25, 27]. Elementtimenetelmässä muodostetaan nivelrustoa vastaava geometria ja mate- riaalimalli, jonka parametrit ratkaistaan vertaamalla FE-mallin tuloksia kokeellisiin mittaustuloksiin [12, 16, 20, 28, 29]. Ruston materiaaliparametrit saadaan optimoi- malla eli minimoimalla mallin ja mittauksen välinen ero mahdollisimman pieneksi [12, 28, 29]. Nivelruston mekaanisten ominaisuuksien lisäksi biomekaanisilla malleilla voidaan tutkia ja arvioida erilaisia nivelrikon hoitokeinoja ja niiden vaikutusta nivelrikon etenemiseen [9, 16, 25, 26, 28].

Biomekaanisen testauksen ja mallintamisen lisäksi nivelrustoa voidaan tutkia ja karakterisoida käyttäen lääketieteellistä kuvantamista ja mikroskopiaa, jolloin nivelruston mikroskooppisesta rakenteesta saadaan tarkempaa tietoa [9, 15, 30–37]. Mag- neettikuvaus (engl. Magnetic Resonance Imaging, MRI) on lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetty menetelmä, jonka pehmytkudosten erotuskyky on ylivertainen verrattuna perinteiseen röntgenkuvaukseen [30, 32, 33]. Magneettikuvauksen avulla voidaan tarkastella kaikkia nivelen osia, kun taas röntgenkuvaus on rajoittunut vain luiden tarkasteluun. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen (engl. quantitative MRI) avulla voidaan tarkastella sekä nivelruston rakennetta että biokemiallista koostumus- ta [15, 30, 32, 33, 38]. MRI-laitteiston sekä menetelmien kehittyessä on myös kehitetty uusia parametreja kuvailemaan kudoksissa tapahtuvia fysikaalisia ja biokemiallisia ilmiöitä [32, 39].

Nivelruston MRI-parametrien ja biomekaanisten parametrien sekä nivelruston rakenneosien välisten yhteyksien selvittäminen on avainasemassa nivelrikkotutkimuksessa [31, 35, 40]. Nivelrikossa biokemiallinen koostumus ja biomekaaniset ominaisuudet voivat muuttua ennen kuin nivelruston rakenteessa on havaittavissa merkittä- viä muutoksia esimerkiksi röntgenkuvauksessa. Magneettikuvauksessa voidaan havaita muutokset nivelruston komponenttien pitoisuuksissa ja rakenteessa jo varhaisessa nivelrikon vaiheessa [31, 32, 41]. MRI-parametrien avulla voidaan muodostaa tarkempia biomekaanisia malleja nivelrustolle, joissa otettaisiin huomioon nivelruston makromolekyylien pitoisuudet ja jakaumat nivelrustossa [42–44]. Myös nivelruston biomekaanisten parametrien arviointia magneettikuvauksen avulla on esitetty kirjallisuudessa [31, 35, 40, 45–47].

Yhdistämällä lääketieteellinen kuvantaminen ja biomekaaninen mallinnus voidaan kehittää potilaskohtaisia biomekaanisia malleja, joiden avulla pyritään arvioimaan ja ennustamaan nivelrikon kehittymistä [25, 26]. Nivelrikkotutkimuksessa on kehitetty potilaskohtaisia biomekaanisia malleja, joissa nivelruston geometria ja rakenne on perustunut MRI-kuvantamiseen [42–44, 48]. Kvantitatiivisen MRI-kuvantamisen kehittyessä myös biomekaaniset ominaisuudet voitaisiin saada MRI-kuvauksen ja - parametrien avulla, jolloin voitaisiin muodostaa vielä tarkempia malleja.

Tässä työssä tutkittiin ihmisen nivelrustoa käyttäen magneettikuvausta, biome- kaanista testausta ja mallinnusta elementtimenetelmällä. Tärkeimpinä tutkimuskoh- teina olivat uuden MRI-parametrin, korrelaatioajan, ja säievahvisteisen poroelastisen materiaalimallin parametrien määrittäminen ihmisen nivelrustolle sekä niiden välis- ten mahdollisten yhteyksien selvittäminen. Lisäksi tutkittiin biomekaanisen mallin parametrien optimointiin käytettävän optimointifunktion vaikutusta mallin sovitukseen ja parametreihin.

(12)

2 Nivelrusto

Nivelrusto on ohut pehmytkudos, joka peittää niveltyvien luiden päitä synoviaalini- velissä [5, 6, 11]. Synoviaalinivelen muodostavat niveltyvät luut, luiden päitä peittävä nivelrusto, niveltä ympäröivät tukikudokset kuten jänteet ja nivelsiteet sekä nivelpus- si, jonka täyttää rauhasten erittämä nivelneste [5, 10–12, 38]. Nivelrusto on hyaliini- eli lasirustoa, jonka pinta on sileä ja läpikuultava. Nivelrusto vaimentaa iskuja luiden päiden välillä ja mahdollistaa luiden kitkattoman liikkeen yhdessä nivelnesteen kanssa [11, 13]. Nivelruston paksuus on muutamia millimetrejä, sen rakenne on kerrostunut ja jokaisella kerroksella on oma tehtävänsä [11, 13, 16, 21]. Toisin kuin monissa muis- sa pehmytkudoksissa, nivelrustossa ei ole verisuonia, hermoja tai imukudosta, minkä vuoksi nivelruston aineenvaihdunta on hidasta ja nivelrustovauriot ovat yleensä ki- vuttomia [7, 10, 11, 13, 21].

Nivelrusto muodostuu kahdesta pääfaasista: kiinteästä ja nestefaasista [11, 13].

Kiinteän faasin muodostavat viskoelastinen kollageeniverkosto, johon on kiinnittynyt negatiivisesti varautuneita proteoglykaanimolekyylejä. Nestefaasi koostuu kiin- teän faasin huokosissa olevasta vedestä sekä veteen liuenneista ravintoaineista ja io- neista, ja käsittää noin 65-80 % ruston märkäpainosta [11, 13, 21, 34]. Rustokudok- sessa rustosolut ovat jakautuneet harvasti ja niiden lähiympäristön muodostaa tiheä perisellulaarimatriisi (engl. PeriCellular Matrix, PCM), jonka muodostavat vesi, kollageeni ja proteoglykaanit sekä kollageenittömät proteiinit [11, 13, 49, 50]. Perisellu- laarimatriisin ulkopuolella nivelrusto muodostuu soluväliaineesta (engl. ExtraCellu- lar Matrix, ECM), jonka muodostavat vesi, kollageeni ja proteoglykaanit [11, 13, 50].

Soluväliaineen päätehtäviä ovat rustosolujen suojaaminen kuormitukselta, nesteen si- tominen nivelrustoon ja ravinteiden kuljettaminen rustosoluille [11, 13, 21, 50].

Vyöhykkeet

Nivelruston vyöhykkeet eli kerrokset muodostavat pinta-, väli- ja syvärusto sekä kalkkeutunut rusto. Pintarusto vastaa paksuudeltaan noin 10-20 % nivelruston paksuudesta ja sen muodostavat pääosin ohuet kollageenisäikeet, rustosolut ja proteoglykaanit [5, 6, 11, 21, 51]. Rustosoluja on pintarustossa enemmän ja proteoglykaaneja vähemmän kuin alemmissa kerroksissa [5, 11, 13, 51].

Nivelpinnalla tiiviisti pinnansuuntaisesti pakkaantuneet, ohuet kollageenisäikeet muodostavat yhdessä polysakkaridiketjujen kanssa ohuen kerroksen, jossa ei ole rustosoluja [13]. Kollageenisäikeet (pääosin tyyppien II ja IX kollageenit [5, 21]) muodostavat verrattain kovan ja liukkaan pinnan, mikä mahdollistaa nivelpintojen kitkattoman liikkeen yhdessä nivelnesteen kanssa [11, 13, 51]. Nivelpinnan alaisessa osassa

(13)

Nivelrusto 12

Kuva 2.1: Nivelruston rakenne terveelle nivelrustolle sekä nivelrikon eri vaiheissa. a) Terveessä nivelrustossa pintarustossa kollageenisäikeet ovat järjestyneet tiiviisti pinnan suuntaisesti ja niiden välissä on litteitä rustosoluja, mutta vain vähän proteoglykaaneja. Välirustossa kollageenisäikeiden järjestys on sekalainen ja säikeet ovat paksumpia kuin pintarustossa. Välirustossa rustosolut ovat pyöreitä ja niitä on vähem- män kuin pintarustossa. Välirustossa proteoglykaanien määrä kasvaa ja proteoglykaanit kiinnittyvät kollageenisäikeisiin ja sitovat itseensä vettä. Kollageenisäikeiden välisen tilan täyttävät kudoksen sisäinen neste ja proteoglykaanit. Syvärustossa kol- lageenisäikeet ovat kohtisuoraan rustopintaan nähden ja niiden välisessä tilassa on paljon rustosoluja pylväsmäisissä muodostelmissa. Rusto-luu -rajapinnalla kollagee- nisäikeet liittyvät kalkkeutuneeseen nivelrustoon, joka kiinnittää nivelruston rustonalaiseen luuhun. b) Varhaisessa nivelrikossa proteoglykaanien määrä vähenee ja kolla- geenisäikeiden orientaatio, pituus sekä määrä muuttuvat, jolloin nivelruston nesteen läpäisevyys ja vesipitoisuus kasvavat ja kudos turpoaa ja pehmenee. Pintarustossa rustosolujen määrä vähenee, mikä heikentää kudoksen uusiutumiskykyä. c) Nivelri- kossa pintarusto on kulunut pois, eikä terveelle nivelrustolle ominaisia vyöhykkeitä ole erotettavissa. Nivelrustopinta on rosoinen ja rustonalaisessa luussa on havaittavissa muutoksia. Proteoglykaaneja ja rustosoluja on jäljellä vain syvärustossa ja ruston sisäinen neste pääsee virtaamaan vapaasti nivelrakoon.

(14)

pintarustoa kollageenisäikeiden välissä on paljon litteitä rustosoluja (kuva 2.1), jotka ylläpitävät pintarustoa [5, 11, 13, 51]. Nivelneste pääsee hitaasti diffuntoitumaan pintaruston läpi, mikä mahdollistaa nivelruston aineenvaihdunnan ja estää nivelruston makromolekyylien vapaan siirtymisen nivelrakoon [5, 13].

Kuormitettaessa pintaruston tiheä kollageeniverkosto aiheuttaa ruston sisäisen nesteen paineistumisen ruston puristuessa ja nesteen virtauksen ruston sisällä, sillä nesteen virtaus on hidasta pinnan läpi [13]. Pintaruston kollageenisäikeet vastastavat nivelpintojen liikkeestä aiheutuvia leikkaavia ja puristavia voimia venymällä pituus- suunnassa [5, 11, 13]. Pintarustolla on siten merkittävä rooli sekä mekaanisten kuor- mien vaimentajana että nivelruston aineenvaihdunnan kannalta [5, 6, 11–13, 21, 34, 52].

Välirusto muodostaa noin 40-60 % ruston paksuudesta [11, 51]. Välirustossa kolla- geenisäikeiden järjestys muuttuu pinnansuuntaisesta sekalaiseksi ja säikeet ovat paksumpia kuin pintarustossa [5, 11, 13]. Kollageenisäikeisiin on kiinnittyneinä proteogly- kaanimolekyylejä, joiden määrä on suurempi kuin pintarustossa [5, 11, 13]. Välirus- tossa rustosolut ovat pyöreitä ja suurempia kuin pintarustossa [5, 11, 13, 51]. Väli- ruston sekalaisesti järjestynyt kollageeniverkosto kiinnittää pintaruston syvärustoon [5, 13]. Kollageeniverkostoon on sitoutunut välirustossa paljon proteoglykaaneja verrattuna pintarustoon, minkä vuoksi väliruston kollageeniverkosto sitoo itseensä vettä ja ravinteita [5, 34]. Veden sitoutuminen ja virtaus kuormitettaessa aiheuttavat verkoston turpoamista ja venymistä, mitä kollageenisäikeet pyrkivät vastustamaan [5].

Välirustosta ravinteet etenevät diffuusion ja kuormituksessa nesteen virtauksen avulla syvärustoon [5, 11, 13, 34].

Syvärusto muodostaa noin 30-40 % ruston paksuudesta [11, 51]. Syvärustossa kol- lageenisäikeet ovat järjestyneet kohtisuoraan nivelruston pintaa vastaan ja säikeiden välisen tilan täyttävät proteoglykaanimolekyylit ja rustosolut [11, 13, 51]. Proteogly- kaaneja on syvärustossa suhteessa eniten verrattuna pinta- tai välirustoon ja vapaata vettä on syvärustossa vähemmän kuin ylemmissä vyöhykkeissä [5, 13, 34]. Syvärustos- sa rustosolut ovat useiden solujen muodostamissa pylväsmäisissä ryhmissä [5, 11, 13, 21, 34, 51]. Kollageenisäikeet ovat syvärustossa paksumpia kuin pinta- tai välirustossa ja ne ovat kiinnittyneet pohjalla kalkkeutuneeseen rustoon.

Rustoluu-rajapinta (engl. Tidemark) erottaa syväruston kalkkeutuneesta rustosta [5, 10, 11, 34, 50, 51]. Syväruston rustosolut saavat ravinteensa diffuusion ja nesteen virtauksen avulla pinta- ja välirustosta [5, 13]. Syväruston paksuja kollageenisäikei- tä tukevat niihin kiinnittyneet proteoglykaanit. Paksut kollageenisäikeet lävistävät rusto-luu rajapinnan ja ne ovat osittain mineralisoituneet kiinni kalkkeutuneeseen rustoon [21, 51, 53, 54].

Kalkkeutuneessa rustossa kollageenisäikeet ovat osittain mineralisoituneet, minkä johdosta kudos on tiheämpää kuin rustonalainen luu [50]. Rustosoluja on kalkkeutuneessa rustossa todella vähän [10, 34, 50, 51] ja osaa niistä ympäröi täysin minera- lisoitunut rustokudos [13]. Kalkkeutunut rusto kiinnittyy pohjastaan rustonalaiseen luuhun ja kiinnittää siten nivelruston luuhun [5, 6, 10, 11, 13, 21, 34].

Rustosolut

Terveessä nivelrustossa on vain yhdenlaisia soluja, rustosoluja, jotka ovat erikoistu- neet nivelruston ylläpitoon. Rustosoluja on nivelrustossa vain noin 2 % koko ruston tilavuudesta ja niiden koko, muoto ja aineenvaihdunnan aktiivisuus vaihtelevat eri

(15)

Nivelrusto 14

nivelruston osissa [11, 13, 55]. Rustosolujen määrä laskee nivelruston pinnalta sy- vempiin kerroksiin [11, 13, 49, 55]. Rustosolua ympäröi noin 2 mikrometriä paksu perisellulaarimatriisi, jossa on paljon tyyppien VI ja IX kollageeneja ja muita matriisin makromolekyylejä, kuten kasvutekijöitä [11, 13, 49, 55]. Perisellulaarimatriisi suojaa rustosolua ja välittää signaaleja ja ravinteita rustosolulle solun ympäristös- tä [13]. Yhdessä perisellulaarimatriisin kanssa rustosolu muodostaa rakenteellisen ja toiminnallisen yksikön, kondronin [11, 49, 55].

Rustosolut vastaavat rustokudoksen ylläpidosta ja soluvälineen muodostamisesta [5, 11, 13, 21, 49, 55]. Rustosolut reagoivat soluväliaineen mekaanisiin ja biologisiin ärsykkeisiin muuttamalla kollageenin, proteoglykaanien ja muiden proteiinien määrää ja tyyppiä solua ympäröivässä kudoksessa [5, 21, 34].

Eniten rustosoluja on pintarustossa, missä solut ovat litistyneitä ja pienempiä kuin alemmissa kerroksissa ja ne ovat järjestyneet rustopinnan suuntaisesti [11, 13].

Pinnalla rustosolut muodostavat matriisia, jossa on paljon kollageenia ja vähän proteoglykaaneja ja solut kierrättävät proteoglykaaneja nopeasti [13]. Keskikerroksessa rustosolut ovat pyöreitä ja matriisin muodostaminen on aktiivisempaa ja matriisissa on enemmän proteoglykaaneja ja paksumpia kollageenisäikeitä [5, 13]. Syvärustossa rustosolut ovat pylväsmäisissä rykelmissä [5, 11, 13, 34, 49, 55]. Rustosolut uusiu- tuvat aikuisiällä hitaasti ja niiden määrä vähenee ruston vanhetessa, mikä osaltaan vaikuttaa ruston hitaaseen ja rajoittuneeseen paranemiskykyyn [11, 13, 21, 34].

Rustosolujen aineenvaihdunta reagoi perisellulaarimatriisin mekaanisiin ja kemial- lisiin muutoksiin [49, 55]. Kasvuiässä rustosolut vastaavat nivelruston muodostamisesta kasvattamalla rustoa luiden päihin ja muovaamalla nivelpintaa [13, 55]. Kas- vuiässä rustosolujen aktiivisuus on korkea ja niitä on rustossa paljon [5, 13, 55]. Ai- kuisiällä solujen aktiivisuus on matalampaa ja niiden tehtävä on pääasiassa korvata vaurioituneet ja hajonneet perisellulaarimatriisin molekyylit [13].

Mekaaninen kuormitus aiheuttaa perisellulaarimatriisin molekyylien hajoamista ja lisäksi solujen entsyymit hajottavat kiinteää matriisia, mihin solut vastaavat lisää- mällä matriisin molekyylien tuotantoa [13, 49, 55]. Ruston kuormituksen toistuvuus ja voimakkuus vaikuttavat ruston aineenvaihduntaan [11, 13, 49, 51, 55]. Rustosoluun kohdistuvan jännityksen muutos tavanomaisesta muuttaa myös rustosolujen aktiivi- suutta. Kun niveltä ei käytetä, soluun ja soluväliaineeseen kohdistuva jännitys piene- nee, jolloin solujen rustoa hajottavaa toimintaa on enemmän kuin rustoa muodostavaa [5, 11, 13]. Myös voimakas ja toistuva kuormitus voi aiheuttaa ruston uusiutumisen ja hajoamisen epätasapainoa [5, 11, 13]. Vanhenemisen myötä solujen kyky reagoi- da kuormitukseen ja muodostaa soluväliaineen molekyylejä heikkenee, mikä rajoittaa ruston uusiutumiskykyä [13, 49].

Kollageeni

Kollageeni on nivelruston kiinteän matriisin yleisin makromolekyyli ja se muodostaa noin 60 % nivelruston kiinteästä matriisista [12, 13, 34]. Tyypin II kollageeni on yleisin kollageeni (90-95 %) ja muodostaa pitkiä säikeitä ja verkostoja, joihin negatiivisesti varautuneet proteoglykaanimolekyylit kiinnittyvät [5, 11, 13]. Tyypin II kollageenin lisäksi nivelrustossa on myös tyyppien I, IV, V, VI, IX ja XI kollageeneja, joiden tehtävä on stabiloida kollageeniverkostoa [5, 11–13, 34, 49].

Kollageeni muodostaa nivelruston tukirangan, jota jäykistää kollageenisäikesiin kiinnittyneet proteoglykaanit [5, 11, 13]. Proteoglykaanit ja vesi täyttävät kollageeni-

(16)

verkoston huokoista rakennetta. Proteoglykaanien sähköiset varaukset vetävät vettä ja ioneja puoleensa. Vesi pakkautuu proteoglykaanimolekyylien väleihin, mikä saa aikaa proteoglykaanien turpoamisen ja venytyksen kollageeniverkostoon [5, 11, 13, 34]. Nesteen pakkautuminen kudokseen aiheuttaa kollageeniverkoston venymisen ja nivelruston turpoamisen, minkä vuoksi terve nivelrusto on kimmoisaa [5, 13].

Kollageenimolekyylit ovat juosteisia, sauvamaisia molekyylejä, jotka suoristuvat venytyksessä eivätkä ne yksinään kykene vastustamaan puristavia voimia [5]. Kolla- geenisäikeet muodostuvat kolmesta polypeptidiketjusta, jotka muodostavat kolmois- juosteen. Kollageenimolekyylit pakkautuvat säikeiksi, joita yhdistävät ja stabiloivat kovalenttiset sidossillat (engl. crosslink), jotka vahvistavat rakennetta [11, 34]. Lisäksi kollageenisäikeisiin kiinnittyneen proteoglykaanit ja niiden sähköiset varaukset rajoittavat säikeiden liikettä ja jäykistävät siten rakennetta [5, 11, 13]. Kollageenisäikeiden paksuus on ruston pinnalla noin 20 nanometriä (nm) ja syvemmissä kerroksissa kol- lageenisäikeet punoutuvat 70-120 nm:n paksuiksi kollageenisyiksi [11, 12]. Ohuet kol- lageenisäikeet muodostavat rustopinnalla tiiviin pinnansuuntaisen kerroksen, missä on vähän litteitä rustosoluja ja proteoglykaaneja. Ruston keskikerroksessa säikeiden järjestys on satunnainen. Syvärustossa kollageenisyyt ovat kohtisuorassa nivelrusto- pintaan nähden ja osa kollageenisyistä on mineralisoituneena kiinni kalkkeutuneessa rustossa, jonka avulla nivelrusto kiinnittyy rustonalaiseen luuhun [11, 13, 34].

Proteoglykaanit

Proteoglykaanit (engl. Proteoglycan, PG) ovat suuria haaroittuneita molekyylejä, joiden ytimen muodostaa proteiini ja siihen kovalenttisella sidoksella kiinnittyneet glykosaminoglykaani (engl. Glycosaminoglycan, GAG) -ketjut [5, 11, 13]. GAG-ketjuissa kuhunkin polysakkaridiketjuun on kiinnittynyt vähintään yksi negatiivisesti varautu- nut karboksyyli- tai sulfaattiryhmä [5, 13]. Proteoglykaanit muodostavat noin 25-35

% nivelruston kuivapainosta ja proteoglykaanien osuus nivelrustosta on pienin rustopinnalla ja suurin syvärustossa [11, 13, 34]. Nivelrustossa esiintyy kahdenlaisia proteoglykaaneja; pitkiä liitoksia muodostavia proteoglykaaneja eli aggrekaaneja ja ly- hyitä proteoglykaaneja, joiden tehtävä on kiinnittyä soluväliaineen pienempiin mole- kyyleihin. Proteoglykaanit kiinnittyvät kollageeniverkostoon ja sitovat itseensä vettä [5, 6, 13, 22, 34].

Proteoglykaanit ovat nivelrustossa pakkautuneet tiiviisti kollageeniverkoston si- sällä, missä molekyylien negatiivisesti varautuneet haarat hylkivät toisiaan ja muita negatiivisesti varautuneita molekyylejä ja sitovat positiivisesti varautuneita molekyy- lejä kudoksen sisäisestä nesteestä [5, 11, 13, 34]. Suurissa proteoglykaanimolekyy- leissä GAG-ketjujen varaukset eivät pääse liikkumaan, minkä vuoksi rustokudokseen muodostuu sidottu varaustiheys (engl. fixed charge dendisty, FCD) proteoglykaanien kiinnittyessä kollageenisäikeisiin [11, 13, 22, 34].

Nivelrustossa yleisimpiä proteoglykaaneja ovat pitkät proteoglykaanimonomeerit, aggrekaanit (engl. aggrecan), jotka muodostavat ryhmittymiä eli aggregaatteja hyalu- roninihapon kanssa [5, 11, 13]. Aggrekaanien, joita on noin 90 % proteoglykaaneista, lisäksi rustossa on myös dekoriinia, biglykaania ja fibromoduliinia [13, 34]. Aggre- kaanin ja hyaluronihapon välisiä sidoksia stabiloivat linkkiproteiinit, mikä jäykistää suurten aggregaattien rakennetta [11, 34]. Mitä enemmän rustossa on proteoglykaa- nimolekyylejä, sitä enemmän muodostuu suuria aggregaatteja. Aggregaattien haarat kiinnittyvät kollageeniverkostoon, mikä rajoittaa veden vapaata virtausta kudoksessa,

(17)

Nivelrikko 16

jäykistää kollageeniverkostoa ja rajoittaa kudoksen turpoamista [34].

Veden pakkautuminen saa aikaan proteoglykaanien turpoamisen ja kollageeniverkoston venymisen, mikä on seurausta Donnanin ilmiöstä [11–13, 22]. Proteoglykaanien negatiiviset sulfaatti- ja karboksyyliryhmät vetävät puoleensa kudoksen sisäisen nesteen positiivisia ioneja, mikä aiheuttaa epäorgaanisten ionien konsentraation kasvun ja nesteen pakkautumisen proteoglykaanimolekyylien haarojen väliin [11, 13]. Kolla- geeniverkosto rajoittaa turpoamista venymällä [11–13]. Nivelruston puristuessa neste ja vapaat ionit pääsevät virtaamaan ulos kudoksesta [11–13, 25, 56]. Tällöin kudoksen- sisäisen nesteen ja nivelnesteen välille muodostuu osmoottinen paine-ero eli Donnanin ilmiö, koska nivelraossa ja nivelrustossa varattujen ionien konsentraatiot ovat epäta- sapainossa [11–13, 22]. Nivelruston sisäisen nesteen nestepaine on korkeampi kuin nivelraon [22]. Kuormituksen loputtua vesi pyrkii virtaamaan takaisin kudokseen positiivisten ionien, kuten natriumin välityksellä, sillä kollageeniverkosto kiinnittyneet negatiiviset varaukset eivät pääse poistumaan kudoksesta. Paine-ero tasautuu nesteen ja positiivisten ionien diffuntoituessa nivelraosta takaisin nivelrustoon, jolloin nivelruston sisäinen paine laskee [11, 13].

Vesi

Nivelruston märkäpainosta lähes 80 % on vettä [5, 11–13, 22]. Vesi täyttää kollagee- nisäikeiden välisen tilan ja kiinteän matriisin huokoset. Veden määrä rustokudoksessa vähenee siirryttäessä pinnalta (∼80 %) syvärustoon (∼65 %). Veden määrää rustokudoksessa säätelevät kollageenisäikeiden paksuus ja niiden muodostaman verkoston tiheys sekä proteoglykaanien kiinnittyneiden varausten määrä [11]. Nivelruston nes- tefaasiin on liuenneena kaasuja, pieniä proteiineja, aineenvaihduntatuotteita ja paljon positiivisesti varautuneita kationeja tasapainottamaan proteoglykaanien negatiivisia varauksia [11, 13].

Nivelruston sisäisen nesteen ja nivelraon nesteen erottaa vain ohut kollageenisäi- keiden muodostama nivelpinta, jonka läpi vesi ja siihen liuenneet molekyylit pääsevät diffuntoitumaan [11, 13]. Neste pääsee liikkumaan ruston ja nivelraon välillä, mikä mahdollistaa aineenvaihduntatuotteiden ja ravinteiden liikkumisen ruston ja nivelraon välillä [11, 13, 34]. Nivelneste voitelee nivelpinnat ja alentaa kitkaa nivelessä, mutta nivelneste myös kuljettaa ravintoaineita nivelpussin seinämien rauhasista nivelrakoon ja edelleen nivelrustoon [13].

Veden ja kiinteän matriisin väliset vuorovaikutukset vaikuttavat nivelruston mekaanisiin ominaisuuksiin [11, 13, 22]. Kun rustokudosta puristetaan, kudoksen sisäi- nen neste virtaa huokosissa suuremmasta paineesta pienempään. Nesteen virtausta rustokudoksen läpi vastustavat kitka ja proteoglykaanien aiheuttamat sähköiset voi- mat, minkä vuoksi terveen nivelruston nesteen läpäisevyys, permeabiliteetti, on pieni [21–23]. Nesteen kokoonpuristumattomuus ja nivelruston alhainen permeabiliteetti mahdollistavat nivelruston kyvyn kestää suuriakin kuormia [11, 12, 22]. Kollageeni- verkoston vauriot ja proteoglykaanien huuhtoutuminen nivelrakoon saattavat lisätä veden määrä kudoksessa jopa 10%, mikä vaikuttaa merkittävästi myös nivelruston mekaanisiin ominaisuuksiin [11]. Nivelrikossa muutokset vapaan veden määrässä ja veden liikkuvuudessa ovat usein yhteydessä nivelruston kiinteän matriisin muutoksiin. Siten muutoksia kudoksen veden määrässä ja liikkuvuudessa onkin ehdotettu merkiksi varhaisesta nivelrikosta [28, 38].

(18)

2.1 Nivelrikko

Nivelrikko on koko synoviaaliniveltä koskeva sairaus, joka voi aiheuttaa muutoksia nivelrustossa, luussa ja nivelkapselissa [5, 7, 8, 13]. Nivelrikko voi saada alkunsa nivelpintojen kontaktista niveleen kohdistuvan iskun tai voimakkaan kuormituksen seurauksena, mutta se voi kehittyä myös hiljalleen nivelpinnan kuluessa ja ruston uusiutumisnopeuden hidastuessa [5, 8, 11]. Sairaus on varhaisessa vaiheessa usein oi- reeton ja ensimmäiset oireet ovat nivelkipu ja nivelen jäykkyys, jotka ilmenevät kun nivelpinta on jo vaurioitunut merkittävästi [8, 11, 14, 57]. Nivelrustopinnan vaurio altistaa nivelruston alemmat kerrokset kulumiselle ja nivelrusto kuluu pois luun pinnalta, mikä voidaan todeta nivelraon kaventumisena röntgenkuvassa tai nivelruston ohenemisena magneettikuvassa [7, 8, 30, 31, 52, 57, 58].

Nivelrikon kehittymismekanismeja on useita ja ne ovat usein yhdistelmä nivelen mekaaniseen kuormitukseen ja aineenvaihduntaan liittyviä prosesseja, joissa nivelruston uusiutumiskyky on epätasapainossa. Primäärisessä nivelrikossa rustosolut eivät enää kykene muodostamaan rustoa samaan tahtiin kuin rustoa hajoaa ruston ikään- tyessä. Sekundaarisessa nivelrikossa nivelruston vaurioitumisen voi aiheuttaa nivelpin- taan kohdistuva voimakas isku, nivelen epätasainen kuormitus, nivelen tukikudosten vaurio tai nivelruston pilkkoutumisen ja uusiutumisen epätasapaino [7, 52]. Suoran nivelrustovamman lisäksi nivelruston rappeutuminen voi alkaa syvemmissä kerroksissa ja siihen voi liittyä muutoksia muun muassa proteoglykaanien määrässä, perisellulaarimatriisin rakenteessa, rustonalaisessa luussa ja kalkkeutuneessa nivelrustossa [8, 10, 11, 49]. Nivelrikolle altistavia tekijöitä ovat ikääntyminen, ylipaino, niveltä kuormittava työ tai harrastus, perimä, naissukupuoli ja aiempi nivelvamma [5, 7, 57].

Nivelrikossa tapahtuvat ruston rakenteen muutokset liittyvät kollageeniverkoston ja proteoglykaanien pilkkoutumiseen kuormituksen seurauksena, mihin rustosolut reagoivat muodostamalla uutta rustokudosta [8, 11, 13]. Suurten proteoglykaanimolekyylien huuhtoutumista nivelrustosta ja aggrekaanien määrän vähenemistä sekä kollageeniverkoston haurastumista pidetään yhtenä varhaisimmista nivelrikon merkeistä yhdessä veden määrän kasvun kanssa [8, 12, 19, 52]. Proteoglykaanien määrän las- kua ja kollageeniverkoston hajoamista seuraa ruston permeabiliteetin kasvu [8, 11, 19]. Permeabiliteetin kasvu aiheuttaa kiinnittyneiden varausten vähenemisen, mitä seuraa kudoksen turpoamisen väheneminen ja pehmeneminen [11].

Myös nivelruston pintakerroksen vaurioituminen ja oheneminen aiheuttavat nivelpinnan nesteen läpäisevyyden kasvun, mikä aiheuttaa proteoglykaanien ja ionien huuhtoutumisen nivelrustosta nivelrakoon kollageeniverkoston harventuessa [8, 19, 59]. Pintaruston pehmentyessä sen kyky suojata rustosoluja ja alempia kerroksia kuormitukselta heikkenee, mikä aiheuttaa solujen kuoleman pintarustossa sekä vaurioita soluille ja matriisin rakenteelle alemmissa kerroksissa [5, 9, 20, 31, 50]. Proteoglykaa- nien huuhtoutuminen ja kollageenisäikeiden pilkkoutuminen saavat aikaan kiihtyvän kulumisprosessin, missä rustosolut eivät ehdi muodostaa uutta kudosta hajonneen tilalle [8, 11]. Nivelrakoon päätyneet aineenvaihdunta- ja pilkkoutumistuotteet puo- lestaan aiheuttavat nivelen tulehtumisen [8, 13, 34, 50, 53].

Soluväliaineen hajoaminen vaikuttaa myös rustosolua ympäröivään perisellulaari- matriisiin ja rustosoluihin. Soluväliaineen deformaatiot välittyvät perisellulaarimatriisin kautta rustosoluille, jotka reagoivat mekaaniseen kuormitukseen ja biokemiallisiin signaaleihin muodostamalla ruston makromolekyylejä [11, 13, 25, 49, 55]. Liian suu- ri kuormitus voi kuitenkin johtaa rustosolujen kuolemiseen, mikä hidastaa kudoksen

(19)

Nivelrikko 18

uusiutumista [5, 8, 9, 25]. Lisäksi aikuisen nivelrustossa rustosolujen aktiivisuus on matalampi kuin kasvuiässä, jolloin epätasapainon ja vaurion korjaaminen on hitaampaa eikä nivelrusto pysty reagoimaan muuttuvaan kuormitukseen yhtä nopeasti [11, 13].

Nivelrikon diagnosointi perustuu pitkälti potilaan kuvaamiin oireisiin, kliinisten tutkimusten löydöksiin ja kuvantamislöydöksiin [7]. Oireista yleisempiä ovat nivelkipu, nivelen jäykkyys ja rajoittunut liikkumiskyky, joita voidaan arvioida erilaisten kyselylomakkeiden avulla [7]. Kliinisiä löydöksiä ovat muun muassa muutokset potilaan kävelyssä, nivelen asennon ja ulkomuodon poikkeavuudet ja nivelen liikelaajuu- den rajoittuneisuus [7, 8]. Nivelen kuvantamistutkimukset suoritetaan pääsääntöisesti röntgenkuvauksella ja niissä tutkitaan nivelraon leveyttä ja nivelpintojen muotoa [7, 60]. Mikäli kuvantamislöydöksissä epäillään pahanlaatuista kasvainta tai infektiota, suositellaan magneettikuvantamista täydentäväksi kuvantamismenetelmäksi [7].

Nivelrikon luokitukseen röntgenkuvauksella suositellaan käytettäväksi Kellgrenin ja Lawrencen luokitusta, joka perustuu nivelraon leveyden tarkasteluun röntgenku- vassa [7]. Nivelraon kapeneminen viittaa jo edenneeseen nivelrikkoon ja siten sen käyttö varhaisen nivelrikon tutkimisessa ja luokittelussa ei ole mielekästä [58, 60].

Nivelrikon luokitteluun onkin kehitetty useita eri luokittelumenetelmiä. Esimerkiksi magneettikuvaukseen on kehitetty oma luokittelunsa (engl. Whole-Organ Magnetic Resonance Imaging Scoring, WORMS), jonka avulla voitaisiin luokitella koko nivelen magneettikuvasta myös muita nivelen osia nivelruston lisäksi [33, 61]. Magneettiku- vaus ei aina ole saatavilla ja sen käyttöä rajoittavat tutkimuksen verrattain kallis hinta ja pitkä kuvantamisaika [62].Varhaisen nivelrikon havaitseminen ja nivelrikon kehittymisen estäminen ja hidastaminen oikeanlaisella hoidolla voisi karsia nivelrik- kotapauksia merkittävästi, mikäli tehokas hoitokeino löydettäisiin [58, 62].

Nivelruston heikon uusiutumiskyvyn myötä nivelrikkoa on vaikea parantaa, mutta sen oireita voidaan helpottaa kipulääkkeillä, sopivalla nivelen kuormituksella, vahvis- tamalla niveltä ympäröiviä lihaksia [5, 7, 51]. Mikäli noninvasiivinen hoito ei helpota nivelrikon oireita, vaurioitunutta nivelrustopintaa voidaan hoitaa siirtämällä ehjää nivelrustoa tai rustosoluja vauriokohtaan [8, 36, 51]. Nivelen asentoa voidaan myös muuttaa osteotomialla, jolloin epätasaisesti kuluvaa nivelpintaa käännetään leikkaa- malla luuta nivelpinnan alta ja muuttamalla nivelpinnan asentoa [8, 52]. Äärimmäi- sessä tapauksessa nivelrustoa ei ole enää jäljellä ja nivel täytyy korvata tekonivelellä [7].

(20)

3 Magneettikuvaus

Magneettikuvaus (engl. Magnetic resonance imaging, MRI) on verrattain uusi ku- vantamismenetelmä, jota käytetään pääsääntöisesti pehmytkudosten ja metabolisten prosessien kuvantamiseen [63]. Magneettikuvauksen etuja ovat sen erilaisten kudosten erotuskyky ja herkkyys niiden rakenteellisille muutoksille. Lisäksi MRI on verrattain turvallinen, sillä magneettikuvauksen avulla voidaan tutkia ihmiskehoa ilman ionisoivaa säteilyä tai aiheuttamatta muuta haittaa [63].

MR kuvantaminen perustuu atomiytimien magneettisen resonanssin (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) havainnointiin [63]. MRI:ssa yleisin tarkasteltava atomiy- din on vetyatomin ydin eli protoni, joka reagoi magneettikentän muutoksiin. Kun magneettikenttää poikkeutetaan hetkellisesti tasapainotilasta, protoneihin varastoi- tunut ylimääräinen energia purkautuu radiotaajuudella värähtelevänä signaalina. Mi- tattu signaali voidaan muuttaa kuvaksi Fourier-muunnoksen avulla, jolloin saadaan tietoa kuvattavan kohteen rakenteesta [63, 64].

Magneettikuvauksen avulla voidaan erottaa erilaisia materiaaleja käyttäen hyö- dyksi MRI:n herkkyyttä muun muassa protonitiheyden, relaksaatioaikojen, lämpöti- lan, protonien liikkeen ja kudoksen heterogeenisyyden muutoksille. MRI:n kontrastia voidaan säätää eri muuttujien avulla ja siten MRI on monikäyttöinen kuvantamisme- netelmä erilaisten materiaalien ja kudosten tutkimuksessa [32, 33, 63]. Kudosten rakenne ja kudoksissa olevien molekyylien pitoisuudet vaihtelevat [32, 63, 64]. Protonien määrä (spinien määrä) vaihtelee eri kudosten välillä sekä paikallisesti kudoksissa, jolloin kokonaismagnetisaation muutokset ja mitatun signaalin voimakkuus vaihtelevat.

Signaalin voimakkuuden vaihtelut havaitaan paikallisina eroina, eli kuvakontrastina, rekonstruoidussa kuvassa. Lisäksi spinit ovat vuorovaikutuksessa toistensa sekä ym- päristönsä kanssa, mikä havaitaan eroina magnetisaation muutoksissa, joita kuvaavat relaksaatioajat [32, 63–66].

3.1 Magneettikuvaksen fysiikka ja laitteisto

Magneettikuvaus perustuu erilaisten atomiytimien käyttäytymiseen magneettikentäs- sä ja ytimien magneettisen resonanssin (engl. Nuclear Magnetic Resonance, NMR) hyödyntämiseen kuvantamisessa [32, 63, 64]. Yksittäisten ytimien tarkastelu vaatisi tarkastelua kvanttimekaniikan avulla, mutta MRI:n perusperiaatteiden ja laitteiston toiminnan ymmärtämiseksi riittää tarkastelu energian ja perinteisen mekaniikan avulla.

(21)

Magneettikuvaksen fysiikka ja laitteisto 20 3.1.1 MRI:n fysiikka

Luonnossa esiintyvä materia muodostuu alkuaineatomien muodostamista molekyy- leistä. Atomeilla on ytimissään erilainen määrä protoneja ja neutroneita, mitkä mää- räävät atomien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet [32]. Atomin kvanttiluvut kuvaavat ja määrittävät atomin rakennetta ja ominaisuuksia. Magneettikuvantami- sen kannalta merkittävin on atomiytimen spin-kvanttiluku, S. Atomiytimen spin- kvanttiluvun määräävät ytimen protonien ja neutroneiden magneettiset momentit, µ¯, eli spinit. Spin on alkeishiukkasten sisäinen ominaisuus, sisäinen pyörimismäärä [32, 63]. Sekä protonin että neutronin spin on 1/2, mutta ytimissä ne pyrkivät muodostamaan pareja, joiden pyörimisakselit ovat vastakkaissuuntaisia eli kokonaisspin on nolla [64].

Mikäli ytimessä on parillinen määrä protoneja ja neutroneja, saa ydin kvanttiluvun 0 ja ydin on ei-magneettinen eikä se reagoi ulkoiseen magneettikenttään. Mikäli ytimessä on pariton määrä protoneja ja parillinen määrä neutroneita (tai päinvas- toin), saa ydin spin-kvanttiluvun parittoman nukleonin mukaan ja se on magneettinen. Mikäli sekä protoneja että neutroneita on pariton määrä, spin-kvanttiluku on jäljelle jääneiden magneettisten momenttien summa [64].

Kuva 3.1: Spinien orientaatio magneettikentässä. a) Spinit ovat järjestyneet sekalaisesti, kun ulkoista magneettikenttää ei ole ja kokonaismagnetisaatio on nolla. b) Kun spinit asetetaan ulkoiseen magneettikenttään (B₀), kokonaismagnetisaatio on aluksi nolla. c) Spinit pyrkivät matalimpaan energiatilaan ja kokonaismagnetisaatio kääntyy ulkoisen magneettikentän suuntaiseksi. Spinien transversaalit magnetisaation komponentit kumoavat toisensa. d) Kun magneettikenttää poikkeutetaan esimerkiksi π/2 - pulssilla, kokonaismagnetisaatio kääntyy transversaaliin tasoon ja samalla spinien energia kasvaa. e) Kun pulssi päättyy, ainoastaan ulkoinen magneettikenttä B¯

0 vaikuttaa spineihin ja kokonaismagnetisaatio palautuu ulkoisen magneettikentän suuntaiseksi.

Kun asetetaan kuvattava kohde ulkoiseen magneettikenttään, spinit virittyvät ja niiden suunta muuttuu magneettikentän suuntaiseksi (kuva 3.1). Koska spinillä voi olla vain kaksi arvoa, spinillä on vain kaksi mahdollista energiatilaam= ¹₂ (spin ylös)

(22)

tai m = −¹₂ (spin alas) [64]. Todellisuudessa yksittäisen spinin orientaatio voi olla mikä tahansa ja spinit vaikuttavat myös toistensa ja ympäristön molekyylien kanssa [64]. Spinin energiatilojen energiaa ulkoisessa magneettikentässä kuvaavat yhtälöt

Eα =−¹₂}γB0 (3.1)

E_β = +¹₂}γB₀, (3.2)

missä } = h/2π (h, Planckin vakio), γ on ytimen gyromagneettinen vakio ja B₀ on ulkoisen magneettikentän voimakkuus. Spin pyrkii vaihtamaan alimpaan mahdolli- seen energiatilaansa virittyessään ulkoisessa magneettikentässä. Energiatilan vaihtoa kuvaa yhtälö

∆Eα→β = E_β −E_α

= ¹₂}γB₀−(−¹₂}γB₀)

= }γB₀

= (h/2π)γB₀, (3.3)

kun spinin gyromagneettinen vakio on positiivinen. Spinin energian muutosta vastaa tällöin taajuus

v_α→β = ∆E_α→β/h=γB₀/2π. (3.4)

Magneettikentän suuntaisesti virittyneet spinit voidaan poikkeuttaa tasapainotilasta käyttäen radiotaajuudella (engl. radiofrequency, RF) värähtelevää magneettista pulssia (RF-pulssi), jonka taajuus on spinien energiatilojen välistä siirtymää vastaavalla ominaistaajuudella, Larmor-taajuudella [63, 64]. Larmor-taajuudelle on määritelty

ω₀ =−γB₀ (rad/s) (3.5)

ja toisaalta

v0 =−γB0/2π (Hz). (3.6)

Yhtälöistä (3.4) ja (3.6) havaitaan, että Larmor-taajuus on energiatilojen välistä siir- tymää vastaava taajuus miinusmerkkisenä [64]

v_α→β =−v₀. (3.7)

Yksittäisen ytimen spiniä on mahdoton havaita tai mitata, mutta tarkastelemalla tietyn tilavuusalkion, vokselin, spinien magneettisten momenttien vektorisumman eli kokonaismagnetisaation muutoksia voidaan materiaalin ominaisuuksia ja rakennetta verrata eri vokseleiden välillä [63].

M¯ = 1 V

∑︂

i

µ¯_i. (3.8)

Yksinkertaisin ja yleisimmin MRI kuvantamisessa tarkasteltava ydin on vety-ydin eli protoni (¹H). Tarkasteltaessa vettä ja siinä olevia protoneja ilman ulkoista mag- neettikenttää havaitaan että spinit ovat järjestyneet satunnaisesti siten että kokonaismagnetisaatio on nolla (kuva 3.1). Kun kohde asetetaan ulkoiseen magneettikenttään,

(23)

Magneettikuvaksen fysiikka ja laitteisto 22

Kuva 3.2: Spinin prekessioliike magneettikentässä. a) Spinin prekessioliike kuvattuna sivulta. Gyromagneettisen vakion ollessa positiivinen, spinin magneettinen momentti kiertää magneettikenttää myötäpäivään ja sen kulma magneettikenttään nähden θ pysyy vakiona. b) Prekessioliike kuvattuna positiivisen z-akselin suunnasta kohti origoa.

spinien energia pyrkii minimoitumaan ja tasapainotilassa spinien kokonaismagnetisaatio on kääntynyt magneettikentän suuntaiseksi [63, 64].

Yksittäiset spinit eivät kuitenkaan ole kääntyneet täysin magneettikentän suuntaiseksi, sillä niiden magneettisilla momenteilla on myös magneettikenttään nähden kohtisuoria komponentteja, jotka kumoavat toisensa (kuva 3.1). Magneettikenttä aiheuttaa vääntömomentin spiniin, mikä aiheuttaa spinin pyörimisen ulkoisen mag- neettikentän ympärillä prekessioliikkeessä. Spinin magneettisen momentin muutosta kuvaa yhtälö

dµ¯

dt =γµ¯×B¯, (3.9)

missäγ on spinin gyromagneettinen vakio. Spinin prekessioliike vastaa hyrrän liikettä, kun hyrrä pyörii sekä kärjen että pyörimisakselinsa ympäri. Yksittäinen spin prekes- soi magneettikentän B¯ ympärillä vakiokulmassa θ, jolloin spinin suunta Φ muuttuu Larmor-taajuudella ympyrärataa pitkin (kuva 3.2). Tarkasteltaessa spinin prekessio- liikettä positiivisenz-akselin suunnasta kohti origoa tapahtuu pyöriminen myötäpäi- vään, kun gyromagneettinen vakio on positiivinen [63, 64].

Yhtälöstä (3.9) havaitaan että magneettisen momentin suuruus ei muutu, joten vasemman puolen differentiaali kuvaa vain spinin suunnan muutosta. Tällöin kuvasta 3.2 saadaan yhteys

|dµ¯|=µsinθ|dφ|. (3.10) Toisaalta

|dµ¯|=γ|µ¯| ×B¯dt=γµBsinθdt. (3.11) Tällöin vertaamalla yhtälöitä (3.10) ja (3.11) saadaan γBdt = dφ, mistä saadaan spinin Larmorin prekessiota kuvaava yhtälö

ω ≡ dφ

dt =−γB, (3.12)

(24)

missä ω on spinin Larmor-taajuus [63].

Yhdessä vokselissa spinejä on useita ja tasapainotilassa kokonaismagnetisaatiota homogeenisessa kentässäB₀ ei voida havaita. Kuitenkin saman alkuaineen spinit pre- kessoivat magneettikentän ympäri samalla taajuudella, jolloin niiden muodostama kokonaismagnetisaatio värähtelee magneettikentässä kyseisellä Larmor-taajuudella.

Tasapainotilassa kokonaismagnetisaatiota ei voida havaita. Magnetisaatiota voidaan kuitenkin kääntää spinien Larmor-taajuudella värähtelevää RF-pulssia. Magnetisaa- tion kääntämiseen kulmanθ verran voidaan käyttää yhtälöä

θ = t_pγB₁

= ω₁t_p, (3.13)

missä t_p on pulssin kesto, γ on gyromagneettinen vakio ja B₁ on RF-pulssin mag- neettikentän voimakkuus ja ω₁ on magneettikenttää vastaavan RF-pulssin taajuus.

Magnetisaation kääntämiseen vaikuttavat siis käytetyn RF-pulssin voimakkuus se- kä pulssin pituus. RF-pulssin vaikutuksesta spinien prekessioakseli kääntyy ulkoisen magneettikentän (B₀) suunnasta RF-pulssin suuntaa magneettikentän (B₁) ympäri, jolloin myös kokonaismagnetisaatio kääntyy. Tällöin spinien prekessioliike tapahtuu ulkoisen magneettikentän (B₀) ja RF-pulssin magneettikentän (B₁) ympärillä.

RF-pulssin loppuessa spinit ovat vuorovaikutuksessa ainoastaan ulkoisen mag- neettikentän kanssa ja pyrkivät palautumaan tasapainotilaan. Tällöin systeemin ko- konaismagnetisaatioM¯ muuttuu ja alkaa prekessoimaan Larmor-taajuudella ulkoisen magneettikentän ympärillä. Prekessoiva magnetisaatiovektori indusoi sähkömotorisen voiman, joka voidaan havaita muuttuvana virtana ja jännitteenä kohdetta ympäröi- vissä johdinkeloissa (engl. Free Induction Decay, FID) [32, 63].

3.1.2 Laitteisto

Magneettikuvauslaite (kuva 3.3) koostuu kuvausputkesta ja putkea ympäröivistä ke- loista, joissa kulkeva virta muodostaa putken sisälle voimakkaan magneettikentän.

Asettamalla useampi kela saman akselin suuntaisesti kelojen magneettikentät sum- mautuvat ja muodostavat yhdessä voimakkaan homogeenisen magneettikentän [63].

Kliinisten magneettien kelat ovat suprajohtavia, mikä vaatii niiden jäähdyttämisen nestemäisellä heliumilla. Kelojen muodostamaa magneettikenttää voidaan hienosää- tää homogeeniseksi kuvausalueella pienten metalliliuskojen tai ns. "shimmauskelo- jen"(engl. shimming coil) avulla [63].

Magneettikentän poikkeutus tasapainotilasta RF-pulssilla saa aikaan vaimenevan signaalin [63–66]. Signaalin paikantaminen tapahtuu käyttäen kuvausaluetta ympä- röiviä gradienttikeloja sekä signaalia mittaavia RF-keloja (kuva 3.3). Gradienttien avulla valitaan leike kuvattavasta kohteesta muuttamalla magneettikentän voimakkuutta paikallisesti ja RF-kelalla poikkeutetaan valitun leikkeen magnetisaatio ja mitataan signaali leikkeestä magnetisaation palautuessa [63, 67]. Gradienttikelojen avulla voidaan säätää magneettikentän voimakkuutta kuvausputken akselin suunnassa (z-suunnassa)

B¯ = (B0+G_xxˆ +G_yyˆ +G_zzˆ)zˆ, (3.14) missäG_x, G_y jaG_z ovat gradienttien magneettikenttien voimakkuudetx-,y- jazsuun- nissa ja B₀ magneetin kelojen luoma homogeeninen ulkoinen magneettikenttä [63].

Leikkeessä magneettikentän voimakkuus ja resonanssitaajuus muuttuvat gradientin

(25)

Magneettikuvaksen fysiikka ja laitteisto 24

Kuva 3.3: Magneettikuvauslaitteisto, laitteistoa ohjaava elektroniikka, radiotaajuus- kelat (RF-kela) ja gradientit. Laitteisto koostuu kuvausputkesta, jonka seinämän sisällä on magneetti. Magneetti luo kuvausputken sisälle pysyvän magneettiken- tän B₀, johon potilas asetetaan. Gradienttikelojen avulla näytteistetään potilaasta leike käyttäen pulssisekvenssejä. Gradienttikelat on asetettu kohtisuoraan toisiinsa nähden, jolloin niiden avulla voidaan muokata magneettikenttää kolmiulotteisesti.

RF-kelat pyritään tuomaan mahdollisimman lähelle potilasta ja kuvattavaa aluet- ta, jolloin spinien poikkeutus tehdään vain kuvattavassa alueessa. Kuvattaville ruu- miin osille on olemassa erilaisia RF-keloja ja ne voivat olla pelkästään lähettäviä, pelkästään vastaanottavia tai lähettäviä ja vastaanottavia [67]. Muokattu [67] :sta (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) lisenssin mukaisesti.

vaikutuksesta ja poikkeutukseen käytettävän RF-pulssin säädetään leikkeen resonans- sitaajuutta vastaavalle kaistalle. Tällöin valitussa leikkeessä spinien kokonaismagnetisaatio kääntyy ja prekessioliike tapahtuu RF-pulssin ympäri (kuva 3.1 d)), kun taas leikkeen ulkopuolella kokonaismagnetisaation muutokset ovat häviävän pieniä [63–66].

Kun RF-pulssi päättyy, leikkeen kokonaismagnetisaatio palaa takaisin ulkoisen mag- neettikentän suuntaan (kuva 3.1 e)), mikä voidaan havaita signaalina ympäröivillä RF-keloilla [63–67]. Gradienttien avulla pyritään säätämään myös signaalin voimakkuutta siten että signaali on voimakkaimmillaan tietyn ajan kuluttua RF-pulssista [63, 64, 67].

Gradienttikelojen avulla valitaan kuvattavasta kohteesta leike sekä näytteistetään leikkeen K-avaruus eli spinien taajuus ja vaihe. Yleensä gradienttikeloja on kolme paria, jotka ovat kohtisuorassa toisiaan vastaa (kuva 3.3).z-suuntaiset gradienttikelat ovat yleensä pyöreitä Maxwellin keloja, kun taas x- jay-kelat ovat satulan muotoisia

(26)

Golay-keloja [63].

Magneettikuvauksessa z-gradientin eli leikkeenvalintagradientin avulla valitaan kuvattava leike kuvausputken akselin suunnassa. Tällöin kuvattavassa leikkeessä ole- viin spineihin kohdistuu magneettikenttä, jonka voimakkuus muuttuu spatiaalisesti z-suunnassa. x- ja y-gradienteilla säädetään magneettikentän voimakkuutta yhtälön 3.14 mukaisesti ja myös spinien Larmor-taajuus muuttuu hieman spatiaalisesti.

Leikkeenvalintagradientti on päällä samanaikaisesti RF-pulssin kanssa (G_ss kuvassa 3.4), jolloin valitussa leikkeessä olevat spinit virittyvät ja leikkeen ulkopuolella virittymistä ei tapahdu. Leikkeenvalintagradientin negatiivisella osalla voidaan kor- jata spinien välille syntynyt vaihe-ero (G_ss kuvassa 3.4). Ennen signaalin mittausta leikkeeseen aiheutetaan spinien välille vaihe-ero, jolloin spinien vaihe-ero muuttuu gradientin (G_pe kuvassa 3.4) suunnassa. Mitattaessa signaalia aiheutetaan leikkeen spinien välille taajuusero vaihesuuntaan nähden ortogonaalisella gradientilla (G_ro kuvassa 3.4), jolloin spinit pyörivät eri nopeudella ja eri vaiheessa leikkeen eri kohdis- sa [63, 64, 67]. Mitattu signaali sisältää kaikki spinien taajuudet, mutta vain yhden vaihe-eron, mikä vastaa yhtä viivaa K-avaruudessa. Toistamalla mittaus käyttäen eri vaihe-eroja saadaan näytteistettyä useampi viiva K-avaruudessa. K-avaruus eli kuvan spatiaalinen taajuus- ja vaiheavaruus voidaan muuttaa kuvaksi Fourier muunnoksella [63, 64]. Mittauskelalta rekisteröity signaali vahvistetaan vahvistimella, muunnetaan analogisesta digitaaliseksi A/D-muuntimella ja tallennetaan tietokoneelle [63, 67].

MRI laitteiston toimintaa kontrolloidaan tietokoneella nk. pulssisekvenssien avulla. Sekvenssit määräävät ja ajoittavat milloin leikkeenvalinta gradientti, RF-pulssin lähetys, vaihe- ja taajuusgradientit sekä signaalin rekisteröinti ja A/D-muunnin ovat päällä [63, 64, 67]. Sekvenssit myös ohjaavat millä tavalla K-avaruus eli kuvan spatiaalinen taajuus ja vaihesisältö näytteistetään [63]. Kuvassa 3.4 on esitetty nopeassa spin-kaikukuvauksessa (engl. Fast Spin Echo, FSE) käytetty sekvenssikaavio.

Gradienttien ja sekvenssien avulla näytteistetty K-avaruus voidaan muuttaa kuvaksi valitusta leikkeestä käyttäen Fourier-muunnosta, jonka tyyppi riippuu pitkälti käytetystä sekvenssistä ja K-avaruuden näytteistyksestä [63]. Koska gradientit aiheuttavat spatiaalisen muutoksen magneettikentän voimakkuuteen ja siten taajuu- teen, voidaan eri taajuudet erottaa spatiaalisesti. Samalla taajuudella värähtelevät vokselit voidaan erottaa vaihe-erojen avulla, jotka saadaan aikaan aiheuttamalla gradientin (G_sskuvassa 3.4) avulla erilaisia vaihe-eroja leikkeeseen. Kuvassa 3.5 on esitetty K-avaruuden ja siitä Fourier-muunnoksella saatu MRI-kuva nivelrustolle. Fourier- muunnoksen ja spin-tiheyden sijasta kuvaan voidaan luoda kontrastia käyttäen magnetisaation muutoksia kuvaavia relaksaatioaikoja [41, 63–66].

(27)

MRI parametrit 26

Kuva 3.4: Pulssisekvenssi nopealle spin-kaiku kuvaukselle (engl. Fast Spin Echo, FSE).

Magnetisaatio käännetään ensin 90^◦ RF-pulssilla gradientilla (G_ss) valitusta leikkees- tä, jonka jälkeen leike vaiheistetaan uudelleen. Leikkeen lukusuuntaan oleva gradientti (G_ro) defokusoidaan, jonka jälkeen leikkeessä olevia spinejä käännetään 180^◦ toi- sella RF-pulssilla. RF-pulssin jälkeen leikkeen spinien välille aiheutetaan vaihe-ero gradientilla G_pe, minkä jälkeen mitataan kaiku eli signaali gradientilla G_ro. Kaiun jälkeen spinien vaihe palautetaan gradientilla G_pe, jolloin voidaan suorittaa seuraa- va 180^◦ RF-pulssi. Seuraavan RF-pulssin jälkeen vaiheen näytteistyksessä gradientin G_pe arvo kasvaa, jolloin saadaan eri K-avaruuden viiva (viivat x-akselin suuntaisesti).

Mittauksen aikana A/D-muunnin (ADC) on päällä ja muulloin ADC on pois päältä.

Käyttämällä useampaa 180^◦ RF-pulssia voidaan yhdestä 90^◦ virityspulssista mitata useampia kaikuja eri vaihe-eroilla, jolloin K-avaruuden näytteistys on nopeampaa [63].

3.2 Magneettikuvauksessa yleisesti käytetyt parametrit - T

₁

, T

₂

, T

1ρ

Magneettikuvantamisessa materiaalia karakterisoidaan usein käyttäen spinien kokonaismagnetisaation M muutoksia kuvaavia relaksaatioaikoja [32, 63–66]. Lisäksi relaksaatioaikojen avulla luodaan kuvaan kontrastia painottamalla eri relaksaatioaikoja [32, 64, 66]. Relaksaatiolla tarkoitetaan spinien kokonaismagnetisaation palautumista tasapainotilaan magneettikentässä. Relaksaatio ilmiö tapahtuu spinien vuorovaikut- taessa niitä ympäröivän mikroskooppisen magneettikentän sekä ulkoisen magneet- tikentän kanssa [63–66]. Relaksaationopeudella (engl. relaxation rate) tarkoitetaan relaksaatioajan käänteislukua [63, 64]. Relaksaatioaika voidaan määrittää mittauk- sessa havaitusta vapaasti vaimenevasta signaalista (engl. free induction decay, FID) [63, 64].

Spinien käyttäytymistä ja niiden kokonaismagnetisaation muutoksia staattisessa ulkoisessa magneettikentässä B¯ sekä reagointia RF-pulssiin kuvaa Blochin yhtälö

dM¯

dt =γM¯ ×B¯ + 1

T₁(M₀−Mz)zˆ− 1

T₂M¯_⊥, (3.15)