Open Access

Dunja al- Shamari

• Momentan ist kein vollständig befriedigendes System zur quantitativen Diagnostik fokaler Knorpeldefekte (Osteochondrosis dissecans, osteochondrale Frakturen) und deren Therapieevaluierung verfügbar. In dieser Studie wurde die Genauigkeit der quantitativen Magnetresonanztomographie zur Bestimmung von Knorpeldefekten unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Lokalisation überprüft. Ziele der vorliegenden Studie waren 1.) die Eignung der T1-gewichteten 3D FIß..SH Gradientenecho-Sequenz mit selektiver Wasseranregung zur nicht invasiven Erfassung fokaler Knorpeldefekte am Präparat des menschlichen Kniegelenks bei akzeptabler Akquisitionszeit zu prüfen, 2.) die erfolgreiche Detektion aller Defekte zu bestätigen bzw. zu analysieren bis zu welcher Defektgröße mit den beschriebenen Methoden diese möglich ist und die entsprechende Meßgenauigkeit festzustellen und 3.) das Vorhandensein einer vergleichbaren oder einer unterschiedlichen Genauigkeit der qMRT für die verschiedenen Gelenkflächen (Patella, mediale und laterale Tibia) aufzuzeigen. 36 Kniegelenkspräparate bzw. deren tibiale und patellare Knorpel-KnochenFlächen wurden bei arthroplastischen Operationen des Kniegelenkes von 24 Patienten entnommen und gesammelt. Anschließend wurden insgesamt 74 künstliche Stanzdefekte, mit den Durchmessern von 3, 5 und 8 mm in die Knorpelflächen der Präparate gesetzt. In 15 Patienten (51 Defekte) wurde der knorpelige Stanzzylinder entfernt (Methode A), während bei 9 Patienten (23 Defekte) der Stanzzylinder stehen blieb und die unmittelbar umgebende Knorpelfläche entfernt wurde (Methode B). Die Präparate wurden magnetresonanztomographisch in einem Hochfeld gemessen, wobei eine zuvor validierte hochauflösende T1-gewichtete 3D FIß..SH GradientenechoSequenz mit selektiver Wasseranregung zur Anwendung kam. Anschließend erfOlgte die Bearbeitung der einzelnen Schichtbilder mit einem 3DNachbearbeitungsprogramm: die Knorpelflächen bzw. Stanzdefekte wurden segmentiert und markiert. Nur auf diese Weise konnte aus diesen Daten dieDefektgröße berechnet und eine dreidimensionale Darstellung der Strukturen -u abhängig von ursprünglicher Lage und Orientierung der Schichtenerreicht werden. Es erfolgte ein Vergleich der systematischen bzw. absoluten Abweichung der gemessenen Defektgrößen mit der tatsächlichen Größe der künstlich gesetzten Defekte. Anhand eines .paired Student's t-test" wurden die Signifikanzen statistisch überprüft. Die graphische Darstellung der Ergebnisse erfolgte in einem Box-and- hiskers-Plot. Unabhängig von der verwendeten Testmethode und verwendeten Defektgröße konnten alle künstlich gesetzten Stanzdefekte mit der MRTAnalyse wiedergefunden werden. Die Genauigkeit der Größenerfassung verbesserte sich mit der Größe des Defektes. Während die 3mm (1,3mm, 42%) und 5mm (1mm, 21%) Defekte jeweils signifikant überschätzt wurden, fand man bei der Defektgröße von 8mm (O,1mm, 4%) keine signifikante Abweichung mehr vor. Zwischen den Testmethoden A und B ergab sich kein Unterschied. Die unterschiedlichen Gelenkflächen (Tibia medial, lateral und Patella) zeigten in der getrennten Untersuchung keine Abweichungen in der Genauigkeit der Messung. Die Ergebnisse zeigen, daß sich die MRT, bei der Verwendung einer bestimmten Sequenz, eignet, eine quantitative Bestimmung fokaler Knorpeldefekte in allen Bereichen des menschlichen Kniegelenkes durchzuführen. Der klinisch relevante Bereich der Mehrzahl der Knorpeldefekte liegt bei 1,5 cm2 und größer und kann somit mit der in dieser Studie präsentierten Methode genau detektiert werden. Dies kann die Diagnose einer Osteochondrosis dissecans und osteochondraler Frakturen sowie die Planung der operativen Therapie und die Therapiekontrolle objektivierbar und quantifizierbar machen.
• No established, noninvasive diagnostic procedure for quantifying focal cartilage defects (osteochondrosis dissecans, osteochondral factures) and their therapeutical evaluation is currently available. Here we test the accuracy of quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) for reliable determination of cartilage defect size in various compartments of the human knee. The aim of this study was 1.) to test the suitability of the T1-weighted 3D FLASH water excitation gradient echo sequence for a noninvasive detection of focal cartilage defects of the specimens of the human knee at an acceptable time of acquisition; 2.) to confirm the successful detection of all defects respectively to analyze up to which size this is possible with the described methods and to quantify the accuracy of the measurement; 3.) to prove the existence of a comparable or a differing accuracy of qMRI for the different articulation plates (patella, mediale and lateral tibia). 36 knee-joint specimens respectively their tibial and patellar cartilage-boneplates were harvested during knee arthroplasty from 24 patients. 74 cylindrical defects with diameters of 3, 5, and 8 mm were created with a punch. In 15 specimens (51 defects), the cartilage cylinders (inside the punch) were removed (approach 1), while in 9 speCimens (23 defects) the surrounding tissue was removed mechanically and the cartilage cylinder was left in place (approach 2). All preparations were measured by magnetresonance- tomography in a high field imaged by a previously validated highly resolving T1-weighted 3D FLASH water excitation gradient echo sequence. Afterwards the images of each individual slice were reworked with a 3Dphoto imaging program: the cartilage plates respectively the punched defects were segmented and marked. Only with this approach the size of the defects could be calculated from the data and a 3D presentation of the structures could be achieved - independent from the original location and orientation of the slices. Subsequently, the systematic respectively absolute deviation of the measured size of the defects were compared with the actual respectively known dimensions of the simulated defects. Via a "paired Student's t-test" the statistical significance was determined. The results were presented in a box-and-whiskers-plot. Independent from the test approach and individual defect size all simulated defects were detected with the MRT-analysis. The accuracy of the measured defect size improved with the size of the actual defect. While there was a significant overestimation of the defect size by qMRI in 3 mm defects (1.3 mm; 42%) and 5 mm (1 mm; 21%), a significant overestimated in 8 mm defects (0.1 mm; 4%) was not observed. No difference was found between the test approaches A and B. The different articulation plates (Tibia medial, lateral and Patella) did not reveal a deviation in the individual analysis with regard to the accuracy of the measurement. These findings show that qMRI at a certain sequence permits one toaccurately quantify focal cartilage defects in all areas of the human knee. The clinical relevant range of the majority of cartilage defects is 1.5 cm2 and bigger and hence can be exactly detected with the presented approach in this study. This can objectify and quantify the diagnosis of osteochondrosis dissecans and osteochondral fractures as well as the planning of the operational therapy and its monitoring.