Výskum chrupavky ľudského kolena je už dlhé roky veľmi aktuálnou témou odboru „muskuloskeletálna rádiológia“ (MSK). Je to odrazom spoločenskej naliehavosti uvedeného problému s prihliadnutím na predlžujúci sa priemerný vek Európskej populácii a tomu zodpovedajúcej častosti výskytu ochorenia chrupaviek ľudského kolena.
Moderná medicína stále hladá účinné liečebné postupy pre pacientov postihnutých ochorením chrupaviek. V prípade rozvinutého štádia ochorenia chrupaviek ponúka dnes moderná medicína invazívne riešenie v podobe chrupavkových transplantov. Jedná sa o závažný a nákladný operačný zákrok, spojený s následnou fyzioterapiou. Je preto pochopiteľná snaha o alternatívu v podobe úcinných liečiv, ktoré by mohli zastaviť alebo prinajmenšom spomaliť vývoj ochorenia chrupaviek, za predpokladu skorej diagnostiky ochorenia chrupaviek.
Magnetická rezonancia predstavuje moderný a najmä neinvazívny diagnostický nástroj, ktorý sa po technologickej ako aj metodickej stránke búrlivo rozvíja už viac dve desaťročia. V poslednej dekáde bol zjavný posun od identifikácie morfologických zmien chrupavky ľudského kolena ku biomechanickým a následne biochemickým zmenám v zložení chrupaviek, najmä množstva pretoglykanov ako aj množstva a usporiadania kolagenových vlákien .
V práci je riešený nový prístup v diagnostike ochorení ľudského kolena pomocou textúrovej analýzy chrupaviek – Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM) . Cieľom práce je porovnanie GLCM charakteristík zdravej a čiastočne degenerovanej chrupavky (v skorom štádiu ochorenia). Riešiteľka si kládla za cieľ navrhnúť a overiť na reálnych MRI dátach MSK pacientov klinickú použiteľnosť GLCM techniky, aplikovanú na MR obrázky kolena.
Poďakovanie patrí môjmu skvelému školiteľovi Pavlovi Szomolanyimu, PhD.
Radiology: Volume 256: Number 3—September 2010
Journal of Biomechanics : R.B. Souza et al. / Osteoarthritis and Cartilage 18 (2010) 1557e1563
Stehling C, et al. Loading of the knee during 3.0 T MRI
Zhodnotenie výsledkov
Dobrý deň Zuzana,
pekná práca s nadštandardným experimentálnym rozsahom (na prvý stupeň VŠ). Trocha rušivo pôsobí netriviálny počet preklepov a chýb v texte. Opis výsledkov (obrázkov) nekorešponduje s uvedenými štatistickými metódami, pretože výsledky testovania vlastne nie sú uvedené (ani slovne, ani vo forme dosiahnutej hladiny významnosti). V zásade, ak nie je ambícia pustiť sa do komplexnejších analýz, stačí ostať v rovine popisnej štatistiky a grafickej prezentácie - na tejto úrovni by to úplne postačovalo.
Moja otázka - aký výsledok považujete za najzaujímavejší, alebo najvýznamnejší z pohľadu ďalšieho klinického využitia? Ďakujem a prajem veľa úspechov.
iwa
Re: Zhodnotenie výsledkov
Dobrý večer,
V predloženej práci sme testovali zmeny T2 relaxačného parametra počas
záťažového cyklu. Z predchádzajúcich metodologických štúdií vieme, že T2 relaxačný
parameter koreluje so stavom kolagénových vlákien, zároveň však koreluje s podielom
vody v chrupavke.
Z grafov 5-11 vyplýva, že zmeny ktoré sme pozorovali pri kompresnom cykle sú
malé a navyše sú zaťažené fluktuáciami , ktoré dosahujú 20-25% strednej hodnoty. V
takomto prípade je použitie T2 relaxačného parametra vhodné len pre štatisticky
významnú skupinu. V prípade jednotlivých subjektov (pacientov) je T2 len obmedzene
použiteľné na skorú diagnostiku zmien chrupavky.
Obzvlášť dôležitá je správna pozícia ROI počas vyhodnocovania. Stačí len mala
chyba pri polohovaní ROI a výsledná T2 hodnota sa môže výrazne líšiť. Zvlášť sa treba
sústrediť na správny výber ROI pri styku chrupavky s kosťou. Táto oblasť, označovaná
tiež ako subchondrálna zóna, sa vyznačuje veľmi nízkymi hodnotami T2 (tenký čierny
región v MR obraze) nesmie preto byť zahrnutá do ROI. Podobne, povrchová oblasť
chrupavky je v styku so synoviálnou tekutinou. Tá sa vyznačuje intenzívnym signálom
a nesmie byť zahrnutá do ROI, lebo by spôsobila falošné zvýšenie strednej hodnoty T2 v
ROI.
Ukazuje sa, že T1 (relaxačný parameter charakterizujúci pozdĺžnu relaxáciu) je
vhodnejším meradlom skorých zmien v chrupavke. Biochemické analýzy naznačujú, že
v skorých štádiách degeneratívnych zmien ľudskej chrupavky dochádza ku zmenám
(znižovaniu) podielu glykosaminoglykanov v chrupavke. Chrupavka adsorbuje tekutinu,
v dôsledku čoho začne “puchnúť”. Tento proces je pozorovateľný na vysoko rozlíšených
MR obrazoch. V tejto etape ešte nie je možné pozorovať zmeny T2 relaxačného
parametra pomocou MRI. Až v ďalších štádiách ochorenia, kedy množstvo
glykosaminoglykanov klesne na kritickú hodnotu chýba kolagénovej štruktúre opora od
glykosaminoglykanov. Kolagenová mriežka už nedokáže odolávať vonkajšiemu tlaku,
zrúti sa a nezvratne zmení svoju vnútornú štruktúru. Tieto zmeny sú pomocou MRI
pozorovateľné štatisticky signifikantným poklesom T2 hodnôt, ktoré sú v konečnom
dôsledku odrazom zníženej mobility molekúl vody, vo vnútornej dezorganizovanom
kolagenovom zhluku.
34
Záver
V literatúre bolo publikované, že kvantifikácia transverzálnych relaxačných
časových konštánt (T2) v MRI poskytuje informáciu o podiele vody a kolagenovej
štruktúry hyalinnej chrupavky, pričom táto je citlivá na zmeny spôsobené kompresiou.
T2 hodnoty by teda mohli slúžiť ako biomarkery pre skorú detekciu ochorení chrupavky,
otvárajúc tak nové diagnostické možnosti pri pochopení tejto nepríjemnej choroby. V
predloženej práci sme sa snažili o popis zmien T2 hodnôt chrupavky ľudského kolena
počas dynamickej záťaže. Podľa našich najlepších znalostí je takáto štúdia nová a na 7T
MRI nebola dosiaľ zrealizovaná. Tlak bol vyvinutý MR kompatibilným kompesným
zariadením za použitia 7T MR systém, použitím 28-kanálovej kolennej cievky. T2 mapy
boli vypočítané z 3D-TESS obrázkov. Regiony záujmu (ROIs) boli vyhodnotené na
dvoch susediacich vrstvách na mediálnej emorálnej aj tibiálnej chrupavke, v anteriórnej,
centrálnej aj posteriórnej časti. Porovnávali sme biomechanické vlastnosti rôznych
regiónov chrupavky, pričom najviac sme sa sústredili na chrupavku priľahlú ku
operovanému menisku s rovnakou chrupavkou u neoperovaných dobrovoľníkov.
Z našich výsledkov vyplýva, že metóda je obmedzene citlivá na biomechanické zmeny.
Najsilnejší bol efekt zonálnej diferenciácie hlbokej a povrchovej vrstvy, ktorý sme
pozorovali u všetkých ROI vo femorálnej chrupavke ako aj centrálnej a posteriórnej
tibiálnej chrupavke. Len v prípade anteriornej tibiálnej chrupavky bol tento efekt
nepozorovatelný. Dôvodom je veľmi komplikované vybratie ROI v tejto oblasti, ktoré je
náchylné na chyby.
Ďalej sme dúfali v možnosť pozorovať zmeny T2 v závislosti od tlaku. Tu sme však
zistili, že fluktuácie T2 ktorými boli zaťažené naše merania sú príliš veľké. Obvykle sa
štandardná odchýlka hodnôt T2 pohybovala na úrovni 25% zo strednej hodnoty.
Z predchádzajúcich štúdii pritom vieme, že zmena T2 vplyvom tlaku bola približne 10%
(pri 3 Tesla a tlaku 125 N).
Z našich meraní teda vyplýva, že použitie T2 relaxačného parametra sa javí vhodné
len pre štatisticky významnú skupinu pacientov. V našej štúdii sme mali zahrnutých len
sedem dobrovoľníkov a sedem pacientov, čo s ohľadom na fluktuácie meranej veličiny
nepredstavuje štatisticky dostatočne veľkú skupinu. Inak povedané, aj malé množstvo
„chybných“ hodnôt môže významne ovplyvniť celú štatistiku. Z toho do budúcnosti
vyplýva nutnosť domerať ďalších pacientov a dobrovoľníkov, samozrejme pri zachovaní
všetkých parametrov merania (identické nastavenie experimentu).
35
V prípade jednotlivých subjektov (pacientov) je T2 len obmedzene použiteľné na
skorú diagnostiku zmien chrupavky, hlavne vplyvom fluktuácií, ktoré skresľujú
výpovednú hodnotu T2 MRI. Javí sa, že T1 (relaxačný parameter charakterizujúci
pozdĺžnu relaxáciu), ktorý je dlhé obdobie zaznávaným parametrom pre skorú
diagnostiku degeneratívnych zmien chrupavky je vhodnejším parametrom.
Záverom treba skonštatovať, že v budúcnosti bude nevyhnutné pokračovať vo
vylepšovaní metodiky diagnostiky skorých štádií ochorenia chrupavky. Potenciál MR
zobrazovania vo vysokom magnetickom je obrovský [10]. Je zjavné, že treba zdokonaliť
metodiku a techniku koregistrácie MR obrazov získaných počas kompresného cyklu.
Odstránenie zmeny polohy kolena počas kompresného cyklu by zjednodušilo aj zrýchlilo
vyhodnocovanie ROI. Tie by mohli byt vyhodnocované systémom “copy&paste“
z jedného MR obrazu na druhý. Presnosť vyhodnotenia by sa p ravdepodobne zvýšila, čo
by v konečnom dôsledku mohlo viesť ku lepšej reprodukovateľnosti výsledkov a teda aj
lepšej implementovatenosti T2 MRI v klinickej praxi, v podmienkach ortopédie alebo
traumatológie.
Otázka
Dobrý deň,
Pekná rozsiahla práca s veľkým množstvom zaujímavých výsledkov.
V metodickej časti uvádzate štatistické metódy, ktoré boli použité na analýzu ale vo výsledkovej časti nie sú prezentované výstupy štatistickej analýzy, čo je škoda lebo inak uvádzate veľmi pekný popis a diskusiu všetkých grafov. Dobré by bolo pridať aj popisnú štatistiku nameraných výsledkov, základne demografické údaje, aby bolo možné ohodnotiť variabilita v nameraných údajoch, či už interindividuálnu ale aj intraindividuálnu; a taktiež ohodnotiť podobnosť kontrolnej skupiny a pacientov.
Takže ako by ste na záver zhodnotili použiteľnosť študovanej MR techniky pre kvantifikáciu biochemických a biomechanických parametrov ľudskej chrupavky?
Re: Otázka
Dobrý večer,
V predloženej práci sme testovali zmeny T2 relaxačného parametra počas
záťažového cyklu. Z predchádzajúcich metodologických štúdií vieme, že T2 relaxačný
parameter koreluje so stavom kolagénových vlákien, zároveň však koreluje s podielom
vody v chrupavke.
Z grafov 5-11 vyplýva, že zmeny ktoré sme pozorovali pri kompresnom cykle sú
malé a navyše sú zaťažené fluktuáciami , ktoré dosahujú 20-25% strednej hodnoty. V
takomto prípade je použitie T2 relaxačného parametra vhodné len pre štatisticky
významnú skupinu. V prípade jednotlivých subjektov (pacientov) je T2 len obmedzene
použiteľné na skorú diagnostiku zmien chrupavky.
Obzvlášť dôležitá je správna pozícia ROI počas vyhodnocovania. Stačí len mala
chyba pri polohovaní ROI a výsledná T2 hodnota sa môže výrazne líšiť. Zvlášť sa treba
sústrediť na správny výber ROI pri styku chrupavky s kosťou. Táto oblasť, označovaná
tiež ako subchondrálna zóna, sa vyznačuje veľmi nízkymi hodnotami T2 (tenký čierny
región v MR obraze) nesmie preto byť zahrnutá do ROI. Podobne, povrchová oblasť
chrupavky je v styku so synoviálnou tekutinou. Tá sa vyznačuje intenzívnym signálom
a nesmie byť zahrnutá do ROI, lebo by spôsobila falošné zvýšenie strednej hodnoty T2 v
ROI.
Ukazuje sa, že T1 (relaxačný parameter charakterizujúci pozdĺžnu relaxáciu) je
vhodnejším meradlom skorých zmien v chrupavke. Biochemické analýzy naznačujú, že
v skorých štádiách degeneratívnych zmien ľudskej chrupavky dochádza ku zmenám
(znižovaniu) podielu glykosaminoglykanov v chrupavke. Chrupavka adsorbuje tekutinu,
v dôsledku čoho začne “puchnúť”. Tento proces je pozorovateľný na vysoko rozlíšených
MR obrazoch. V tejto etape ešte nie je možné pozorovať zmeny T2 relaxačného
parametra pomocou MRI. Až v ďalších štádiách ochorenia, kedy množstvo
glykosaminoglykanov klesne na kritickú hodnotu chýba kolagénovej štruktúre opora od
glykosaminoglykanov. Kolagenová mriežka už nedokáže odolávať vonkajšiemu tlaku,
zrúti sa a nezvratne zmení svoju vnútornú štruktúru. Tieto zmeny sú pomocou MRI
pozorovateľné štatisticky signifikantným poklesom T2 hodnôt, ktoré sú v konečnom
dôsledku odrazom zníženej mobility molekúl vody, vo vnútornej dezorganizovanom
kolagenovom zhluku.
34
Záver
V literatúre bolo publikované, že kvantifikácia transverzálnych relaxačných
časových konštánt (T2) v MRI poskytuje informáciu o podiele vody a kolagenovej
štruktúry hyalinnej chrupavky, pričom táto je citlivá na zmeny spôsobené kompresiou.
T2 hodnoty by teda mohli slúžiť ako biomarkery pre skorú detekciu ochorení chrupavky,
otvárajúc tak nové diagnostické možnosti pri pochopení tejto nepríjemnej choroby. V
predloženej práci sme sa snažili o popis zmien T2 hodnôt chrupavky ľudského kolena
počas dynamickej záťaže. Podľa našich najlepších znalostí je takáto štúdia nová a na 7T
MRI nebola dosiaľ zrealizovaná. Tlak bol vyvinutý MR kompatibilným kompesným
zariadením za použitia 7T MR systém, použitím 28-kanálovej kolennej cievky. T2 mapy
boli vypočítané z 3D-TESS obrázkov. Regiony záujmu (ROIs) boli vyhodnotené na
dvoch susediacich vrstvách na mediálnej emorálnej aj tibiálnej chrupavke, v anteriórnej,
centrálnej aj posteriórnej časti. Porovnávali sme biomechanické vlastnosti rôznych
regiónov chrupavky, pričom najviac sme sa sústredili na chrupavku priľahlú ku
operovanému menisku s rovnakou chrupavkou u neoperovaných dobrovoľníkov.
Z našich výsledkov vyplýva, že metóda je obmedzene citlivá na biomechanické zmeny.
Najsilnejší bol efekt zonálnej diferenciácie hlbokej a povrchovej vrstvy, ktorý sme
pozorovali u všetkých ROI vo femorálnej chrupavke ako aj centrálnej a posteriórnej
tibiálnej chrupavke. Len v prípade anteriornej tibiálnej chrupavky bol tento efekt
nepozorovatelný. Dôvodom je veľmi komplikované vybratie ROI v tejto oblasti, ktoré je
náchylné na chyby.
Ďalej sme dúfali v možnosť pozorovať zmeny T2 v závislosti od tlaku. Tu sme však
zistili, že fluktuácie T2 ktorými boli zaťažené naše merania sú príliš veľké. Obvykle sa
štandardná odchýlka hodnôt T2 pohybovala na úrovni 25% zo strednej hodnoty.
Z predchádzajúcich štúdii pritom vieme, že zmena T2 vplyvom tlaku bola približne 10%
(pri 3 Tesla a tlaku 125 N).
Z našich meraní teda vyplýva, že použitie T2 relaxačného parametra sa javí vhodné
len pre štatisticky významnú skupinu pacientov. V našej štúdii sme mali zahrnutých len
sedem dobrovoľníkov a sedem pacientov, čo s ohľadom na fluktuácie meranej veličiny
nepredstavuje štatisticky dostatočne veľkú skupinu. Inak povedané, aj malé množstvo
„chybných“ hodnôt môže významne ovplyvniť celú štatistiku. Z toho do budúcnosti
vyplýva nutnosť domerať ďalších pacientov a dobrovoľníkov, samozrejme pri zachovaní
všetkých parametrov merania (identické nastavenie experimentu).
35
V prípade jednotlivých subjektov (pacientov) je T2 len obmedzene použiteľné na
skorú diagnostiku zmien chrupavky, hlavne vplyvom fluktuácií, ktoré skresľujú
výpovednú hodnotu T2 MRI. Javí sa, že T1 (relaxačný parameter charakterizujúci
pozdĺžnu relaxáciu), ktorý je dlhé obdobie zaznávaným parametrom pre skorú
diagnostiku degeneratívnych zmien chrupavky je vhodnejším parametrom.
Záverom treba skonštatovať, že v budúcnosti bude nevyhnutné pokračovať vo
vylepšovaní metodiky diagnostiky skorých štádií ochorenia chrupavky. Potenciál MR
zobrazovania vo vysokom magnetickom je obrovský [10]. Je zjavné, že treba zdokonaliť
metodiku a techniku koregistrácie MR obrazov získaných počas kompresného cyklu.
Odstránenie zmeny polohy kolena počas kompresného cyklu by zjednodušilo aj zrýchlilo
vyhodnocovanie ROI. Tie by mohli byt vyhodnocované systémom “copy&paste“
z jedného MR obrazu na druhý. Presnosť vyhodnotenia by sa p ravdepodobne zvýšila, čo
by v konečnom dôsledku mohlo viesť ku lepšej reprodukovateľnosti výsledkov a teda aj
lepšej implementovatenosti T2 MRI v klinickej praxi, v podmienkach ortopédie alebo
traumatológie.
Re: Re: Otázka
Ďakujem zo podrobnú odpoveď a detaily...budete v práci pokračovať, ak by bola možnosť? Alebo si plánujete rozšíriť znalosti z nejakej inej problematiky?
iwa
iwa
Re: Re: Re: Otázka
Veľmi rada by som v problematike pokračovala. Zároveň nevylučujem znalosť v inej oblasti.
Re: Re: Otázka
Rovnako dakujem za odpoved. Co sa tyka zistenia vplyvu tlaku, neuvazovali ste nad tym pouzit pacientov, ktori by mali poskoden len jedno koleno? A zmerat u nich vplyv posobenia tlaku na obe kolena, mozno by tym bolo mozne odstranit cast variability. Kazdopadne velmi zaujimava robota.
Peter
Re: Otázka
Tomu sa novorí náhoda :)