Analysis of distribution and severity of inflammation in patients with osteoarthritis and rheumatoid arthritis by ICG-enhanced fluorescence optical imaging and musculoskeletal ultrasound

Abstract

In rheumatoid arthritis (RA), synovitis of the hands appears especially in wrist, metacarpophalangeal (MCP) and proximal interphalangeal (PIP) joints1. In contrast, hand osteoarthritis (OA) presents potential inflammatory changes mainly in PIP and distal interphalangeal (DIP) joints. Inflammatory changes of the wrist and finger joints can be visualized by musculoskeletal ultrasound (US) and fluorescence optical imaging (FOI). The objective of this study was the comparison of the amount and distribution of inflammatory signs in wrist and finger joints of the clinically dominant hand in OA and RA patients by FOI, gray-scale (GSUS) and power Doppler US (PDUS). FOI and GSUS were performed in 1170 joints in 90 patients (67 RA, 23 OA) following a standardized procedure. GSUS and PDUS were applied on dorsal and palmar sides of wrists and MCP, PIP, DIP joints 2-5 of the clinically dominant hand for tenderness and swelling. The examination of both hands via FOI was performed for the automatically generated PrimaVista-Mode (PVM) and three different phases (p1-p3) over an examination time of 360s recording one image per second. Synovitis and tenosynovitis via ultrasound and the distribution of the fluorescence optical dye Indocyanine green (ICG) as signs for joint inflammation were graded by a semi-quantitative score (0-3). The frequency of inflamed joints per grade of the semiquantitative score was calculated in percentage terms in RA and OA for each imaging method. In GSUS, the frequency pattern showed wrist and MCP joints mostly affected in RA. DIP joints were graded more often with 1-3 in OA. More RA joints were graded with 1-3 in PDUS than joints of OA patients. In FOI, RA joints featured inflammatory signals with grades 1-3 more often in phase 1 in contrast to OA joints. In OA, higher grades were reached by DIP, PIP and wrist of OA patients in phase 3 in comparison to RA joints. FOI and US detected inflammation in both RA and OA accenting an inflammatory component of OA. Different inflammatory patterns between RA and OA were determined, especially in phases 1 and 3 in FOI. Hence, an analysis of the phases in FOI is of prime importance. The different shape patterns of ICG-enhancement may offer opportunities to distinguish both diseases.

Die Synovitis als krankheitsspezifisches Merkmal tritt bei der Rheumatoiden Arthritis (RA) im Bereich der Hand typischerweise am Handgelenk, an den Metacarpophalangealgelenken (MCP) und den proximalen Interphalangealgelenken (PIP) auf. Dagegen finden sich mögliche sekundär entzündliche Veränderungen bei der Osteoarthrose (OA) der Hand hauptsächlich in PIP und distalen Interphalangealgelenken (DIP). Eine Visualisierung von entzündlichen Veränderungen der Gelenke ist durch den muskuloskelettalen Ultraschall (US) und die Fluoreszenz-optische Bildgebung (FOI) möglich. Ziel dieser Arbeit war der Vergleich der Ausprägung und Verteilung von entzündlichen Veränderungen an den Hand- und Fingergelenken bei Patienten mit RA und OA in der FOI und im US. 1170 Gelenke von 90 Patienten (67 RA, 23 OA) wurden in der FOI und im US untersucht. Dabei wurde der Ultraschall im B-Bild und im Power Doppler-Modus (PDUS) an den Handgelenken, MCP, PIP und DIP 2-5 der für Druckschmerzhaftigkeit und Schwellung klinisch dominanten Hand standardisiert jeweils auf dorsaler und palmarer Schnittebene durchgeführt. Die Untersuchung beider Hände im FOI erfolgte standardisiert über 360 Sekunden mit einer Aufnahme eines Bildes pro Sekunde für einen automatisch generierten PrimaVista-Modus (PVM) und für drei verschiedene Phasen (p1-p3). Die Bewertung von Synovitis und Tenosynovitis im US und die Verteilung des Farbstoffs Indocyaningrün (ICG) im FOI in der klinisch dominanten Hand wurde unter Verwendung eines semi-quantitativen Scores (0-3) vorgenommen. Anschließend wurde die Häufigkeit des Auftretens des semi-quantitativen Scores an den Gelenken in beiden Bildgebungsverfahren für RA und OA prozentual ermittelt. Das Handgelenk und die MCP-Gelenke bei der RA präsentierten im Vergleich zur OA häufiger entzündliche Veränderungen im B-Bild des US. Dagegen zeigten die DIP-Gelenke bei OA-Patienten in Hinblick auf die Gradzahlen häufiger Grad 1-3. Es waren mehr Gelenke von RA-Patienten im PDUS betroffen als Gelenke von Patienten mit OA. Bezüglich der Ergebnisse im FOI zeigten die Gelenke der RA- Patienten häufiger entzündliche Anreicherungen in Phase 1, während die DIP, PIP und Handgelenke der OA-Patienten in Phase 3 mit höheren Gradzahlen bewertet wurden. Mittels FOI und US wurden in beiden Kohorten (RA und OA) entzündliche Veränderungen als Synovitis/Tenosynovitis beziehungsweise ICG- Anreicherungen festgestellt. Daher spielt bei der OA eine entzündliche Komponente ebenfalls eine Rolle. Es zeigten sich im Vergleich zwischen RA und OA phasenabhängig verschiedene Befallsmuster, die sich insbesondere in den Phasen 1 und 3 präsentierten. Daher ist die Analyse der genannten Phasen (p1-p3) in der FOI in der klinischen Praxis von Bedeutung. Zusätzlich scheinen die unterschiedlichen Formmuster der ICG-Anreicherung Möglichkeiten zur Differentialdiagnostik beider Krankheiten zu bieten.