Ultrasound based histomorphology for non-invasive grading of early cartilage degeneration

Abstract

Several studies investigating the assessment of hyaline cartilage degeneration demonstrated that quantitative ultrasound (QUS) is a promising tool to characterize osteoarthritis (OA) changes. Indeed, the cartilage surface reflection and the backscattered ultrasound parameters revealed to be sensitive to early surface and matrix degradation, respectively. However, the majority of these studies were using high-frequency, research-grade single element ultrasound. A method difficult to reproduce clinically. Moreover, only few of them investigated the combination of these parameters. The objective of this study was to propose a quantitative ultrasound-base methodology to predict early osteoarthritis stages using a clinical high-frequency ultrasound system, with a linear array transducer. And to compare its performance to research-grade single- element ultrasound and Magnetic Resonance Imaging (MRI) systems in assessing early OA degeneration.

Osteochondral plugs (OCP) (n=34) of human articular cartilage were collected from patients receiving a total knee arthroplasty (TKA) or cadaver donors. Each OCP was subsequently scanned with a clinical ExactVu Micro-Ultrasound system (Exact Imaging, Markham, ON, Canada), with a nominal center frequency of 29-MHz, a 40-MHz scanning acoustic microscope (SAM), and a Magnetic resonance imaging (MRI) system. QUS parameters related to the surface cartilage, chondrocyte, and collagen changes were computed. The degeneration of each cartilage sample was graded from histology, using the OARSI grading system. The quantitative parameters were correlated to the OARSI cartilage degeneration grade and the histological parameters, individually and in combination.

Results demonstrated that several quantitative parameters from US and MRI were significantly correlated to early OA grade. QUS parameters derived from ExactVu demonstrated a significant correlation with OARSI grade and comparable to MRI parameters (ρ = 0.75). The T2 relaxation time from MRI revealed strong significant differences between various groups of OA. A maximum Spearman’s rank correlation coefficient (ρ) of 0.82 was achieved using a combination of quantitative MRI and QUS parameters. A maximum ρ of 0.53 and 0.82 were achieved using ExactVu / SAM combination and ExactVu / MRI combination, respectively.

This study demonstrated that a clinical high-frequency ultrasound system, with a linear array transducer, is a promising device to predict early osteoarthritis stages, with results comparable to research-grade single-element ultrasound and MRI systems. Furthermore, the combination of these systems showed a strong significant correlation with the early OA grade.

Mehrere Studien, die sich mit der Beurteilung der Degeneration des hyalinen Knorpels befassten, haben gezeigt, dass ein quantitativer Ultraschall (QUS) ein vielversprechendes Instrument zur Charakterisierung von Arthrose ist. Die Reflexion der Knorpeloberfläche und die Parameter des rückgestreuten Ultraschalls erwiesen, dass eine frühe Degradation der Matrix vorliegt und eine Veränderung der Oberfläche. In den meisten dieser Studien wurde ein hochfrequenter “Ein-Element-Wandler-Ultraschall“ für die Forschung verwendet, dies ist eine Methode, die klinisch schwer zu reproduzieren ist. Außerdem untersuchten nur wenige von ihnen die Kombination dieser Parameter. Ziel dieser Studie war es, eine quantitative ultraschallbasierte Methode zur Vorhersage früher Arthrose-Stadien unter Verwendung eines klinischen Hochfrequenz-Ultraschallsystems mit einem Linear-Array-Schallkopf vorzuschlagen. Und um seine Leistung bei der Beurteilung der frühen Arthrose Stadien mit der Ein-Element-Wandler-Ultraschall- und Magnetresonanztomographie-Systemen (MRT) in der Forschung zu vergleichen.

Die Osteochondralen Stanzbiopsien (n=34) wurden aus menschlichem Gelenkknorpel entnommen, von Patienten, die eine Knie-Totalendoprothese erhielten oder von Leichenspendern. Jedes OCP wurde anschließend mit einem klinischen ExactVu-Mikro- Ultraschallsystem (Exact Imaging, Markham, ON, Kanada) mit einer nominalen Mittenfrequenz von 29 MHz, einem akustischen Rastermikroskop mit 40 MHz und einem Magnetresonanztomographiesystem untersucht. QUS-Parameter, die sich auf die Veränderungen des Oberflächenknorpels, der Chondrozyten und des Kollagens beziehen, wurden somit berechnet. Die Degeneration jeder Knorpelprobe wurde anhand der Histologie nach dem OARSI-Grading-System bewertet. Die quantitativen Parameter wurden mit dem OARSI-Knorpeldegenerationsgrad und den histologischen Parametern korreliert, sowohl einzeln als auch in Kombination.

Die Ergebnisse zeigten, dass mehrere quantitative Parameter aus US und MRT signifikant zusammenhängen mit dem frühen Arthrose Stadium. Die aus ExactVu abgeleiteten QUS- Parameter zeigten eine signifikante Korrelation mit dem OARSI-Grad und waren mit den MRT-Parametern vergleichbar (ρ = 0,75). Die T2-Relaxationszeit der MRT zeigte starke signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Arthrose Stadien. Mit einer Kombination aus quantitativen MRT- und QUS-Parametern wurde ein maximaler Spearman's Rank-Korrelationskoeffizient (ρ) von 0,82 erreicht. Ein maximaler ρ-Wert von 0,53 bzw. 0,82 wurde mit der ExactVu/SAM-Kombination bzw. der ExactVu/MRT-Kombination erreicht.

Diese Studie hat gezeigt, dass ein klinisches Hochfrequenz-Ultraschallsystem mit einem Linear-Array-Schallkopf ein vielversprechendes Instrument zur Vorhersage früher Arthrose- Stadien ist, mit Ergebnissen vergleichbar mit einem MRT-System. Darüber hinaus zeigte die Kombination dieser Systeme eine starke signifikante Korrelation mit dem frühen Arthrose Stadium.