UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Illuminating the trapeziometacarpal jointDawn for optical coherence tomography in osteoarthritisCernohorsky, P.

Link to publication

Creative Commons License (see https://creativecommons.org/use-remix/cc-licenses):Other

Citation for published version (APA):Cernohorsky, P. (2020). Illuminating the trapeziometacarpal joint: Dawn for optical coherence tomography inosteoarthritis.

General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, statingyour reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Askthe Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

Download date: 13 Jul 2020

C H A P T E R 9SUMMARY

SAMENVATTING

SUMMARY

9

139

SUMMARYHand osteoarthritis is a multifactorial degenerative joint disease, mainly affecting articular

cartilage lining the joint surfaces and is characterized by loss of cartilage thickness and

quality. Patients suffer from pain and impaired motion of the affected joints. A frequent

location for hand osteoarthritis is the thumb base joint or trapeziometarpal (TMC) joint.

Previous studies have suggested that TMC osteoarthritis may contribute more to pain

and disability than osteoarthritis in other hand joints. An important discrepancy exists

between clinical symptoms and imaging features using conventional imaging modalities.

Also, conventional imaging modalities are generally unable to accurately depict

the thin cartilage layers in a small joint like the TMC. However, accurate depiction of

cartilage tissue and early disease detection are paramount for subsequent appropriate

treatment selection.

Optical Coherence Tomography (OCT) utilizes near-infrared light to produce high-

resolution cross-sectional images of thin tissue layers. The use of OCT has previously

shown promising results in imaging of articular cartilage but depiction of cartilage in

a small joint like the TMC was never attempted.

Thereto, this thesis focuses on the use of OCT in imaging of articular cartilage, with

emphasis on OCT signal quantification and in-situ imaging of TMC articular cartilage.

In line with the general introduction, Chapter 2 provides an overview of current clinical

imaging strategies in TMC osteoarthritis. Clinical imaging in TMC osteoarthritis usually

relies on readily available modalities with which sufficient experience exists, conventional

radiography being the prime example. Although radiography is a useful tool for initial

diagnosis and disease monitoring in more progressed cases, relevant discrepancy

between imaging features and clinical symptoms may exist, especially in earlier stages

of the disease. Also, classification systems for grading TMC osteoarthritis on radiography

have limited inter- and intra-observer reliability. Other imaging modalities such as

ultrasound, light photography, computed tomography (CT) and magnetic resonance

imaging have all been utilized with varying success but all come with its limitations and

none are thus far able to accurately depict subtle pathology to cartilage layers in a small

wrist joint.

Therefore, the patient population suspected of early stage TMC osteoarthritis is especially

likely to benefit from more accurate imaging studies, focusing on the more subtle changes

in articular cartilage at this stage of the disease.

CHAPTER 9

140

Quantitative OCT in an animal modelThe use of a goat cartilage OCT model as described in this thesis represents a valuable

contribution to understanding OCT in cartilage imaging, focusing on quantifiable

parameters that may be of use in future clinical application. In Chapter 3, goat talus

articular cartilage was assessed in which osteochondral defects were created with

spontaneous healing over 24 weeks. The goats were subsequently sacrificed, after

which OCT measurements were performed followed by histological processing of

the tali. The quantifiable parameters cartilage thickness, repair tissue area and surface

roughness were assessed using custom-made software and compared between OCT

and histology. Results showed that OCT cartilage thickness measurements are accurate

and reproducible, exhibiting near-perfect agreement. Agreement between histology

and OCT concerning the parameters repair tissue area and surface roughness was rated

substantial. Accurately matching orientations between 3D OCT and 2D histology to

produce comparable measurements was challenging. Slight mismatches inevitably lead to

(minor) measurement inaccuracies and therefore, comparison to a 3D reference standard

had preference in future comparative cartilage OCT studies.

Additional quantification of the OCT signal is provided in Chapter 4, utilizing the decay

in OCT signal amplitude as a function of depth (µOCT) to discern intact cartilage from

repair tissue and subchondral bone. Significant differences in µOCT were found between

healthy cartilage, repair tissue and subchondral bone. Since early stages of osteoarthritis

are thought to be characterized by subsurface changes in articular cartilage composition,

µOCT can be a valuable parameter in future cartilage OCT studies.

Acknowledging the aforementioned differences in µOCT between healthy cartilage

and repair tissue, explanations for said differences were investigated. Although highly

scattering components of cells were thought to be predominantly found in the nuclei,

no evidence was found that nucleus density or size differed between healthy cartilage

and repair tissue. Moreover, the inter-nucleus distance was significantly higher in healthy

cartilage compared to repair tissue, suggesting that in the described model, nuclei are

not the main scattering components.

Healthy articular cartilage contains collagen fibers in a consistent pattern. Differences

in collagen fiber content between healthy cartilage and repair tissue were suggested

by polarization microscope images. Results indicate that (differences in) collagen

fiber content and/or their orientation may be important contributors to the scattering

properties of articular cartilage.

SUMMARY

9

141

In-situ TMC cartilage OCTThe development of thin fiber-optic OCT probes has considerably advanced

the exploration of new applications for OCT. The pilot study described in Chapter 5

demonstrated the feasibility of in-situ TMC articular cartilage OCT in a cadaver sample,

percutaneously introducing the fiber-optic OCT probe into the joint cavity through an

iv-cannula. CT was used to depict the intra-articular OCT probe trajectory, enabling post

processing of images to produce a co-registered view between CT and OCT. Histologic

slides of the imaged TMC joint allowed comparison to OCT data, assessing cartilage

thickness and surface features.

Following the pilot study, a more extensive cadaver project was described in Chapter

6. In 5 cadaver samples, 3 intra-articular OCT probe positions were used, each with

corresponding CT scans to record the intra-articular probe trajectory. This way and

compared to the pilot study, a larger quantity of the TMC joint surface could be imaged

using OCT. Manual 3D deformation of the OCT datasets was performed to refit OCT

data to the curved intra-articular (CT-derived) probe trajectory, producing a co-registered

view of the TMC joint for multiple probe positions and a 3D digital reconstruction of

the TMC joint articular surfaces. To overcome the limitations of a 2D reference standard

as described earlier, a 3D cryomicrotome imaging system was used. Cryomicrotome data

were co-registered with CT, and a 3D anatomical model was constructed in which cartilage

thickness was measured. Comparative cartilage thickness measurements between OCT

and cryomicrotome data showed near-perfect agreement. Results showed the potential of

intra-articular OCT for in-situ TMC cartilage imaging, encouraging development towards

clinical application. In the current setup however, numerous image post-processing steps

were needed to arrive at the digital 3D articular surface reconstruction, impeding fast and

real-time evaluation of TMC articular cartilage.

Post-processing automationBuilding on experience gained in the aforementioned cadaver studies, automation

of post-processing steps was described in Chapter 7. An algorithm was developed to

perform a CT-derived probe centreline deformation of OCT datasets in which rotational

orientation of OCT images was established by comparing discernible landmarks on CT/

OCT images. The proposed algorithm has minimum requirements to function: a second

imaging modality is needed to determine a probe centreline in the scanned trajectory

and at least one image with mutual tissue features between the co-registered modalities

is required for initial determination of the rotational component. To test the accuracy of

the proposed algorithm, phantom experiments were performed to gain knowledge on

probe movement during OCT pullback and non-uniform rotational distortion (NURD).

(Visually) combining two imaging modalities with vastly different voxel sizes to create

an accurate 3D overlay remains a challenging assignment. However, and despite

CHAPTER 9

142

aforementioned difficulties, important strides were made to facilitate image post

processing, paving the way for further testing towards clinical implementation.

Finally, Chapter 8 contains concluding remarks and provides the author’s future

perspectives on TMC cartilage OCT and imaging in TMC osteoarthritis in general.

CHAPTER 9

144

SAMENVATTINGHandartrose is een multifactoriële degeneratieve gewrichtsziekte waarbij met name het

gewrichtskraakbeen dat de gewrichtsvlakken bekleedt, is aangedaan. Artrose wordt

gekenmerkt door verlies van kraakbeendikte en -kwaliteit. Patiënten hebben pijn en

verminderde beweeglijkheid van de aangedane gewrichten. Een veel voorkomende

locatie voor handartrose is het duimbasisgewricht of trapeziometacarpale (TMC) gewricht.

Eerder onderzoek suggereerde dat TMC artrose meer bijdraagt aan pijn en invaliditeit

dan artrose in andere handgewrichten. Een belangrijke discrepantie bestaat tussen

klinische symptomen en objectiveerbare kenmerken bij het gebruik van conventionele

beeldvormende technieken. Daarbij zijn conventionele beeldvormende technieken in

het algemeen niet in staat tot nauwkeurige weergave van de dunne kraakbeenlagen

in een kleine structuur zoals het TMC gewricht. Echter, het nauwkeurig afbeelden van

gewrichtskraakbeen en vroege ziektedetectie zijn essentieel voor het vervolgens instellen

van de juiste behandeling.

Optische Coherentie Tomografie (OCT) is een beeldvormende techniek die gebruik

maakt van licht nabij het infrarode spectrum zodat hoge resolutie dwarsdoorsneden

kunnen worden gemaakt van dunne weefsellagen. Het gebruik van OCT bij het

afbeelden van gewrichtskraakbeen heeft eerder veelbelovende resultaten opgeleverd,

het in beeld brengen van kraakbeen in een klein gewricht als het TMC werd echter niet

eerder beschreven.

Dit proefschrift richt zich op het gebruik van (OCT) voor het afbeelden van

gewrichtskraakbeen, waarbij de nadruk ligt op kwantificatie van het OCT signaal en in-situ

beeldvorming van TMC gewrichtskraakbeen.

In navolging van de algemene introductie wordt in Hoofdstuk 2 een overzicht gegeven

van de huidige strategieën bij klinische beeldvorming van TMC artrose. Beeldvorming

bij TMC artrose leunt sterk op (eenvoudig) beschikbare beeldvormende modaliteiten

waarmee voldoende ervaring bestaat, waarbij conventioneel röntgenonderzoek het

belangrijkste voorbeeld is. Hoewel conventioneel röntgenonderzoek van nut kan zijn bij

het stellen van de diagnose en het controleren van ziekteprogressie in meer gevorderde

gevallen, bestaat er een relevante discrepantie tussen karakteristieken op beeldvorming

en klinische symptomen, met name in een vroeg ziektestadium. Daarbij bereiken

classificatiesystemen voor het graderen van TMC artrose op basis van röntgenfoto’s slechts

beperkte overeenstemming tussen beoordelaars. Andere beeldvormende technieken

zoals echografie, licht fotografie, computertomografie (CT) en magnetische resonantie

beeldvorming zijn allen ingezet met wisselend succes, hebben allemaal hun beperkingen

en geen van de technieken zijn tot nu toe in staat om subtiele kraakbeenafwijkingen

te detecteren in een klein polsgewricht.

SAMENVATTING

SAMENVATTING

9

145

Derhalve bestaat de gedachte dat met name patiënten die worden verdacht van een

vroeg stadium van TMC artrose zullen profiteren van meer nauwkeurige beeldvorming

waarbij de nadruk ligt op de meer subtiele veranderingen aan het gewrichtskraakbeen in

een vroeg ziektestadium.

Kwantitatieve OCT in een diermodelHet gebruik van een geiten kraakbeen model voor OCT zoals beschreven in dit proefschrift

vergrootte het begrip van OCT in beeldvorming van kraakbeen, waarbij de nadruk lag

op kwantificeerbare parameters die van nut kunnen zijn bij een toekomstige klinische

toepassing. In Hoofdstuk 3 werd gewrichtskraakbeen van geitenenkels onderzocht waarin

osteochondraaldefecten waren gemaakt met aansluitend 24 weken spontane genezing.

Hierna werden de geiten geofferd en OCT scans vervaardigd, gevolgd door histologische

verwerking van het afgebeelde weefsel. De kwantificeerbare parameters kraakbeendikte,

herstelweefsel oppervlakte en ruwheid van het oppervlak werden onderzocht met behulp

van op maat gemaakte software en vergeleken tussen OCT en histologie. Resultaten

toonden dat metingen van OCT kraakbeendikte nauwkeurig en reproduceerbaar

zijn, met vrijwel perfecte overeenstemming tussen de metingen. Aanzienlijke

overeenstemming werd gemeten tussen OCT en histologie bij het beoordelen van

de parameters herstelweefsel oppervlakte en ruwheid van het oppervlak. Het vinden van

corresponderende oriëntatie tussen 3D OCT en 2D histologie om metingen te kunnen

vergelijken was een uitdaging. Minieme verschuivingen leidden onvermijdelijk tot kleine

meetonnauwkeurigheden en derhalve had vergelijking met een 3D gouden standaard

de voorkeur in toekomstig vergelijkend kraakbeen OCT onderzoek.

Aanvullende kwantificatie van het OCT signaal is weergegeven in Hoofdstuk 4, waarin

de afnemende amplitude van het OCT signaal als functie van diepte (µOCT) werd

gebruikt om intact kraakbeen van herstelweefsel en onderliggend subchondraal bot

te onderscheiden. Significante verschillen in µOCT werden gevonden tussen gezond

kraakbeen, herstelweefsel en subchondraal bot. Gezien de gedachte dat vroege stadia

van artrose worden gekarakteriseerd door veranderingen in kraakbeensamenstelling

die zich afspelen onder het oppervlak, kan µOCT een waardevolle parameter zijn in

toekomstig kraakbeen OCT onderzoek. Gezien de gevonden verschillen in µOCT tussen

gezond kraakbeen en herstelweefsel werd gezocht naar verklaringen hiervoor. Hoewel

gedacht werd dat de belangrijkste componenten die bijdragen aan lichtverstrooiing zich

in de celkernen bevinden werd geen bewijs gevonden dat kerndichtheid of kerngrootte

verschilde tussen gezond kraakbeen en herstelweefsel. Daarbij was de afstand tussen

kernen significant groter in gezond kraakbeen vergeleken met herstelweefsel, hetgeen

suggereert dat kernen niet de voornaamste verstrooiing van licht veroorzaken in het

gebruikte model.

CHAPTER 9

146

Gezond kraakbeen bevat collageenvezels in een gerangschikt patroon. Het gebruik

van polarisatiemicroscopie toonde verschillen in de aanwezigheid van collageenvezels

tussen gezond kraakbeen en herstelweefsel. Resultaten suggereren dat (verschillen in)

de aanwezigheid van collageenvezels en/of hun oriëntatie een belangrijke bijdrage

kunnen leveren aan de licht verstrooiende eigenschappen van gewrichtskraakbeen.

In-situ TMC kraakbeen OCTDe ontwikkeling van dunne, glasvezel OCT katheters heeft de verkenning van nieuwe

toepassingen voor OCT aanzienlijk bevorderd. De pilotstudie zoals beschreven in

Hoofdstuk 5 demonstreert de technische haalbaarheid van het in-situ afbeelden van

TMC gewrichtskraakbeen in een kadavermodel, waarbij de OCT katheter percutaan

werd ingebracht (tot in de gewrichtsruimte) met behulp van een infuuscanule. Er werd

gebruik gemaakt van CT om het intra-articulaire verloop van de OCT katheter weer

te geven, hetgeen het mogelijk maakte een gecombineerd beeld van CT en OCT data

te construeren (co-registratie). Histologische coupes van het afgebeelde TMC gewricht

faciliteerden vergelijking met de OCT beelden met betrekking tot kraakbeendikte en

eigenschappen van het kraakbeenoppervlak.

In navolging van de eerder beschreven pilot werd een meer uitgebreide kadaverstudie

beschreven in Hoofdstuk 6. In 5 kadaverpolsen werden OCT scans vervaardigd op 3

intra-articulaire posities van de OCT katheter, elk met een corresponderende CT scan

om het intra-articulaire verloop van de katheter vast te leggen. Op deze manier en in

vergelijking met de pilotstudie kon OCT worden gebruikt om een groter deel van het

TMC gewrichtstoppervlak af te beelden. Handmatige 3D vervorming van de OCT

datasets werd uitgevoerd om de OCT data te herschikken langs het gebogen (van CT

afkomstige) intra-articulaire OCT katheter traject. Hiermee werd co-registratie van TMC

kraakbeen voor meerdere intra-articulaire OCT katheterposities verkregen en daarmee

een 3D digitale reconstructie van de TMC gewrichtsoppervlakken. Om niet afhankelijk

te zijn van een 2D gouden standaard werd een 3D cryomicrotoom afbeeldingssysteem

gebruikt. Co-registratie tussen cryomicrotoomdata en CT werd uitgevoerd waarmee

een 3D anatomisch model kon worden gereconstrueerd waarop kraakbeendikte werd

gemeten. Vergelijkende kraakbeen diktemetingen tussen OCT en cryomicrotoomdata

lieten vrijwel perfecte overeenstemming zien. De resultaten toonden de potentie

van intra-articulaire OCT voor het in-situ afbeelden van TMC gewrichtskraakbeen, wat

bemoedigend is voor de ontwikkeling van de techniek richting een klinische toepassing.

Echter, in de huidige opzet waren talrijke beeldverwerkingsstappen nodig om tot de 3D

reconstructie van het gewrichtsoppervlak te komen, hetgeen snelle en directe evaluatie

van het TMC gewrichtskraakbeen bemoeilijkt.

SAMENVATTING

9

147

Automatisering van beeldverwerkingVoortbordurend op de opgedane ervaring in voornoemde kadaverstudies werd

automatisering van beeldverwerkingstappen beschreven in Hoofdstuk 7. Er werd

een algoritme ontwikkeld dat op basis van de (uit CT data verkregen) OCT katheter

middellijn, vervorming van OCT datasets verricht. Hierbij werd de rotatoire oriëntatie

van de OCT beelden bepaald op basis van gemeenschappelijke herkenningspunten

op CT/OCT beelden. Het voorgestelde algoritme heeft slechts minimale voorwaarden

om te functioneren: er is een tweede beeldvormende techniek nodig om de OCT

katheter middellijn te bepalen en gemeenschappelijke herkenningspunten tussen OCT

en de tweede techniek moeten zichtbaar zijn op in ieder geval één beeld. Om

de nauwkeurigheid van het algoritme te bepalen werden fantoomexperimenten

uitgevoerd om kennis te vergaren over beweging van de katheter tijdens het vervaardigen

van een OCT scan en over niet-uniforme rotatoire vervorming van het beeld. Het (visueel)

combineren van twee beeldvormende technieken met uiteenlopende voxel grootten met

als doel een nauwkeurig 3D model te construeren, blijft een uitdagende taak. Ondanks

voornoemde bezwaren werden echter belangrijke stappen gezet om de beeldverwerking

te vergemakkelijken, hetgeen de weg vrij maakt voor aanvullend onderzoek gericht op

klinische implementatie.

Als laatste voorziet Hoofdstuk 8 in afsluitende beschouwingen en een toekomstblik van

de auteur op TMC kraakbeen OCT en beeldvorming van TMC artrose in het algemeen.