Abstract It has been suggested that orientational changes in the collagen network of articular cartilage account for the depthwise T 2 anisotropy of MRI through the magic angle effect. To investigate the relationship between laminar T 2 appearance and collagen organization (anisotropy), bovine osteochondral plugs ( N = 9) were T 2 mapped at 9.4T with cartilage surface normal to the static magnetic field. Collagen fibril arrangement of the same samples was studied with polarized light microscopy, a quantitative technique for probing collagen organization by analyzing its ability to rotate plane polarized light, i.e., birefringence (BF). Depthwise variation of safranin O‐stained proteoglycans was monitored with digital densitometry. The spatially varying cartilage T 2 followed the architectural arrangement of the collagen fibril network: a linear positive correlation between T 2 and the reciprocal of BF was established in each sample, with r = 0.91 ± 0.02 (mean ± SEM, N = 9). The current results reveal the close connection between the laminar T 2 structure and the collagen architecture in histologic zones. Magn Reson Med 46:487–493, 2001. © 2001 Wiley‐Liss, Inc.

At mechanical equilibrium, articular cartilage is usually characterized as an isotropic elastic material with no interstitial fluid flow. In this study, the equilibrium properties (Young's modulus, aggregate modulus and Poisson's ratio) of bovine humeral, patellar and femoral cartilage specimens (n=26) were investigated using unconfined compression, confined compression, and indentation tests. Optical measurements of the Poisson's ratio of cartilage were also carried out. Mean values of the Young's modulus (assessed from the unconfined compression test) were 0.80±0.33, 0.57±0.17 and 0.31±0.18 MPa and of the Poisson's ratio (assessed from the optical test) 0.15±0.06, 0.16±0.05 and 0.21±0.05 for humeral, patellar, and femoral cartilages, respectively. The indentation tests showed 30–79% (p<0.01) higher Young's modulus values than the unconfined compression tests. In indentation, values of the Young's modulus were independent of the indenter diameter only in the humeral cartilage. The mean values of the Poisson's ratio, obtained indirectly using the mathematical relation between the Young's modulus and the aggregate modulus in isotropic material, were 0.16±0.06, 0.21±0.05, and 0.26±0.08 for humeral, patellar, and femoral cartilages, respectively. We conclude that the values of the elastic parameters of the cartilage are dependent on the measurement technique in use. Based on the similar values of Poisson's ratios, as determined directly or indirectly, the equilibrium response of articular cartilage under unconfined and confined compression is satisfactorily described by the isotropic elastic model. However, values of the isotropic Young's modulus obtained from the in situ indentation tests are higher than those obtained from the in vitro unconfined or confined compression tests and may depend on the indenter size in use.

Abstract Articular cartilage (AC) is a soft connective tissue that covers the ends of articulating bones. Joint injuries may lead to degeneration of cartilage tissue and initiate development of post-traumatic osteoarthritis (OA). Arthroscopic surgeries can be used to treat joint injuries, but arthroscopic evaluation of cartilage quality is subjective. Therefore, new methods are needed for objective assessment of cartilage degeneration. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy can be used to assess tissue composition based on the fundamental molecular vibrations. When combined with fiber optics and attenuated total reflectance (ATR) crystal, the measurements can be done flexibly without any sample processing. We hypothesize that Fourier transform infrared attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy can detect enzymatically and mechanically induced changes similar to changes occurring during progression of OA. Fresh bovine patellar cartilage plugs ( n = 60) were extracted and degraded enzymatically and mechanically. Adjacent untreated control samples ( n = 60) were utilized as controls. Enzymatic degradation was implemented by 90-min and 24-hour collagenase as well as 30-min trypsin treatments. Mechanical damage was induced by: 1) dropping a weight impactor on the cartilage plugs, and 2) abrading the cartilage surface with a rotating sandpaper. Fiber optic FTIR-ATR spectroscopic measurements were conducted for control and degraded samples, and spectral changes were assessed with random forest (RF), partial least squares discriminant analysis (PLS-DA), and support vector machine (SVM) classifiers. RF (accuracy 93.1 % to 79.2 %), PLS-DA (accuracy 95.8% to 81.9%), and SVM (accuracy 91.7% to 80.6%) all had excellent classification performance for detecting the different enzymatic and mechanical damage on cartilage matrix. The results suggest that fiber optic FTIR-ATR spectroscopy is a viable way to detect minor degeneration of AC.

Objective: To develop and assess an automatic and robust knee musculoskeletal finite element (MSK-FE) modeling pipeline. Methods: Magnetic resonance images (MRI) were used to train nnU-Net networks for auto-segmentation of knee bones (femur, tibia, patella, and fibula), cartilages (femur, tibia, and patella), menisci, and major knee ligaments. Two different MRI sequences were used to broaden applicability. Next, we created MSK-FE models of an unseen dataset using two MSK-FE modeling pipelines: template-based and auto-meshing. MSK models had personalized knee geometries with multi-degree-of-freedom elastic foundation contacts. FE models used fibril-reinforced poroviscoelastic swelling material models for cartilages and menisci. Results: Volumes of knee bones, cartilages, and menisci did not significantly differ (p>0.05) across MRI sequences. MSK models estimated secondary knee kinematics during passive knee flexion tests consistent with in vivo and simulation-based values from the literature. Between the template-based and auto-meshing FE models, estimated cartilage mechanics often differed significantly (p<0.05), though differences were <15% (considering peaks during walking), i.e., <1.5 MPa for maximum principal stress, <1 percentage point for collagen fibril strain, and <3 percentage points for maximum shear strain. Conclusion: The template-based modeling provided a more rapid and robust tool than the auto-meshing approach, while the estimated knee biomechanics were comparable. Nonetheless, the auto-meshing approach might provide more accurate estimates in subjects with distinct knee irregularities, e.g., cartilage lesions. Significance: The MSK-FE modeling tool provides a rapid, easy-to-use, and robust approach to investigating task- and person-specific mechanical responses of the knee cartilage and menisci, holding significant promise, e.g., in personalized rehabilitation planning.

Summary Obstructive sleep apnea diagnosis is based on the manual scoring of respiratory events. The agreement in the manual scoring of the respiratory events lacks an in‐depth investigation as most of the previous studies reported only the apnea–hypopnea index or overall agreement, and not temporal, second‐by‐second or event subtype agreement. We hypothesized the temporal and subtype agreement to be low because the event duration or subtypes are not generally considered in current clinical practice. The data comprised 50 polysomnography recordings scored by 10 experts. The respiratory event agreement between the scorers was calculated using kappa statistics in a second‐by‐second manner. Obstructive sleep apnea severity categories (no obstructive sleep apnea/mild/moderate/severe) were compared between scorers. The Fleiss' kappa value for binary (event/no event) respiratory event scorings was 0.32. When calculated separately within N1, N2, N3 and R, the Fleiss' kappa values were 0.12, 0.23, 0.22 and 0.23, respectively. Binary analysis conducted separately for the event subtypes showed the highest Fleiss' kappa for hypopneas to be 0.26. In 34% of the participants, the obstructive sleep apnea severity category was the same regardless of the scorer, whereas in the rest of the participants the category changed depending on the scorer. Our findings indicate that the agreement of manual scoring of respiratory events depends on the event type and sleep stage. The manual scoring has discrepancies, and these differences affect the obstructive sleep apnea diagnosis. This is an alarming finding, as ultimately these differences in the scorings affect treatment decisions.

Abstract This proof-of-concept study explores quantitative imaging of articular cartilage using photon-counting detector computed tomography (PCD-CT) with a dual-contrast agent approach, comparing it to clinical dual-energy CT (DECT). The diffusion of cationic iodinated CA4 + and non-ionic gadolinium-based gadoteridol contrast agents into ex vivo bovine medial tibial plateau cartilage was tracked over 72 h. Continuous maps of the contrast agents’ diffusion were created, and correlations with biomechanical indentation parameters (equilibrium and instantaneous moduli, and relaxation time constants) were examined at 28 specific locations. Cartilage at each location was analyzed as full-thickness to ensure a fair comparison, and calibration-based material decomposition was employed for concentration estimation. Both DECT and PCD-CT exhibit strong correlations between CA4 + content and biomechanical parameters, with PCD-CT showing superior significance, especially at later time points. DECT lacks significant correlations with gadoteridol-related parameters, while PCD-CT identifies noteworthy correlations between gadoteridol diffusion and biomechanical parameters. In summary, the experimental PCD-CT setup demonstrates superior accuracy and sensitivity in concentration estimation, suggesting its potential as a more effective tool for quantitatively assessing articular cartilage condition compared to a conventional clinical DECT scanner.

Abstract In order to improve the ability of clinical diagnosis to differentiate articular cartilage (AC) injury of different origins, this study explores the sensitivity of mid-infrared (MIR) spectroscopy for detecting structural, compositional, and functional changes in AC resulting from two injury types. Three grooves (two in parallel in the palmar-dorsal direction and one in the mediolateral direction) were made via arthrotomy in the AC of the radial facet of the third carpal bone (middle carpal joint) and of the intermediate carpal bone (the radiocarpal joint) of nine healthy adult female Shetland ponies (age = 6.8 ± 2.6 years; range 4–13 years) using blunt and sharp tools. The defects were randomly assigned to each of the two joints. Ponies underwent a 3-week box rest followed by 8 weeks of treadmill training and 26 weeks of free pasture exercise before being euthanized for osteochondral sample collection. The osteochondral samples underwent biomechanical indentation testing, followed by MIR spectroscopic assessment. Digital densitometry was conducted afterward to estimate the tissue's proteoglycan (PG) content. Subsequently, machine learning models were developed to classify the samples to estimate their biomechanical properties and PG content based on the MIR spectra according to injury type. Results show that MIR is able to discriminate healthy from injured AC (91%) and between injury types (88%). The method can also estimate AC properties with relatively low error (thickness = 12.7% mm, equilibrium modulus = 10.7% MPa, instantaneous modulus = 11.8% MPa). These findings demonstrate the potential of MIR spectroscopy as a tool for assessment of AC integrity changes that result from injury.

: To develop and assess an automatic and robust knee musculoskeletal finite element (MSK-FE) modeling pipeline.