Abstract English

The Achilles tendon is among the most frequently injured tendons of the body with a variety of types of traumatic and overuse conditions affecting it. These conditions are common, often come to clinical attention, and are frequently imaged. Tendons are mechanically responsible for transmitting muscle forces to bone, and in doing so, permit locomotion and enhance joint stability. Moreover, tendons are a living tissue and respond to mechanical forces by changing their metabolism as well as their structural and mechanical properties. Different tendons exhibit similar features in pathology. These involve an increase in glycosaminoglycan including hyaluronan and water content, collagen degeneration, disorientation and thinning and an increased cellularity and vascularity. Changes in composition are likely to precede signs of morphological alteration. With conventional MRI (Magnetic Resonance Imaging) techniques, the tendons give no signal. MRI has a great potential to quantify the biochemical composition of the tendon. Recently, several MRI methods have been investigating to indirectly visualize even a small change in biochemical composition of highly organized tissues such as cartilage and menisci. It was shown that the transversal relaxation time reflects the mobility of the water and the collagen orientation and composition. The contrast enhanced longitudinal relaxation time (T1) is dependent on proteoglycan concentration and distribution; however contrast media application is usually necessary. Apparent diffusion coefficient is also possible to quantify in highly oriented tissues using MRI. In the last years, hardware development allows one to acquire sodium signal acceptable resolution. Normalized sodium signal correlates with the proteoglycan concentration in the tissue since the sodium ion is a counter-ion to negatively charged chains of glycosaminoglycans. Within this project, the non-invasive assessment of biochemical information in addition to high-resolution morphology of the Achilles tendon by MRI will be investigated and will prospectively help to understand the function of the normal tendon and improve the diagnosis of early stages of tendon degeneration before MR morphological changes occur. Furthermore, the MRI monitoring of the tendon disease treatment will help to define the normal healthy process over time and may help to detect abnormal healing. The project will be solved in three phases: 1. in vitro testing of multiple Achilles tendons from cadaver ankles by the application of multi-parametric MR protocols at micro-imaging system at 7T and comparison with immunohistological analysis; 2. in-vivo application of the validated techniques and protocol optimization on volunteers; 3. application of the advanced Achilles tendon MR techniques on patients pre- and post-operatively to monitor the healing process after surgery.

Abstract German

Die Achillessehne, die am häufigsten durch Trauma oder Überbeanspruchung in Mitleidenschaft gezogene Sehne des menschlichen Körpers. Verletzungen der Sehne führen häufig zu Beschwerden von klinischer Relevanz und damit häufig zur nötigen Bildgebung. Die Sehnen dienen der mechanischen Übertragung der, von den Muskeln ausgehenden und auf den Knochen wirkenden Kraft. Dies ermöglicht Bewegung und trägt gleichzeitig zur Stabilisierung der Gelenke bei. Sehnen bestehen aus sich ständig wandelndem Gewebe, sie reagieren auf sich ändernde mechanische Ansprüche, indem sie sowohl ihren Metabolismus, als auch ihre Struktur und letztlich auch ihre mechanischen Eigenschaften anpassen. Die unterschiedlichen Sehnen des menschlichen Körpers weisen im Falle pathologischer Alterationen ähnliche Veränderungen auf. Der Anteil an Glycosaminoglycanen, inklusive Hyaluronan, der Wasser- und Zellanteil, sowie die Vaskularisierung steigen. Kollagenfasern degenerieren, werden ausgedünnt und aus ihrer ursprünglichen Orientierung gelenkt. Diese Veränderungen in der Sehnenzusammensetzung und Morpholgie können als typische Alterationen durch bildgebende Methoden erfasst werden. Gesunde Sehnen besitzen in der herkömmlichen Magnetresonanztomographie (MRT) kein Signal und erscheinen schwarz. Die MRT veranschaulicht die morphologische Zusammensetzung der Sehne. Letzte Entwicklungen zielten darauf ab, selbst kleinste Veränderungen in der biochemischen Zusammensetzung hoch organisierter Gewebe, wie zum Beispiel Menisci und Sehnen indirekt zu visualisieren. Es wurde gezeigt, dass die transversale Relaxationszeit die Mobilität der Wasserkomponenten reflektiert und somit in Korrelation mit Sehnenzusammensetzung und Kollagenorientierung steht. Die kontrastverstärkte longitudinale Relaxationszeit (T1) ist abhängig von der Konzentration und Verteilung der Proteoglykane; hierfür ist die Applikation von Kontrastmittel nötig. Auch mithilfe des Diffusionskoeffizienten kann durch die MRT Aufschluss über die Ausrichtung komplex orientierter Gewebe gewonnen werden. In den letzten Jahren wurde außerdem die nötige Hardware zur Fassung und Wiedergabe der Sodiumsignale in akzeptabler Auflösung entwickelt. Sodium fungiert als positives Ion gegenüber den negativ geladenen Glycosaminoglycanketten, woraus die Korrelation des normalisierten Sodium Signals mit dem Gehalt an Proteoglykanen resultiert. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der nicht invasiven Gewinnung biochemischer sowie morphologischer Information, mithilfe hochauflösender Darstellung der Achillessehne mittels MRT. Die Tests wurden in vitro an den Achillessehnen mehrerer Kadaverknöchel unter Anwendung multiparametrischer MR Protokolle und Micro- imaging Systemen auf 7 Tesla durchgeführt. Es erfolgte ein Vergleich mit immunhistochemischen Analysen. Die in vitro validierten Techniken und optimierten Protokolle sollen in weiterer Folge zur Anwendung in vivo gebracht werden. In zukünftigen prospektiven Probanden-, Patienten Vergleichsstudien soll dies zum besseren Verständniss der Funktion der gesunden Sehne, sowie zu Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten früher Stadien der Sehnendegeneration, noch bevor die in der herkömmlichen MR fassbaren morphologischen Veränderungen zu erkennen sind, beitragen. Weiters sollen MRT Verlaufskontrollen unter Therapie von Sehnenerkrankung helfen, den normalen Heilungsprozess zu definieren und weiters dazu beitragen, abnorme Heilungsvorgänge zu definieren und zu detektieren.