Preclinical Cartilage Changes of the Knee Joint in Adolescent Competitive Volleyball Players: A Prospective T2 Mapping Study

Abstract

Purpose To investigate the potential effects of volleyball as a competitive sport in adolescence on the cartilage of knee joints using T2 mapping in MRI and identification of preclinical cartilage changes. Volleyball as an impact sport often leads to damage of the knee joint cartilage in adulthood. As T2 mapping is widely available and highly capable of detecting cartilage changes prior to conventional MRI sequences, such a detection may allow adolescent volleyball players to change their training regime before structural damage can occur to the cartilage and pose the risk of osteoarthritis.

Materials and Methods Comparative study of the patellar, femoral, and tibial cartilage of 60 knee joints using T2 mapping on 3 T MRI. In each case, both knees of 15 adolescent competitive volleyball athletes were compared with 15 controls.

Results In the group of competitive athletes, more focal cartilage changes were detected in the medial facet of the patellofemoral cartilage and in the medial femoral condyle of the knee joint cartilage (p = .01 and p <.05, respectively). Furthermore, the latter showed a diffused increase in maximal T2 mapping values (p <.04 right and p = .05 left). The distribution of changes seems to further depend on the player’s position.

Conclusion In adolescent volleyball players in competitive sports, T2 mapping demonstrates early cartilage changes in both the patellofemoral and medial femoral cartilages. The distribution of lesions depends on the player’s position. Since the cascade from T2 relaxation time increase to conspicuous cartilage damage is well established, early counter-regulation (e. g., adapted training profile, targeted physiotherapy, and appropriate muscle building training) has the potential to prevent later damage.

Key Points: 

1. Volleyball as a competitive sport in adolescence leads to preclinical knee cartilage changes.

2. Cartilage changes are both focal and diffuse.

3. Jumping-intensive player positions seem to show more patellofemoral and running-intensive more condylar cartilage changes.

4. Early detection of these changes could prevent progression to cartilage damage through adapted training.

Citation Format

• Roth C, Hirsch F, Sorge I et al. Preclinical Cartilage Changes of the Knee Joint in Adolescent Competitive Volleyball Players: A Prospective T2 Mapping Study. Fortschr Röntgenstr 2023; 195: 913 – 923

Zusammenfassung

Ziel Es sollen die Auswirkungen von Volleyball als Leistungssport im Jugendalter auf den Knorpel der Kniegelenke mittels T2-Mapping in der MRT untersucht werden und nach präklinischen Knorpelveränderungen gefahndet werden. Volleyball auf Hochleistungsniveau führt als Impact-Sportart im Erwachsenenalter häufig zu Schäden am Kniegelenksknorpel. Das T2-Mapping des Kniegelenksknorpels in der MRT ist ein exzellentes und breitflächig verfügbares Verfahren zur Detektion von diffusen und regionalen Knorpelveränderungen, noch bevor diese in den gängigen MR-Sequenzen wie PD-FS, T1 und T2 sichtbar werden. Dies kann den Betroffenen eine Verhaltensänderung ermöglichen, noch bevor sich strukturelle Knorpelschäden mit der Gefahr einer Arthrose etablieren können.

Material und Methoden Vergleichende MR-Untersuchung jeweils beider Kniegelenke von 15 jugendlichen Leistungssportlern im Volleyball mit 15 Kontrollen mittels T2-Mapping des retropatellaren Knorpels und des Kniegelenksknorpels.

Ergebnisse Bei den Leistungssportlern lassen sich sowohl am retropatellaren Knorpel im Bereich der medialen Facette als auch im Bereich des Deckknorpels der medialen Femurkondyle signifikant mehr fokale Knorpelveränderungen (p = .01 respektive p <.05) nachweisen als bei den Kontrollen. Der Knorpel der medialen Femurkondyle zeigt darüber hinaus diffus im gesamten Knorpel eine signifikante Steigerung der maximalen T2-Relaxationszeiten bei den Leistungssportlern (p <.04 rechts und p = .05 links). Die Verteilung der Veränderungen scheint zusätzlich von der Spielerposition abhängig zu sein.

Schlussfolgerung Bei adoleszenten Volleyballern im Leistungssport sind mittels T2-Mapping frühe Knorpelveränderungen sowohl am retropatellaren als auch am medialen femoralen Knorpel nachweisbar, wobei die Verteilung der Läsionen von der Spielerposition abhängt. Da die Abfolge aus T2-Relaxationszeiterhöhung zu offensichtlichen Knorpelschäden gut belegt ist, könnte eine frühe Gegenregulation (z. B. durch ein angepasstes Trainingsprofil, gezielte Physiotherapie und entsprechendes Muskelaufbautraining) spätere Schäden verhindern.

Kernaussagen: 

1. Volleyball als Leistungssport im Jugendalter führt zu präklinischen Knieknorpelveränderungen.

2. Die Knorpelveränderungen zeigen sich sowohl fokal als auch diffus.

3. Sprungintensive Spielerpositionen scheinen eher retropatellare und laufintensive mehr kondyläre Knorpelveränderungen aufzuweisen.

4. Die Früherkennung dieser Veränderungen könnte durch adaptiertes Training das Fortschreiten hin zu manifesten Knorpelschäden verhindern.

Key words

cartilage - T2 mapping - pediatric - volleyball - knee

Publikationsverlauf

Eingereicht: 29. Januar 2023

Angenommen: 16. April 2023

Artikel online veröffentlicht:
24. Mai 2023

• References

• 1 Tuan RS, Chen AF, Klatt BA. Cartilage regeneration. J Am Acad Orthop Surg 2013; 21: 303-311
• 2 Madry H, van Dijk CN, Mueller-Gerbl M. The basic science of the subchondral bone. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 2010; 18: 419-433
• 3 Salzmann GM, Niemeyer P, Hochrein A. et al. Articular Cartilage Repair of the Knee in Children and Adolescents. Orthop J Sports Med 2018; 6: 2325967118760190
• 4 Mosher TJ, Dardzinski BJ. Cartilage MRI T2 relaxation time mapping: overview and applications. Semin Musculoskelet Radiol 2004; 8: 355-368
• 5 Liebl H, Joseph G, Nevitt MC. et al. Early T2 changes predict onset of radiographic knee osteoarthritis: data from the osteoarthritis initiative. Ann Rheum Dis 2015; 74: 1353-1359
• 6 Joseph GB, Baum T, Alizai H. et al. Baseline mean and heterogeneity of MR cartilage T2 are associated with morphologic degeneration of cartilage, meniscus, and bone marrow over 3 years--data from the Osteoarthritis Initiative. Osteoarthritis Cartilage 2012; 20: 727-735
• 7 Baum T, Joseph GB, Karampinos DC. et al. Cartilage and meniscal T2 relaxation time as non-invasive biomarker for knee osteoarthritis and cartilage repair procedures. Osteoarthritis Cartilage 2013; 21: 1474-1484
• 8 Schwaiger BJ, Gersing AS, Mbapte WambaJ. et al. Can Signal Abnormalities Detected with MR Imaging in Knee Articular Cartilage Be Used to Predict Development of Morphologic Cartilage Defects? 48-Month Data from the Osteoarthritis Initiative. Radiology 2016; 281: 158-167
• 9 Flanigan DC, Harris JD, Trinh TQ. et al. Prevalence of chondral defects in athletes' knees: a systematic review. Med Sci Sports Exerc 2010; 42: 1795-1801
• 10 Kriz P. Overuse injuries in the young athlete. Medicine and health, Rhode Island 2011; 94: 203, 206-208
• 11 Thelin N, Holmberg S, Thelin A. Knee injuries account for the sports-related increased risk of knee osteoarthritis. Scand J Med Sci Sports 2006; 16: 329-333
• 12 Cha JG, Yi JS, Han JK. et al. Comparison of Quantitative Cartilage T2 Measurements and Qualitative MR Imaging between Professional Ballet Dancers and Healthy Volunteers. Radiology 2015; 276: 199-206
• 13 Waldenmeier L, Evers C, Uder M. et al. Using Cartilage MRI T2-Mapping to Analyze Early Cartilage Degeneration in the Knee Joint of Young Professional Soccer Players. Cartilage 2019; 10: 288-298
• 14 Spink C, Henes FO, Da Cruz L. et al. Comparison of meniscal T1rho- and T2*-relaxation times in professional female volleyball players and healthy controls using 3T MRI: A pilot study. Eur J Radiol 2022; 155: 110503
• 15 Boeth H, MacMahon A, Eckstein F. et al. MRI findings of knee abnormalities in adolescent and adult volleyball players. J Exp Orthop 2017; 4: 6
• 16 Mroczek D, Januszkiewicz A, Kawczynski AS. et al. Analysis of male volleyball playersʼ motor activities during a top level match. J Strength Cond Res 2014; 28: 2297-2305
• 17 Jekauc D, Wagner MO, Kahlert D. et al. Reliability and validity of MoMo-Physical-Activity-Questionnaire for Adolescents (MoMo-AFB). Diagnostica 2013; 59: 100-111
• 18 Ortqvist M, Roos EM, Brostrom EW. et al. Development of the Knee Injury and Osteoarthritis Outcome Score for children (KOOS-Child): comprehensibility and content validity. Acta Orthop 2012; 83: 666-673
• 19 Nishii T, Kuroda K, Matsuoka Y. et al. Change in knee cartilage T2 in response to mechanical loading. J Magn Reson Imaging 2008; 28: 175-180
• 20 Mosher TJ, Smith HE, Collins C. et al. Change in knee cartilage T2 at MR imaging after running: a feasibility study. Radiology 2005; 234: 245-249
• 21 Kim HK, Shiraj S, Anton CG. et al. Age and sex dependency of cartilage T2 relaxation time mapping in MRI of children and adolescents. American Journal of Roentgenology 2014; 202: 626-632
• 22 Smith HE, Mosher TJ, Dardzinski BJ. et al. Spatial variation in cartilage T2 of the knee. J Magn Reson Imaging 2001; 14: 50-55
• 23 Apprich S, Mamisch TC, Welsch GH. et al. Quantitative T2 mapping of the patella at 3.0T is sensitive to early cartilage degeneration, but also to loading of the knee. Eur J Radiol 2012; 81: e438-e443
• 24 Liess C, Lusse S, Karger N. et al. Detection of changes in cartilage water content using MRI T2-mapping in vivo. Osteoarthritis Cartilage 2002; 10: 907-913
• 25 Saamamen AM, Kiviranta I, Jurvelin J. et al. Proteoglycan and collagen alterations in canine knee articular cartilage following 20 km daily running exercise for 15 weeks. Connect Tissue Res 1994; 30: 191-201
• 26 Stahl R, Krug R, Kelley DA. et al. Assessment of cartilage-dedicated sequences at ultra-high-field MRI: comparison of imaging performance and diagnostic confidence between 3.0 and 7.0 T with respect to osteoarthritis-induced changes at the knee joint. Skeletal Radiol 2009; 38: 771-783
• 27 Stehling C, Liebl H, Krug R. et al. Patellar cartilage: T2 values and morphologic abnormalities at 3.0-T MR imaging in relation to physical activity in asymptomatic subjects from the osteoarthritis initiative. Radiology 2010; 254: 509-520
• 28 Luke AC, Stehling C, Stahl R. et al. High-field magnetic resonance imaging assessment of articular cartilage before and after marathon running: does long-distance running lead to cartilage damage?. Am J Sports Med 2010; 38: 2273-2280
• 29 Nguyen JC, Allen H, Liu F. et al. Maturation-Related Changes in T2 Relaxation Times of Cartilage and Meniscus of the Pediatric Knee Joint at 3 T. Am J Roentgenol 2018; 211: 1369-1375
• 30 Joseph GB, McCulloch CE, Nevitt MC. et al. A reference database of cartilage 3 T MRI T2 values in knees without diagnostic evidence of cartilage degeneration: data from the osteoarthritis initiative. Osteoarthritis Cartilage 2015; 23: 897-905
• 31 Böker E, Brock D. et al. Beeinflussen Aktivitätsniveau und Beinachsenstabilität Frühschädigungen des Kniegelenksknorpels bei Jugendlichen? Potthast, W, Funken J, 2022 12 Kongress der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik (DGfB), Köln, Deutschland, 28–30 September 2022; 2022; Cologne.
• 32 Kretzschmar M, Nevitt MC, Schwaiger BJ. et al. Spatial distribution and temporal progression of T2 relaxation time values in knee cartilage prior to the onset of cartilage lesions – data from the Osteoarthritis Initiative (OAI). Osteoarthritis Cartilage 2019; 27: 737-745
• 33 Junge A, Lamprecht M, Stamm H. et al. Countrywide campaign to prevent soccer injuries in Swiss amateur players. American Journal of Sports Medicine 2011; 39: 57-63
• 34 Holden S, Boreham C, Delahunt E. Sex Differences in Landing Biomechanics and Postural Stability During Adolescence: A Systematic Review with Meta-Analyses. Sports Med 2016; 46: 241-253