需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

慢性脊髓受压中的弥散张量磁共振成像

8.5K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/59069

⸱

2019年5月7日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Orthopedics, Guangzhou First People's Hospital, Guangzhou Medical University, 2Department of Radiology, Guangzhou First People's Hospital, Guangzhou Medical University, 3Department of Radiology, Guangzhou First People's Hospital, School of Medicine, South China University of Technology, 4Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital of Gannan Medical University, 5Department of Orthopedics, Guangzhou Chest Hospital, 6Department of Orthopedics, Guangzhou First People's Hospital, School of Medicine, South China University of Technology, Guangzhou Medical University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文介绍了一种应用扩散张量成像参数评估脊髓受压的实验方案。

摘要

慢性脊髓受压是导致非创伤性脊髓损伤患者脊髓功能障碍的最常见原因。常规磁共振成像（MRI）在确诊及评估受压程度方面具有重要作用。然而，常规MRI所提供的解剖学细节不足以准确估计神经元损伤程度，或评估慢性脊髓受压患者神经元恢复的可能性。相比之下，弥散张量成像（DTI）能够通过检测组织中水分子的弥散情况提供定量结果。在本研究中，我们建立了一种方法学框架，以阐述DTI在慢性脊髓受压疾病中的应用。DTI的分数各向异性（FA）、表观弥散系数（ADCs）和特征向量值有助于可视化脊髓内的微结构病理变化。与健康对照者相比，慢性脊髓受压患者的FA值降低，而ADCs和特征向量值升高。DTI可帮助外科医生了解脊髓损伤的严重程度，并为预后判断及神经功能恢复提供重要信息。总之，该方案提供了一种敏感、详细且无创的工具，用于评估脊髓受压情况。

引言

慢性脊髓压迫是导致脊髓功能障碍的最常见原因1。该病症可由后纵韧带骨化、血肿、颈椎间盘突出、椎体退行性变或椎管内肿瘤引起。2,3慢性脊髓受压可导致不同程度的功能障碍；然而，临床上也存在脊髓受压严重但无任何神经症状和体征的病例，同时也有患者表现为轻度脊髓受压却出现严重的神经功能缺损。4在此情况下，灵敏的影像学检查对于评估受压程度及确定损伤范围至关重要。

常规磁共振成像（MRI）在阐明脊髓解剖结构方面具有重要作用。由于其对软组织具有较高的敏感性，该技术通常用于评估脊髓受压程度5。可通过MRI测量多种参数，如MR信号强度、脊髓形态和椎管面积。然而，MRI存在一定的局限性，仅能提供定性信息，而非定量结果6。慢性脊髓受压患者常表现出MRI信号强度的异常改变。但临床症状与MRI信号强度变化之间的不一致性，使得仅依据MRI特征难以判断功能状态7。既往研究已强调了脊髓MRI T2加权高信号在预后评估中的争议性8。有两项研究指出，脊髓T2加权高信号是慢性脊髓受压手术后预后不良的指标8,9。相反，部分学者发现T2信号改变与预后之间无显著关联8,9。Chen等和Vedantam等将脊髓MRI T2加权高信号分为两类，分别对应不同的预后结果10,11。1型表现为信号轻微、边界模糊不清，此类病例组织学改变可逆；2型图像表现为信号强烈、边界清晰，对应不可逆的病理损伤。常规T1/T2 MRI技术无法提供足够信息以区分这两类病变并评估患者预后。相比之下，弥散张量成像（DTI）是一种更为先进的成像技术，可通过定量检测水分子扩散来反映组织微结构变化，从而提供更具体的预后信息。

近年来，由于能够描述脊髓的微观结构，弥散张量成像（DTI）受到越来越多的关注。DTI 可以测量水分子在组织中的扩散方向和幅度。DTI 参数可用于定量评估慢性脊髓受压患者的神经损伤情况。在脊髓评估过程中，最常用的参数是各向异性分数（FA）和表观扩散系数（ADC）。FA 值反映了周围轴突纤维排列的各向异性程度，并可用于描述解剖边界12,13。ADC 值提供了关于分子在三维空间中多方向运动特征的信息，并反映了沿三个主轴方向扩散率的平均值6,12。这些参数的变化与影响水分子扩散的微结构改变相关。因此，外科医生可利用或测量 DTI 参数来识别脊髓病变。本研究提供的 DTI 方法和流程可为治疗慢性脊髓受压患者提供更详细的预后信息。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

方案

本研究经中国广州第一人民医院当地医学伦理委员会批准。在参与研究之前，已从健康志愿者和参与者处获得签署的知情同意书。所有研究均遵循世界医学协会《赫尔辛基宣言》的规定进行。

1. 受试者准备

  1. 确保每位受试者符合以下慢性脊髓压迫的纳入标准：a) 有显著神经功能丧失的病史，b) 脊髓病体格检查阳性，c) 颈髓受压的MRI证据。 
    注意：排除标准为：a) 无法提供书面知情同意，b) 无法获得无伪影的弥散张量成像（DTI）参数。对照组的纳入标准为：a) 无显著背部或颈部外伤、神经系统疾病或脊柱手术史；b) 无颈髓受压的MRI证据。
  2. 要求每位受试者完成并签署一份列有MRI安全指南和成像方案的知情同意书。具体而言，慢性脊髓压迫患者需在术前及术后1年接受MRI检查。
  3. 为每位受试者提供耳塞，将其置于仰卧位，使用头/颈线圈覆盖颈椎区域，并以甲状软骨水平作为解剖标志。确保每位受试者处于舒适体位，以有效减少运动伪影。

2. 结构磁共振成像参数 

注意：在配备16通道头部线圈的3特斯拉磁共振成像（MRI）扫描仪上获取的解剖学T1加权（T1 W）图像、T2加权（T2 W）图像和弥散张量成像（DTI）。

  1. 使用快速扰动梯度回波（FPGR）进行定位扫描，以获取轴向、矢状和冠状位置图。
  2. 利用冠状位位置图调整矢状位定位线，确保定位基线与脊髓管（脊髓）平行；首先定位矢状位T2加权成像（T2 W），然后将矢状位T1加权成像（T1 W）的定位线复制并粘贴至T2 W的定位线上。
    1. 矢状位T1加权和T2加权成像采用以下成像参数：视野（FOV）= 240 mm × 240 mm，体素大小 = 1.0 mm × 0.8 mm × 3.0 mm，层间距 = 0.3 mm，层厚 = 3 mm，激励次数（NEX）= 2，折叠方向 = 足部/头部（FH），回波时间（TE）/重复时间（TR）= 10/700 ms（T1 W）和101/2,500 ms（T2 W）。获取覆盖整个颈髓的9幅矢状位图像。 
  3. 在矢状位T2加权图像上设置轴向定位线，覆盖从C2/3至C6/7的椎间盘，并以椎间隙的前后径为中心。采用以下成像参数：FOV = 180 mm × 180 mm，体素大小 = 0.7 mm × 0.6 mm × 3.0 mm，层厚 = 3 mm，折叠方向 = 前/后（AP），NEX = 2，TE/TR = 120/3,000 ms。
  4. 在矢状位T2加权图像上设置轴向定位线，以椎间隙的前后径为中心，共45层，覆盖从C1至C7的颈髓。
    1. 采用以下序列获取弥散张量成像（DTI）：单次激发自旋回波平面成像（SE-EPI），共20个正交方向。非共面扩散方向，b值 = 800 s/mm2。 
    2. 采用以下成像参数：FOV = 230 mm × 230 mm，采集矩阵 = 98 × 98，重建分辨率 = 1.17 × 1.17，层厚 = 3 mm，折叠方向 = 前/后（AP），NEX = 2，EPI因子 = 98，TE/TR = 74/8,300 ms。提供一个时间进程图，总结MRI方案的各步骤，如图1所示。 
      注意： 总结MRI和DTI方案的时间进程图如图1所示。

3. 图像后期处理与数据测量指标

  1. 将所有扫描图像自动传输至Syngo MR B17系统。在胶片界面中加载椎间隙的矢状位和轴位T2加权成像，并确定颈髓受压最严重的部位。
  2. 在2:1阅片界面中加载FA图像，点击位置显示：序列选项卡。从位置图的顶部到底部计数并记录受压最严重节段的水平位置。
  3. 点击文件选项卡以选择张量图像，然后使用屏幕左上角的应用工具栏选择Neuro 3D(MR)，自动生成ADC和FA彩色图谱。
  4. 切换至受压最严重的节段，使用启动评估模式选项卡创建体积相同的球形感兴趣区（ROIs）（大小为6 mm3）。选择ROIs时应包含脊髓内部区域，以排除脑脊液（CSF）的部分容积效应。
  5. 自动计算并在屏幕右下角显示FA值和ADC值。通过点击扩散工具栏并选择相应参数，显示E1、E2和E3值。
    注意：所有测量均由两名对患者临床资料不知情的放射科医生独立完成，最终结果取两者测量值的平均值。
  6. 使用Syngo MR B17 Advantage工作站对DTI数据集进行图像处理，步骤如图2所示。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

结果

本摘要总结了来自健康志愿者及颈椎脊髓病患者的实验结果。该方案使医师能够观察DTI图谱。该技术可作为评估脊髓病功能状态的客观指标。健康志愿者的DTI图谱如图3所示。健康志愿者的DTI参数如下：FA = 0.661；ADC = 1.006 × 10-3 mm2/s；E1 = 1.893 × 10-3 mm2/s；E2 = 0.746 × 10-3 mm2/s；E3 = 0.377 × 10-3 mm2/s（图3）。慢性脊髓受压患者的DTI图谱如图4所示，其参数为：FA = 0.605；ADC = 1.522 × 10-3 mm2/s；E1 = 2.731 × 10-3 mm2/s；E2 = 1.058 ×...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

讨论

常规磁共振成像通常用于评估各种脊柱疾病患者的预后。然而，这种成像方式主要提供宏观解剖细节，而非微观结构评估14，这限制了对神经功能的预测能力。此外，传统磁共振成像可能低估脊髓损伤的严重程度和范围。弥散张量成像（DTI）的出现可通过提供关于水分子扩散的定量信息，帮助外科医生更准确地评估脊髓功能。 

本研究描述了一种方法学框架，以展示弥散张量成像（DTI）参数在慢性脊髓受压患者中的应用。DTI 是一种敏感的技术，可用于测量水分子在组织中的扩散方向和扩散幅度15。通过评估 DTI 参数，外科医生可对脊髓多种病理状态下的神经损伤进行定量评估。在本方案中，我们手动在轴位图像上绘制感兴趣区（ROIs），因为目前尚无适用于脑脊液（CSF）和髓鞘自动分割的专用软件能够有效用于脊髓。脊髓横截面积较小，是应用自动分割技术的主要限制因素。我们选择在受压最严重的部位绘制 ROIs。ROIs 必须包含脊髓内部区域，以消除脑脊液的部分容积效应。此外，DTI 数据处理应减少人为因素造成的影响，例如与回波平面...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由中华人民共和国广州市科技计划项目（编号：201607010021）和江西省自然科学基金（编号：20142BAB205065）资助

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3-特斯拉磁共振成像扫描仪Siemens40708软件：NUMARIS/4
Syngo MR B17Siemens40708软件：NUMARIS/4

参考文献

  1. Sun, G. D., et al. A progressive compression model of thoracic spinal cord injury in mice: function assessment and pathological changes in spinal cord. Neural Regeneration Research. 12 (8), 1365-1374 (2017).
  2. Watanabe, N., et al. Neurological Recovery after Posterior Spinal Surgery in Patients with Metastatic Epidural Spinal Cord Compression. Acta Medica Okayama. 70 (6), 449(2016).
  3. Tatsui, C. E., et al. Spinal Laser Interstitial Thermal Therapy: A Novel Alternative to Surgery for Metastatic Epidural Spinal Cord Compression. Neurosurgery. 79 Suppl 1 (suppl_1), S73(2016).
  4. Zheng, W., et al. Application of Diffusion Tensor Imaging Cutoff Value to Evaluate the Severity and Postoperative Neurologic Recovery of Cervical Spondylotic Myelopathy. World Neurosurgery. 118, e849-e855 (2018).
  5. Ellingson, B. M., Salamon, N., Holly, L. T. Imaging techniques in spinal cord injury. World Neurosurgery. 82 (6), 1351-1358 (2014).
  6. Zhao, C., et al. Diffusion tensor imaging of spinal cord parenchyma lesion in rat with chronic spinal cord injury. Magnetic Resonance Imaging. 47, 25-32 (2018).
  7. Mohanty, C., Massicotte, E. M., Fehlings, M. G., Shamji, M. F. The Association of Preoperative Cervical Spine Alignment with Spinal Cord Magnetic Resonance Imaging Hyperintensity and Myelopathy Severity: Analysis of a Series of 124 Cases. Spine. 40 (1), 11-16 (2015).
  8. Tetreault, L. A., et al. Systematic review of magnetic resonance imaging characteristics that affect treatment decision making and predict clinical outcome in patients with cervical spondylotic myelopathy. Spine. 38 (22 Suppl 1), S89(2013).
  9. Nouri, A. The Role of Magnetic Resonance Imaging in Predicting Surgical Outcome in Patients with Degenerative Cervical Myelopathy. , University of Toronto. Master’s thesis (2015).
  10. Chen, C. J., Lyu, R. K., Lee, S. T., Wong, Y. C., Wang, L. J. Intramedullary high signal intensity on T2-weighted MR images in cervical spondylotic myelopathy: prediction of prognosis with type of intensity. Radiology. 221 (3), 789-794 (2001).
  11. Vedantam, A., Jonathan, A., Rajshekhar, V. Association of magnetic resonance imaging signal changes and outcome prediction after surgery for cervical spondylotic myelopathy. Journal of Neurosurgery Spine. 15 (6), 660(2011).
  12. Vedantam, A., et al. Diffusion tensor imaging of the spinal cord: insights from animal and human studies. Neurosurgery. 74 (1), 1-8 (2014).
  13. Bazley, F. A., et al. DTI for assessing axonal integrity after contusive spinal cord injury and transplantation of oligodendrocyte progenitor cells. Conference Proceedings: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2012 (4), 82-85 (2012).
  14. Lewis, M., Yap, P. T., Mccullough, S., Olby, N. The relationship between lesion severity characterized by diffusion tensor imaging and motor function in chronic canine spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 35 (3), (2018).
  15. Hagmann, P., et al. Understanding diffusion MR imaging techniques: from scalar diffusion-weighted imaging to diffusion tensor imaging and beyond. Radiographics. 26 Suppl 1 (suppl_1), S205(2006).
  16. Zheng, W., et al. Time course of diffusion tensor imaging metrics in the chronic spinal cord compression rat model. Acta Radiologica. , 284185118795335(2018).
  17. Jones, J. G., Cen, S. Y., Lebel, R. M., Hsieh, P. C., Law, M. Diffusion Tensor Imaging Correlates with the Clinical Assessment of Disease Severity in Cervical Spondylotic Myelopathy and Predicts Outcome following Surgery. American Journal of Neuroradiology. 34 (2), 471-478 (2013).
  18. Kerkovský, M., et al. Magnetic resonance diffusion tensor imaging in patients with cervical spondylotic spinal cord compression: correlations between clinical and electrophysiological findings. Spine. 37 (1), 48-56 (2012).
  19. Zheng, W., et al. Application of Diffusion Tensor Imaging Cutoff Value to Evaluate the Severity and Postoperative Neurologic Recovery of Cervical Spondylotic Myelopathy. World Neurosurgery. 118, e849-e855 (2018).
  20. Thurnher, M. M., Law, M. Diffusion-weighted imaging, diffusion-tensor imaging, and fiber tractography of the spinal cord. Magnetic Resonance Imaging Clinics of North America. 17 (2), 225-244 (2009).
  21. Cadotte, A., et al. Spinal Cord Segmentation by One Dimensional Normalized Template Matching: A Novel, Quantitative Technique to Analyze Advanced Magnetic Resonance Imaging Data. PLOS ONE. 10 (10), e0139323(2015).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

弥散张量成像分数各向异性表观弥散系数水分子弥散微结构病理改变神经功能恢复临床磁共振成像扫描仪
慢性脊髓受压中的弥散张量磁共振成像
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。