利用Fiji软件对MRI上视神经横截面积进行定量分析：一种新方案

摘要

我们提供了一种利用广泛可用的成像序列和开源图像分析软件，通过磁共振成像（MRI）对视神经进行评估与定量的标准化方法的详细方案。遵循该标准化方案可获得有意义的数据，用于不同患者之间以及不同研究之间的比较。

摘要

视神经评估是青光眼诊断和随访的重要组成部分。本研究描述了一种统一的视神经横断面评估与定量方法的实验方案，采用3 T磁共振成像（MRI）进行图像采集，并使用ImageJ的Fiji软件进行图像处理与定量分析。图像采集使用3 T MRI设备，并对患者给予适当指导，以确保成像过程中保持正视固定。采用T2加权脂肪抑制序列。应选取眼球后方3 mm、且垂直于视神经轴线的冠状切面图像上传至软件。利用阈值功能选择并量化视神经的白质区域，从而消除个体间测量偏差。我们还根据既往已发表文献，描述了不同年龄组视神经横断面积的正常值范围。我们应用该方案对一名疑似青光眼患者进行了视神经评估，结果显示其视神经横断面积处于正常范围内，该结果经视神经光学相干断层扫描进一步证实。

引言

青光眼是一种视神经病变，被认为是导致不可逆失明的最常见原因¹。尽管如此，其病理生理机制和诊断方法仍不甚明确，目前尚无单一的标准参考依据用于确诊²。根据英国国家卫生与临床优化研究所（NICE）的指南，原发性开角型青光眼（POAG）的诊断需评估多个方面，包括眼底检查或光学相干断层扫描（OCT）成像对视盘的评估、视野检查以及眼内压测量³。青光眼诊断的核心在于确认是否存在进展性视神经病变，这一判断可通过OCT进行定量分析实现⁴。在这方面，MRI也可用于视神经评估及其白质区域的定量分析⁵，但为了使该方法具有临床意义，用于视神经白质定量的扫描方案必须实现标准化。此外，该方案还应能兼顾个体间的差异，这一因素可能影响多种疾病中的评估准确性⁶。

青光眼中的视神经评估通常通过眼科影像学方法进行，包括光学相干断层扫描（OCT），用于评估视神经最前部（如视盘）。另一方面，磁共振成像（MRI）用于视神经评估时，通常针对眼球后方不同距离处的眶内段视神经。多项研究发现，采用OCT评估视盘与MRI评估之间存在显著相关性^7,8。然而，目前尚无统一的MRI视神经评估与定量分析方案。既往通过在MRI上勾画视神经边界以量化其横截面积⁵，但该方法存在较大的观察者间变异，因其依赖经验丰富的评估者操作，且勾画过程耗时较长。本研究的目的是建立一种统一的视神经横截面评估与定量方法学方案，采用3 T MRI进行图像采集，并使用ImageJ的Fiji软件进行图像处理与定量分析。

方案

本研究已获得约旦大学医院研究委员会和机构审查委员会的批准。以下方案将描述用于获取磁共振成像（MRI）图像的成像技术，随后介绍使用Fiji软件进行图像处理和视神经定量分析的方法。

1. MRI 图像采集

注意：MR图像采集使用3特斯拉（3 T）MRI进行多平面T2加权脂肪抑制序列扫描（材料表）。

1. 向患者充分解释检查过程。以下内容包括需要向患者说明的指导和解释事项。
   1. 告知患者需要更换衣物，并穿上专用的检查服进行成像。
   2. 要求患者去除所画的眼线，因为其中含有的二氧化钛颜料具有电导性，可能在磁共振成像中产生伪影（尤其是在3 T场强下）。
   3. 确认患者无进行磁共振成像的禁忌证⁹：
      1. 询问患者是否体内有金属物质，可能包括面部面膜、穿孔饰品、假肢、磁性牙科植入物、脑动脉瘤夹等。
      2. 询问患者是否有眼内金属异物。为此，应询问患者是否曾未佩戴适当防护装备进行过焊接作业。
      3. 询问患者是否有任何可能与磁共振成像不兼容的植入式设备，包括起搏器、胰岛素泵、镇痛药物泵或化疗泵。此外，人工耳蜗/耳部植入物、可植入神经刺激系统、带有金属组件的导管等均为禁忌证。
      4. 询问患者体内是否残留有金属异物，包括子弹、猎枪弹丸和金属碎片。
      5. 询问患者是否有手术夹或金属缝合线、关节置换或假体、下腔静脉（IVC）滤器、义眼、支架或宫内节育器。
      6. 询问患者是否在过去6周内纹身。
      7. 询问患者是否在过去八周内接受过结肠镜检查。
      8. 由于磁共振设备空间狭小，需询问患者是否存在幽闭恐惧症。
         注意：对于体重指数（BMI）较高的患者，可能会遇到操作困难。
   4. 告知患者检查预计持续15分钟，期间需保持静止不动。
2. 完成上述说明并确保患者完全理解检查流程后，获取患者的签字同意书。
3. 在磁共振图像采集过程中，让患者仰卧于磁共振设备内，成像期间注视一个固定的直线目标，头部不得移动。对于视力较差的患者，可使用声音刺激以优化注视效果。更全面的固定方法包括闭上一只眼、使用中央位置的液晶显示屏作为注视目标（可变换颜色），以及使用眼部润滑剂。
4. 确保患者知晓在磁共振设备内可通过按压握持按钮来寻求帮助。虽然可以使用头部线圈，但眼部线圈或眼眶线圈可能更适用于眼科成像。
5. 输入以下图像采集参数：T2加权脂肪抑制序列（TR = 3000 毫秒；TE = 90 毫秒；TE = 100；视野 = 16 cm×16 cm；矩阵 = 296*384；层厚 = 3 mm；层间距 = 0.3 mm）。最终分析的图像为眼球后方3 mm处的斜冠状位图像。需要注意的是，尽管T2加权脂肪抑制序列通常用于视神经成像，但也可使用其他序列，如T2快速自旋回波成像。
6. 获取视神经的冠状切面图像，切面应垂直于视神经，位于眼球后方3 mm处。使用横断面和斜矢状面的定位像，以确保视神经走向及视神经-眼球连接处位置的最佳显示。
7. 通过观察视神经周围脑脊液（CSF）的分布情况评估注视质量，脑脊液应均匀分布在视神经周围，各侧厚度基本相等。
8. 重复上述过程，对另一侧视神经进行成像。

2. 图像分析

1. 从（https://imagej.net/Fiji）下载 Fiji 图像处理软件包。
2. 通过点击菜单栏中的 文件，然后点击 打开 按钮，将视神经冠状面图像上传至 ImageJ Fiji 软件进行分析。选择需要处理的冠状面图像。在传输过程中确保图像质量不丢失，因为图像质量的损失将导致不可靠的图像分析结果。
3. 通过在比例尺上绘制一条直线，指定每单位长度所包含的像素数量，以标准化尺度。然后从 分析 菜单栏中选择 设定尺度。根据比例尺上显示的长度，输入正确的长度单位（通常为 mm）。
4. 使用图像菜单，选择 类型 和 8 位，将图像转换为灰度图像。
5. 量化白质像素的强度范围。
   1. 使用套索选择工具（插件 | 分割 | 套索工具），选择足够大的白质区域，确保在选择过程中不包含灰质区域。我们发现，选择约 1000 像素的白质区域已足够。使用 分析 和 测量 工具对所选区域进行量化。
6. 从 分析 菜单中调出 直方图 工具，该工具显示所选白质区域中像素强度的分布情况。勾选 实时 框，以确保直方图反映的是所选区域的数据。直方图上的图形应呈现强度的正态分布。
7. 按下述方式计算白质强度范围：
   下限 = 平均强度 - (3 × 标准差)
   上限 = 平均强度 + (3 × 标准差)
8. 从 图像 菜单中打开 阈值 工具，然后选择 调整 功能。输入上一步计算出的强度范围。仅勾选 暗背景 选项，并从下拉列表中选择黑白标注 B&W，然后点击应用。视盘内白质的掩膜将显示出来。
9. 使用套索选择工具（插件 | 分割 | 套索工具），选择代表视盘的黑色区域。
10. 从 分析 菜单栏中使用 测量 功能，该功能将以 mm 为单位计算阈值功能标记的区域面积。

结果

一位30岁男性患者因常规检查接受眼科检查，其杯盘比为0.8（图1A），该数值异常，可能提示青光眼。通过进行视网膜神经纤维层厚度的光学相干断层扫描，我们发现该患者的神经纤维层厚度在年龄正常范围内（图1B）。随后为该患者安排了眼眶MRI检查，按照上述方案进行视神经评估的冠状位扫描并完成成像。

我们获取了视盘后方3 mm处的冠状面MRI切片。白质的平均强度为94.372（标准差7.085），由此得出白质强度范围为：

下限 = 94.372 - 21.255 = 73.117

上限 = 94.372 + 21.255 = 115.627

图2 显示了冠状面图像（图2A）、应用基于计算出的上...

讨论

我们描述了一种用于评估和量化视神经白质的方案，该方案可用于青光眼患者的评估。该方案采用广泛可用的成像序列进行图像采集，并使用开源的Fiji软件进行图像分析。我们对先前发现的在视神经图像采集中最准确且高度可重复的图像参数进行了标准化，包括要求患者直视前方、采用脂肪抑制的T2序列，以及获取眼球后方3 mm处的横截面面积。此外，我们描述了一种详细的图像分析方法，该方法消除了手动分割，并校正了不同患者之间的信号差异。本方案的重要性在于，它消除了放射科医生在感兴趣区域（ROI）分割上的变异，而这种变异通常是MRI视神经评估中的主要误差来源¹²。尽管我们尝试通过表1提供视神经横截面积的正常参考数据，但仍需利用本研究所述的标准方案获取更多数据，以便在临床环境中应用和比较。由于视神经大小随年龄变化，此类数据需涵盖不同年龄组，如表1所示。这种差异在性别之间并不明显¹⁵，但最近有研究提示其可能与屈光不正有关¹⁶。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
磁共振成像（MRI）设备	Siemens Magnetom Verio	N/A	3T MRI 扫描仪