慢性脊髓受压中的弥散张量磁共振成像
2019年5月7日
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。
常规磁共振成像提供的脊髓解剖微结构细节无法准确评估慢性脊髓受压患者的实际神经元损伤程度或神经元恢复潜力。弥散张量成像（DTI）可通过检测水分子在组织中的弥散情况，反映微结构的细微变化，从而帮助我们获取更为特异的预后信息。慢性脊髓受压可导致脊髓反复发生缺血性损伤，进而引起下游神经纤维的组织病理学改变。
这种变化可以通过DTI进行可视化。DTI是一种敏感的技术，能够提供组织中水分子扩散方向和扩散强度的测量。在此，我们展示了在3.0T磁共振系统上运行的高性能临床MRI扫描仪中，利用扩散张量成像参数评估受压脊髓的应用。
开始成像程序前，为受试者提供耳塞，并协助其采取舒适的仰卧位。将头/颈部线圈置于颈部区域，并在甲状软骨水平放置定位标记。当受试者就位后，使用快速扰动梯度回波序列获取轴向、矢状和冠状面的定位图像。
定位T2加权矢状面，并使用冠状位定位图将矢状位T1加权的定位线复制并粘贴至T2加权定位线上，确保定位基线与脊髓管平行。将T1和T2加权成像的视野设为240 × 240毫米，体素大小设为1 × 0.8 × 3毫米，层间距设为0.3毫米，层厚设为3毫米，激励次数设为2次，折叠方向设为足-头方向，T1加权序列的回波时间/重复时间设为10/700毫秒，T2加权序列设为101/2,500毫秒。随后获取覆盖整个颈髓的9幅矢状位图像，并在矢状位T2加权图像上放置轴位定位线。
接下来，覆盖从C2-3至C6-7的椎间盘，以椎间隙的前后径为中心，设置视野为180 × 180毫米，体素大小为0.7 × 0.6 × 3毫米，层厚为3毫米，折叠方向为前后方向，激励次数为2次，回波时间/重复时间为120/3,000毫秒。然后，在矢状位T2加权像上定位轴向定位线，以椎间隙的前后径为中心，共45层，覆盖从C1到C7的颈髓。为获取扩散张量成像，采用单次激发自旋回波平面成像，设置20个正交且非共面的扩散方向，b值为800秒/平方毫米，设置视野为230 × 230毫米，采集矩阵为98 × 98，重建分辨率为1.17 × 1.17，层厚为3毫米，折叠方向为前后方向，激励次数为2次，平面回波成像因子为98，回波时间/重复时间为74/8,300毫秒。进行图像后处理时，将图像导出至分析仪，并将椎间隙的矢状位和轴向T2加权图像载入到阅片界面。
找到颈髓受压最明显的部位，并在二比一视图界面中加载各向异性分数图像。点击“位置显示序列”，从位置图的顶部到底部确定受压最严重的节段。点击“文件”以选择张量图像。
选择神经三维磁共振，以自动生成表观扩散系数和分数各向异性彩色图。推进至受压最严重的一侧，使用“开始评估模式”在脊髓内部及周围创建直径六毫米的球形感兴趣区域，以排除脑脊液的部分容积效应。分数各向异性和表观扩散系数值将自动计算。
然后，点击“扩散”并选择 E1、E2 和 E3 以显示其数值。此处展示了来自健康志愿者的代表性扩散张量成像图谱。这些来自慢性脊髓受压患者的扩散张量成像图谱可用来测量这些患者受压区域的功能状态，正如刚刚所展示的那样。
对接受手术治疗的慢性脊髓受压患者进行术后影像学检查，可对其受压缓解情况进行功能评估，有助于追踪患者的恢复进程。必须在脊髓内部划定感兴趣区域，以排除脑脊液的部分容积效应。通过弥散张量成像（DTI）获得的定量数据能够准确判断病变损伤程度，为临床治疗提供及时且客观的依据。
扫描前，我们要求每位参与者填写并签署一份知情同意书，其中列明了成像方案和磁共振成像安全指南。
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概述
本研究提出了一种利用扩散张量成像（DTI）参数评估患者脊髓受压情况的详细方案。该方案旨在弥补常规磁共振成像（MRI）在判断神经元损伤方面的不足，从而提高术后预后评估的准确性，并追踪手术后的恢复进程。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 成像技术
- 脊髓研究
背景
- 常规 MRI 无法准确测量慢性脊髓受压中的神经元损伤。
- 慢性受压可导致反复发生的缺血性损伤，进而引起持久的组织病理学改变。
- 弥散张量成像可更敏感地显示微结构变化。
- 评估 DTI 参数可在临床环境中提供预后信息。
研究目的
- 展示DTI如何比常规MRI更有效地评估脊髓受压情况。
- 为高性能临床MRI扫描仪建立标准化成像方案。
- 为评估患者脊髓功能状态提供可量化的数据。
使用的方法
- 采用扩散张量成像分析颈段脊髓受压情况。
- 该生物学模型涉及慢性脊髓受压患者。
- 图像采集使用3.0T MRI系统，并采用针对T1加权和T2加权成像的特定扫描方案。
- 数据分析包括生成各向异性分数图及表观扩散系数测量。
主要结果
- DTI参数的应用有助于直观显示压迫程度及神经元损伤范围。
- 定量数据可支持对手术患者恢复情况和功能状态的追踪。
- 研究结果为临床治疗决策提供了客观指标。
结论
- 本研究建立了一种用于改进脊髓受压评估的弥散张量成像（DTI）方案。
- 研究证明了先进影像技术在理解神经元损伤与恢复方面的有效性。
- 研究结果强调了影像学在临床评估及潜在治疗策略中的应用价值。
常见问题
行业重要性概述
弥散张量成像（DTI）可对脊髓组织的微结构进行定量评估，弥补了常规磁共振成像在评估慢性脊髓压迫中神经元损伤及恢复潜力方面的关键不足。该技术通过实现对与神经保护或神经修复治疗策略相关的组织病理学变化进行客观、无创的监测，支持临床前靶点的验证。由DTI衍生的指标，如分数各向异性（fractional anisotropy）和表观扩散系数（apparent diffusion coefficient），可作为预测性生物标志物，有助于降低脊髓损伤研究中转化研究路径的风险。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过显示脊髓组织中分数各向异性降低和表观扩散系数升高，实现对治疗假设的微结构病理变化进行可视化探究。
- 操作价值：为脊髓受压的临床前模型中评估靶点结合效应和生物学风险降低提供定量、可重复的读数。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过建立标准化的弥散张量成像（DTI）方案，精确设置感兴趣区域以排除脑脊液部分容积效应，从而为下游分析流程制备经过验证的生物系统。
- 操作价值：采用明确的采集参数（b值为800 s/mm²，20个正交方向），确保在高性能3.0T临床磁共振成像（MRI）扫描仪上检测的可重复性和可扩展性。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过将基于DTI的组织病理学改变与功能结局相关联，支持与疾病相关的系统建模，实现干预后神经恢复的预后分层及监测。
- 操作价值：通过提供病灶范围和治疗反应评估的客观、定量指标，促进从发现到临床前验证的转化连续性。
流程与工作流整合
弥散张量成像（DTI）通过提供定量的微观结构指标，能够在早期靶点验证中支持假设检验，在筛选阶段促进检测方法的建立，并在转化研究中为基于风险评估的推进决策提供依据，从而融入发现研究的全过程。
- 发现生物学：通过检测水分子扩散变化来支持假设验证和通路阐明，这些变化反映了受压脊髓组织中的轴突完整性和脱髓鞘情况。
- 筛选：通过标准化方案提供可重复的各向异性分数和表观扩散系数图谱，实现检测就绪，用于不同条件间的比较分析。
- 分析：生成定量的因变量测量值（FA、ADC、特征向量值），从而实现健康、受压及治疗后脊髓状态之间的统计学比较。
- 转化研究：通过提供关于神经损伤及恢复潜力的预后洞察，连接临床前研究的连续性，为神经治疗候选药物的“推进/终止”决策提供依据。
- 企业级复用：由于其无创特性以及与标准3.0T MRI平台的兼容性，可在临床前和临床环境中作为可重复使用的成像能力发挥作用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过直接可视化微结构病理变化，减少脊髓损伤模型中的机制性模糊，从而提高预测可信度。
- 操作价值：通过标准化的数据采集和后处理流程（包括球形感兴趣区域放置以最小化脑脊液污染），实现研究的标准化与可重复性。
- 战略价值：提供关于损伤严重程度和功能恢复潜力的客观定量数据，改善“推进/终止”决策过程，降低神经治疗药物研发后期的生物学风险。
- 项目组合影响：基于DTI衍生的轴突保存和微结构完整性的生物标志物，实现对脊髓损伤治疗药物的风险调整后优先排序。
实施注意事项
- 准确执行方案和解释数据需要具备神经影像学、扩散张量处理以及脊髓解剖学方面的专业知识。
- 依赖于可进行单次激发自旋回波平面成像并具备20个非共面扩散方向的高性能3.0T磁共振成像（MRI）系统的可用性。
- 在纵向研究中，为排除脑脊液的部分容积效应，需对感兴趣区域勾画方案在不同研究团队间进行标准化。
- 在将方案应用于不同脊髓损伤模型或磁场强度时，需考虑适应性调整，同时保持b值和扩散方向采样的一致性。
- 存在若干实际限制，例如在骨-组织界面附近对磁化率伪影敏感，以及为在较小的颈段脊髓区域获得足够的信噪比而需要较长的扫描时间。
