扩散张量磁共振成像在慢性脊髓压迫中的应用
2019年5月7日
在这里, 我们提出了一个协议, 应用扩散张量成像参数来评估脊髓受压。
传统MRI提供的解剖脊髓微观结构细节不能准确估计慢性脊髓压缩患者的实际神经元损伤或神经元恢复潜力。扩散张量成像，或DTI，可以帮助我们获得更具体的预后信息，通过水分子的扩散检测组织的数量微结构变化。慢性脊髓压缩可导致脊柱脐带反复缺血性损伤，导致下游神经纤维组织病理学变化。
此更改可以通过 DTI 可视化。DTI是一种敏感技术，可以提供组织内水分子的方向和扩散幅度的测量。在这里，我们演示了扩散张量成像参数在压缩脊髓评估中的应用，用于高性能临床 MRI 扫描仪操作 3.0T MR 系统。
在开始成像程序之前，向学员提供耳塞，并帮助学员进入舒适的超前位置。将头部/颈部线圈放在颈椎区域上，并在甲状腺软骨水平放置一个地标。当参与者就位时，使用快速扰动梯度回声获取轴向、下垂和日冕位置图。
找到 T2 加权下垂平面，并使用日冕位置图将 sagittal T1 加权定位线复制并粘贴到 T2 加权定位线，以确保定位基线与脊柱管平行。将 T1 和 T2 加权视场设置为 240 倍 240 毫米， 体膜大小为 1 x 0.8 x 3 毫米，切片间隙为 0.3 毫米，切片厚度为 3 毫米，激发数为 2 毫米，折叠方向为脚头，重复时间为 10 超过 700 毫秒的 T1 加权场，101 超过 2，500 表示 T2 加权字段。然后，获取覆盖整个颈椎的九个下垂图像，并在下垂 T2 W 图像上定位轴向定位线。
接下来，将椎间盘从 C2-3 覆盖到 C6-7， 以椎间空间的后背直径为中心，将视场设置为 180 x 180 毫米，体美体大小设置为 0.7 x 0.6 x 3 毫米，切片厚度设置为 3 毫米，折叠方向到前后，激发次数设置为 2，回音时间重复时间为 120 超过 3，000 毫秒。然后，将轴向定位线定位在下垂 T2 加权图像上，以椎间空间的后向直径为中心，从 C1 到 C7 覆盖 45 片颈椎。要获得扩散张量成像，请使用具有 20 个正交方向和非平面扩散方向的单次自旋回波回波平面成像，b 值等于每毫米平方 800 秒， 将视场设置为230乘230毫米，采集矩阵设置为98乘98，重建分辨率为1.17乘1.17，切片厚度为3毫米，折叠方向至前后，激发到2个，回波平面成像因子为98，回波时间重复时间为74超过8，300毫秒。对于图像后处理，将图像导出到分析器，然后将椎间空间的 T2 加权 sagittal 和轴向图像加载到拍摄界面中。
找到颈椎最压缩的部分，并在二对一观察界面中加载小数各向异性图像。单击"位置显示系列"，并确定从位置地图顶部到底部的最高压缩级别。单击"文件"以选择张量图像。
选择神经 3D 磁共振可自动创建明显的扩散系数和小数各向异性颜色图。前进到最高压缩的一侧，并使用"开始评估模式"在脊髓内侧和周围创建感兴趣的球形六毫米立方体区域，以排除脑脊液的部分体积效应。分数各向异性和明显扩散系数值将自动计算。
然后，单击"扩散"并选择 E1、E2 和 E3 以显示其值。在这里，显示了来自健康志愿者的代表性扩散张量成像图。这些来自慢性脊髓压缩患者的扩散张量成像图允许这些患者的压缩功能状态被测量，正如刚刚证明的。
接受手术的慢性脊髓压缩患者的术后成像允许对压缩的缓解进行功能评估，以帮助跟踪患者的恢复。必须在内脊髓绘制感兴趣区域，以排除脑脊液的部分体积效应。DTI获得的定量数据能够准确判断病变损伤的程度，并为临床治疗提供及时准确的客观指示。
在扫描之前，我们要求每位参与者填写并签署一份同意书，其中概述了成像协议和 MRI 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。
