Summary
Ici, nous présentons un protocole pour l’application des paramètres d’imagerie de tenseur de diffusion pour évaluer la compression de la moelle épinière.
Abstract
La compression chronique de la moelle épinière est la cause la plus fréquente d’altération de la moelle épinière chez les patients souffrant de lésions médullaires non traumatiques. L’imagerie par résonance magnétique conventionnelle (IRM) joue un rôle important dans la confirmation du diagnostic et l’évaluation du degré de compression. Cependant, les détails anatomiques fournis par l’IRM conventionnelle ne suffisent pas à estimer avec précision les lésions neuronales et/ou à évaluer la possibilité de récupération neuronale chez les patients souffrant de compression chronique de la moelle épinière. En revanche, l’imagerie par tenseur de diffusion (DTI) peut fournir des résultats quantitatifs en fonction de la détection de la diffusion des molécules d’eau dans les tissus. Dans la présente étude, nous élaborons un cadre méthodologique pour illustrer l’application de la DTI dans la maladie chronique de compression de la moelle épinière. L’anisotropie fractionnaire DTI (FA), les coefficients de diffusion apparente (ADCs) et les valeurs des vecteurs propres sont utiles pour visualiser les changements pathologiques microstructuraux dans la moelle épinière. Une diminution de la FA et une augmentation des valeurs des ADCs et des vecteurs propres ont été observées chez les patients souffrant de compression chronique de la moelle épinière comparativement aux témoins sains. DTI pourrait aider les chirurgiens à comprendre la sévérité des lésions de la moelle épinière et fournir des informations importantes sur le pronostic et la récupération fonctionnelle neuronale. En conclusion, ce protocole fournit un outil sensible, détaillé et non invasif pour évaluer la compression de la moelle épinière.
Introduction
La compression chronique de la moelle épinière est la cause la plus fréquente de la moelle épinière impairment1. Cette affection peut être due à l’ossification longitudinale du ligament postérieur, à l’hématome, à l’hernie des disques cervicaux, à la dégénérescence vertébrale ou aux tumeurs intraspinales2,3. La compression chronique de la moelle épinière peut conduire à divers degrés de déficits fonctionnels; Cependant, il existe des cas cliniques avec une compression grave de la moelle épinière sans symptômes et signes neurologiques, ainsi que des patients avec une légère compression de la moelle épinière mais de graves déficits neurologiques4. Dans ces circonstances, l’imagerie sensible est essentielle pour évaluer la sévérité de la compression et identifier l’étendue des dommages.
L’IRM conventionnelle joue un rôle significatif dans l’élucidation de l’anatomie de la moelle épinière. Cette technique est habituellement utilisée pour évaluer le degré de compression en raison de sa sensibilité aux tissus mous5. De nombreux paramètres peuvent être mesurés à partir de l’IRM, comme l’intensité du signal MR, la morphologie du cordon et la zone du canal spinal. Cependant, l’IRM a quelques limitations et ne fournit que des informations qualitatives plutôt que des résultats quantitatifs6. Les patients présentant une compression chronique de la moelle épinière ont souvent des changements anormaux de signal d’intensité IRM. Cependant, les écarts entre les symptômes cliniques et les changements d’intensité de l’IRM rendent difficile le diagnostic d’une condition fonctionnelle basée uniquement sur les caractéristiques IRM7. Des études antérieures soulignent cette controverse en termes de la valeur pronostique de l’IRM T2 hyperintensité dans la colonne vertébrale CORD8. Deux groupes ont rapporté que l’hyperintensité T2 de la moelle épinière est un mauvais paramètre pronostique après une intervention chirurgicale pour la moelle épinière chronique compression8. En revanche, certains auteurs n’ont trouvé aucune association significative entre les changements de signaux T2 et le pronostic8,9. Chen et coll. et Vedantam et coll. ont divisé les hyperintensités d’IRM T2 en deux catégories correspondant à différents résultats pronostiques10,11. Le type 1 montrait des bordures faibles, floues et indistinctes, et cette catégorie démontrait des changements histologiques réversibles. Les images de type 2 présentaient des bordures intenses et bien définies, qui correspondaient à des dommages pathologiques irréversibles. Les techniques conventionnelles d’IRM T1/T2 ne fournissent pas d’informations adéquates pour identifier ces deux catégories et évaluer le pronostic des patients. En revanche, la DTI, une technique d’imagerie plus sophistiquée, peut aider à obtenir des informations pronostiques plus spécifiques en détectant quantitativement les changements microstructuraux dans les tissus par la diffusion de molécules d’eau.
Ces dernières années, le DTI a suscité une attention croissante en raison de sa capacité à décrire la microarchitecture de la moelle épinière. Le DTI peut mesurer la direction et l’amplitude de la diffusion des molécules d’eau dans les tissus. Les paramètres DTI peuvent évaluer quantitativement les lésions neuronales chez les patients présentant une compression chronique de la moelle épinière. La FA et l’ADC sont les paramètres les plus couramment appliqués lors de l’évaluation de la moelle épinière. La valeur FA révèle le degré d’anisotropie pour orienter les fibres axonales environnantes et décrire les limites anatomiques12,13. La valeur ADC fournit des informations sur les caractéristiques du mouvement moléculaire dans de nombreuses directions dans un espace tridimensionnel et révèle la moyenne des diffusivités le long des trois axes principaux6,12. Les modifications de ces paramètres sont associées à des altérations microstructurelles qui influencent la diffusion des molécules d’eau. Par conséquent, les chirurgiens peuvent utiliser/mesurer les paramètres DTI pour identifier la pathologie médullaire. La présente étude fournit des méthodes et des processus DTI qui fournissent des informations pronostiques plus détaillées pour traiter les patients atteints de compression chronique de la moelle épinière.
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Protocol
L’étude a été approuvée par le Comité d’éthique médicale local à Guangzhou First people’s Hospital en Chine. Des volontaires sains et des participants ont reçu des formulaires de consentement éclairé dûment signés avant la participation. Toutes les études ont été menées conformément à la déclaration d’Helsinki de l’Association médicale mondiale.
1. préparation du sujet
- Assurez-vous que chaque participant répond aux critères suivants pour la compression chronique de la moelle épinière: a) un antécédent de perte de fonction neurologique significative, b) un examen physique de la myélopathie positive, et c) une preuve IRM de la compression du cordon cervical.
Remarque: Les critères d’exclusion sont a) l’incapacité de fournir le consentement écrit et b) l’impossibilité d’obtenir les paramètres DTI des artefacts. Pour les contrôles, les critères d’inclusion sont a) pas d’antécédents de lésions graves du dos ou du cou, des troubles neurologiques ou des chirurgies de la colonne vertébrale; b) aucune preuve d’IRM de la compression du cordon cervical. - SK chaque participant à remplir et signer un formulaire de consentement qui énumère les directives de sécurité IRM et le protocole d’imagerie. Plus précisément, les patients présentant une compression chronique de la moelle épinière sont examinés par IRM de façon préopératoire et 1 an après l’opération.
- des bouchons d’oreilles pour chaque participant. Placez-les dans une position décubitus dorsal avec une bobine de tête/cou entourant la région cervicale, et un point de repère au niveau du cartilage de la thyroïde. Assurez-vous que chaque participant est dans une position confortable qui réduit efficacement le mouvement.
2. paramètres de l’IRM structurelle
Remarque: Des images anatomiques pondérées T1 (T1 W), des images T2-pondérées (T2 W) et des DTI acquises sur un scanner IRM 3 Tesla avec une bobine de tête à 16 canaux.
- Utilisez l’écho de gradient de perturbation rapide (FPGR) pour l’analyse de localisation pour obtenir des cartes de position axiale, sagittale et coronale.
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Positionner la ligne de positionnement sagittale avec les cartes de position coronale pour s’assurer que la base de positionnement est parallèle au canal rachidien (moelle épinière); Localisez d’abord le plan sagittal T2 W, puis copiez et collez la ligne de positionnement sagittale T1 W sur la ligne de positionnement T2 W.
- Utiliser les paramètres d’imagerie suivants pour l’imagerie sagittale T1 W et T2 W: champ de vision (FOV) = 240 mm x 240 mm, taille du voxel = 1,0 mm x 0,8 mm x 3,0 mm, écart de tranche = 0,3 mm, épaisseur de tranche = 3 mm, nombre d’excitation (NEX) = 2, sens de pliage = pieds/tête (FH) et temps d’écho (TE)/temps de répétition (TR) = 10/700 ms (T1 W) et 101/2500 ms (T2 W). Obtenir neuf images sagittales couvrant toute la moelle épinière cervicale.
- Positionner la ligne de positionnement axiale sur l’image sagittale T2 W et recouvrir le disque intervertéal de C2/3 à C6/7, en centrant le diamètre antéropostérieur de l’espace intervertéal. Utiliser les paramètres d’imagerie suivants: FOV = 180 mm x 180 mm, taille du voxel = 0,7 mm x 0,6 mm x 3,0 mm, épaisseur de tranche = 3 mm, sens de repliage = antérieur/postérieur (AP), NEX = 2 et TE/TR = 120/3000 ms.
-
Positionner la ligne de positionnement axiale sur l’image sagittale T2 W, en centrant le diamètre antéropostérieur de l’espace intervertébral, avec 45 tranches couvrant la moelle épinière cervicale de C1 à C7.
- Obtenez le DTI par l’intermédiaire de l’ordre suivant: imagerie plane-écho à un seul coup spin-écho (SE-EPI) avec 20 directions orthogonales. Directions de diffusion non coplanaires avec b-value = 800 s/mm2.
- Utilisez les paramètres d’imagerie suivants: FOV = 230 mm x 230 mm, matrice d’acquisition = 98 x 98, résolution reconstruite = 1,17 x 1,17, épaisseur de tranche = 3 mm, sens de repliage = AP, NEX = 2, facteur EPI = 98, et TE/TR = 74/8300 ms. fournir un cours de temps résumant les étapes dans le protocole IRM, comme illustré à la figure 1.
Remarque: Le cours de temps résumant le protocole IRM et DTI est illustré à la figure 1.
3. post-traitement des images et index de mesure des données
- Transmettez automatiquement toutes les images de numérisation au syngo MR. Chargez l’imagerie sagittale et axiale T2 W de l’espace intervertébral dans l’interface de tournage et trouvez la portion la plus comprimée de la moelle épinière cervicale.
- Dans l’interface de visualisation 2:1, chargez l’image FA et cliquez sur l’onglet Affichage de la position: série . comptez et enregistrez le niveau de compression le plus élevé entre le haut et le bas de la carte d’emplacement.
- Cliquez sur l’onglet fichier pour sélectionner l’image de tenseur, puis utilisez la barre d’outils des applications en haut à gauche de l’écran pour sélectionner neuro 3D (Mr) pour créer automatiquement des COLORMAPS ADC et FA.
- Tournez au niveau du site de compression le plus élevé et créez des régions d’intérêt sphériques (ROIs) de volumes identiques (d’une taille de 6 mm3) à l’aide de l’onglet Start Evaluation mode . Les ROIs doivent être sélectionnés, y compris la moelle épinière interne pour exclure les effets partiels du liquide céphalo-rachidien (LCR).
- Calculez et affichez automatiquement les valeurs FA et ADC en bas à droite de l’écran. Affichez les valeurs E1, E2 et E3 en cliquant sur la barre d’outils diffusion et en les choisissant.
Remarque: Toutes les mesures ont été effectuées par deux radiologues aveuglés par les détails cliniques des patients. Les résultats finaux ont été déterminés comme la moyenne des deux. - Effectuez le traitement des images des jeux de données DTI à l’aide d’un poste de travail syngo MR-1, en suivant les étapes de la figure 2.
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Representative Results
Il s’agit d’un résumé des résultats obtenus par des volontaires sains et des patients atteints de myélopathie spondylotique cervicale. Le protocole a permis au médecin de visualiser les cartes DTI. Cette technologie pourrait servir de mesure objective pour mesurer l’état fonctionnel dans des conditions myélopathiques. Les cartes DTI de volontaires sains sont présentées à la figure 3. Les paramètres DTI des volontaires sains étaient les suivants: FA = 0,661; ADC = 1,006 x 10-3 mm2/s; E1 = 1,893 x 10-3 mm2/s; E2 = 0,746 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,377 x 10-3 mm2/s (figure 3). Les cartes DTI des patients souffrant de compression chronique de la moelle épinière sont affichées à la figure 4 et ont les paramètres suivants: FA = 0,605; ADC = 1,522 x 10-3 mm2/s; E1 = 2,731 x 10-3 mm2/s; E2 = 1,058 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,776 x 10-3 mm2/s (figure 4). L’imagerie postopératoire a également été réalisée. La figure 5 montre les cartes DTI des patients présentant une compression chronique de la moelle épinière qui ont subi une intervention chirurgicale. Les paramètres DTI sont les suivants: FA = 0,616; ADC = 1,210 x 10-3 mm2/s; E1 = 2,190 x 10-3 mm2/s; E2 = 0,858 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,582 x 10-3 mm2/s (figure 5).
Figure 1 : Cours temporel du protocole d’IRM clinique. Premièrement, la séquence FSPGR a été sélectionnée pour la numérisation de localisation, puis la récupération rapide de l’écho de spin rapide a été réalisée pour acquérir les images sagittales T2 W et T1 W et les images axiales T2 W. Enfin, le DTI a été réalisé à l’aide d’un seul tir SE-EPI avec 20 directions orthogonales. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La figure 2 : Organigramme des étapes impliquées dans le traitement DTI. Organigramme montrant quatre étapes de post-traitement DTI avec un poste de travail. Premièrement, acquérir l’IRM conventionnelle et DTI dans le poste de travail. Ensuite, trouvez le site de la compression la plus élevée basée sur des images IRM conventionnelles. Enfin, effectuez le calcul du tenseur. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : IRM sagittale et axiale et DTI chez un bénévole sain. (A) IRM sagittale T1 w. (B) IRM sagittale T2 w. (C) IRM axiale T2 w. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : IRM sagittale et axiale et DTI chez un patient avec compression chronique de la moelle épinière. (A) IRM sagittale T1 w. (B) IRM sagittale T2 w. (C) IRM axiale T2 w. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : IRM sagittale et axiale et DTI chez un patient avec compression chronique de la moelle épinière après la chirurgie. (A) IRM sagittale T1 w. (B) IRM sagittale T2 w. (C) IRM axiale T2 w. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
L’IRM conventionnelle est habituellement utilisée pour évaluer le pronostic des patients présentant diverses affections de la colonne vertébrale. Cependant, cette modalité d’imagerie fournit un détail anatomique macroscopique plutôt que l’évaluation de la microstructure14, ce qui limite la prédiction de la fonction neurologique. En outre, l’IRM traditionnelle peut sous-estimer la sévérité et l’étendue des lésions de la moelle épinière. L’émergence de la DTI peut aider les chirurgiens à évaluer plus précisément la fonction de la moelle épinière en fournissant des informations quantitatives sur la diffusion des molécules d’eau.
Dans la présente étude, un cadre méthodologique a été décrit pour démontrer l’application des paramètres de la DTI chez les patients présentant une compression chronique de la moelle épinière. La DTI est une technique sensible pour mesurer la direction et l’amplitude de diffusion des molécules d’eau dans les tissus15. Les chirurgiens peuvent évaluer quantitativement les lésions neuronales dans diverses pathologies de la moelle épinière en évaluant les paramètres de la DTI. Dans ce protocole, nous avons dessiné manuellement des ROIs sur des tranches axiales parce que les logiciels dédiés existants pour la segmentation automatique du LCR et de la myéline ne sont pas adéquats pour la moelle épinière. La petite section transversale de la moelle épinière est une limitation majeure pour appliquer efficacement la segmentation automatique. Nous avons sélectionné ROIs sur le site de compression le plus sérieux. Les ROIs doivent inclure la moelle épinière interne pour éliminer les effets de volume partiel du LCR. En outre, le traitement des DTI devrait réduire les effets des facteurs artifactuels tels que les artefacts de distorsion géométrique liés à l’EPI et les artefacts courants de Foucault. Les options disponibles du progiciel pourraient aider les opérateurs à obtenir des informations utiles en fonction de l’orientation du gradient de pondération de diffusion et de la correction de courant de Foucault distincte. La numérisation IRM conventionnelle dans la présente étude a appliqué une séquence rapide d’écho de spin pour fournir plus d’informations d’image. La chaîne d’écho plus longue et l’intervalle d’écho plus petit ont été spécifiquement conçus pour minimiser les artefacts créés par l’instrumentation spinale. Nous avons sélectionné un temps d’écho court, une large bande de fréquence de lecture et de petits voxels pour réduire les artefacts. FA et ADC sont couramment utilisés paramètres DTI dans les mesures de la moelle épinière. FA représente le degré d’anisotropie dans une plage de 0 à 1. Les valeurs FA plus proches de 1 indiquent une anisotropie tissulaire élevée13. L’ADC est relié à la valeur moyenne des diffusivités dans les trois axes principaux, et son changement est cohérent avec le processus de lésion tissulaire histopathologique6. Le présent travail a confirmé que la compression chronique de la moelle épinière pourrait entraîner une diminution de la FA et une augmentation des valeurs ADC, comme indiqué précédemment12. La compression chronique de la moelle épinière peut causer des lésions ischémiques récurrentes à la moelle épinière et produire des changements histopathologiques dans les fibres nerveuses en aval, comme l’angioedème, la gliose, la perte de la fonction neuronale et éventuellement la nécrose16. Dans le présent travail, ces changements susmentionnés ont été clairement visualisés sur le DTI.
Le DTI peut servir d’outil pour évaluer l’amélioration fonctionnelle et fournir des informations pronostiques précieuses. Des études antérieures ont montré que la FA préopératoire élevée pourrait être reliée à une meilleure récupération fonctionnelle neuronale après la chirurgie17. Kerkovsky et coll. ont rapporté que les patients atteints de myélopathie spondylotique cervicale symptomatique avaient des valeurs ADC plus élevées et des valeurs de FA inférieures par rapport à ceux qui n’avaient pas de symptômes pertinents mais avaient des preuves radiologiques de la compression du cordon18. Dans une étude antérieure d’un modèle de rat de compression de la moelle épinière chronique, les paramètres DTI ont été associés à des conditions pathologiques de la moelle épinière. Il est important de noter que la DTI peut évaluer quantitativement l’état fonctionnel de la moelle épinière16. Une analyse de 66 patients atteints de compression chronique de la moelle épinière a également montré que les paramètres de la DTI étaient liés au taux de récupération de l’Association orthopédique japonaise chez les patients atteints de compression chronique de la moelle épinière, et à l’ADC, à la diffusivité moyenne, à la diffusivité radiale et les valeurs de diffusivité axiale peuvent refléter une déficience neurologique et être utiles pour évaluer le pronostic post-opératoire19. Comparé à l’IRM conventionnelle, le DTI est un outil quantitatif utile pour mesurer le potentiel de récupération de la moelle épinière.
Il y avait quelques limitations à cette étude. Premièrement, une résolution spatiale adéquate est encore difficile à atteindre. Les artefacts de mouvement, résultant du mouvement respiratoire et cardiaque et de la pulsation du LCR, peuvent produire de mauvais effets sur le DTI, en particulier dans le cordon cervical inférieur et le cordon thoracique20. La chaîne d’écho plus longue et l’intervalle d’écho plus petit ont été spécifiquement conçus pour minimiser les artefacts créés par l’instrumentation spinale. Dans ce protocole, nous avons sélectionné un temps d’écho court, une large bande de fréquence de lecture et de petits voxels pour réduire les artefacts. En outre, il était difficile de distinguer entre la matière blanche et la matière grise sur le DTI avec un système de 3 tesla MR21, ce qui signifiait que la matière grise et blanche pouvait être incluse dans les rois. Cela pourrait influencer significativement les mesures des paramètres DTI. La quantification basée sur le ROI peut conduire à une identification biaisée des voies causées par l’expérience utilisateur et les connaissances anatomiques. Cette approche de délimitation manuelle peut être fastidieuse et chronophage, surtout s’il existe plusieurs tranches de moelle épinière, des tracts et des sujets. Les ROIs doivent être sélectionnés à la moelle épinière interne pour exclure les effets de volume partiel en raison du LCR. Des méthodes utiles pour segmenter les régions de matière grise et blanche et discerner les ROIs disponibles et efficaces sont nécessaires dans les études futures.
En résumé, ce cadre méthodologique démontre l’application de paramètres DTI dans la compression chronique de la moelle épinière. Le DTI fournit une mesure de la direction moléculaire de l’eau et de la magnitude de diffusion dans les tissus. Les chirurgiens peuvent utiliser cette technique sensible pour évaluer quantitativement les lésions neuronales dans diverses pathologies de la moelle épinière.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Cette étude a été soutenue par Guangzhou Science and Technology Project de la Chine (n ° 201607010021) et la nature Science Foundation de JiangXi (n ° 20142BAB205065)
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Tesla MRI scanner | Siemens | 40708 | Software: NUMARIS/4 |
| Syngo MR B17 | Siemens | 40708 | Software: NUMARIS/4 |
References
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