Summary
Hier stellen wir ein Protokoll für die Anwendung von Diffusion-Tenor-Bildungsparametern zur Bewertung der Rückenmarkskompression vor.
Abstract
Die chronische Rückenmarkskompression ist die häufigste Ursache für die Beeinträchtigung des Rückenmarks bei Patienten mit nicht-traumatischen Rückenmarksschäden. Die konventionelle Magnetresonanztomographie (MRT) spielt eine wichtige Rolle bei der Bestätigung der Diagnose und der Bewertung des Kompressionsgrades. Das anatomische Detail, das herkömmliche MRT liefert, reicht jedoch nicht aus, um neuronale Schäden genau zu schätzen und die Möglichkeit der neuronalen Genesung bei chronischen Kompressionspatienten des Rückenmarks zu beurteilen. Im Gegensatz dazu kann die Diffusionsten-Sor-Bildgebung (DTI) quantitative Ergebnisse liefern, die dem Nachweis der Diffusion von Wassermolekülen im Gewebe entsprechen. In der vorliegenden Studie entwickeln wir einen methodischen Rahmen, um die Anwendung von DTI bei chronischen Rückenmarkskompressionserkrankungen zu veranschaulichen. Die DTI Fraktionale Anisotropie (FA), scheinbare Diffusionskoeffizienten (ADCs) und Eigenvektorwerte sind nützlich, um mikrostrukturelle pathologische Veränderungen im Rückenmark zu visualisieren. Bei chronischen Rückenmarkskompressionspatienten wurden im Vergleich zu gesunden Kontrollen verminderte FA und Steigerungen der ADCs und Eigenvektorwerte beobachtet. DTI könnte Chirurgen helfen, die Schwere der Rückenmarksverletzung zu verstehen und wichtige Informationen über Prognose und neuronale funktionelle Genesung zu liefern. Abschließend möchte ich sagen, dass dieses Protokoll ein sensibles, detailliertes und nicht-invasives Werkzeug zur Bewertung der Bandbankkompression bietet.
Introduction
Die chronische Rückenmarkskompression ist die häufigste Ursache für Rückenmarksbeeinträchtigungen. Dieser Zustand kann durch die nachträgliche Längsbandverknöcherung,Hämatom, Zervikalscheibenentnahme, Wirbeldegeneration oder intraspinale Tumoren 2,3 bedingt sein. Die chronische Kompression des Rückenmarks kann zu verschiedenen Grad an funktionellen Defiziten führen; Es gibt jedoch klinische Fälle mit schwerer Rückenmarkskompression ohne neurologische Symptome und Symptome, sowie Patienten mit leichter Rückenmarkskompression, aber schweren neurologischen Defiziten 4. Unter diesen Umständen ist eine sensible Bildgebung unerlässlich, um die Schwere der Kompression zu bewerten und den Schadensbereich zu ermitteln.
Konventionelle MRT spielt eine wichtige Rolle bei der Aufklärung der Querschnittsanatomie. Diese Technik wird in der Regel verwendet, um den Kompressionsgrad wegen seiner Empfindlichkeit gegenüber Weichteilenzubewerten 5. Viele Parameter lassen sich aus MRT messen, wie die MR-Signalintensität, die Kabelmorphologie und der Wirbelkanalbereich. Allerdings hat MRI einige Einschränkungen und liefert nur qualitative Informationen statt quantitativer Ergebnisse6. Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression haben oft abnorme Signalveränderungen der MRT-Intensität. Die Diskrepanzen zwischen klinischen Symptomen und MRT-Intensitätsänderungen machen es jedoch schwierig, einen funktionellen Zustand zu diagnostizieren, der ausschließlich auf MRT-Eigenschaften 7 basiert. Frühere Studien zeigen diese Kontroverse hinsichtlich des prognostischen Wertes von MRT T2 Hyperintensität im Wirbelsäulenkord8 auf. Zwei Gruppen berichteten, dass T2-Hyperintensität des Rückenmarks ein schlechter prognostischer Parameter nach der Operation für chronische Rückenmarkkompression8,9 ist. Einige Autoren fanden dagegen keinen signifikanten Zusammenhang zwischen T2-Signalveränderungen und Prognose8,9. Chen et al. und Vedantam et al. teilten MRI T2 Hyperintensitäten in zweiKategorien, die den unterschiedlichen prognostischen Ergebnissen 10,11entsprechen. Typ 1 zeigte schwache, unscharfe, unscharfe Grenzen, und diese Kategorie zeigte umkehrbare histologische Veränderungen. Typ-2-Bilder zeigten intensive, klar definierte Ränder, die irreversiblen pathologischen Schäden entsprachen. Herkömmliche Thal-T2-MRI-Techniken liefern keine ausreichenden Informationen, um diese beiden Kategorien zu identifizieren und die Patientenprognose zu bewerten. Im Gegensatz dazu kann DTI, eine ausgeklügeltere bildgebende Bildgebung, dazu beitragen, spezifischere prognostische Informationen zu erhalten, indem mikrostrukturelle Veränderungen im Gewebe quantitativ über die Diffusion von Wassermolekül quantitativ erkannt werden.
In den letzten Jahren hat DTI durch seine Fähigkeit, die Mikroarchitektur des Rückenmarks zu beschreiben, immer mehr Aufmerksamkeit erregt. DTI kann die Richtung und Größe der Wassermolekül-Diffusion im Gewebe messen. DTI-Parameter können neuronale Schäden bei Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression quantitativ bewerten. FA und ADC sind die am häufigsten angewandten Parameter bei der Rückenmarksbewertung. Der FA-Wert zeigt den Grad der Anisotropie, um umgebende Axonfasern zu orientieren und anatomische Grenzen12,13zu beschreiben. Der ADC-Wert gibt Aufschluss über die Eigenschaften der molekularen Bewegung in viele Richtungen in einem dreidimensionalen Raumundzeigt den Mittelwert der Beugung entlang der drei Hauptachsen 6,12. Veränderungen in diesen Parametern sind mit mikrostrukturellen Veränderungen verbunden, die die Verbreitung von Wassermolekülen beeinflussen. Daher können Chirurgen die DTI-Parameter nutzen, um die Pathologie des Rückenmarks zu identifizieren. Die vorliegende Studie liefert DTI-Methoden und-Verfahren, die detailliertere prognostische Informationen zur Behandlung von Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression liefern.
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Protocol
Die Studie wurde von der lokalen Ärzteethikkommission in Guangzhou First People es Hospital in China genehmigt. Unterschriebene Einverständnisformulare wurden vor der Teilnahme von gesunden Freiwilligen und Teilnehmern eingeholt. Alle Studien wurden in Übereinstimmung mit der Weltärztebund Erklärung von Helsinki durchgeführt.
1. Themenvorbereitung
- Stellen Sie sicher, dass jeder Teilnehmer die folgenden Kriterien für die chronische Rückenmarkskompression erfüllt: A) eine Geschichte des Verlustes von signifikanter neurologischer Funktion, b) eine positive myelopathietische körperliche Untersuchung, und c) MRT-Nachweis der Zervikalkabelkompression.
NOTE: Die Ausschlusskriterien sind a) Unfähigkeit, schriftliche Zustimmung zu erteilen, und b) Unfähigkeit, DTI-Parameter von Artefakten zu erhalten. Bei Kontrollen sind die Einschlusskriterien a) keine Geschichte signifikanter Rücken-oder Nackenverletzungen, neurologischer Störungen oder Wirbelsäulenoperationen; b) keine MRT-Beweise für die Zervikalkordkompression. - Fsk jeden Teilnehmer, um ein Einwilligungsformular auszufüllen und zu unterschreiben, das die MRI-Sicherheitsrichtlinien und das Bildungsprotokoll enthält. Konkret werden Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression mit MRT präoperativ und 1 Jahr postoperativ untersucht.
- Rovide Ohrstöpsel für jeden Teilnehmer. Legen Sie sie in eine unterschallende Position mit einer kopfhaltigen Halspule, die den Halsbereich umschließt, und einem Wahrzeichen auf der Schilddrüsenknorpelebene. Sorgen Sie dafür, dass sich jeder Teilnehmer in einer komfortablen Position befindet, die die Bewegung effektiv reduziert.
2. Struktur-MRI-Parameter
NOTE: Anatomische T1-gewichtete (T1 W) Bilder, T2-gewichtete (T2 W)-Bilder und DTI, die auf einem 3 Tesla MRT-Scanner mit einer 16-Kanal-Kopfspule aufgenommen wurden.
- Verwenden Sie ein schnelles Störstuume-Echo (FPGR) für die Lokalisierung des Scannens, um axiale, sagittaler und koronale Positionskarten zu erhalten.
-
Positionieren Sie die Sagittal-Positionierungslinie mit den koronalen Positionskarten, um sicherzustellen, dass die Positionierungsbasis parallel zum Wirbelkanal (Rückenmark) verläuft; Zuerst die Sagittalebene T2 W lokalisieren, dann die Sagittal-T1 W Positionierungslinie in die T2 W-Positionierungslinie kopieren und einfügen.
- Verwenden Sie folgende Bildparameter für die Abbildung T1 W und T2 W Sagittal: Sichtfeld (FOV) = 240 mm x 240 mm, Voxelgröße = 1,0 mm x 0,8 mm x 3,0 mm, Scheibenspalt = 0,3 mm, Scheibendicke = 3 mm, Anzahl der Erregung (NEX) = 2, Klapprichtung = FH (FH) , und die Zeit des Echos (TE)/. Erhalten Sie neun Sagittalbilder, die das gesamte Halswirbelsäule abdecken.
- Positionieren Sie die axiale Positionierungslinie auf dem Sagittal T2 W Bild und bedecken Sie die Bandscheibe von C2/3 bis C6/7, wobei der Anteroposteriendurchmesser des Bandraumes zentriert wird. Verwenden Sie die folgenden Bildparameter: FOV = 180 mm x 180 mm, Voxelgröße = 0,7 mm x 0,6 mm x 3,0 mm, Scheibendicke = 3 mm, Ausklapprichtung = anterior/posterior (AP), NEX = 2, und TE/TR = 120/3000 ms.
-
Positionieren Sie die axiale Positionierungslinie auf dem Sagittal T2 W Bild, die sich auf den Anteroposteror-Durchmesser des Bandraumes konzentriert, mit 45 Scheiben, die das Halswirbelsäule von C1 bis C7 bedecken.
- Holen Sie sich DTI über die folgende Sequenz: Einschuss-Spin-Echo-Echo-Planar-Bildgebung (SE-EPI) mit 20 orthogonalen Richtungen. Nicht-coplanare Diffusionsrichtungen mit b-Wert = 800 s/mm 2.
- Verwenden Sie folgende Bildparameter: FOV = 230 mm x 230 mm, Akquisitionsmatrix = 98 x 98, rekonstruierte Auflösung = 1,17 x 1,17, Scheibendicke = 3 mm, Ausklapprichtung = AP, NEX = 2, EPI-Faktor = 98, und TE/TR = 74/8300 ms. Im MRI-Protokoll, wie in Abbildung1 gezeigt.
NOTE: Der Zeitverlauf, in dem das MRT und das DTI-Protokoll zusammengefasst werden, ist in Abbildung1 dargestellt.
3. Bildaufbereitung und Datenmessindizes
- Übertragen Sie automatisch alle Scanbilder auf den Syngo MR B17. Laden Sie die T2 W Sagittal-und Axialabbildung des Zwischenraumes in die Filmschnittstelle und finden Sie den komprimiertesten Teil des Halswirbels.
- In der 2:1-Betrachtungsschnittstelle laden Sie das FA-Bild und klicken auf die Registerkarte Positionsanzeige: Serie. Zählen Sie und zeichnen Sie das Niveau der höchsten Kompression von oben nach unten auf der Standortkarte auf.
- Klicken Sie auf die Registerkarte Datei, um das Tensor-Bild auszuwählen, und verwenden Sie dann die Werkzeugleiste für Anwendungen oben links auf dem Bildschirm, um Neuro 3D-MR) auszuwählen , um automatisch ADC und FA Colormaps zu erstellen.
- Schalten Sie sich auf das Niveau der höchsten Kompressionsstelle und erstellen Sie kugelförmige Regionen von Interesse (ROIs) mit identischen Volumina (mit einer Größe von 6 mm 3), indem Sie den Startbewertungsmodus verwenden. Die ROIs müssen ausgewählt werden, einschließlich des inneren Rückenmarks, um die partiellen Volumenwirkungen der Hirnspinalflüssigkeit (CSF) auszuschließen.
- Berechnen und zeigen Sie die FA und ADC-Werte unten rechts auf dem Bildschirm automatisch. Zeigen Sie die Werte E1, E2 und E3 an, indem Sie auf die Diffusionswerkzeugleiste klicken und diese auswählen.
NOTE: Alle Messungen wurden von zwei Radiologen durchgeführt, die blind zu den klinischen Details der Patienten wurden. Die Endergebnisse wurden als Durchschnitt der beiden ermittelt. - Führen Sie die Bildverarbeitung der DTI-Datensätze mit einer Syngo-MR-B17-Advantage-Workstation durch, die den Schritten in Abbildung 2 folgt.
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Representative Results
Dies ist eine Zusammenfassung der Ergebnisse von gesunden Freiwilligen und Patienten mit zervikalen spondylotischen Myelopathie. Das Protokoll ermöglichte es dem Arzt, DTI-Karten anzusehen. Diese Technologie könnte als objektive Maßnahme zur Messung des Funktionszustands unter myelopathischen Bedingungen dienen. DTI-Karten von gesunden Freiwilligen sind in Abbildung3 dargestellt. Die DTI-Parameter gesunder Freiwilliger waren: FA = 0,661; ADC = 1.006 x 10-3 mm2/. E1 = 1.893 x 10-3 mm2/; E2 = 0,746 x 10-3 mm2/. E3 = 0,377 x 10-3 mm2/s (Abbildung 3). DTI-Karten von chronischen Rückenmarkskompressionspatienten werden in Abbildung 4 angezeigt und haben folgende Parameter: FA = 0,605; ADC = 1.522 x 10-3 mm2/. E1 = 2,731 x 10-3 mm2/. E2 = 1.058 x 10-3 mm2/. E3 = 0,776 x 10-3 mm2/s (Abbildung 4). Auch die postoperative Bildgebung wurde durchgeführt. Abbildung 5 zeigt DTI-Karten von Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression, die sich einer Operation unterzogen haben. Die DTI-Parameter sind wie folgt: FA = 0.616; ADC = 1.210 x 10-3 mm2/. E1 = 2,190 x 10-3 mm2/. E2 = 0,858 x 10-3 mm2/. E3 = 0,582 x 10-3 mm2/s (Abbildung 5).
Bild 1 : Zeitverlauf des klinischen MRT-Protokolls. Zuerst wurde die FSPGR-Sequenz für die Lokalisierung ausgewählt, und dann wurde die schnelle Wiederherstellung des schnellen Dreh-Echo durchgeführt, um die sagittal T2 W und T1 W Bilder und axiale T2 W Bilder zu erhalten. Schließlich wurde DTI mit einem Einschuss-SEE-EPI mit 20 orthogonalen Richtungen durchgeführt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Bild 2 : Flowchart der Schritte, die an der DTI-Verarbeitung beteiligt sind. Flowchart mit vier DTTI-Nachbearbeitungsschritten mit einer Workstation. Erhalten Sie zunächst herkömmliche MRT und DTI in der Workstation. Dann finden Sie den Standort der höchsten Kompression auf der Grundlage von herkömmlichen MRT-Bildern. Schließlich führen Sie die Tensorberechnung durch. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Bild 3 : Sagittal und axiale MRT und DTI in einem gesunden Freiwilligen. (A) Sagittal MRT T1 W. (B) Sagittal MRI T2 W. (C) Axial MRI T2 W. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Bild 4 : Sagittal-und Axial-MRI und DTI bei einem Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression. (A) Sagittal MRT T1 W. (B) Sagittal MRI T2 W. (C) Axial MRI T2 W. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Bild 5 : Sagittal-und Axial-MRI und DTI bei einem Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression nach der Operation. (A) Sagittal MRT T1 W. (B) Sagittal MRI T2 W. (C) Axial MRI T2 W. (D) FA. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Herkömmliches MRT wird in der Regel verwendet, um die Prognose von Patienten mit verschiedenen Wirbelsäulenbeschwerden zu beurteilen. Diese bildgebende Modalität liefert jedoch eher makroskopische anatomische Details als eine Mikrostrukturbewertung14, was die Vorhersage neurologischer Funktion einschränkt. Darüber hinaus kann herkömmliches MRT die Schwere und das Ausmaß der Rückenmarksschäden unterschätzen. Die Entstehung von DTI kann Chirurgen helfen, die Funktion des Rückenmarks genauer zu bewerten, indem sie quantitative Informationen über die Verbreitung von Wassermolekülen liefern.
In der vorliegenden Studie wurde ein methodischer Rahmen beschrieben, der die Anwendung von DTI-Parametern bei Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression belegen soll. DTI ist eine empfindliche Technik, um die Richtungs-und Diffusionsstärke von Wassermolekülenim Gewebe 15 zu messen. Chirurgen können neuronale Schäden in verschiedenen Erkrankungen des Rückenmarks quantitativ einschätzen, indem sie DTI-Parameter bewerten. In diesem Protokoll haben wir ROIs manuell auf Axialscheiben gezeichnet, da die vorhandene spezielle Software für die automatische Segmentierung von CSF und Myelin für das Rückenmark nicht ausreichend ist. Der kleine Querschnittsbereich des Rückenmarks ist eine große Einschränkung, um die automatische Segmentierung effektiv anzuwenden. Wir haben ROIs an der seriösesten Kompressionsstelle ausgewählt. Die ROIs müssen das innere Rückenmark enthalten, um die partiellen Volumeneffekte von CSF zu eliminieren. Darüber hinaus sollte die DTI-Verarbeitung die Auswirkungen von Artefakten wie EPI-bezogenen geometrischen Verzerrungsartefakten und Wirbelstromartefakten reduzieren. Die verfügbaren Optionen des Softwarepakets könnten den Betreibern helfen, je nach Ausrichtung des Diffusionsgewicht-Gradienten und separater Wirbelstromkorrektur nützliche Informationen zu erhalten. Das herkömmliche MRT-Scannen in der vorliegenden Studie hat eine schnelle Spin-Echo-Sequenz angewendet, um mehr Bildinformationen zu liefern. Die längere Echokette und das kleinere Echo-Intervall wurden speziell entwickelt, um Artefakte zu minimieren, die durch die Wirbelsäulenmessung entstehen. Wir wählten eine kurze Echo-Zeit, ein breites Auslesegeschuffungsband und kleine Voxeln, um Artefakte zu reduzieren. FA und ADC werden bei Messungen des Rückenmarks häufig verwendet. FA stellt den Grad der Anisotropie in einem Bereich von 0 bis 1 dar. FA-Werte näher an 1 deuten auf hohes Gewebe Anisotropie13 hin. Die ADC ist mit dem Durchschnittswert der Beugung in den drei Hauptachsen verbunden, und ihre Veränderung steht im Einklang mit dem Prozess der histopathologischen Gewebesädigung 6. Die vorliegende Arbeit bestätigte, dass eine chronische Kompression des Rückenmarks zu einer verminderten FA und zu höheren ADC-Werten führen könnte, wie bereits berichtet 12. Eine chronische Rückenmarkskompression kann wiederkehrende ischämische Schäden am Rückenmark verursachen und histopathologische Veränderungen bei nachgelagerten Nervenfasern wie Angioödem, Gliose, Neuronenfunktionsverlust und schließlich Nekrosen 16hervorrufen. In der vorliegenden Arbeit wurden diese oben genannten Änderungen auf DTI übersichtlich dargestellt.
DTI kann als Instrument dienen, um die Funktionsverbesserung zu bewerten und wertvolle prognostische Informationen bereitzustellen. Frühere Studien zeigten, dass eine hohe präoperative FA mit einer besseren neuronalen funktionellen Genesung nach der Operation17zusammenhängen könnte. Kerkovsky et al. berichtete, dass Patienten mit symptomatischer zerviblicher spondylotischer Myelopathie höhere ADC-Werte und niedrigere FA-Werte hatten als Patienten, die keine relevanten Symptome hatten, sondern radiologische Beweise fürdie Kabelkompression 18 hatten. In einer früheren Studie über ein chronisches Rückenmarkkompressionsrat-Modell wurden die DTI-Parameter mit pathologischen Rückenmarkszuständen in Verbindung gebracht. Wichtig ist, dass DTI den Funktionszustand des Rückenmarks 16 quantitativbeurteilenkann. Eine Analyse von 66 Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression ergab auch, dass DTI-Parameter mit der japanischen Orthopädischen Assoziationsrückgewinnungsrate von Patienten mit chronischer Rückenmarkskompression und ADC, mittlere Diffusivität, Radialdiffusivität und Axiale Diffusitätswerte könnten neurologische Beeinträchtigungen widerspiegeln und für die Bewertung der postoperativen Prognose19nützlich sein. Im Vergleich zu herkömmlichen MRT ist DTI ein nützliches quantitatives Werkzeug, um das Rekuperationspotenzial des Rückenmarks zu messen.
Es gab einige Einschränkungen dieser Studie. Erstens ist eine angemessene räumliche Lösung noch immer schwierig zu erreichen. Bewegungs-Artefakte, die aus Atemwegs-und Herzinfonie-und CSF-Pulsierung entstehen, können schlechte Auswirkungen auf DTI haben, insbesondere im unteren Halsbandund Thoraxkabel 20. Die längere Echokette und das kleinere Echo-Intervall wurden speziell entwickelt, um Artefakte zu minimieren, die durch die Wirbelsäulenmessung entstehen. In diesem Protokoll haben wir eine kurze Echo-Zeit, ein breites Auslese-und Frequenzband und kleine Voxel ausgewählt, um Artefakte zu reduzieren. Darüber hinaus war es schwierig, zwischen weißer und grauer Materie auf DTI mit einem 3 Tesla MR-System 21 zu unterscheiden, was bedeutete, dass sowohl graue als auch weiße Materieindie ROIs aufgenommen werden konnten. Das könnte die DTI-Parametermessungen erheblich beeinflussen. Eine ROI-basierte Quantifizierung kann zu einer einseitigen Identifizierung des Traktes führen, die durch Anwendererfahrung und anatomisches Wissen verursacht wird. Dieser manuelle Abgrenzungsansatz kann mühsam und zeitaufwendig sein, vor allem, wenn es mehrere Rückenmarksscheiben, Traktate und Gegenstände gibt. ROIs sollten am inneren Rückenmark ausgewählt werden, um Teilvolumeneffekte aufgrund von CSF auszuschließen. Nützliche Methoden, um Grau-und Weißstoffregionen zu segmentieren und verfügbare und effektive ROIs zu erkennen, sind in zukünftigen Studien erforderlich.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieser methodische Rahmen die Anwendung von DTI-Parametern in chronischer Rückenmarkskompression zeigt. DTI bietet ein Maß für die molekulare Richtung des Wassers und die Diffusionsstärke im Gewebe. Chirurgen können mit dieser empfindlichen Technik neuronale Schäden in verschiedenen Rückenmarkspathologien quantitativ beurteilen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Studie wurde unterstützt durch das Guangzhou Science and Technology Project of China (Nr. 201607010021) und die Nature Science Foundation von JiangXi (Nr. 20142BAB205065).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-Tesla MRI scanner | Siemens | 40708 | Software: NUMARIS/4 |
| Syngo MR B17 | Siemens | 40708 | Software: NUMARIS/4 |
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