Summary
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。
Abstract
慢性脊髓压迫是非创伤性脊髓损伤患者脊髓损伤的最常见原因。传统磁共振成像 (MRI) 在确认诊断和评估压缩程度方面发挥着重要作用。然而, 传统 MRI 提供的解剖细节不足以准确估计神经元损伤和/或评估慢性脊髓压迫患者神经元恢复的可能性。相反, 扩散张量成像 (DTI) 可以根据水分子在组织中扩散的检测提供定量结果。在本研究中, 我们开发了一个方法框架, 以说明 DTI 在慢性脊髓压迫疾病中的应用。DTI 分数各向异性 (FA)、表观扩散系数 (Adc) 和特征向量值可用于可视化脊髓的微观结构病理变化。与健康对照组相比, 慢性脊髓压迫患者的 FA 降低, Adc 和特征向量值增加。DTI 可以帮助外科医生了解脊髓损伤的严重程度, 并提供有关预后和神经功能恢复的重要信息。总之, 该协议提供了一个敏感的, 详细的, 非侵入性的工具来评估脊髓压迫。
Introduction
慢性脊髓压迫是脊髓损伤最常见的原因1。这种情况可能是由于后纵向韧带骨化, 血肿, 颈椎间盘突出, 椎体变性, 或椎管内肿瘤 2,3。慢性脊髓压迫可导致不同程度的功能缺陷;然而, 有严重脊髓压迫的临床病例, 没有任何神经症状和体征, 以及轻度脊髓压迫但严重神经缺陷的患者 4。在这种情况下, 敏感成像对于评估压缩严重程度和确定损伤范围至关重要。
传统的 MRI 在阐明脊髓解剖学中起着重要作用。这种技术通常被用来评估压缩程度, 因为它对软组织的敏感性5。许多参数可以通过 MRI 测量, 如 MR 信号强度、脊髓形态和椎管区域。然而, MRI 有一些局限性, 只提供定性信息, 而不是定量结果6。慢性脊髓压迫患者的 MRI 强度通常有异常信号变化。然而, 临床症状和 MRI 强度变化之间的差异使得很难诊断一个功能状况完全基于 MRI 特征7。以往的研究强调了这一争议, 即脊髓8中 MRI T2 超强的预后值。两组报告 T2 脊髓超强是慢性脊髓压迫术后预后不良的参数 8, 9。相反, 一些作者发现 t2 信号变化与预后8,9之间没有明显的联系。Chen 等人和 Vedantam 等人将 MRI T2 超强分为两类, 与不同的预后 10、11 相对应。1型表现为模糊、模糊、模糊的边界, 这一类别表现为可逆组织学变化。2型图像呈现强烈的、明确定义的边框, 对应于不可逆的病理损害。传统的 ttent2 MRI 技术没有提供足够的信息来识别这两类患者和评估患者的预后。相比之下, DTI, 一种更复杂的成像技术, 可以通过通过水分子扩散定量检测组织中的微观结构变化, 帮助获得更具体的预后信息。
近年来, DTI 由于能够描述脊髓微结构而受到越来越多的关注。DTI 可以测量水分子在组织中扩散的方向和大小。DTI 参数可以定量评估慢性脊髓压迫患者的神经损伤。FA 和 ADC 是脊髓评估中最常用的参数。Fa 值揭示了周围轴突纤维定向的各向异性程度, 并描述了解剖边界12,13。Adc 值提供了关于三维空间中分子运动在许多方向上的特征的信息, 并揭示了沿三个主轴6、12 的扩散系数。这些参数的变化与影响水分子扩散的微观结构变化有关。因此, 外科医生可以利用 DTI 参数来识别脊髓病理。本研究提供了 DTI 方法和过程, 为治疗慢性脊髓压迫患者提供了更详细的预后信息。
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Protocol
这项研究得到了中国广州第一人民医院当地医学伦理委员会的批准。在参加之前, 收到了健康志愿者和参与者签署的知情同意书。所有这些研究都是根据《赫尔辛基世界医学协会宣言》进行的。
1. 科目准备
- 确保每个参与者符合以下慢性脊髓压迫标准: a) 重要神经功能丧失的病史, b) 脊髓病阳性体检, c) 颈椎脊髓压迫的 MRI 证据。
请注意:排除标准是: (a) 无法提供书面同意, (b) 无法获取工件的 DTI 参数。对于对照, 纳入标准是 a) 没有重大背部或颈部损伤, 神经紊乱, 或脊柱手术的历史;b) 没有 MRI 证据表明颈髓受压。 - 请每个参与者填写并签署一份同意书, 其中列出了 MRI 安全指南和成像协议。具体而言, 慢性脊髓压迫的患者在术前和术后1年接受 MRI 检查。
- 为每个参与者的耳塞。将它们放置在仰面位置, 头颈线圈包裹着颈椎区域, 并在甲状腺软骨水平上放置一个地标。确保每个参与者处于舒适的位置, 有效地减少运动。
2. 结构 MRI 参数
请注意:解剖 T1 加权 (T1 W) 图像、T2 加权 (T2w) 图像和 DTI 在具有16通道头线圈的3特斯拉 MRI 扫描仪上获得。
- 使用快速摄动梯度回波 (FPGR) 进行定位扫描, 以获得轴向、矢状和冠状位置图。
-
将矢状定位线与冠状位置图定位, 以确保定位基线与椎管 (脊髓) 平行;首先定位矢状平面 T2w, 然后将矢状 T1 W 定位线复制并粘贴到 T2w 定位线。
- 对于 T1 W 和 T2 W 矢状成像, 请使用以下成像参数: 视野 (FOV) = 240 毫米 x 240 毫米, 体素大小 = 1.0 毫米 x 0.8 毫米 x 3.0 毫米, 切片间隙 = 0.3 毫米, 切片厚度 = 3 毫米, 励磁次数 (NEX) = 2, 折叠方向 = feethead (FH)和重复的回波时间 (TR) = 10 700 毫秒 (T1 W) 和 10/700 ms (T2 W)。获取9个覆盖整个颈髓的矢状图像。
- 将轴向定位线放置在矢状 T2w 图像上, 并将椎间盘从 c2"覆盖到 c6 7, 以椎间空间的前后直径为中心。使用以下成像参数: FOV = 180 毫米 x 180 毫米, 体素大小 = 0.7 毫米 x 0.6 毫米 x 3.0 毫米, 切片厚度 = 3 毫米, 折叠方向 = 后路 (AP), NEX = 2, 和 TE/tr = 120/3000 毫秒。
-
将轴向定位线放置在矢状 T2w 图像上, 以椎间空间的前后直径为中心, 45 片覆盖于 Centering 至 Centering 的颈髓。
- 通过以下顺序获得 DTI: 具有20个正交方向的单次自旋回波回声回声平面成像 (SE-EPI)。B 值 = 800 s/mm 2 的非共面扩散方向。
- 使用以下成像参数: FOV = 230 毫米 x 230 毫米, 采集矩阵 = 98 x 98, 重建分辨率 = 1.17 x 1.17, 切片厚度 = 3 毫米, 折叠方向 = ap, NEX = 2, EPI 系数 = 98, TE/TR = 74/8300 ms。 在 MRI 协议中, 如图 1所示。
请注意:总结 MRI 和 DTI 协议的时间课程如图 1所示。
3. 图像后处理和数据测量指标
- 自动将所有扫描图像传送到 Syngo MR B17。在拍摄界面中加载椎间间隙的 T2w 矢状和轴向成像, 找到颈椎最压缩的部分。
- 在2:1 查看界面中, 加载 FA 图像并单击 "位置显示:系列" 选项卡. 计算并记录位置图顶部到底部的最高压缩级别。
- 单击 "文件" 选项卡选择张量图像, 然后使用屏幕左上角的应用程序工具栏选择 "神经 3D(MR) " 自动创建 adc 和 fa 颜色。
- 转到最高压缩站点的级别, 并使用 "开始评估模式" 选项卡创建相同卷 (大小为 6 mm 3) 的感兴趣的球形区域 (roi)。必须选择 Roi, 包括脊髓内, 以排除脑脊液 (CSF) 的部分体积效应。
- 自动计算并显示屏幕右下角的 FA 和 ADC 值。通过单击"扩散"工具栏并选择它们来显示 e1、e2 和 e3 值。
请注意:所有的测量都是由两名对患者临床细节视而不见的放射科医生进行的。最终结果被确定为两者的平均数。 - 按照图 2中的步骤, 使用 SYNGO Mr B17 优势工作站对 dti 数据集执行图像处理。
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Representative Results
这是一个总结的结果, 从健康的志愿者和患者的颈椎病。该协议使医生能够查看 DTI 地图。该技术可作为衡量骨髓病理学功能状况的客观指标。健康志愿者的 DTI 地图如图 3所示。健康志愿者的 DTI 参数如下: FA = 0.61;ADC = 1.006 x 10-3 mm 2/;E1 = 1.8 93 x 10-3毫米2/;E2 = 0.746 x 10-3 毫米2/;E3 = 0.377 x10-3 mm2/(图 3)。图 4显示了慢性脊髓压迫患者的 dti 图, 其参数如下: fa = 0.605;ADC = 1.52 x 10-3 mm 2/;E1 = 2.731 x 10-3毫米2/;E2 = 1.058 x 10-3毫米2/;E3 = 0.776 x 10-3 mm2/(图 4).术后也进行了成像。图 5显示了接受手术的慢性脊髓压迫患者的 dti 图。DTI 参数如下: FA = 0.616;ADC = 1.210 x10-3毫米2/;E1 = 2.190 x10-3毫米2/;E2 = 0.858 x 10-3 毫米 2/;E3 = 0.582 x 10-3 mm2/(图 5)。
图 1: 临床 MRI 协议的时间过程.首先选择 FSPGR 序列进行定位扫描, 然后对快速自旋回波进行快速恢复, 以获取矢状 T2w 和 T1w 图像以及轴向 T2w 图像。最后, 使用具有20个正交方向的单次 SE-EPI 进行了 DTI。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: Dti 处理所涉及的步骤流程图.显示四个 DTI 后处理步骤和工作站的流程图。首先, 在工作站上获取常规的 MRI 和 DTI。然后, 在传统 MRI 图像的基础上找到压缩最高的位置。最后, 执行张量计算。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 在一个健康的志愿者中, 他的和轴向 mri 和 DTI.(A) 矢状 Mri T1 w. (b) S发 Ittal mri t2 w. (c) 轴向 Mri t2 w. (d) fa。(E) ADC。(F) e1。(G) e2。(H) e3。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 慢性脊髓压迫患者的矢状和轴向 mri 和 DTI.(A) 矢状 Mri T1 w. (b) S发 Ittal mri t2 w. (c) 轴向 Mri t2 w. (d) fa。(E) ADC。(F) e1。(G) e2。(H) e3。请点击这里查看此图的较大版本.
图 5: 术后慢性脊髓受压患者的矢状、轴向 mri 和 DTI.(A) 矢状 Mri T1 w. (b) S发 Ittal mri t2 w. (c) 轴向 Mri t2 w. (d) fa。(E) ADC。(F) e1。(G) e2。(H) e3。请点击这里查看此图的较大版本.
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Discussion
常规 MRI 通常用于评估各种脊柱疾病患者的预后。然而, 这种成像方式提供宏观解剖细节, 而不是微观结构评估14, 这限制了神经功能的预测。此外, 传统的 MRI 可能低估了脊髓损伤的严重程度和程度。DTI 的出现可以通过提供有关水分子扩散的定量信息, 帮助外科医生更准确地评估脊髓功能。
在本研究中, 描述了一个方法框架, 以证明 DTI 参数在慢性脊髓压迫患者中的应用。DTI 是一种测量组织15中水分子的方向和扩散幅度的敏感技术。外科医生可以通过评估 DTI 参数定量评估脊髓各种疾病中的神经损伤。在这个协议中, 我们手动绘制了轴向切片的 Roi, 因为现有的用于脑脊液和髓鞘自动分割的专用软件对脊髓来说是不够的。脊髓横截面面积小是有效应用自动分割的主要限制因素。我们选择了 Roi 在最严重的压缩站点。Roi 必须包括脊髓内, 以消除脑脊液的部分体积效应。此外, DTI 处理应减少与 epi 相关的几何畸变伪影和涡流伪影等人工因素的影响。软件包的可用选项可以帮助操作员获得有用的信息, 这取决于扩散加权梯度和单独涡流校正的方向。本研究中的传统 MRI 扫描应用了快速自旋回波序列, 以提供更多的图像信息。较长的回波链和较小的回波间隔是专门设计的, 以最大限度地减少脊柱仪器产生的伪影。我们选择了一个短的回波时间, 宽读出频带, 和小的体素, 以减少伪影。FA 和 ADC 是脊髓测量中常用的 DTI 参数。FA 表示0到1范围内各向异性的程度。Fa 值接近1表示高组织各向异性 13。ADC 与三个主轴上扩散腔的平均值有关, 其变化与组织病理组织损伤6的过程一致.本研究证实, 正如先前报告的 12项所报告的那样, 慢性脊髓受压可能导致 fa 下降和 adc 值增加。慢性脊髓压迫可导致脊髓反复发生缺血性损伤, 并导致下游神经纤维的组织病理学改变, 如血管水肿、胶质瘤、神经元功能丧失, 并最终坏死 16.在目前的工作中, 上述变化在 DTI 上得到了明确的可视化。
DTI 可以作为评估功能改善和提供有价值的预后信息的工具。先前的研究表明, 高术前 FA 可能与手术后更好的神经功能恢复有关。Kerkovsky 等人报告说, 有症状的颈椎病患者与没有相关症状但有脐带压迫影像学证据的患者相比, ADC 值较高, FA 值较低.在先前对慢性脊髓压迫大鼠模型的研究中, DTI 参数与病理脊髓疾病有关。重要的是, DTI 可以定量评估脊髓16的功能状态.对66例慢性脊髓受压患者的分析还显示, DTI 参数与日本骨科协会慢性脊髓受压患者的恢复率有关, ADC 平均扩散率、径向扩散率和轴向扩散系数值可能反映神经功能损害, 有助于评估术后预后19。与传统的 MRI 相比, DTI 是测量脊髓恢复电位的有用定量工具。
这项研究存在一定的局限性。首先, 仍然很难实现适当的空间分辨率。呼吸和心脏运动以及脑脊液脉动引起的运动伪影会对 DTI 产生不良影响, 尤其是在下颈髓和胸索 20.较长的回波链和较小的回波间隔是专门设计的, 以最大限度地减少脊柱仪器产生的伪影。在这个协议中, 我们选择了一个短的回波时间、宽读出频带和小的体素来减少伪影。此外, 很难区分 DTI 上的白色和灰质与 3 tesla MR 系统 21, 这意味着灰色和白色物质可能包括在 roi 中。这可能会显著影响 DTI 参数测量。基于 roi 的量化可能会导致由用户体验和解剖知识引起的对道的有偏差的识别。这种手动划分方法可能是繁琐和耗时的, 特别是如果有几个脊髓切片, 小册子, 和主题。应在脊髓内侧选择 Roi, 以排除因脑脊液而产生的部分体积效应。在今后的研究中, 需要有有效的方法来分割灰色和白色物质区域, 并识别可用和有效的 Roi。
总之, 该方法框架演示了 DTI 参数在慢性脊髓压迫中的应用。DTI 提供了水分子方向和组织扩散幅度的测量。外科医生可以使用这种敏感的技术来定量评估各种脊髓疾病中的神经损伤。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
本研究得到了中国广州科技项目 (201607010021 号) 和江西自然科学基金 (20142BAB205065 号) 的支持。
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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