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Neuroscience

Imaging a risonanza magnetica con Tensor di diffusione nella compressione del midollo spinale cronico

Published: May 7, 2019 doi: 10.3791/59069
Automatic Translation
*1, *2, 3, 4, 1, 1, 5, 6, 6, 1, 6
1Department of Orthopedics, Guangzhou First People's Hospital, Guangzhou Medical University, 2Department of Radiology, Guangzhou First People's Hospital, Guangzhou Medical University, 3Department of Radiology, Guangzhou First People's Hospital, School of Medicine, South China University of Technology, 4Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital of Gannan Medical University, 5Department of Orthopedics, Guangzhou Chest Hospital, 6Department of Orthopedics, Guangzhou First People's Hospital, School of Medicine, South China University of Technology, Guangzhou Medical University
* These authors contributed equally

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per l'applicazione dei parametri di imaging tensore di diffusione per valutare la compressione del midollo spinale.

Abstract

La compressione cronica del midollo spinale è la causa più comune di compromissione del midollo spinale in pazienti con danni al midollo spinale non traumatici. L'imaging a risonanza magnetica convenzionale (MRI) svolge un ruolo importante sia confermando la diagnosi che valutando il grado di compressione. Tuttavia, il dettaglio anatomico fornito dalla risonanza magnetica convenzionale non è sufficiente per stimare accuratamente i danni neuronali e/o valutare la possibilità di recupero neuronale nei pazienti con compressione cronica del midollo spinale. Al contrario, l'imaging del tensore di diffusione (DTI) può fornire risultati quantitativi in base alla rilevazione della diffusione della molecola d'acqua nei tessuti. Nel presente studio, sviluppiamo un quadro metodologico per illustrare l'applicazione del DTI nella malattia cronica di compressione del midollo spinale. L'anisotropia frazionata DTI (fa), i coefficienti di diffusione apparente (ADC) e i valori di autovettore sono utili per visualizzare i cambiamenti patologici microstrutturali nel midollo spinale. In pazienti con compressione cronica del midollo spinale, rispetto ai controlli sani, sono state osservate diminazioni di FA e aumenti degli ADC e dei valori di autorivettore. DTI potrebbe aiutare i chirurghi a comprendere la gravità della lesione del midollo spinale e fornire informazioni importanti sulla prognosi e il recupero funzionale neurale. In conclusione, questo protocollo fornisce uno strumento delicato, dettagliato e non invasivo per valutare la compressione del midollo spinale.

Introduction

La compressione cronica del midollo spinale è la causa più comune del midollo spinale impairment1. Questa condizione può essere dovuta all'ossificazione del legamento longitudinale posteriore, all'ematoma, all'ernia del disco cervicale, alla degenerazione vertebrale o ai tumori intraspinali2,3. La compressione cronica del midollo spinale può portare a vari gradi di deficit funzionali; Tuttavia, ci sono casi clinici con grave compressione del midollo spinale senza sintomi neurologici e segni, così come i pazienti con compressione del midollo spinale lieve ma gravi deficit neurologici4. In queste circostanze, l'imaging sensibile è essenziale per valutare la gravità della compressione e identificare la gamma di danni.

La risonanza magnetica convenzionale svolge un ruolo significativo nel chiarire l'anatomia del midollo spinale. Questa tecnica è di solito utilizzata per valutare il grado di compressione a causa della sua sensibilità ai tessuti molli5. Molti parametri possono essere misurati dalla risonanza magnetica, come l'intensità del segnale MR, la morfologia dei cavi e la zona del canale spinale. Tuttavia, la risonanza magnetica ha alcune limitazioni e fornisce solo informazioni qualitative piuttosto che risultati quantitativi6. I pazienti con compressione cronica del midollo spinale hanno spesso alterazioni anomale del segnale dell'intensità della risonanza magnetica. Tuttavia, le discrepanze tra i sintomi clinici e i cambiamenti di intensità della risonanza magnetica rendono difficile diagnosticare una condizione funzionale basata esclusivamente sulle caratteristiche della risonanza magnetica7. Studi precedenti evidenziano questa controversia in termini di valore prognostico dell'iperintensità RM T2 nella cord8 spinale. Due gruppi hanno riferito che l'iperintensità T2 del midollo spinale è un parametro prognostico scarso dopo l'intervento chirurgico per il midollo spinale cronico compression8. Al contrario, alcuni autori non hanno trovato alcuna associazione significativa tra le variazioni del segnale T2 e la prognosi8,9. Chen et al. e Vedantam et al. hanno diviso le iperintensità della risonanza magnetica T2 in due categorie corrispondenti a diversi esiti prognostici10,11. Il tipo 1 ha mostrato bordi deboli, sfocato, indistinto, e questa categoria ha dimostrato cambiamenti istologici reversibili. Le immagini di tipo 2 presentavano bordi intensi e ben definiti, che corrispondevano a danni patologici irreversibili. Le tecniche convenzionali di RM T1/T2 non forniscono informazioni adeguate per identificare queste due categorie e valutare la prognosi del paziente. Per contro, la DTI, una tecnica di imaging più sofisticata, può aiutare a ottenere informazioni prognostiche più specifiche, rilevando quantitativamente i cambiamenti microstrutturali nei tessuti attraverso la diffusione della molecola d'acqua.

Negli ultimi anni, DTI ha raccolto una crescente attenzione grazie alla sua capacità di descrivere la microarchitettura del midollo spinale. DTI può misurare la direzione e l'entità della diffusione della molecola d'acqua nei tessuti. I parametri DTI possono valutare quantitativamente i danni neurali nei pazienti con compressione cronica del midollo spinale. FA e l'ADC sono i parametri più comunemente applicati durante la valutazione del midollo spinale. Il valore di fa rivela il grado di anisotropia per orientare le fibre assonali circostanti e descrivere i confini anatomici12,13. Il valore dell'ADC fornisce informazioni sulle caratteristiche del movimento molecolare in molte direzioni in uno spazio tridimensionale e rivela la media delle diffusività lungo i tre assi principali6,12. Le variazioni di questi parametri sono associate a alterazioni microstrutturali che influenzano la diffusione delle molecole d'acqua. Pertanto, i chirurghi possono utilizzare/misurare i parametri DTI per identificare la patologia del midollo spinale. Il presente studio fornisce metodi e processi DTI che forniscono informazioni prognostiche più dettagliate per il trattamento di pazienti con compressione cronica del midollo spinale.

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Protocol

Lo studio è stato approvato dal comitato di etica medica locale nel primo ospedale del popolo di Guangzhou in Cina. I moduli di consenso informato firmati sono stati ricevuti da volontari sani e partecipanti prima della partecipazione. Tutti gli studi sono stati condotti in conformità con la dichiarazione dell'associazione medica mondiale di Helsinki.

1. preparazione del soggetto

  1. Assicurarsi che ogni partecipante soddisfi i seguenti criteri per la compressione cronica del midollo spinale: a) una storia di perdita di funzione neurologica significativa, b) un esame fisico di mielopatia positiva, e c) prova MRI della compressione del cordone cervicale.
    Nota: I criteri di esclusione sono a) incapacità di fornire il consenso scritto e b) incapacità di ottenere i parametri DTI degli artefatti. Per i controlli, i criteri di inclusione sono a) nessuna storia di gravi lesioni alla schiena o al collo, disturbi neurologici o interventi chirurgici alla colonna vertebrale; b) nessuna prova MRI della compressione del cordone cervicale.
  2. SK ogni partecipante di compilare e firmare un modulo di consenso che elenca le linee guida di sicurezza MRI e il protocollo di imaging. In particolare, i pazienti con compressione cronica del midollo spinale sono esaminati da MRI in modo preoperatorio e 1 anno dopo l'intervento.
  3. tappi per ogni partecipante. Posizionarli in posizione supina con una bobina testa/collo che racchiude la regione cervicale e un punto di riferimento a livello della cartilagine tiroidea. Assicuratevi che ogni partecipante sia in una posizione comoda che riduca efficacemente il movimento.

2. parametri RM strutturali

Nota: Immagini anatomiche T1-ponderate (T1 W), immagini T2-ponderata (T2 W) e DTI acquisite su uno scanner MRI a 3 Tesla con una bobina di testa a 16 canali.

  1. Utilizzare l'eco a gradiente di perturbazione veloce (FPGR) per la scansione della localizzazione per ottenere mappe di posizione assiale, sagittale e coronale.
  2. Posizionare la linea di posizionamento sagittale con le mappe di posizione coronale per garantire che la linea di base di posizionamento sia parallela al canale spinale (midollo spinale); prima individuare il piano sagittale T2 W, quindi copiare e incollare la linea di posizionamento di T1 W sagittale alla linea di posizionamento T2 W.
    1. Utilizzare i seguenti parametri di imaging per T1 W e T2 W immagini sagittali: campo visivo (FOV) = 240 mm x 240 mm, dimensione voxel = 1,0 mm x 0,8 mm x 3,0 mm, Gap slice = 0,3 mm, spessore fetta = 3 mm, numero di eccitazione (NEX) = 2, direzione di piega = piedi/testa (FH) e tempo di eco (TE)/tempo di ripetizione (TR) = 10/700 ms (T1 W) e 101/2500 ms (T2 W). Ottieni nove immagini sagittali che coprono l'intero midollo spinale cervicale.
  3. Posizionare la linea di posizionamento assiale sull'immagine sagittale T2 W e coprire il disco intervertebrale da C2/3 a C6/7, centrando il diametro antero-posteriore dello spazio intervertebrale. Utilizzare i seguenti parametri di imaging: FOV = 180 mm x 180 mm, dimensione voxel = 0,7 mm x 0,6 mm x 3,0 mm, spessore fetta = 3 mm, direzione di piegatura = anteriore/posteriore (AP), NEX = 2, e TE/TR = 120/3000 ms.
  4. Posizionare la linea di posizionamento assiale sull'immagine sagittale T2 W, centrando il diametro antero-posteriore dello spazio intervertebrale, con 45 fette che coprono il midollo spinale cervicale da C1 a C7.
    1. Ottenere DTI tramite la seguente sequenza: Single-Shot spin-echo eco-planare Imaging (SE-EPI) con 20 direzioni ortogonali. Direzioni di diffusione non complanari con valore b = 800 s/mm2.
    2. Utilizzare i seguenti parametri di imaging: FOV = 230 mm x 230 mm, matrice di acquisizione = 98 x 98, risoluzione ricostruita = 1,17 x 1,17, spessore fetta = 3 mm, direzione di piegatura = AP, NEX = 2, fattore EPI = 98, e TE/TR = 74/8300 ms. fornire un corso temporale che riassume i passaggi nel protocollo MRI, come mostrato nella Figura 1.
      Nota: Il corso temporale che sintetizza il protocollo MRI e DTI è mostrato nella Figura 1.

3. immagini postprocessing e indici di misurazione dati

  1. Trasmettere automaticamente tutte le immagini di scansione al syngo MR B17. Caricare l'imaging sagittale e assiale T2 W dello spazio intervertebrale nell'interfaccia delle riprese e trovare la porzione più compressa del midollo spinale cervicale.
  2. Nell'interfaccia di visualizzazione 2:1, caricare l'immagine FA e fare clic sulla scheda visualizzazione posizione: serie . contare e registrare il livello di compressione più alta dall'alto verso il basso della mappa della posizione.
  3. Fare clic sulla scheda file per selezionare l'immagine tensore, quindi utilizzare la barra degli strumenti applicazioni in alto a sinistra dello schermo per selezionare neuro 3D (Mr) per creare automaticamente le colormap ADC e fa.
  4. Rivolgersi al livello del sito di compressione più alto e creare aree di interesse sferiche (ROIs) di volumi identici (con una dimensione di 6 mm3) utilizzando la scheda modalità di valutazione iniziale . Le ROIs devono essere selezionate, compreso il midollo spinale interno per escludere gli effetti di volume parziale del liquido cerebrospinale (CSF).
  5. Calcola e visualizza automaticamente i valori di FA e ADC in basso a destra dello schermo. Visualizzare i valori E1, E2 e E3 facendo clic sulla barra degli strumenti diffusione e scegliendoli.
    Nota: Tutte le misurazioni sono state eseguite da due radiologi accecati ai dettagli clinici dei pazienti. I risultati finali sono stati determinati come la media dei due.
  6. Eseguire l'elaborazione delle immagini dei DataSet DTI utilizzando un syngo MR B17 Advantage workstation, seguendo i passaggi in Figura 2.

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Representative Results

Questo è un riassunto dei risultati ottenuti da volontari sani e pazienti affetti da mielopatia spondilicica cervicale. Il protocollo ha permesso al medico di visualizzare le mappe DTI. Questa tecnologia potrebbe fungere da misura oggettiva per misurare lo stato funzionale in condizioni mielopatiche. Le mappe DTI dei volontari sani sono mostrate nella Figura 3. I parametri DTI dei volontari sani erano i seguenti: 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 (Figura 3). Le mappe DTI dei pazienti con compressione cronica del midollo spinale sono mostrate nella Figura 4 e hanno i seguenti parametri: 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 (Figura 4). È stata anche eseguita l'imaging postoperatoria. Figura 5 Mostra mappe DTI di pazienti con compressione cronica del midollo spinale che ha subito un intervento chirurgico. I parametri DTI sono i seguenti: 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 (Figura 5).

Figure 1
Figura 1 : Corso temporale del protocollo clinico MRI. In primo luogo, la sequenza FSPGR è stata selezionata per la scansione di localizzazione, e quindi il rapido recupero di Eco Spin veloce è stato eseguito per acquisire le immagini di T2 W e T1 w sagittale e immagini assiali T2 W. Infine, la DTI è stata eseguita utilizzando la SE-EPI a scatto singolo con 20 direzioni ortogonali. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 2
Figura 2 : Diagramma di flusso delle fasi coinvolte nell'elaborazione DTI. Diagramma di flusso che mostra quattro fasi di post-elaborazione DTI con una workstation. In primo luogo, acquisire MRI convenzionale e DTI nella workstation. Quindi, trova il sito della compressione più alta in base alle immagini MRI convenzionali. Infine, eseguire il calcolo tensore. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 3
Figura 3 : RM sagittale e assiale e DTI in un volontario salutare. (A) RM sagittale T1 w. (B) RM sagittale T2 w. (C) RM assiale T2 w. (D) fa. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 4
Figura 4 : RM sagittale e assiale e DTI in un paziente con compressione cronica del midollo spinale. (A) RM sagittale T1 w. (B) RM sagittale T2 w. (C) RM assiale T2 w. (D) fa. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

Figure 5
Figura 5 : RM sagittale e assiale e DTI in un paziente con compressione cronica del midollo spinale dopo l'intervento chirurgico. (A) RM sagittale T1 w. (B) RM sagittale T2 w. (C) RM assiale T2 w. (D) fa. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.

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Discussion

La risonanza magnetica convenzionale è di solito utilizzata per valutare la prognosi dei pazienti con varie condizioni della colonna vertebrale. Tuttavia, questa modalità di imaging fornisce il dettaglio anatomico macroscopico piuttosto che la valutazione della microstruttura14, che limita la previsione della funzione neurologica. Inoltre, la risonanza magnetica tradizionale può sottovalutare la gravità e l'entità del danno del midollo spinale. L'emergere di DTI può aiutare i chirurghi a valutare la funzione del midollo spinale in modo più accurato fornendo informazioni quantitative sulla diffusione delle molecole d'acqua.

Nel presente studio è stato descritto un quadro metodologico per dimostrare l'applicazione dei parametri DTI nei pazienti con compressione cronica del midollo spinale. DTI è una tecnica sensibile per misurare la direzione e la diffusione magnitudo delle molecole d'acqua nei tessuti15. I chirurghi possono valutare quantitativamente i danni neurali in varie patologie del midollo spinale valutando i parametri DTI. In questo protocollo, abbiamo disegnato manualmente ROIs su fette assiali perché il software dedicato esistente per la segmentazione automatica del CSF e della mielina non è adeguato per il midollo spinale. La piccola sezione trasversale del midollo spinale è una limitazione importante per applicare efficacemente la segmentazione automatica. Abbiamo selezionato ROIs presso il sito di compressione più grave. ROIs deve includere il midollo spinale interno per eliminare gli effetti di volume parziale del CSF. Inoltre, l'elaborazione DTI dovrebbe ridurre gli effetti dei fattori artifeffettivi come gli artefatti di distorsione geometrica correlati all'EPI e gli artefatti a corrente parassita. Le opzioni disponibili del pacchetto software potrebbero aiutare gli operatori a ottenere informazioni utili a seconda dell'orientamento del gradiente di diffusione-ponderazione e della correzione della corrente parassita separata. La scansione MRI convenzionale nel presente studio ha applicato una sequenza di spin-echo veloce per fornire più informazioni sull'immagine. La catena dell'eco più lunga e l'intervallo dell'eco più piccolo sono stati specificamente progettati per minimizzare gli artefatti creati dalla strumentazione spinale. Abbiamo selezionato un breve tempo di eco, un'ampia banda di frequenze di lettura e piccoli voxel per ridurre gli artefatti. FA e ADC sono comunemente usati parametri DTI nelle misurazioni del midollo spinale. FA rappresenta il grado di anisotropia in un intervallo compreso tra 0 e 1. Valori di FA più vicini a 1 indicano anisotropia tissutale alta13. L'ADC è correlato al valore medio delle diffusività nei tre assi principali e il suo cambiamento è coerente con il processo di lesione tissutale istopatologica6. Il lavoro attuale ha confermato che la compressione cronica del midollo spinale potrebbe comportare una diminuzione della FA e valori di ADC aumentati, come riferito in precedenza12. La compressione cronica del midollo spinale può causare danni ischemici ricorrenti al midollo spinale e produrre alterazioni istopatologiche nelle fibre nervose a valle, come angioedema, gliosi, perdita della funzione neurale e infine necrosi16. Nel presente lavoro, questi cambiamenti sopra menzionati sono stati chiaramente visualizzati su DTI.

DTI può fungere da strumento per valutare il miglioramento funzionale e fornire preziose informazioni prognostiche. Studi precedenti hanno mostrato che l'alta preoperatoria FA potrebbe essere correlata a un migliore recupero funzionale neurale dopo l'intervento chirurgico17. Ha riferito che i pazienti con mielopatia spondilectomia cervicale sintomatica avevano valori ADC più elevati e valori di FA inferiori rispetto a quelli che non avevano sintomi rilevanti ma avevano evidenze radiologiche di compressione del cavo18. In uno studio precedente di un modello di ratto di compressione del midollo spinale cronico, i parametri DTI erano associati a condizioni patologiche del midollo spinale. È importante sottolineare che la DTI può valutare quantitativamente lo stato funzionale del midollo spinale16. Un'analisi di 66 pazienti con compressione cronica del midollo spinale ha anche mostrato che i parametri DTI erano correlati al tasso di recupero dell'associazione ortopedica giapponese dei pazienti con compressione cronica del midollo spinale e ADC, diffusività media, diffusività radiale e i valori di diffusività assiale potrebbero riflettere la compromissione neurologica ed essere utili per valutare la prognosi post-operatoria19. Rispetto alla risonanza magnetica convenzionale, DTI è uno strumento quantitativo utile per misurare il potenziale recuperativo del midollo spinale.

C'erano alcune limitazioni a questo studio. In primo luogo, una risoluzione spaziale adeguata è ancora difficile da raggiungere. Gli artefatti di movimento, derivanti dal movimento respiratorio e cardiaco e dalla pulsazione del CSF, possono produrre effetti negativi sul DTI, in particolare nel cavo cervicale inferiore e nel cordone toracico20. La catena dell'eco più lunga e l'intervallo dell'eco più piccolo sono stati specificamente progettati per minimizzare gli artefatti creati dalla strumentazione spinale. In questo protocollo, abbiamo selezionato un breve tempo di eco, un'ampia banda di frequenza di lettura e piccoli voxel per ridurre gli artefatti. Inoltre, era difficile distinguere tra la materia bianca e quella grigia su DTI con un sistema 3 Tesla MR21, il che significava che sia la materia grigia che quella bianca potevano essere incluse nel Rois. Ciò potrebbe influenzare significativamente le misurazioni dei parametri DTI. La quantificazione basata sul ROI potrebbe comportare un'identificazione parziale del tratto causato dall'esperienza dell'utente e dalla conoscenza anatomica. Questo approccio di delineazione manuale può essere noioso e dispendioso in termini di tempo, soprattutto se ci sono diverse fette di midollo spinale, tratti e soggetti. Le ROIs devono essere selezionate al midollo spinale interno per escludere gli effetti di volume parziale a causa del CSF. In studi futuri sono necessari metodi utili per segmentare le regioni della materia grigia e bianca e discernere le Roi disponibili ed efficaci.

In sintesi, questo quadro metodologico dimostra l'applicazione dei parametri DTI nella compressione cronica del midollo spinale. DTI fornisce una misura della direzione molecolare dell'acqua e la grandezza di diffusione nei tessuti. I chirurghi possono utilizzare questa tecnica sensibile per valutare quantitativamente i danni neurali in varie patologie del midollo spinale.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo studio è stato sostenuto dal progetto scientifico e tecnologico di Guangzhou della Cina (n. 201607010021) e dalla Fondazione per la scienza della natura di JiangXi (No. 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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References

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