Summary
ここでは、拡散テンソルイメージングパラメータを適用して脊髄圧縮を評価するためのプロトコルを提示する。
Abstract
慢性脊髄圧迫は、nontraumatic 脊髄損傷を有する患者における脊髄障害の最も一般的な原因である。従来の磁気共鳴画像法 (MRI) は、圧縮度の診断と評価の両方を確認する上で重要な役割を果たしている。しかしながら、従来の MRI によって提供される解剖学的詳細は、ニューロン損傷を正確に推定し、および/または慢性脊髄圧迫患者におけるニューロン回復の可能性を評価するのに十分ではない。これに対して、拡散テンソルイメージング (DTI) は、組織中の水分子拡散の検出に応じて定量的な結果を提供することができる。本研究では、DTI の慢性脊髄圧迫症の応用を示す方法論的枠組みを開発した。DTI 小額異方性 (FA)、見掛け拡散係数 (Adc)、固有ベクトル値は、脊髄の微構造病理学的変化を可視化するのに有用である。慢性脊髄圧迫患者では、正常なコントロールと比較して、FA の減少と Adc および固有ベクトル値の増加が観察されました。DTI は、外科医が脊髄損傷の重症度を理解し、予後と神経機能回復に関する重要な情報を提供するのを助けるかもしれない。結論として、この議定書は脊髄の圧縮を評価するために敏感で、詳しい、そして非侵襲的な用具を提供する。
Introduction
慢性脊髄圧迫は、脊髄 impairment1 の最も一般的な原因である。この状態は、後縦靱帯骨化、血腫、頚部椎間板ヘルニア、脊椎変性、または脊髄内腫瘍2,3に起因することができる。慢性脊髄圧迫は、機能的欠損の様々な程度につながる可能性があります。しかし、重篤な脊髄圧迫は、神経症状や徴候を伴わず、軽度の脊髄圧迫を伴う患者、重度の神経障害がある4 つの臨床症例がある。このような状況では、圧縮の重大度を評価し、損傷の範囲を特定するために、センシティブなイメージングが不可欠です。
従来の MRI は、脊髄の解剖学を解明する上で重要な役割を果たしている。この技術は、通常、軟組織5に対するその感受性の圧縮度を評価するために利用される。MR 信号強度、コード形態、脊柱管面積など、MRI から多くのパラメータを測定できます。しかし、MRI はいくつかの制限があり、定量的結果ではなく定性的な情報を提供する6.慢性脊髄圧迫を有する患者は、しばしば、MRI 強度の異常なシグナル変化を有する。しかし、臨床症状と MRI の強度の変化との間の矛盾は、MRI の特徴7だけに基づいて、機能的状態を診断することを困難にする。以前の研究は、脊髄 cord8 における MRI T2 hyperintensity の予後値に関してこの論争を強調している。2つのグループは、脊髄の T2 hyperintensity が慢性脊髄 compression8、9のための手術後の予後が悪いパラメータであることを報告した。対照的に、一部の著者は T2 シグナルの変化と予後8,9との間に有意な関連性を認めなかった。陳 et al. と Vedantam et al. を分割した MRI T2 hyperintensities は、異なる予後結果10,11に対応する2つのカテゴリーに分類される。タイプ1は、かすかな、ぼやけた、不明瞭なボーダーを示し、このカテゴリはリバーシブル組織学的の変更を示しました。タイプ2の画像は、不可逆的な病理学的損傷に相当する強烈で明確に定義された境界線を示しました。従来の T1/T2 MRI 技術では、これら2つのカテゴリを特定し、患者の予後を評価するための適切な情報は提供されません。対照的に、DTI は、より洗練された画像化技術であり、水分子拡散によって組織の微構造変化を定量的に検出することによってより具体的な予後情報を得るのに役立つかもしれない。
ここ数年、DTI は、脊髄マイクロアーキテクチャーを記述する能力により、ますます注目を集めています。DTI は、組織の中で拡散する水分子の方向と大きさを測定することができます。DTI パラメータは、慢性脊髄圧迫患者の神経損傷を定量的に評価することができます。FA および ADC は、脊髄評価時に最も一般的に適用されるパラメータです。FA 値は、周囲の軸索繊維を配向にする異方性の程度を明らかにし、解剖学的境界12,13を記述する。ADC 値は三次元空間において多くの方向における分子運動の特性に関する情報を提供し、3つの主軸6,12に沿って diffusivities の平均を明らかにする。これらのパラメータの変化は、水分子の拡散に影響を与える微構造変化に関連しています。従って、外科医は、脊髄病変を同定するために DTI パラメータを利用/測定することができる。本研究は、患者の慢性脊髄圧迫を治療するために、より詳細な予後情報を提供する DTI の方法およびプロセスを提供する。
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Protocol
この研究は、中国の広州第一人民病院の地域医療倫理委員会によって承認された。署名された同意書は、参加前に健康なボランティアや参加者から受け取りました。すべての研究は、世界医師会ヘルシンキ宣言に従って行われました。
1. 被験者の準備
- 各参加者が慢性脊髄圧迫のための以下の基準を満たしていることを確認してください: a) 有意な神経学的機能の喪失の履歴、b) 正の脊髄症の身体検査、および c) 頚部臍帯圧縮の MRI 証拠。
注:除外基準とは、書面による同意を提供し、b) 成果物の DTI 不能を得ることができないことです。コントロールについては、封入基準は a) 有意な背部または頸部の外傷、神経学的障害、または脊柱の外科手術の既往歴はない。b) 頚部コード圧縮の MRI の証拠無し。 - また、MRI の安全ガイドラインとイメージングプロトコルを記載した同意書を記入し、署名します。具体的には、慢性脊髄圧迫患者は、MRI 術前および1年術後によって検査される。
- 各参加者のための耳栓を rovide。頚部領域を囲むヘッド/ネックコイルとの仰向けの位置にそれらを置き、そして甲状腺の軟骨のレベルの陸標。各参加者が効果的に移動を減らす快適な位置にあることを確認します。
2. 構造 MRI パラメータ
注:解剖学的 T1 加重 (T1 W) 画像、T2 加重 (T2 W) 画像、および DTI 16 チャンネルのヘッドコイルを備えた3テスラ MRI スキャナで取得されました。
- 軸、矢状、およびコロナの位置マップを取得するには、ローカリゼーションスキャンに高速摂動勾配エコー (FPGR) を使用します。
-
位置の基線が脊柱管 (脊髄) に平行であることを保障するために冠状位置地図との矢状の位置のラインを置きなさい;まず、矢状平面 T2 W を見つけ、その後、T2 W 位置決めラインに矢状 T1 W 位置決め線をコピーして貼り付けます。
- T1 W および T2 W のサジタル画像には次のイメージングパラメータを使用します: 視野 (FOV) = 240 mm x 240 mm、ボクセルサイズ = 1.0 mm x 0.8 mm x 3.0 mm、スライスギャップ = 0.3 mm、スライスの厚さ = 3 mm、励起数 (NEX) = 2、折り曲げ方向 = フィート/頭 (FH)、エコー (TE)/time の時間 (TR) = 10/700 ms (T1 W) と 101/2500 ms (T2 W) があります。頚部脊髄全体を覆う9つの矢状のイメージを得なさい。
- 矢状 T2 W イメージの軸方向の位置のラインを置き、椎間スペースの前後の直径を中心に C2/3 から C6/7 への椎間板をカバーしなさい。次のイメージングパラメータを使用します: FOV = 180 mm x 180 mm、ボクセルサイズ = 0.7 mm x 0.6 mm x 3.0 mm、スライスの厚さ = 3 mm、フォールオーバー方向 = 前/後 (AP)、NEX = 2、および TE/TR = 120/3000 ms。
-
前後の直径を中心とした、サジタル T2 W 画像上に軸方向の位置決めラインを配置し、C1 から C7 までの頸髄脊髄を覆う45スライスを用いた。
- 以下の順序によって DTI を取得します: シングルショットスピンエコーエコー-平面イメージング (SE-EPI) 20 直交方向。B 値 = 800 s/mm2の非同一平面拡散方向。
- 次のイメージングパラメータを使用します: FOV = 230 mm x 230 mm、集録マトリクス = 98 x 98、再構成分解能 = 1.17 x 1.17、スライスの厚さ = 3 mm、フォールオーバー方向 = AP、NEX = 2、EPI 係数 = 98、および TE/TR = 74/8300 ms です。ステップを要約するタイムコースを提供する MRI プロトコルにおいて、図 1に示す通りである。
注:MRI と DTI のプロトコルをまとめたタイムコースを図 1に示します。
3. 画像後処理およびデータ測定インデックス
- すべてのスキャン画像を Syngo MR B17 に自動的に伝達します。撮影インターフェイスの椎間スペースの T2 の矢状および軸画像をロードし、頚部脊髄の最も圧縮された部分を見つける。
- 2:1 表示インターフェイスで、FA イメージをロードし、[位置の表示: 系列] タブをクリックします。位置マップの上から下までの最高圧縮レベルをカウントして記録します。
- [ファイル] タブをクリックしてテンソルの画像を選択し、画面左上の [アプリケーション] ツールバーを使用して [ニューロ 3d (MR) ] を選択して、ADC と FA colormaps を自動的に作成します。
- [評価モードの開始] タブを使用して、最高の圧縮サイトのレベルに旋回し、同一のボリューム (サイズ 6 mm3) の対象となる球状領域 (ROIs) を作成します。ROIs は、脳脊髄液 (CSF) の部分的な体積効果を排除するために内側の脊髄を含む選択されなければならない。
- 自動的に画面の右下にある FA と ADC の値を計算して表示します。[拡散] ツールバーをクリックして選択することにより、E1、E2、および E3 の値を表示します。
注:すべての測定は患者の臨床細部に盲目になった2つの放射線技師によって行われた。最終結果は2つの平均として決定された。 - Syngo MR B17 アドバンテージワークステーションを使用して DTI データセットの画像処理を実行し、図 2の手順に従います。
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Representative Results
これは、健康なボランティアや頚部頸部脊髄性脊髄症患者から得られた結果の概要です。この議定書により、医者は DTI 地図を見ることができた。この技術は、myelopathic 条件下での機能状態を測定するための客観的な手段として役立つ可能性があります。「健常ボランティアの DTI 地図」を図 3に示す。健全なボランティアの DTI パラメータは以下の通りであった: 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 (図 3)。また、慢性脊髄圧迫患者の DTI 地図は、図 4に表示され、以下のパラメータがあります。 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 (図 4)。術後イメージングも行った。図 5は、手術を受けた慢性脊髄圧迫患者の DTI 地図を示す。DTI パラメータは以下の通りです: 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 (図 5)。
図 1: 臨床 MRI プロトコルの時間経過。まず、FSPGR 配列を局在スキャンのために選択し、その後高速スピンエコーの迅速な回収を行い、サジタル T2 W および T1 W 画像および軸 T2 W 画像を取得した。さらに、DTI は、20個の直交方向を持つシングルショットの SE EPI を用いて行われました。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: DTI 処理に関わるステップのフローチャートです。4つの DTI 後処理ステップをワークステーションに示すフローチャートです。まず、従来の MRI や DTI をワークステーションで取得します。その後、従来の MRI 画像に基づいて最高の圧縮のサイトを見つけます。最後に、テンソルの計算を実行します。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: 健全なボランティアにおける矢状および軸方向 MRI と DTI。(A) サジタル Mri T1 w. (B) サジタル mri t2 w. (C) 軸 mri t2 w. (D) FA.(E) ADC.(F) E1。(G) E2.(H) E3.この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: 慢性脊髄圧迫患者における矢状および軸方向 MRI および DTI(A) サジタル Mri T1 w. (B) サジタル mri t2 w. (C) 軸 mri t2 w. (D) FA.(E) ADC.(F) E1。(G) E2.(H) E3.この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5: 手術後の慢性脊髄圧迫患者における矢状および軸 MRI および DTI。(A) サジタル Mri T1 w. (B) サジタル mri t2 w. (C) 軸 mri t2 w. (D) FA.(E) ADC.(F) E1。(G) E2.(H) E3.この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
従来の MRI は、通常、様々な脊柱状態の患者の予後を評価するために利用される。しかしながら、この画像化モダリティは、神経学的機能の予測を制限するミクロ構造評価14よりむしろ巨視的解剖学的詳細を提供する。さらに、従来の MRI は、脊髄損傷の重篤度および程度を過小評価することがある。DTI の出現は、外科医が水分子の拡散に関する定量的情報を提供することにより、脊髄機能をより正確に評価するのを助けることができる。
本研究では、慢性脊髄圧迫患者における DTI パラメータの適用を示す方法論的枠組みを説明した。DTI は、組織15の水分子の方向と拡散の大きさを測定するための敏感な技術です。医師は DTI パラメータを評価することにより、脊髄の様々な病状における神経損傷を定量的に評価することができます。このプロトコルでは、CSF およびミエリンの自動セグメンテーションのための既存の専用ソフトウェアが脊髄には十分ではないため、我々は、手動で軸スライスに ROIs を描いた。小さい脊髄断面積は、効果的に自動セグメンテーションを適用するための主要な制限事項である。我々は最も深刻な圧縮サイトで ROIs を選択しました。ROIs は、CSF の部分的な体積効果を排除するために内側の脊髄を含まなければならない。さらに、DTI 処理は、EPI 関連の幾何学的歪みアーチファクトや渦電流アーティファクトなどの artifactual 因子の影響を軽減する必要があります。ソフトウェアパッケージの利用可能なオプションは、拡散加重勾配の方向と個別の渦電流補正の向きに応じて、オペレータが有用な情報を取得するのに役立ちます。本研究における従来の MRI スキャンは、より多くの画像情報を提供する高速スピンエコー配列を適用した。より長いエコー鎖およびより小さいエコー間隔は脊柱の器械化によって作成されるアーティファクトを最小にするようにとりわけ設計されていた。アーティファクトを低減するために、短いエコー時間、広い読み出し周波数帯域、および小さなボクセルを選択した。FA および ADC は、一般的に、脊髄の測定において DTI パラメータを使用している。FA は、0 ~ 1 の範囲の異方性の度合いを表す。1に近い FA 値は、高い組織の異方性13を示す。この ADC は、3つの主軸における diffusivities の平均値に関連しており、その変化は組織障害の病理のプロセスと一致する6.本研究では、以前に報告された12のように、慢性脊髄圧縮が FA の減少および ADC 値の増加をもたらす可能性があることを確認した。慢性脊髄圧迫は、脊髄への再発性虚血性損傷を引き起こし、血管浮腫、グリオーシス、ニューロン機能喪失などの下流神経線維の病理組織学的変化を生じ、最終的には壊死16である。現在の作業では、これらの変更は DTI で明確に視覚化されています。
DTI は、機能的改善を評価し、有益な予後情報を提供するためのツールとして機能します。以前の研究では、術前 FA は手術17後の神経機能回復の改善に関連している可能性があることが示された。Kerkovsky et al. は、症候性頸椎頸部脊髄性脊髄症の患者は、関連する症状がなかったが、コード圧縮18の放射線学的証拠を持っていた人に比べて高い ADC 値および低い FA 値を有していたと報告した。慢性脊髄圧迫ラットモデルの以前の研究では、DTI パラメータは病理学的脊髄状態と関連していた。重要なこととして、DTI は、脊髄16の機能状態を定量的に評価することができる。慢性脊髄圧迫の66の患者の分析はまた、DTI パラメータが慢性脊髄圧迫患者の日本の整形外科協会の回復率、および ADC、平均拡散度、放射状拡散度に関連していることを示し、軸拡散値は、神経学的障害を反映し、術後予後19の評価に有用である可能性がある。DTI は、従来の MRI と比較し、脊髄のやす電位を測定するのに有用な定量的ツールである。
この研究にはいくつかの制限があった。まず、十分な空間分解能を達成することは困難です。呼吸および心臓の動きおよび CSF の脈動から生じる動きのアーティファクトは、DTI、特に下の頚部コードおよび胸部のコード20の悪い効果を作り出すことができる。より長いエコー鎖およびより小さいエコー間隔は脊柱の器械化によって作成されるアーティファクトを最小にするようにとりわけ設計されていた。このプロトコルでは、アーティファクトを減らすために短いエコー時間、広い読み出し周波数帯域、および小さなボクセルを選択しました。さらに、DTI の白と灰色の問題を3テスラの MR システム21で区別することは難しかったので、ROIs にはグレーと白の両方の問題が含まれている可能性がある。これは DTI パラメータ測定に大きな影響を与える可能性があります。ROI ベースの定量化は、ユーザーの経験と解剖学的知識によって引き起こされる経路の偏った識別につながる可能性があります。この手作業による線引きのアプローチは、特に脊髄スライス、区域、およびサブジェクトが複数ある場合には、単調で時間がかかることがあります。ROIs は、CSF のために部分的な体積効果を除外するために、内側の脊髄で選択されるべきである。灰色と白の領域をセグメント化し、利用可能かつ効果的な ROIs を識別するための有用な方法は、将来の研究で必要とされます。
要約すると、この方法論的フレームワークは、慢性脊髄圧迫における DTI パラメータの適用を実証する。DTI は、組織の水の分子方向と拡散の大きさの尺度を提供します。外科医は、様々な脊髄病変における神経損傷を定量的に評価するために、この感受性技術を使用することができる。
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Disclosures
作者は何も開示することはありません。
Acknowledgments
この研究は、中国の広州科学技術プロジェクト (201607010021) と江西の自然科学財団 (20142BAB205065) によって支援されました
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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