Summary
여기서, 우리는 척수 압축을 평가 하기 위해 확산 텐서 이미징 파라미터의 적용을 위한 프로토콜을 제시 한다.
Abstract
만성 척수 압박은 비 외상 성 척수 손상을 가진 환자에 있는 척수 손상의 일반적인 원인입니다. 종래의 자기 공명 영상 (MRI)은 모두 진단을 확인 하 고 압축 정도를 평가 하는 데 중요 한 역할을 한다. 그러나, 종래의 MRI에 의해 제공 되는 해부학 적 세부 사항은 신경 세포 손상을 정확 하 게 추정 하 고/하거나 만성 척수 압축 환자에서 뉴런 회복의 가능성을 평가 하기에 충분 하지 않다. 대조적으로, 확산 텐서 이미징 (DTI)은 조직에서의 물 분자 확산 검출에 따른 정량적 결과를 제공할 수 있다. 본 연구에서, 우리는 만성 척수 압축 질병에 DTI의 응용을 설명 하기 위해 방법론 프레임 워크를 개발. DTI 분수 이방성 (FA), 명백한 확산 계수 (Adc) 및 고유 벡터 값은 척수의 미세 구조적 병리학 적 변화를 시각화 하는 데 유용 합니다. 감소 된 FA 및 Adc 및 고유 벡터 값의 증가는 건강 한 대조 군과 비교 하 여 만성 척수 압박 환자에서 관찰 되었다. DTI는 외과 의사가 척수 손상 중증도를 이해 하 고 예 후 및 신경 기능 회복에 관한 중요 한 정보를 제공 하는 데 도움이 될 수 있습니다. 결론적으로,이 프로토콜은 척수 압축을 평가 하기 위해 민감하고 섬세 하며 비 침 습 적인 도구를 제공 합니다.
Introduction
만성 척수 압축은 척수 impairment1 가장 흔한 원인입니다. 이 상태는 후방 세로 인 대 골 화, 혈 종, 자 궁 경부 추 간판 탈출 증, 척추 변성, 또는 위 내 종양2,3때문일 수 있습니다. 만성 척수 압박은 기능적인 적자의 각종도로 이끌어 낼 수 있습니다; 그러나, 어떤 신경학 상 현상 및 표시 없이 심각한 척수 압축을 가진 임상 케이스가 있습니다, 뿐 아니라 온화한 척수 압축을 가진 환자 뿐 아니라 심각한 신경학 상 적자4. 이러한 상황에서 민감한 이미징은 압축 심각도를 평가 하 고 손상 범위를 식별 하는 데 필수적입니다.
종래의 MRI는 척수 해부학을 해명 하는 중요 한 역할을 한다. 이 기술은 일반적으로 연 조직5에 대 한 민감성 때문에 압축 정도를 평가 하는 데 활용 됩니다. 많은 매개 변수는 MR 신호 강도, 코드 형태학 및 척추 운하 영역과 같은 MRI에서 측정 할 수 있습니다. 그러나 MRI는 몇 가지 한계를가지고 있으며 양적 결과 보다는 질적 인 정보를 제공 합니다6. 만성 척수 압박을 가진 환자는 종종 MRI 강도의 비정상적인 신호 변화가 있습니다. 그러나 임상 증상과 MRI 강도 변화 사이의 불일치는 MRI 특성에만 근거 하 여 기능적 상태를 진단 하는 것을 어렵게 만든다7. 이전 연구는 척추 cord8에 있는 MRI T2 고 강도의 예 후 가치의 관점에서이 논쟁을 강조 합니다. 두 그룹은 척추의 T2 고 강도는 만성 척수 compression8에 대 한 수술 후 가난한 예 후 매개 변수를 보고, 9. 대조적으로, 일부 저자는 T2 신호 변경 및 예 후8,9사이에 중요 한 연관성을 발견 하지 못했다. 첸 외 및 베단타 외. 다른 예 후 결과에 대응 하는 두 가지 범주로 분할 된 MRI T2 초 강도를10,11. 유형 1은 희미 하 고 퍼지 며 명백한 테두리를 보여 주었고이 범주는 가역 적인 조직학 변화를 보여주었습니다. 유형 2 이미지는 돌이킬 수 없는 병리학 적 손상에 상응 하는 강렬 하 고 잘 정의 된 국경을 제시 했습니다. 종래의 T1/T2 MRI 기술은 이러한 두 범주를 식별 하 고 환자 예 후를 평가 하기에 적절 한 정보를 제공 하지 않는다. 대조적으로, 보다 정교한 이미징 기법 인 DTI는 물 분자 확산을 통해 조직의 미세 구조 변화를 정량적으로 검출 함으로써 보다 구체적인 예 후 정보를 얻는 데 도움이 될 수 있습니다.
최근 몇 년 동안, DTI 척수 마이크로아키텍처를 설명 하는 기능으로 인해 증가 관심을 얻고 있다. DTI는 조직에서 물 분자 확산의 방향과 크기를 측정 할 수 있습니다. DTI 매개 변수는 만성 척수 압축을 가진 환자의 신경 손상을 정량적으로 평가할 수 있습니다. FA와 ADC는 척수 평가 시 가장 일반적으로 적용 되는 파라미터입니다. FA 값은 주위의 축 사 섬유를 방향으로 하는 이방성의 정도를 드러내며 해부학 적 경계12,13을 설명 합니다. ADC 값은 3 차원 공간에서 여러 방향의 분자 운동 특성에 대 한 정보를 제공 하 고 3 개의 주 축6,12를 따라 diffusivities의 평균을 나타냅니다. 이러한 파라미터의 변화는 물 분자 확산에 영향을 미치는 미세 구조 변경과 관련이 있습니다. 따라서 외과 의사는 DTI 매개 변수를 활용/측정 하 여 척수 병리학을 식별 할 수 있습니다. 본 연구는 만성 척수 압박 환자를 치료 하기 위해 보다 상세한 예 후 정보를 제공 하는 DTI 방법 및 프로세스를 제공 한다.
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Protocol
이 연구는 중국에 있는 광저우 첫번째 인민 병원에 있는 지역 의학 윤리 위원회에 의해 승인 되었습니다. 참여 하기 전에 건강 한 지원자와 참가자 로부터 서명한 정보 동의서를 받았습니다. 모든 연구는 헬싱키의 세계 의학 협회 선언에 따라 실시 되었다.
1. 과목 준비
- 각 참가자가 만성 척수 압축에 대 한 다음 기준을 충족 하는지 확인 하십시오: a) 중요 한 신경 기능 상실의 역사, b) 양성 척수 병 증의 신체 검사 및 c) 자 궁 경부 코드 압축의 MRI 증거.
참고: 제외 기준은 a) 서 면 동의 및 b) 아티팩트의 DTI 매개 변수를 얻을 수 없는 능력을 제공 합니다. 컨트롤의 경우, 포함 기준은 a) 중요 한 뒤 또는 목 부상, 신경 장애, 또는 척추 수술의 역사 없음; b) 자 궁 경부 코드 압축의 MRI 증거가 없습니다. - sk는 각 참가자가 MRI 안전 지침 및 이미징 프로토콜을 나열 하는 동의서를 작성 하 고 서명 합니다. 특히, 만성 척수 압박을 가진 환자는 MRI 사전 작동 및 1 년 수술 후에 의해 검사 됩니다.
- 각 참가자를 위한로 비드 귀마개. 자 궁 경부 지역을 둘러싸는 머리/목 코일과 갑 상선 연골 수준에서 랜드 마크와 함께 부정사 위치에 배치 하십시오. 각 참가자가 움직임을 효과적으로 줄이는 편안한 위치에 있는지 확인 하십시오.
2. 구조 MRI 매개 변수
참고: T2가 중 (t2 W) 이미지 및 DTI는 16 채널 헤드 코일이 장착 된 3tesla MRI 스캐너에서 획득 한 해부학 적 T1 (T1) 이미지입니다.
- 국 소화 스캐닝에 빠른 섭 동 그라데이션 에코 (FPGR)를 사용 하 여 축방향, 궁 수 및 코로나 위치 맵을 얻습니다.
-
위치 결정 기준이 척추 운하 (척수)와 평행을 유지할 수 있도록 시상 위치 선의 위치를 확인 하는 것입니다. 먼저 시상 평면 T2 W를 찾은 후 시상 T1 W 위치 결정 선을 T2 W 포지셔닝 선에 복사 하 여 붙여 넣으십시오.
- T1 W 및 T2 W에 대해 다음과 같은 이미징 매개 변수를 사용 합니다. 장 수 화상 진 찰: 시야 (FOV) = 240 x 240 mm, 복 셀 크기 = 1.0 mm x 0.8 m x 3.0 mm, 슬라이스 간격 = 3mm×2 개, 접기 방향 = 피트/헤드 (FH) 의 시간/반복 시간 = 10/700 ms) 및 101/2500 ms (T2 W)의 시간이 있습니다. 전체 자 궁 경부 척수를 덮고 있는 9 개의 시상 이미지를 얻습니다.
- 시상 T2 W 이미지에 축방향 포지셔닝 라인을 배치 하 고 추 간판의 전후 직경을 중심으로 C2 ~ C6에서 추 간판을 덮습니다. 다음 이미징 매개 변수를 사용 합니다. FOV = 180 x 180, 복 셀 크기 = 0.7 mm x 0.6 mm x 3.0 mm의 슬라이스 두께 = 전방/후방 (AP)이 고, 앞/뒤
-
추 간판의 전후 직경을 중심으로 하는 시상 T2 W 이미지에 축방향 포지셔닝 라인을 배치 하 고 자 궁 경부 척수를 C1에서 C7로 덮는 45 슬라이스를 사용 합니다.
- 다음 순서를 통해 DTI를 얻습니다. 20 직각 방향의 싱글 샷 스핀 에코 에코 평면 이미징 (SE-EPI) 비 동일 평면상의 확산 방향 b-값 = 800 s/mm2.
- 다음 이미징 매개 변수를 사용 합니다. FOV = 230 x 230, 획득 매트릭스 = 98 x 98, 재구성 된 분해능 = 1.17 x 1.17, 슬라이스 두께 = 3mm, 접기 방향 = AP, 8300에 피 계수 = 98 및 TE/TR = 74/2ms. 단계를 요약 하는 시간 코스를 제공 합니다. MRI 프로토콜에서, 그림 1과 같이.
참고: MRI 및 DTI 프로토콜을 요약 한 시간 과정은 그림 1에 나와 있습니다.
3. 이미지 포스트 프로세싱 및 데이터 측정 인덱스
- 모든 스캔 이미지를 Syngo MR B17에 자동으로 전달 합니다. 촬영 인터페이스에서 추 간판 공간에 대 한 T2 W 시상 및 축방향 이미징을 로드 하 고 자 궁 경부 척수의 가장 압축 된 부분을 찾으십시오.
- 2:1 보기 인터페이스에서 FA 이미지를 로드 하 고 위치 표시: 시리즈 탭을 클릭 합니다. 가장 높은 압축 수준을 위치 맵의 맨 위에서 맨 아래까지 계산 하 고 기록 합니다.
- 파일 탭을 클릭 하 여 텐서 이미지를 선택한 다음 화면의 왼쪽 상단에 있는 애플리케이션 툴바를 사용 하 여 신경 3d (MR) 를 선택 하 여 ADC 및 FA colormaps을 자동으로 생성 합니다.
- 가장 높은 압축 사이트의 수준으로 전환 하 고 시작 평가 모드 탭을 사용 하 여 동일한 볼륨 (크기가 6mm3)의 구형 관심 영역 (rois)을 만듭니다. 뇌 척 수액 (CSF)의 부분 부피 효과를 배제 하기 위해 내부 척수를 포함 한 ROIs를 선택 해야 합니다.
- 자동으로 화면의 오른쪽 아래에 FA 및 ADC 값을 계산 하 고 표시 합니다. 확산 도구 모음을 클릭 하 고 선택 하 여 E1, E2 및 E3 값을 표시 합니다.
참고: 모든 측정은 환자의 임상 세부 사항에 눈에 멀게 두 방사선 학자에 의해 수행 되었다. 최종 결과는 2 개의 평균값으로 결정 되었다. - 그림 2의 단계에 따라 SYNGO MR B17 이점 워크스테이션을 사용 하 여 dti 데이터 집합의 이미지 처리를 수행 합니다.
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Representative Results
이것은 건강 한 지원자와 자 궁 경부 척추 척수 증 환자 로부터 얻은 결과를 요약 한 것입니다. 프로토콜은 의사가 DTI 지도를 볼 수 있도록 했습니다. 이 기술은 골 수 성 조건에서 기능 상태를 측정 하는 객관적인 측정의 역할을 합니다. 건강 한 지원자 들의 DTI 지도가 그림 3에 나와 있습니다. 건강 한 자원 봉사자의 DTI 매개 변수는 다음과 같이 했다: FA = 0.661; ADC = 1.006 x 10-3mm 2/s; E1 = 1.893 x 10-3mm 2/s; E2 = 0.746 x 10-3mm 2/s; E3 = 0.377 × 10~ 3mm 2/s (그림 3) 만성 척수 압축 환자의 DTI 지도는 그림 4 에 표시 되 고 다음 매개 변수를가지고 있습니다: FA = 0.605; ADC = 1.522 x 10-3mm 2/s; E1 = 2.731 x 10-3mm 2/s; E2 = 1.058 x 10-3mm 2/s; E3 = 0.776 × 10~ 3mm 2/s (그림 4) 수술 후 이미징도 수행 되었습니다. 도 5 는 수술을 받은 만성 척수 압박 환자의 dti 지도를 보여준다. DTI 매개 변수는 다음과 같습니다. FA = 0.616; ADC = 1.210 x 10-3mm 2/s; E1 = 2.190 x 10-3mm 2/s; E2 = 0.858 x 10-3mm 2/s; E3 = 0.582 × 10~ 3mm 2/s (그림 5)
그림 1 : 임상 MRI 프로토콜의 시간 과정. 먼저, FSPGR 서 열을 선택 하 여 현지화 스캔을 하 고, 고속 스핀 에코의 신속한 복구가 수행 된 후 시상 T2 W 및 T1 W 이미지와 축 T2 W 이미지를 획득 하였다. 최종적으로, DTI는 20 직교 방향으로 단일 샷 SE-EPI를 사용 하 여 수행 하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 : DTI 처리와 관련 된 단계의 순서도입니다. 워크스테이션이 있는 4 개의 DTI 후 처리 단계를 보여주는 순서도입니다. 먼저, 워크스테이션에서 종래의 MRI와 DTI를 획득 합니다. 그런 다음, 기존의 MRI 이미지를 기반으로 가장 높은 압축 사이트를 찾으십시오. 마지막으로 텐서 계산을 수행 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 시상 및 축 MRI와 건강 한 자원 봉사자의 DTI. (A) 시상 mri T1 w. (B) 시상 mri t2 w. (C) 축 mri t2 w. (D) FA (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : 시상 및 축방향 MRI와 만성 척수 압박 환자의 DTI. (A) 시상 mri T1 w. (B) 시상 mri t2 w. (C) 축 mri t2 w. (D) FA (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5 : 수술 후에 만성 척수 압박을가 한 환자의 시상 및 축방향 MRI와 DTI. (A) 시상 mri T1 w. (B) 시상 mri t2 w. (C) 축 mri t2 w. (D) FA (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
통상적인 MRI는 일반적으로 다양 한 척추 상태를 가진 환자의 예 후를 평가 하기 위하여 이용 됩니다. 그러나,이 이미징 양식은 신경 기능의 예측을 제한 하는 미세 구조 평가14보다는 거시적 해부학 적 세부 사항을 제공 합니다. 또한 전통적인 MRI는 척수 손상의 심각성과 정도를 과소 평가 할 수 있습니다. DTI의 출현은 외과 의사가 물 분자 확산에 대 한 정량적 정보를 제공 하 여 척수 기능을 보다 정확 하 게 평가할 수 있도록 도와줍니다.
본 연구에서, 방법론적 프레임 워크는 만성 척수 압박을 가진 환자에서 DTI 파라미터의 적용을 입증 하기 위해 기술 되었다. DTI는 조직15의 물 분자의 방향과 확산 크기를 측정 하는 민감한 기술입니다. 외과 의사는 DTI 매개 변수를 평가 하 여 척수의 다양 한 병리학에서 신경 손상을 정량적으로 평가할 수 있습니다. 이 프로토콜에서는 CSF와 myelin 자동 세분화를 위한 기존 전용 소프트웨어가 척수에 적합 하지 않기 때문에 수동으로 ROIs를 축방향 조각에 그렸습니다. 작은 척수 단면적은 자동 분할을 효과적으로 적용 하는 주요 제한 사항입니다. 우리는 가장 심각한 압축 사이트에서 ROIs를 선택 했습니다. ROIs는 CSF의 부분적인 부피 효과를 없애기 위해 내부 척수를 포함 해야 합니다. 또한, DTI 처리는 EPI 관련 기하학적 왜곡 아티팩트 및와 전류 아티팩트와 같은 아 티의 요인의 영향을 줄여야 합니다. 소프트웨어 패키지의 사용 가능한 옵션은 확산가 중 그라데이션 방향과 별도의와 전류 보정 방향에 따라 운영자가 유용한 정보를 얻는 데 도움이 될 수 있습니다. 본 연구에서 종래의 MRI 스캐닝은 더 많은 영상 정보를 제공 하기 위해 빠른 스핀 에코 시퀀스를 적용 하였다. 더 긴 에코 체인과 더 작은 에코 간격은 척추 계측에 의해 생성 된 아티팩트를 최소화 하도록 특별히 설계 되었습니다. 우리는 아티팩트를 줄이기 위해 짧은 에코 시간, 넓은 판독 주파수 대역 및 작은 복 셀을 선택 했습니다. FA 및 ADC는 일반적으로 척수 측정에서 DTI 매개 변수를 사용 합니다. FA는 0에서 1 까지의 범위에서 이방성의 정도를 나타냅니다. FA 값이 1에 가까울수록 높은 조직 이방성13을 나타냅니다. ADC는 3 개의 주 축에서 diffusivities의 평균값과 관련이 있으며, 그 변화는 조직 병리학 적 조직 손상6의 과정과 일치 합니다. 본 작업은 이전에 보고 된 것 처럼 만성 척수 압축이 FA 감소 및 ADC 값 증가를 초래할 수 있음을확인 했습니다. 만성 척수 압박은 척수에 재발 하는 허 혈 성 손상을 일으키는 원인이 되 고 하류 신경 섬유에서 조직 병리학 적 변화를 생성 합니다, 혈관 부 종, 증 류, 신경 기능 상실 및 결국 괴 사16. 본 작업에서, 상술 한 변경은 DTI에서 명확 하 게 가시화 되었다.
DTI는 기능적 개선을 평가 하 고 가치 있는 예 후 정보를 제공 하는 도구로 사용할 수 있습니다. 이전 연구는 높은 수술 FA는 수술이 더 나은 신경 기능 회복에 관련 될 수 있음을 보여주었다17. 케르 콥 스키 외. 징후 자 궁 경부 척추 척수 증 환자는 관련 증상이 없는 사람들에 비해 높은 ADC 값과 낮은 FA 값을가지고 있지만 코드 압축18의 방사선 증거를가지고 있다고 보고 했습니다. 만성 척수 압축 쥐 모델에 대 한 이전 연구에서 DTI 매개 변수는 병리학 적 척수 상태와 관련이 있었습니다. 중요 하 게도, DTI는 척수 (16)의 기능적 상태를 정량적으로 평가할 수 있다. 만성 척수 압박을 가진 66 환자의 분석은 또한 DTI 매개 변수가 만성 척수 압축을 가진 환자의 일본 정형 외과 협회 회복 비율에 관련 되었던 것을 보여주었습니다, 그리고 ADC는, 확산도, 방사형 확산 율을 의미 하 고, 축 확산 율 값은 신경 장애를 반영 하 고 수술 후 예 후 (19)를 평가 하는 데 유용 할 수 있습니다. 종래의 MRI와 비교 하 여, DTI는 척수의 회복 잠재력을 측정 하는 유용한 정량 도구입니다.
이 연구에는 몇 가지 제약이 있었습니다. 첫째, 적절 한 공간 해상도는 아직 달성 하기 어렵습니다. 호흡 및 심장 운동과 CSF 맥 동으로 인해 발생 하는 동작 아티팩트는 DTI, 특히 낮은 자 궁 경부 코드 및 흉부 코드20에서 나쁜 영향을 줄 수 있습니다. 더 긴 에코 체인과 더 작은 에코 간격은 척추 계측에 의해 생성 된 아티팩트를 최소화 하도록 특별히 설계 되었습니다. 이 프로토콜에서는 아티팩트를 줄이기 위해 짧은 에코 시간, 넓은 판독 주파수 대역 및 작은 복 셀을 선택 했습니다. 또한, DTI의 백색과 회색 물질을 3 개의 Tesla MR 시스템 (21)과 구별 하는 것이 어려웠다,이는 그레이와 화이트 물질이 rois에 포함 될 수 있음을 의미 했습니다. 이는 DTI 매개 변수 측정에 상당한 영향을 줄 수 있습니다. ROI 기반 정량화는 사용자 경험과 해부학 적 지식으로 인해 발생 하는 관의 편향 된 식별으로 이어질 수 있습니다. 이 수동 묘사 방법은 특히 여러 척수 슬라이스, 책자 및 주제가 있는 경우 지루하고 시간이 오래 걸릴 수 있습니다. CSF로 인해 부분 볼륨 효과를 배제 하려면 ROIs를 내부 척수에서 선택 해야 합니다. 회색 및 백색 물질 영역을 분할 하 고 사용할 수 있고 효과적인 ROIs를 분별 하는 유용한 방법은 미래 연구 결과에서 요구 됩니다.
요약 하자면,이 방법론 프레임 워크는 만성 척수 압축에서 DTI 파라미터의 적용을 보여줍니다. DTI는 조직에서 물의 분자 방향 및 확산 크기를 측정 합니다. 외과 의사는이 민감한 기술을 사용 하 여 다양 한 척수 병리학에서 신경 손상을 정량적으로 평가할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 중국의 광저우 과학 기술 프로젝트 (No. 201607010021)와 장시 성의 자연 과학 재단에 의해 지원 되었다 (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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