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Neuroscience

Imagem latente de ressonância magnética do tensor da difusão na compressão crônica da medula espinal

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

Aqui, nós apresentamos um protocolo para a aplicação de parâmetros da imagem latente do tensor da difusão para avaliar a compressão da medula espinal.

Abstract

A compressão crônica da medula espinal é a causa a mais comum do prejuízo da medula espinal nos pacientes com dano nontraumatic da medula espinal. A imagem latente de ressonância magnética convencional (MRI) joga um papel importante em confirmar o diagnóstico e em avaliar o grau de compressão. Entretanto, o detalhe anatômico fornecido por MRI convencional não é suficiente estimar exatamente dano neuronal e/ou avaliar a possibilidade de recuperação neuronal em pacientes crônicos da compressão da medula espinal. Ao contrário, a imagem latente do tensor da difusão (DTI) pode fornecer resultados quantitativos de acordo com a deteção da difusão da molécula de água nos tecidos. No presente estudo, desenvolvemos um referencial metodológico para ilustrar a aplicação da DTI na doença da compressão medular crônica. A anisotropia fracionária de DTI (FA), os coeficientes de difusão aparente (ADCs) e os valores de eigenvector são úteis para visualizar alterações patológicas microestruturais na medula espinhal. A FA diminuída e os aumentos nos ADCs e nos valores de eigenvector foram observados em pacientes crônicos da compressão da medula espinal comparados aos controles saudáveis. O DTI poderia ajudar os cirurgiões a entender a gravidade da lesão medular e fornecer informações importantes sobre prognóstico e recuperação funcional neural. Em conclusão, este protocolo fornece uma ferramenta sensível, detalhada, e não invasora para avaliar a compressão da medula espinal.

Introduction

A compressão medular crônica é a causa mais comum de medula espinhal impairment1. Esta circunstância pode ser devido à ossificação longitudinal do ligamento do posterior, ao hematoma, ao herniation cervical do disco, à degeneração vertebral, ou aos tumores intraspinal2,3. A compressão crônica da medula espinal pode conduzir aos vários graus de deficits funcionais; Entretanto, há uns casos clínicos com compressão séria da medula espinal sem nenhuns sintomas e sinais neurológicos, assim como pacientes com compressão suave da medula espinal mas deficits neurológicos sérios4. Nestas circunstâncias, a imagem latente sensível é essencial avaliar a severidade da compressão e identificar a escala de dano.

MRI convencional desempenha um papel significativo na elucidatação da anatomia da medula espinhal. Esta técnica é geralmente utilizada para avaliar o grau de compressão devido à sua sensibilidade aos tecidos moles5. Muitos parâmetros podem ser medidos de MRI, tais como a intensidade de sinal do Sr., a morfologia do cabo, e a área espinal do canal. No entanto, a RM tem algumas limitações e apenas fornece informações qualitativas, em vez de resultados quantitativos6. Os pacientes com compressão crônica da medula espinal têm frequentemente mudanças anormais do sinal da intensidade de MRI. No entanto, as discrepâncias entre os sintomas clínicos e as alterações na intensidade da RM tornam difícil diagnosticar uma condição funcional baseada unicamente nas características da RM7. Estudos prévios destacam essa controvérsia em termos do valor prognóstico da hiperintensidade de RM T2 na coluna vertebral cord8. Dois grupos relataram que a hiperintensidade do T2 da medula espinhal é um parâmetro prognóstico desfavorável após a cirurgia para medula espinhal crônica compression8,9. Em contrapartida, alguns autores não encontraram associação significante entre as alterações do sinal T2eoprognóstico8,9. Chen et al. e Vedantam et al. dividiram hiperintensidades de RM T2 em duas categorias,correspondendo a diferentes desfechos prognósticos10,11. O tipo-1 mostrou beiras fracas, distorcido, indistintas, e esta categoria demonstrou mudanças histologic reversíveis. As imagens do tipo 2 apresentaram bordas intensas e bem definidas, que correspondiam a danos patológicos irreversíveis. As técnicas convencionais de RM T1/T2 não fornecem informações adequadas para identificar essas duas categorias e avaliar o prognóstico do paciente. Por outro lado, a DTI, uma técnica de imagem mais sofisticada, pode ajudar a obter informações prognósticas mais específicas por meio da detecção quantitativa de alterações microestruturais nos tecidos através da difusão de moléculas de água.

Nos últimos anos, DTI tem ganhou a atenção crescente devido a sua habilidade de descrever a microarquitetura da medula espinal. DTI pode medir o sentido e a magnitude da difusão da molécula de água nos tecidos. Os parâmetros DTI podem avaliar quantitativamente o dano neural em pacientes com compressão crônica da medula espinhal. A FA e o ADC são os parâmetros mais comumente aplicados durante a avaliação da medula espinhal. O valor da FA revela o grau de anisotropia para orientar as fibras axonais circundantes e descrever as fronteiras anatômicas12,13. O valor do ADC fornece informações sobre as características do movimento molecular em muitas direções em um espaço tridimensional e revela a média de diffusividades ao longo dos três eixos principais6,12. As alterações nesses parâmetros estão associadas a alterações microestruturais que influenciam a difusão da molécula de água. Conseqüentemente, os cirurgiões podem utilizar/medir parâmetros de DTI para identificar a patologia da medula espinal. O presente estudo fornece métodos e processos de DTI que fornecem informações prognósticas mais detalhadas para o tratamento de pacientes com compressão medular crônica.

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Protocol

O estudo foi aprovado pelo Comitê de ética médica local em Guangzhou First People ' s Hospital na China. Os formulários de consentimento livre e esclarecido foram recebidos de voluntários saudáveis e participantes antes da participação. Todos os estudos foram conduzidos de acordo com a declaração da associação médica mundial de Helsínquia.

1. preparação do assunto

  1. Assegure-se de que cada participante satisfaça os seguintes critérios para a compressão crônica da medula espinal: a) uma história da perda de função neurológica significativa, b) uma examinação física positiva do myelopathy, e c) evidência de MRI da compressão cervical do cabo.
    Nota: Os critérios de exclusão são a) incapacidade de fornecer consentimento por escrito e b) impossibilidade de obter parâmetros DTI de artefatos. Para os controles, os critérios de inclusão são a) nenhuma história de lesões significativas nas costas ou no pescoço, distúrbios neurológicos ou cirurgias de coluna vertebral; b) nenhuma evidência de MRI da compressão cervical do cabo.
  2. SK cada participante para completar e assinar um formulário de consentimento que lista as diretrizes de segurança de MRI e o protocolo de imagem. Especificamente, os pacientes com compressão crônica da medula espinal são examinados por MRI preoperatively e 1 ano postoperatively.
  3. tampões rovide para cada participante. Coloc os em uma posição supina com uma bobina da cabeça/garganta que circunda a região cervical, e um marco no nível da cartilagem do tiróide. Assegure-se de que cada participante esteja em uma posição confortável que reduza eficazmente o movimento.

2. parâmetros estruturais de MRI

Nota: Imagens anatômicas T1-weighted (T1 W), imagens de T2-weighted (T2 W), e DTI adquiridas em um varredor de 3 Tesla MRI com uma bobina principal de 16 canaletas.

  1. Use o eco de gradiente de perturbação rápido (FPGR) para a digitalização de localização para obter mapas de posição axial, sagital e coronal.
  2. Posicionar a linha de posicionamento sagital com os mapas da posição coronal para garantir que a linha de base de posicionamento seja paralela ao canal espinhal (medula espinhal); primeiro localize o plano sagital T2 W, em seguida, copie e cole a linha de posicionamento de T1 W sagital para a linha de posicionamento T2 W.
    1. Use os seguintes parâmetros de imagem para T1 W e T2 W imagem sagital: campo de visão (FOV) = 240 mm x 240 mm, tamanho do VOXEL = 1,0 mm x 0,8 mm x 3,0 mm, Gap fatia = 0,3 mm, espessura da fatia = 3 mm, número de excitação (NEX) = 2, dobra-sobre o sentido = pés/cabeça (FH) e tempo de eco (TE)/tempo de repetição (TR) = 10/700 ms (T1 W) e 101/2500 MS (T2 W). Obter nove imagens sagital cobrindo toda a medula espinhal cervical.
  3. Posicionar a linha de posicionamento axial na imagem sagital T2 W e cobrir o disco intervertebral de C2/3 a C6/7, centrando-se sobre o diâmetro ântero-posterior do espaço intervertebral. Use os seguintes parâmetros de imagem: FOV = 180 mm x 180 mm, tamanho do VOXEL = 0,7 mm x 0,6 mm x 3,0 mm, espessura da fatia = 3 mm, dobra-sobre a direção = anterior/posterior (AP), NEX = 2 e TE/TR = 120/3000 MS.
  4. Posicionar a linha de posicionamento axial na imagem sagital T2 W, centrando-se sobre o diâmetro ântero-posterior do espaço intervertebral, com 45 fatias cobrindo a medula espinhal cervical de C1 a C7.
    1. Obter DTI por meio da seguinte sequência: imagem de eco-planar de spin-Echo de um único tiro (SE-EPI) com 20 direções ortogonais. Direções de difusão não coplanares com valor b = 800 s/mm2.
    2. Use os seguintes parâmetros de imagem: FOV = 230 mm x 230 mm, matriz de aquisição = 98 x 98, resolução reconstruída = 1,17 x 1,17, espessura da fatia = 3 mm, dobra-sobre a direção = AP, NEX = 2, fator EPI = 98 e TE/TR = 74/8300 MS. forneça um curso de tempo Resumindo as etapas no protocolo de RM, como mostra a Figura 1.
      Nota: O curso de tempo que resume o protocolo de RM e DTI é mostrado na Figura 1.

3. postprocessing da imagem e índices da medida dos dados

  1. Transmita automaticamente todas as imagens de digitalização para o syngo MR B17. Carregue a imagem sagital e axial do T2 W do espaço intervertebral na interface de filmagem e encontre a porção mais comprimida da medula espinhal cervical.
  2. Na interface de visualização 2:1, carregue a imagem FA e clique na guia exibir posição: série . conte e registre o nível de compactação mais alta da parte superior para a parte inferior do mapa de localização.
  3. Clique na guia arquivo para selecionar a imagem do tensor, em seguida, use a barra de ferramentas de aplicativos no canto superior esquerdo da tela para selecionar neuro 3D (Mr) para criar automaticamente os mapas de cores ADC e FA.
  4. Gire para o nível do local de compressão mais alto e crie regiões esféricas de interesse (ROIs) de volumes idênticos (com um tamanho de 6 mm3) usando a guia modo de avaliação inicial . Os ROIs devem ser selecionados, incluindo a medula espinal interna para excluir os efeitos parciais do volume do líquido cerebrospinal (CSF).
  5. Calcule e exiba os valores de FA e ADC no canto inferior direito da tela automaticamente. Exiba os valores E1, E2 e E3 clicando na barra de ferramentas difusão e escolhendo-os.
    Nota: Todas as medidas foram realizadas por dois radiologistas cegos aos detalhes clínicos dos pacientes. Os resultados finais foram determinados como a média dos dois.
  6. Realize o processamento de imagens dos DataSets DTI usando uma estação de trabalho syngo MR B17 Advantage, seguindo as etapas da Figura 2.

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Representative Results

Este é um sumário dos resultados obtidos dos voluntários saudáveis e dos pacientes com myelopathy spondylotic cervical. O protocolo permitiu que o médico visualizou mapas DTI. Esta tecnologia poderia servir como uma medida objetiva para medir o status funcional em condições myelopathic. Os mapas DTI de voluntários saudáveis são mostrados na Figura 3. Os parâmetros de DTI de voluntários saudáveis foram os seguintes: FA = 0,661; ADC = 1, 6 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). Os mapas DTI de pacientes com compressão medular crônica são exibidos na Figura 4 e têm os seguintes parâmetros: FA = 0,605; ADC = 1,522 x 10-3 mm2/s; E1 = 2,731 x 10-3 mm2/s; E2 = 1, 58 x 10-3 mm2/s; E3 = 0,776 x 10-3 mm2/s (Figura 4). A imagem latente postoperative foi executada igualmente. A Figura 5 mostra os mapas DTI de pacientes com compressão medular crônica submetidos à cirurgia. Os parâmetros DTI são os seguintes: 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 : Curso do tempo do protocolo clínico de MRI. Primeiramente, a seqüência de FSPGR foi selecionada para a exploração da localização, e então a recuperação rápida do eco rápido da rotação foi executada para adquirir as imagens sagital do T2 w e do T1 W e imagens axiais de T2 W. Finalmente, o DTI foi realizado utilizando-SE o Single-Shot SE-EPI com 20 direções ortogonais. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Fluxograma das etapas envolvidas no processamento de DTI. Fluxograma mostrando quatro etapas de pós-processamento DTI com uma estação de trabalho. Primeiramente, adquira MRI convencional e DTI na estação de trabalho. Então, encontre o local da compressão a mais elevada baseada em imagens convencionais de MRI. Finalmente, realize o cálculo do tensor. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : MRI sagital e axial e DTI em um voluntário saudável. (A) RM sagital T1 w. (B) RM sagital T2 w. (C) RM axial T2 w. (D) fa. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 : MRI sagital e axial e DTI em um paciente com compressão crônica da medula espinal. (A) RM sagital T1 w. (B) RM sagital T2 w. (C) RM axial T2 w. (D) fa. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5 : MRI sagital e axial e DTI em um paciente com compressão crônica da medula espinal após a cirurgia. (A) RM sagital T1 w. (B) RM sagital T2 w. (C) RM axial T2 w. (D) fa. (E) ADC. (F) E1. (G) E2. (H) E3. Estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

MRI convencional é usado geralmente para avaliar o prognóstico dos pacientes com várias circunstâncias da espinha. Entretanto, esta modalidade da imagem latente fornece o detalhe anatômico macroscópico um pouco do que a avaliação da microestrutura14, que limita a predição da função neurológica. Além disso, MRI tradicional pode subestimar a severidade e a extensão de dano da medula espinal. O surgimento de DTI pode ajudar os cirurgiões a avaliar a função da medula espinhal com mais precisão, fornecendo informações quantitativas sobre a difusão da molécula de água.

No presente estudo, um referencial metodológico foi descrito para demonstrar a aplicação de parâmetros de DTI em pacientes com compressão medular crônica. A DTI é uma técnica sensível para medir a magnitude da direção e difusão das moléculas de água nos tecidos15. Os cirurgiões podem avaliar quantitativamente os danos neurais em várias patologias da medula espinhal avaliando os parâmetros de DTI. Neste protocolo, nós extraimos manualmente Rois em fatias axiais porque o software dedicado existente para a segmentação automática do CSF e do mielina não é adequado para a medula espinal. A área transversal da medula espinal pequena é uma limitação principal para aplicar eficazmente a segmentação automática. Selecionamos ROIs no local de compressão mais grave. ROIs deve incluir a medula espinal interna para eliminar os efeitos parciais do volume do CSF. Além disso, o processamento de DTI deve reduzir os efeitos de fatores artifactuais como artefatos de distorção geométrica relacionados ao EPI e artefatos de correntes parasitas. As opções disponíveis do pacote de software podem ajudar os operadores a obter informações úteis, dependendo da orientação do gradiente de difusão-ponderação e da correção de correntes parasitas separadas. A varredura convencional de MRI no presente estudo aplicou uma seqüência rápida do girar-eco para fornecer mais informação da imagem. A corrente mais longa do eco e o intervalo menor do eco foram projetados especificamente minimizar artefatos criados pela Instrumentação espinal. Selecionamos um curto tempo de eco, banda de frequência de leitura ampla e pequenos voxels para reduzir artefatos. FA e ADC são comumente usados parâmetros DTI nas medições da medula espinhal. A FA representa o grau de anisotropia em uma faixa de 0 a 1. Valores de FA mais próximos de 1 indicam anisotropia de tecido elevado13. O ADC está relacionado ao valor médio das diffusividades nos três eixos principais, e sua mudança é consistente com o processo de lesão tecidual histopatológica6. O presente trabalho confirmou que a compressão da medula espinhal crônica pode resultar em diminuição da FA e aumento dos valores de ADC, conforme relatado anteriormente12. A compressão da medula espinhal crônica pode causar dano isquêmico recorrente à medula espinhal e produzir alterações histopatológicas nas fibras nervosas a jusante, como angioedema, gliose, perda de função do neurótico e, eventualmente, necrose16. No presente trabalho, essas alterações acima mencionadas foram claramente visualizadas no DTI.

O DTI pode servir como uma ferramenta para avaliar a melhoria funcional e fornecer informações prognósticas valiosas. Estudos prévios demonstraram que a alta FA pré-operatória pode estar relacionada à melhor recuperação funcional neural após a cirurgia17. Kerkovsky et al. relataram que pacientes com mielopatia espondiloótica cervical sintomática apresentaram maiores valores de ADC e menores valores de FA comparados àqueles que não apresentavam sintomas relevantes, mas apresentavam evidência radiológica de compressão do cordão umbilical18. Em um estudo precedente de um modelo crônico do rato da compressão da medula espinal, os parâmetros de DTI foram associados com as condições patológicas da medula espinal. É importante ressaltar que a DTI pode avaliar quantitativamente o estado funcional da medula espinhal16. Uma análise de 66 pacientes com compressão da medula espinhal crônica também mostrou que os parâmetros de DTI estavam relacionados à taxa de recuperação da Associação ortopédica japonesa de pacientes com compressão da medula espinhal crônica, e ADC, difusividade média, diffusividade radial e os valores de diffusividade axial podem refletir comprometimento neurológico e ser úteis para avaliar o prognóstico pós-operatório19. Comparado com o MRI convencional, o DTI é uma ferramenta quantitativa útil para medir o potencial recuperação da medula espinal.

Houve algumas limitações para este estudo. Em primeiro lugar, a resolução espacial adequada ainda é difícil de alcançar. Artefatos de movimento, decorrentes do movimento respiratório e cardíaco e da pulsação do LCR, podem produzir efeitos ruins na DTI, especialmente no cordão cervical inferior e no cordão torácico20. A corrente mais longa do eco e o intervalo menor do eco foram projetados especificamente minimizar artefatos criados pela Instrumentação espinal. Neste protocolo, selecionamos um curto tempo de eco, banda de frequência de leitura ampla e pequenos voxels para reduzir artefatos. Além, era difícil distinguir entre a matéria branca e cinzenta em DTI com um sistema de 3 Tesla Sr.21, que signifique que a matéria cinzenta e branca pôde ser incluída no Rois. Isso poderia influenciar significativamente as medições de parâmetros DTI. A quantificação baseada em ROI pode levar a uma identificação tendenciosa do trato causado pela experiência do usuário e pelo conhecimento anatômico. Esta aproximação manual da delineação pode ser tediosa e demorada, especial se há diversas fatias, intervalos, e assuntos da medula espinal. ROIs deve ser selecionado na medula espinal interna para excluir efeitos parciais do volume por causa do CSF. Métodos úteis para segmentar regiões de matéria cinzenta e branca e discernir ROIs disponíveis e eficazes são necessários em estudos futuros.

Em síntese, este referencial metodológico demonstra a aplicação de parâmetros de DTI na compressão da medula espinhal crônica. DTI fornece uma medida do sentido molecular da água e da magnitude da difusão nos tecidos. Os cirurgiões podem usar esta técnica sensível para avaliar quantitativamente dano neural em várias patologias da medula espinal.

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Disclosures

Os autores não têm nada a divulgar.

Acknowledgments

Este estudo foi apoiado pelo projeto da ciência e da tecnologia de Guangzhou de China (no. 201607010021) e da Fundação da ciência da natureza de 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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