MRI 上光学神经横截面区域的量化:使用斐济软件的新协议

我们使用 MRI、使用广泛可用的成像序列和打开图像分析访问软件，为光学神经评估和量化的标准化方法提供了详细的协议。遵循这一标准化协议将为不同患者和不同研究之间的比较提供有意义的数据。

视神经评估是青光眼诊断和随访的一个重要方面。该项目描述了使用 3 T MRI 进行图像采集的光学神经横截面评估和量化统一方法的协议，以及 ImageJ 的斐济图像处理量化软件。图像采集使用 3 T MRI 进行，为患者提供适当的指示，以确保成像过程中的直固定。使用了T2加权脂肪抑制序列。在地球后面3毫米处和垂直于视神经轴的日冕切口应上传到软件中。利用阈值函数，选择和量化视神经的白质区域，从而消除个体间测量偏差。我们还根据先前出版的文献，根据年龄描述了视神经横截面区域的正常极限。我们使用描述的协议来评估疑似青光眼患者的视神经。发现视神经横截面区域在正常限度内，这一发现通过视神经的光学连贯断层扫描进一步得到证实。

青光眼是一种视神经病变，被认为是不可逆转的失明的最常见原因^1。尽管如此，它在病理生理学和诊断方面仍然知之甚少，没有建立诊断²的单一标准参考。根据国家健康与护理卓越研究所（NICE）的诊断，原发性开角青光眼（POAG）的诊断需要多个领域的评估，包括光学光盘评估基金考试或光学相干断层扫描（OCT）成像，视觉场评估和眼内压力测量^3。诊断青光眼背后的理念是建立进展视神经病变的存在，这可以在10月⁴日量做。在这方面，MRI也可用于视神经评估和其白质区域⁵的量化，但要使之在临床上有意义，用于视神经白质量化的方案需要标准化。此外，协议还应适应个体间的变化，一个因素，可能会影响不同疾病的准确性^6。

青光眼的视神经评估通过眼科成像进行最佳评估，包括OCT，其中对视神经最前的部分（例如视盘）进行评估。另一方面，使用MRI进行视神经评估通常评估视神经在距离地球不同距离的逆光棒部分。几项研究发现，使用OCT和MRI^7，8的光学盘评估之间有很强的相关性。然而，对于核磁共振成像的视神经评估和定量，仍然没有统一的协议。概述核磁共振成像上的视神经边界已被用来量化其横截面区域^5。但是，此方法具有相当大的中间利率变异性，因为它需要由经验丰富的评分员完成，并且需要相当长的时间来概述。当前项目的目的是提供一个协议，为光学神经横截面评估和量化的统一方法提供一个协议，使用3T MRI进行图像采集，图像采集和图像J的斐济软件进行图像处理和量化。

以下研究得到了约旦大学医院研究委员会和机构审查委员会的批准。以下协议将描述用于获取 MRI 图像的成像技术，然后使用斐济软件进行图像处理和视神经定量。

1. MRI 图像采集

注:MR 图像采集使用 3 特斯拉 （3 T） MRI 执行多平面 T2 加权脂肪抑制序列 （材料表） 完成。

1. 向患者充分解释检查情况。以下内容包括需要向患者提及的说明和解释。
   1. 向患者解释，他们需要换衣服，穿一件特殊的长袍进行成像。
   2. 让患者去除任何磨损的眼线笔，因为它可以产生文物（特别是在3T），由于氧化钛颜料的电导率。
   3. 确保患者没有任何禁忌症执行 MRI 成像^9:
      1. 询问患者有关任何金属材料，可能包括面罩、穿孔、假肢、磁性牙科植入物、脑动脉瘤夹。
      2. 询问患者有关金属内异物。为此，询问患者是否焊接了没有适当的防护装备。
      3. 询问患者任何植入设备可能与 MRI 不兼容，包括心脏起搏器和胰岛素泵、镇痛药或化疗泵。除此之外，耳蜗/耳植入物、植入神经刺激系统、植入神经刺激系统、金属成分导管都是禁忌症。
      4. 询问患者体内留下的金属异物。这包括子弹、猎枪弹丸和金属弹片
      5. 询问患者有关任何手术夹或线缝合，关节置换或假肢，劣质静脉卡瓦（IVC）过滤器，眼部假肢，支架，或宫内装置。
      6. 询问患者过去 6 周是否纹身了。
      7. 询问患者在过去八周内是否接受了结肠镜检查。
      8. 由于 MRI 机器的空间有限，请询问患者是否有幽闭恐惧症。
         注:高体重指数 （BMI） 的患者可能会遇到困难。
   4. 向患者解释，检查预计需要 15 分钟，患者需要保持静止状态。
2. 完成说明并确保患者完全理解检查后，获得签名同意。
3. 在 MRI 图像采集过程中，将患者苏平放在 MRI 机器中，并在成像过程中固定在直靶上，无需任何头部运动。对于视力不佳的患者，使用声音刺激来优化固定。更全面的固定方法包括闭上一只眼睛，以改变颜色的 LCD 屏幕的形式集中使用固定目标，以及使用眼部润滑剂。
4. 确保患者在 MRI 机器中需要什么时，可以按下挤压按钮。虽然可以使用头线圈，但眼线圈和轨道线圈可能更适合眼部成像。
5. 输入图像采集的以下参数:T2 加权脂肪抑制序列（TR = 3000 毫秒;TE = 90 毫秒;TE = 100;视野 = 16 厘米×16 厘米;矩阵 = 296*384;切片厚度 = 3 毫米;切片间隙 = 0.3 毫米）。分析的最后图像是地球后面3毫米的斜冠状图像。需要注意的是，虽然 T2 加权脂肪抑制序列通常用于视神经成像，但可以使用其他序列，包括 T2 快速自旋回声成像。
6. 以视神经矫形器（即垂直）的日冕切口到地球后部3毫米的神经。使用横向和斜视斜斜平面中的侦察图像，以确保最佳的视神经方向和视神经球结位置。
7. 评估视神经周围CSF分布的凝视固定质量，在视神经周围应均匀分布，四面厚度几乎相等。
8. 重复这个过程，为另一侧的视神经成像。

2. 图像分析

1. 从（https://imagej.net/Fiji）下载斐济图像处理包。
2. 通过单击菜单栏 中的文件 ，然后 打开按钮 ，将视神经的日冕图像上传到 ImageJ 斐济软件进行分析。选择要处理的日冕图像。在传输过程中，将图像传输到斐济软件而不丢失图像质量，因为图像质量损失将导致不可靠的图像分析结果。
3. 通过在地图刻度上绘制一条直线来指定每个长度单位的像素数来标准化刻度。然后从分析菜单栏中选择"设置规模"。用适当的长度（即大部分是毫米）指定地图刻度上显示的线的长度。
4. 使用图像菜单将图像转换为灰度，然后选择 类型 和 8 位。
5. 量化白质像素的强度范围。
   1. 使用拉索选择工具（插件|细分|拉索工具），选择足够的白质区域，确保在选择过程中不包括灰质区域。我们发现，总共选择的白质面积约为1000像素就足够了。使用 分析 和 测量 工具量化所选区域。
6. 从分析菜单中显示直方图工具，该工具显示所选白质区域中像素强度的分布。单击"实时"框以确保直方图评估所选区域。直方图上的图形应显示强度的正常分布。
7. 计算白质强度范围如下:
   下限 = 平均强度 - （3* 标准偏差）
   上限 = 平均强度 = （3* 标准偏差）
8. 从图像菜单打开阈值工具，然后打开调整功能。指定从上一步计算的范围。仅勾选深色背景功能，并从掉落列表中指定黑白注释B&W，然后单击应用。光学光盘中存在的白质面罩将出现。
9. 使用拉索选择工具（插件|细分|拉索工具），选择代表光学光盘的黑色区域。
10. 使用分析菜单栏中的测量功能，该菜单栏将计算以毫米为阈值函数标记的区域。

一名30岁男病人接受眼科检查的杯盘比为0.8（图1A），这令人怀疑，可能暗示青光眼。在为神经纤维层厚度进行光学连贯断层扫描时，我们发现神经厚度在正常年龄限制内（图1B）。患者被安排在轨道MRI，在那里根据上述协议订购和执行视神经评估的日冕切口。

我们获得了日冕核磁共振成像切割，在光学光盘后面3毫米。白质平均强度为94.372（SD 7.085），导致白质强度范围为:

下限 = 94.372 - 21.255 = 73.117

上限 = 94.372 = 21.255 = 115.627

图2显示日冕图像（图2A），使用计算的上下限（图2B）应用白质阈值后的日冕图像，以及用于量化的视神经白质（图2C）。左视神经白质的横截面面积为6.9毫米2（0.069厘米^2），这在他的年龄的正常限度内，如表1所示。

图1:Fundus图像显示高杯对碟比，这可能暗示青光眼（A）。神经纤维层 （NFL） 的光学连贯断层扫描显示正常限度内的 NFL（B）。请单击此处查看此图的较大版本。

图2:冠状T2加权脂肪抑制MRI图像获得垂直于视盘后面3毫米的视神经（A）。应用预先计算的阈值范围（B）后，相同的日冕切口。视神经白质（C）。请单击此处查看此图的较大版本。

表1显示了使用来自地球的MRI 3mm的视神经横截面直径的正常范围，如先前的研究所发现的那样。

我们描述了一个协议，以评估和量化视神经白质，可用于青光眼患者评估。该协议使用广泛可用的成像序列进行图像采集，并使用开源斐济软件进行图像分析。我们标准化了以前在视神经图像采集中发现最准确和高度可重复的图像参数，包括要求患者直接固定在前面，使用带有脂肪抑制序列的 T2，以及捕获地球后面 3 mm 的横截面区域。此外，我们描述了一个详细的图像分析方法，消除手动分割，并纠正患者之间的信号变异性。此协议的重要性在于，它消除了放射科医生在兴趣区 （ROI） 分割方面的变异，这通常是 MRI¹²视神经评估错误的主要来源。虽然我们试图提供规范数据的视神经横截面区域与表1，进一步的数据使用标准协议描述需要在临床设置的使用和比较。这些数据需要适应不同的年龄组，由于年龄变化的视神经大小，如表1所示。这种差异在¹⁵岁男女之间并不明显，但最近有人建议出现折射错误^16。

先前的研究应用了不同的光学神经白质定量方法，他们主要使用工作站中的软件进行图像分析。视神经评估的初步研究采用基于横截面的量化方法，使用技术人员或放射科医生^12、17的手动分割方法。王等人还利用与地球不同距离的视神经横截面区域的手动分割与^OCT11相关。Omodaka等人利用日冕切口上的平均横截面面积和视神经从圆盘到轴向切口的光学角膜的长度，通过手动注释提取视神经与OCT⁸相关性指标。尽管与OCT相关，但这种方法的可重复性可能不会产生视神经纵向评估所需的精度。Ramli等人通过手动分割所有轴向部分⁵的同位素强化信号来量化视神经的体积，这种方法可能会错过轴向部分本身未捕获的视神经物质、图像手动分割过程中的人为错误，甚至在确定视神经长度时也包含在量化评估中。

虽然不同的研究使用了对视神经横截面区域的评估，但他们在距离地球的测量距离上有所不同。王等人评估了地球后面的3毫米、9毫米和15毫米，发现3毫米横截面评估与眼内压力¹¹的相关性最高。Büerle等人分析了在地球后面3毫米和5毫米的MRI上对视神经的可重复性评估，结果发现这两^种情况都进行了很好的评估。Lagréze等人测量了地球后面5毫米、10毫米和15毫米的横截面区域，发现与距离地球¹⁷更远的测量相比，5毫米横截面区域的横截面评估最为准确。在这个协议中，我们使用3T MRI进行图像采集，在视神经评估中的使用以前被发现优于1.5T MRI^18，19。日益使用的 7 T MRI 也可能提供卓越的结果，但也需要其规范值。关于使用的MRI序列，我们使用T2脂肪抑制序列，主要是因为其广泛的可用性和它固有的能力，以描绘周围的视神经CSF后，消除周围的腹内脂肪。先前的研究使用了其他具有可靠结果的序列，包括半四枪涡轮旋转回声（HASTE）序列和扩散张力成像（DTI）序列^7，12，这可能不广泛提供。

在图像采集过程中需要考虑的一个重要方面是确保患者固定在直靶上，因为在成像过程中固定非直目标会产生一个不精确的视神经定量^12。OCT 中的固定是近距离目标上的单眼，需要评估患者眼睛良好的视觉敏锐度，以便用一只眼睛观察近目标，而对于 MRI，目标更远，固定是双筒望远镜，并且需要更少的视觉需求。然而，对于折射错误或视力不佳的患者来说，固定可能仍然是一个问题。虽然使用 MRI 来评估和跟踪青光眼患者在存在低成本、更简单的成像技术（包括 OCT）的情况下可能不可行，但在 OCT 不提供最终数据的特殊情况下，MRI 可能很有用，或者无法获得 OCT 本身，例如存在显著的眼部中位不透明。此外，当MRI成像在不明原因的视神经病变的情况下排除次要原因^20，21时^，可以使用上述协议。

该协议的主要限制之一是无法评估无法正确固定的患者，包括双眼视力不佳的患者。在这方面，使用声音刺激将提高^{图像采集过程中}的固定质量。此外，作为一种新的方法，需要未来的研究来描绘基于MRI的视神经白质横截面区域的正常值。建立正常值的重要性进一步强调的事实，视神经也由大量的结缔组织²³组成，这种组织没有与神经纤维类似的功能能力。虽然 OCT 中视神经纤维层厚度的量化可能会由于在^{量化过程中加入}结缔组织而造成还押神经组织的虚假印象，但这种基于 MRI 的量化方法中不存在这种错误印象。运动器件也可能导致图像模糊，尤其是在考试期间眼睛运动时。虽然在成像过程中应避免，但确定白质范围将减少此类文物对视神经白质定量精度的影响，因为运动伪子对大脑白质的影响几乎与视神经的白质类似。

现行协议的主要优点是消除视神经定量过程中的个体间差异，即使由非专业医生或技术人员执行。此外，它还使用广泛可用的开源软件进行图像分析。虽然为视神经定量进行专门的 MRI 成像是不可行的，特别是在 OCT 存在的情况下，但建议在 MRI 成像过程中执行此协议，用于其他目的，包括排除视神经病变和青光眼的次要原因。

所有作者都声明没有利益冲突。

我们要感谢法里斯·哈达德和哈桑·艾尔-伊萨在视频拍摄和开发方面作出的重要贡献。