Диффузия тензора магнитно-резонансная томография при хроническом сжатии спинного мозга

Здесь мы представляем протокол для применения параметров визуализации тензора диффузии для оценки сжатия спинного мозга.

Хроническое сжатие спинного мозга является наиболее распространенной причиной нарушения спинного мозга у пациентов с нетравматичным повреждением спинного мозга. Традиционная магнитно-резонансная томография (МРТ) играет важную роль как в подтверждении диагноза, так и в оценке степени сжатия. Однако, анатомические детали, предоставляемые обычными МРТ не достаточно, чтобы точно оценить повреждения нейронов и/или оценить возможность восстановления нейронов в хронических пациентов сжатия спинного мозга. В противоположность этому, Визуализация тензора диффузии (DTI) может обеспечить количественные результаты в соответствии с выявлением молекулы воды диффузии в тканях. В настоящем исследовании, мы разрабатываем методологические рамки для иллюстрации применения DTI в хронической болезни сжатия спинного мозга. DTI дробной аноизотропии (FA), очевидные коэффициенты диффузии (ADCs), и эйгенвекторные значения полезны для визуализации микроструктурных патологических изменений спинного мозга. Уменьшенная FA и увеличения в ADCs и eigenвекторных значениях наблюдались в хронических пациентах сжатия спинного мозга сравненных к здоровому управлению. DTI может помочь хирурги понимают серьезность травмы спинного мозга и предоставить важную информацию о прогнозе и нейронные функциональные восстановления. В заключение, этот протокол обеспечивает чувствительный, подробный, и неинвазивный инструмент для оценки сжатия спинного мозга.

Хроническое сжатие спинного мозга является наиболее распространенной причиной спинного мозга impairment1. Это условие может быть связано с задней продольной связки окостенение, гематомы, шейки грыжи диска, дегенерация позвонков, или внутрипозвоночных опухолей^2,3. Хроническое сжатие спинного мозга может привести к различным степеням функциональных дефицитов; Однако, есть клинические случаи с серьезным сжатием спинного мозга без каких-либо неврологических симптомов и признаков, а также пациентов с мягким сжатием спинного мозга, но серьезный неврологический дефицит⁴. В этих условиях, чувствительные изображения имеет важное значение для оценки сжатия тяжести и определить диапазон повреждений.

Традиционная МРТ играет важную роль в объясне анатомии спинного мозга. Этот метод обычно используется для оценки степени сжатия из-за его чувствительности к мягким тканям⁵. Многие параметры могут быть измерены с МРТ, такие как интенсивность сигнала MR, морфология шнура, и область позвоночного канала. Однако, МРТ имеет некоторые ограничения и только обеспечивает качественную информацию, а не количественные результаты⁶. Пациенты с хроническим сжатием спинного мозга часто имеют аномальные изменения сигнала интенсивности МРТ. Однако расхождения между клиническими симптомами и изменениями интенсивности МРТ делают трудным диагностировать функциональное состояние, основанное исключительно на характеристиках МРТ⁷. Предыдущие исследования подчеркивают этот спор с точки зрения прогностического значения гиперинтенсивности МРТ Т2 в спинном cord8. Две группы сообщили, что гиперинтенсивности Т2 спинного мозга является плохим прогностическим параметром после операции для хронического спинного мозга compression8, 9. В противоположность этому, некоторые авторы не обнаружили существенной взаимосвязи между изменениями сигнала Т2 и прогнозом^8,9. Chen et al. и Ведантам и др. разделенный МРТ Т2 гиперинтенсивностей в две категории, соответствующие разным прогностическим результатам^10,11. Тип 1 показал слабые, нечетких, невнятные границы, и эта категория продемонстрировала обратимые гистологические изменения. Изображения типа 2 представлены интенсивными, четко определенными границами, которые соответствовали необратимому повреждению патологического характера. Традиционные методы Т1/Т2 МРТ не предоставляют адекватной информации для определения этих двух категорий и оценки прогноза пациента. В противоположность этому, DTI, более изощренная техника визуализации, может помочь получить более конкретную прогностическую информацию путем количественного обнаружения микроструктурных изменений в тканях с помощью диффузии молекул воды.

В последние годы, DTI привлек все большее внимание благодаря своей способности описывать микроархитектуру спинного мозга. DTI может измерять направление и величину диффузию молекул воды в тканях. DTI параметры могут количественно оценить нервные повреждения у пациентов с хроническим сжатием спинного мозга. FA и АЦК являются наиболее часто применяются параметры во время оценки спинного мозга. Значение FA показывает степень анизотропии для ориентируем окружающие аксональные волокна и описывают анатомические границы^12,13. Значение АЦЦ предоставляет информацию о характеристиках молекулярного движения во многих направлениях в трехмерном пространстве и раскрывает среднее диффузимы вдоль трех главных осей^6,12. Изменения в этих параметрах связаны с микроструктурными изменениями, которые влияют на диффузию молекул воды. Таким образом, хирурги могут использовать/измерить параметры DTI для выявления патологии спинного мозга. Настоящее исследование содержит методы и процессы DTI, которые предоставляют более подробную прогностическую информацию для лечения пациентов с хроническим сжатием спинного мозга.

Исследование было одобрено местным комитетом медицинской этики в госпитале первой народной больницы Гуанчжоу в Китае. Подписанные формы информированного согласия были получены от здоровых добровольцев и участников до участия. Все исследования проводились в соответствии с Декларацией Хельсинкской Всемирной медицинской ассоциации.

1. Подготовка предмета

1. Убедитесь, что каждый участник соответствует следующим критериям для хронического сжатия спинного мозга: а) история потери значительной неврологической функции, б) положительный миелопатии физическое обследование, и с) МРТ доказательства цервикального сжатия пуповины.
   Примечание: Критерии исключения являются a) неспособность предоставить письменное согласие и б) невозможность получения DTI параметров артефактов. Для элементов управления, критерии включения являются) нет истории значительных спины или шеи травм, неврологических расстройств или хирургии позвоночника; б) нет МРТ доказательств цервикального сжатия пуповины.
2. SK каждого участника для завершения и подписать форму согласия, что списки МРТ руководящие принципы безопасности и изображений протокола. В частности, пациенты с хроническим сдавливанию спинного мозга рассматриваются МРТ в предоперационном периоде и 1 год после операции.
3. ротовидно Беруши для каждого участника. Поместите их в лежачем положении с головой/шеей катушки вмещающих шейки области, и ориентир на уровне хряща щитовидной железы. Убедитесь, что каждый участник находится в удобном положении, что эффективно снижает движение.

2. структурные параметры МРТ

Примечание: Анатомические T1-взвешенные (T1 W) изображения, Т2-взвешенные (Т2 W) изображения, и DTI приобретенные на 3 Тесла МРТ сканер с 16-канальной головой катушки.

1. Использовать градиент эхо быстрого возмущения (АПС) для локализации сканирования для получения осевой, сагиттальной и корональной карт положения.
2. Позиция сагиттальная позиционирование линии с корональных карт позиции для обеспечения того, чтобы определить базовую линию параллельно спинномозговой канал (спинной мозг); сначала найдите сагиттальной плоскости Т2 W, затем скопировать и вставить сагитталь T1 W позиционирования линии к линии позиционирования Т2 W.
   1. Используйте следующие параметры визуализации для T1 W и Т2 W сагиттальной визуализации: поле зрения (ФЗ) = 240 мм х 240 мм, воксельный размер = 1,0 мм х 0,8 мм х 3,0 мм, срез разрыв = 0,3 мм, толщина ломтик = 3 мм, количество возбуждения (НЕКС) = 2, складка-направление = футов/головка (ВВ) и время эхо (TE)/время повторения (TR) = 10/700 мс (T1 W) и 101/2500 мс (Т2 W). Получить девять сагиттальной изображения, охватывающих весь шейный спинной мозг.
3. Расположение осевой линии позиционирования на сагиттале Т2 W изображение и крышка межпозвоночного диска от С2/3 до С6/7, центрирующий на передне-заднем диаметре межпозвоночного пространства. Используйте следующие параметры визуализации: ФЗ = 180 мм х 180 мм, воксельный размер = 0,7 мм х 0,6 мм х 3,0 мм, толщина ломтик = 3 мм, складное направление = передний/задний (AP), Некс = 2, и TE/TR = 120/3000 МС.
4. Расположение осевой линии позиционирования на сагиттале Т2 W изображение, центрирование на передне-заднем диаметре межпозвоночного пространства, с 45 ломтиками, охватывающих шейный спинной мозг от С1 до С7.
   1. Получить DTI через следующую последовательность: один выстрел спин-эхо Эхо-Planar визуализации (SE-эпи) с 20 ортогональных направлениях. Неcoplanar диффузионные направления с b-значением = 800 s/mm².
   2. Используйте следующие параметры визуализации: ФЗ = 230 мм х 230 мм, матрица приобретения = 98 x 98, восстановленный разрешение = 1,17 x 1,17, толщина ломтик = 3 мм, складное направление = AP, Некс = 2, фактор эпи = 98, и TE/TR = 74/8300 MS. обеспечить время курса, суммируя шаги в протоколе МРТ, как показано на рисунке 1.
      Примечание: На рисунке 1показан временной курс, в котором кратко ПОКАЗАНЫ протокол МРТ и DTI.

3. индексы постобработки изображения и измерения данных

1. Автоматически передать все сканирующие изображения на Syngo г B17. Загрузите Т2 W сагитталь и осевой визуализации межпозвоночного пространства в съемках интерфейса и найти наиболее сжатой части шейного спинного мозга.
2. В интерфейсе 2:1 просмотра загрузите изображение FA и нажмите на дисплей позиции: вкладка серии. Подсчитайте и запишите уровень самого высокого сжатия сверху вниз по карте расположения.
3. Щелкните на вкладке файла , чтобы выбрать изображение тенсора, а затем использовать панель инструментов приложений в левом верхнем экране, чтобы выбрать нейро3d (MR) для автоматического создания АЦК и FA.
4. Поверните на уровень самого высокого места сжатия и создайте сферические области интересов (ROIs) одинаковых объемов (с размером 6 мм³) с помощью режима оценки начала Tab. ROIs должны быть выбраны, в том числе внутренний спинной мозг, чтобы исключить частичное воздействие объема спинномозговой жидкости (ЛИКВОРА).
5. Автоматически рассчитать и отобразить значения FA и АЦБД в правом нижнем углу экрана. Отображение значений Е1, Е2 и E3, нажав на панель инструментов диффузии и выбрав их.
   Примечание: Все измерения были выполнены двумя рентгенологами, слепыми к клиническим деталям пациентов. Окончательные результаты были определены как среднее 2.
6. Выполните обработку изображений наборов данных DTI с использованием рабочей станции Syngo MR B17, следуя шагам на рисунке 2.

Это краткое изложение результатов, полученных от здоровых добровольцев и пациентов с цервикальной спондилопатии. Протокол позволил врачу Просмотреть карты DTI. Эта технология может служить объективной мерой для измерения функционального состояния в миелопатогенных условиях. Карты здоровых волонтеров DTI показаны на рисунке 3. Параметры DTI здоровых добровольцев были следующими: FA = 0,661; АЦЦ = 1,006 х 10^-3 мм²/s; Е1 = 1,893 х 10^-3 мм²/s; Е2 = 0,746 х 10^-3 мм²/s; E3 = 0,377 x 10^-3 мм²/s (Рисунок 3). DTI карты хронических пациентов сжатия спинного мозга отображаются на рисунке 4 и имеют следующие параметры: FA = 0,605; АЦЦ = 1,522 х 10^-3 мм²/s; Е1 = 2,731 х 10^-3 мм²/s; Е2 = 1,058 х 10^-3 мм²/s; E3 = 0,776 x 10^-3 мм²/s (Рисунок 4). Также выполнялась послеоперационная визуализация. На рисунке 5 показаны карты DTI пациентов с хроническим сжатием спинного мозга, которые подверглись хирургической операции. Параметры DTI следующие: FA = 0,616; АЦЦ = 1,210 х 10^-3 мм²/s; Е1 = 2,190 х 10^-3 мм²/s; Е2 = 0,858 х 10^-3 мм²/s; E3 = 0,582 x 10^-3 мм²/s (Рисунок 5).

Рисунок 1 : Время курса КЛИНИЧЕСКОГО МРТ протокола. Во-первых, последовательность FSPGR была выбрана для сканирования локализации, а затем быстрое восстановление быстрого спина эхо было выполнено для приобретения сагитталь Т2 W и T1 W изображений и осевых Т2 W изображений. Наконец, DTI был выполнен с использованием одного выстрела SE-РПИ с 20 ортогональных направлениях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Рисунок 2 : Блок-схема шагов, участвующих в обработке DTI. Блок-схема, показывающая четыре шага постобработки DTI с рабочей станцией. Во-первых, приобретать обычные МРТ и DTI в рабочей станции. Затем найдите место наивысшего сжатия на основе обычных МРТ-изображений. Наконец, выполните расчет тензора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Рисунок 3 : Стрельца и осевой МРТ и DTI в здоровых добровольцев. А) сагиттальная МРТ T1 w. (B) Стрельца МРТ Т2 w. (C) осевой МРТ Т2 w. (D) FA. E) ацр. F) Е1. (G) Е2. (H) E3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Рисунок 4 : Сагитталь и осевой МРТ и DTI у пациента с хроническим сжатием спинного мозга. А) сагиттальная МРТ T1 w. (B) Стрельца МРТ Т2 w. (C) осевой МРТ Т2 w. (D) FA. E) ацр. F) Е1. (G) Е2. (H) E3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Рисунок 5 : Сагитталь и осевой МРТ и DTI у пациента с хроническим сжатием спинного мозга после операции. А) сагиттальная МРТ T1 w. (B) Стрельца МРТ Т2 w. (C) осевой МРТ Т2 w. (D) FA. E) ацр. F) Е1. (G) Е2. (H) E3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.

Обычная МРТ обычно используется для оценки прогноза пациентов с различными заболеваниями позвоночника. Однако этот механизм визуализации обеспечивает макроскопические анатомические детали, а не оценку микроструктуры¹⁴, что ограничивает прогнозирование неврологических функций. Кроме того, традиционная МРТ может недооценивать тяжесть и степень повреждения спинного мозга. Возникновение DTI может помочь хирурги оценить функцию спинного мозга более точно, предоставляя количественную информацию о молекуле воды диффузии.

В настоящем исследовании была описана методологическая основа, демонстрирующие применение параметров DTI у пациентов с хроническим сжатием спинного мозга. DTI является чувствительным методом для измерения направления и диффузии величины молекул воды в тканях¹⁵. Хирурги могут количественно оценить нервные повреждения при различных патологиях спинного мозга, оценивая параметры DTI. В этом протоколе, мы вручную обратил ROIs на осевой ломтики, потому что существующие специализированные программы для автоматической сегментации спинномозговой жидкости и миелина не является достаточным для спинного мозга. Небольшая область поперечного сечения спинного мозга является основным ограничением для эффективного применения автоматической сегментации. Мы выбрали ROIs в самом серьезном месте сжатия. ROIs должен включать внутренний спинной мозг для устранения частичного эффекта объема СМЖ. Кроме того, обработка DTI должна уменьшить эффекты артифактологических факторов, таких как артефакты, связанные с геометрическим искажением и вихревыми текущими артефактами. Доступные опции программного пакета могут помочь операторам получить полезную информацию в зависимости от ориентации градиента диффузии-взвешивания и отдельной коррекции вихревых тока. Обычное МРТ сканирование в настоящем исследовании применяется быстрая последовательность спин-эхо, чтобы обеспечить больше информации изображения. Более длиннее эхо-цепочка и меньший интервал эхо были специально разработаны, чтобы минимизировать артефакты, созданные приборами позвоночника. Мы выбрали короткое время эхо, широкий диапазон частоты считывания и небольшие вокселей, чтобы уменьшить артефакты. FA и АЦК обычно используются параметры DTI в измерениях спинного мозга. FA представляет степень анизотропии в диапазоне от 0 до 1. Значения FA ближе к 1 указывают на высокую ткань аизотропии¹³. АЦК относится к среднему значению диффузиях в трех основных осях, и его изменение согласуется с процессом повреждения гистопатологической ткани⁶. Нынешняя работа подтвердила, что хроническое сжатие спинного мозга может привести к снижению FA и увеличению значений АЦБД, как сообщалось ранее¹². Хроническое сжатие спинного мозга может привести к рецидивирующим ишемическим повреждениям спинного мозга и вызвать гистопатологические изменения в нервных волокне, таких как ангионевротический отек, глиоз, потеря функции нейрона и в конечном итоге некроз¹⁶. В нынешней работе эти изменения были четко визуализированы на DTI.

DTI может служить инструментом оценки функциональных улучшений и предоставления ценной прогностических сведений. Предыдущие исследования показали, что высокая предоперационная FA может быть связана с лучше нейронные функциональные восстановления после операции¹⁷. Керковский и др. сообщили, что у пациентов с симптоматической цервикальной спондилоподобной миелопатии были более высокие значения АЦБД и более низкие значения FA по сравнению с теми, у кого не было соответствующих симптомов, но имелись радиологические свидетельства сжатия шнура¹⁸. В предыдущем изучении хронической модели сжатия спинного мозга крысы, параметры DTI были связаны с патологическими условиями спинного мозга. Важно отметить, что DTI может количественно оценить функциональный статус спинного мозга¹⁶. Анализ 66 пациентов с хроническим сжатием спинного мозга также показали, что параметры DTI были связаны с японской ортопедической ассоциации скорость восстановления пациентов с хроническим сжатием спинного мозга, и АЦЦ, среднее диффузия, радиальная диффузия, и значения осевого диффузия могут отражать неврологические нарушения и быть полезными для оценки послеоперационного прогноза¹⁹. По сравнению с обычными МРТ, DTI является полезным количественным инструментом для измерения рекуперативного потенциала спинного мозга.

В этом исследовании были некоторые ограничения. Во-первых, адекватное пространственное разрешение по-прежнему трудно достичь. Движение артефактов, вытекающие из дыхательной и сердечной движения и пульсации ЛИКВОРА, может производить плохие эффекты на DTI, особенно в нижней шейном мозге и грудной шнур²⁰. Более длиннее эхо-цепочка и меньший интервал эхо были специально разработаны, чтобы минимизировать артефакты, созданные приборами позвоночника. В этом протоколе мы выбрали короткое время эха, широкую частотную полосу считывания и небольшие вокселей для уменьшения артефактов. Кроме того, было трудно отличить белое от серого вещества на DTI с 3 Тесла MR системы²¹, что означало, что оба серого и белого вещества могут быть включены в Rois. Это может существенно повлиять на измерения DTI параметров. Количественная оценка на основе рентабельности может привести к предвзятому определению тракта, вызванного пользовательским опытом и анатомическими знаниями. Это ручное разграничение подход может быть утомительным и трудоемким, особенно если есть несколько ломтиков спинного мозга, участки, и предметы. ROIs следует выбрать во внутреннем спинном мозге, чтобы исключить частичное воздействие объема из-за спинномозговой жидкости. В будущих исследованиях требуются полезные методы для сегментировать регионы серого и белого вещества и различать доступные и эффективные ROIs.

В целом, эта методологическая основа демонстрирует применение параметров DTI при хроническом сжатии спинного мозга. DTI обеспечивает измерение молекулярного направления воды и величины диффузии в тканях. Хирурги могут использовать эту чувствительную технику, чтобы количественно оценить нервные повреждения в различных патологиях спинного мозга.

Авторам нечего раскрывать.

Это исследование было поддержано проектом науки и технологии Гуанчжоу Китая (No 201607010021) и фондом науки природы Цзянси (No. 20142BAB205065)