3.0T磁共振扩散张量成像在腰椎间盘突出诊治中的应用

Presentation on theme: "3.0T磁共振扩散张量成像在腰椎间盘突出诊治中的应用"— Presentation transcript:

1 3.0T磁共振扩散张量成像在腰椎间盘突出诊治中的应用
湖州市中心医院 刘东 姚丽娣 课件由本人授权在省技术官网发布

2 腰椎间盘突出 腰椎间盘突出是临床常见疾病，发病时脊椎活动受限，产生神经根受压症状，可有放射性痛，严重者可导致神经功能丧失，肢体瘫痪等严重功能障碍。 X线、CT、脊髓造影、MRI被应用于腰椎间盘突出症的诊断，然而，上述影像技术仍不能将腰椎间盘突出症的实际临床表现与影像学表现完全一致，特异性比较低。这使临床诊断和治疗缺乏客观影像学依据。而且上述影像技术无法定量评价腰骶丛神经生理功能状态，也无法直观显示腰骶丛神经。 新的影像学技术正被迫切需要，扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)被越来越多的学者应用在腰椎间盘突出症的研究中，其定量值ADC、FA值被用来描述脊神经受压改变。 课件由本人授权在省技术官网发布

3 DTI成像的基本原理 课件由本人授权在省技术官网发布

4 DWI的原理 组织T1、T2驰豫时间、H1的密度、分子弥散运动 利用扩散敏感梯度脉冲将水分子弥散效应扩大，来研究不同组织中水分子扩散运动的差异 MR图像的信号 DWI图像 课件由本人授权在省技术官网发布

5 其方法就是在常规的MRI序列上施加对弥散敏感的梯度脉冲来获得
课件由本人授权在省技术官网发布

6 DWI评估弥散的参数 通过两个以上不同弥散敏感梯度值（ b值）的弥散加权象，可计算出弥散敏感梯度方向上水分子的表观弥散系数（apparent diffusion coefficient ADC） ADC=In(S低/S高)/(b高-b低) = & b= b= ADC ADC反映了水分子的扩散运动的能力,指水分子单位时间内扩散运动的范围，越高代表水分子扩散能力越强。 课件由本人授权在省技术官网发布

7 组织内影响水分子弥散的因素 细胞内外的体积变化 水分子通过细胞膜的渗透作用 细胞外间隙形态的改变 A B 正常组织
随机运动的水分子---低信号 细胞毒性水肿的组织 运动受限的水分子---高信号 A B 组织内影响水分子弥散的因素 细胞内外的体积变化 水分子通过细胞膜的渗透作用 细胞外间隙形态的改变 课件由本人授权在省技术官网发布

8 DTI则可以在三维空间内定量分析组织内水分子的弥散的特性。
然而DWI成像只在X、Y、Z轴三个方向上施加敏感梯度 ，不能完全、正确地评价不同组织在三维空间内的弥散情况，组织各向异性程度往往被低估 。 DTI则可以在三维空间内定量分析组织内水分子的弥散的特性。 课件由本人授权在省技术官网发布

9 DTI的基本原理 两个概念 均质介质中水分子的运动是无序随机运动，即向各个方向运动的几率是相同，即具有各向同性（isotropy）
在人体组织中，水分子的运动由于受到组织细胞结构的影响，在各个方向弥散程度是不同的，具有方向依赖性，即具有各向异性(anisotropy) 课件由本人授权在省技术官网发布

10 要描述水分子的空间弥散情况 ，引入了张量的概念，组织中每一个体素的各向异性扩散过程就可以用张量D表示 。需要用一个二维矩阵表示 ：
课件由本人授权在省技术官网发布

11 均质介质中水分子的自由运动为各向同性，即在各个方向上的弥散强度大小一致，弥散张量D描述为球形，沿磁共振的三个主坐标的特征值为 λ1=λ2=λ3
在神经组织中由于髓鞘的阻挡，水分子的弥散被限制在与纤维走行一致的方向上，具有较高的各向异性，此时弥散张量可表示为椭球形，其特征值λ1>λ2>λ3，最大特征值对应的方向与经过该体素的纤维束走行平行 课件由本人授权在省技术官网发布

12 二阶张量具有对称性， Dxy＝Dyx Dxz=Dzx Dyz=Dzy 因此只要计算6个变量
方法：至少在6个不同非共线方向上施加敏感梯度，另外再采集一幅具有同样参数而未施加敏感梯度的图像。从弥散加权像和非弥散加权像的信号强度衰减差异中可以得到6幅表观弥散系数图（ADC），得到一个六元一次方程组，最后利用这些图可以求得每个体素的有效弥散张量D 课件由本人授权在省技术官网发布

13 理论上6次就可以，但是由于噪声的存在，方向越多，三维空间分布越均匀则数据越准确，目前最多可以在256个不同方向进行成像
12个方向 42个方向 162个方向 642个方向 课件由本人授权在省技术官网发布

14 DTI的量化参数 平均扩散率 指MR成像体素内各个方向扩散幅度的平均值，代表了某一体素内水分子扩散的大小或程度，通常所用的指标就是平均弥散系数（average diffusion coefficient，ADC），反应了水分子单位时间内扩散运动的范围，单位是mm2/s，其值越大，说明水分子扩散能力越强 课件由本人授权在省技术官网发布

15 神经纤维中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关
部分各向异性指数（fractional anisotropy， FA ） 分析各向异性最常用的参数，指弥散的各向异性部分与弥散张量总值的比值，反应了各向异性成分占整个弥散张量的比例，取值在0～1之间，0代表了最大各向同性的弥散，比如在完全均质介质中的水分子弥散，1代表了假想下最大各向异性的弥散 神经纤维中FA值与髓鞘的完整性、纤维的致密性及平行性呈正相关 课件由本人授权在省技术官网发布

16 扩散张量示踪成像 (diffusion tensor tractography, DTT)
基本原理是通过第一个体素主本征向量的方向寻找下一个主本征向量与其最接近的体素，将这些体素连接起来达到显示神经纤维束的目的。 DTT是DTI应用的扩展，其利用神经纤维束内的水分子扩散的各向异性特点及计算机后处理软件在三维空间内对纤维束成像，直观显示神经纤维束的改变，是目前显示活体纤维束最有效的手段。 课件由本人授权在省技术官网发布

17 扩散张量示踪成像 处理软件 DTI数据 纤维束 课件由本人授权在省技术官网发布

18 扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)
DTI基于扩散加权成像(diffusion weight imaging, DWI)技术基础上发展起来的一种新的磁共振成像技术，其可以在三维空间内定量的分析组织内水分子的弥散特性。 DTI是目前唯一能在活体中显示神经纤维束的走形、方向、排列、髓鞘等信息。 DTI在中枢神经系统的应用相对比较成熟。 DTI在周围神经系统的应用较少。 课件由本人授权在省技术官网发布

19 目的 探讨3.0T磁共振扩张张量成像(DTI)在椎间盘突出时脊神经根平均扩散系数(ADC)、部分各向异性(FA)值的变化及纤维束示踪成像(DTT)技术显示腰骶丛神经走行改变。 ADC值、FA值的变化有无统计学意义，能不能对腰椎间盘突出的诊断起到辅助作用？ DTT能否显示正常和受压神经根的改变，对临床手术路径有指导作用？ 课件由本人授权在省技术官网发布

20 一般资料 收集2014年1月至2015年3月在浙江大学湖州医院行术前磁共振平扫及DTI检查且手术证实为腰椎间盘突出的患者30例，其中单侧神经根受压22例(左后型突出12例、右后型突出10例)、双侧神经根受压8例(正中型突出8例)；男18例，女12例，年龄37～53岁，平均(43.2±3.4)岁。收集同期我院健康志愿者30例，均无放射性腿痛及其他临床表现，无腰部外伤及手术史；男16例，女14例，年龄39～51岁，平均(44.5±3.1)岁。所有患者及志愿者检查前均签署知情同意书。两组间性别、年龄的差异无统计学意义(P＞0.05)。 课件由本人授权在省技术官网发布

21 检查方法 采用美国GE公司Discovery MR T超导型磁共振仪，以腹部32通道相控阵线圈为表面接收线圈。扫描方位及序列包括：(1)矢状位FSE T1WI：TR 500ms、TE 6.3ms，FOV32cm×32cm，矩阵320×256，激励次数(NEX) =2，层厚4mm，层间距1mm，回波链长度为6。(2)矢状位FSE T2WI：TR 3000ms、TE 90ms，FOV32cm×32cm，矩阵256×256，NEX=2，层厚4mm，层间距1mm，回波链长度为12。(3)轴位FSE T2WI：TR 3200ms、TE 109ms，FOV 20cm×20cm，矩阵320×224，NEX=2，层厚4mm，层间距1mm，回波链长度为12。(4)轴位DTI扫描：采用单次激发自旋回波-回波平面序列(single-shot spin echo-echo plain imagine, SS-SE-EPI), 扩散敏感梯度取25个方向，b值=0、600s/mm2，TR 8000ms、TE 85ms，FOV32cm x32cm，矩阵128x128，层厚4mm，层间距0mm，NEX=2。扫描范围自腰3(L3)神经根起始至骶1(S1)神经根。 课件由本人授权在省技术官网发布

22 图像分析 DTI数据存储在GE AW4.6图像后处理工作站，利用Functool(GE Healthcare)软件中DTI数据分析软件包定量分析腰骶丛神经根的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)值、各向异性(fraction anisotropy, FA)值，并以DTT技术显示腰3到骶1神经根，共4个节段8根。测量神经根ADC值及FA值时，感兴趣区域(region of interest, ROI)选择在每根神经根相应椎间孔上端层面(即椎间孔内开口处)，手动勾画的ROI面积为20～50 mm2，以尽量避免部分容积效应对数据结果的影响；同时FA值阈值设为下限0.1，上限0.4，以避免脑脊液、周围肌肉组织肌纤维束、空腔脏器内水分及其他信号干扰。由经过培训的放射科高年资医师在同一节段神经根内重复手动勾画ROI 3次，取3次测量结果的平均值，分别记录为该节段平均ADC值和FA值，以降低因手动勾画感兴趣区造成的漏画和噪音误差。取健康志愿者各个节段神经根ROI测量结果的平均值，为相应节段的平均ADC值和FA值；取健康志愿者所有神经根的ROI测量结果的平均值，为正常神经根的ADC值和FA值；取腰椎间盘突出患者所有受压神经根(或非受压神经根)的ROI测量结果的平均值，为受压神经根(或非受压神经根)的ADC值和FA值。 课件由本人授权在省技术官网发布

23 统计学处理 采用MedCalc 统计软件。非正态分布的的计量资料以中位数表示，组间比较采用非参数秩和检验；正态分布的计量资料以均数±标准差表示，健康志愿者的L3至S1不同节段神经根ADC值和FA值的比较采用方差分析，两两比较采用SNK法检验；健康志愿者的L3至S1同一节段左右侧神经根ADC值和FA值的比较采用配对样本t检验；椎间盘突出患者受压神经根与非受压神经根、非受压神经根与正常神经根的ADC值和FA值的比较采用独立样本t检验。 课件由本人授权在省技术官网发布

24 健康志愿者DTI检查结果 测量30例健康志愿者L3至S1 神经4个节段共240根正常神经根，同一节段正常神经根左右侧的平均ADC值和FA值，差异无统计学意义(均P＞0.05) (表1)。测得L3至S1正常神经根各个节段的平均ADC值和FA值分别为(2.253±0.049) ×10-3 mm2/s、(2.241±0.048) ×10-3 mm2/s、(2.242±0.041) ×10-3 mm2/s、(2.263±0.045) ×10-3 mm2/s和0.205±0.012、0.207±0.015、0.206±0.013、0.209±0.011，任意两节段间的平均ADC值和FA值组间差异无统计学意义(均P＞0.05) 。测得L3至S1正常神经根的ADC值和FA值平均值分别为(2.248±0.048) ×10-3 mm2/s和0.207±0.015(图1)。 课件由本人授权在省技术官网发布

25 30例健康志愿者L3至S1同一节段神经根左右侧的平均ADC值和FA值
神经节段 ADC(×10 mm/s) FA L3 左侧 2.253±0.043 0.206±0.012 右侧 2.254±0.046 0.204±0.011 L4 2.246±0.038 0.207±0.015 2.240±0.047 0.208±0.012 L5 2.239±0.045 0.206±0.013 2.246±0.041 0.205±0.014 S1 2.262±0.045 2.267±0.048 0.210±0.011 课件由本人授权在省技术官网发布

26 腰椎间盘突出患者DTI检查结果 手术证实30例腰椎间盘突出患者中单侧神经根受压22例，其中左后型突出12例(腰3节段2例，腰4节段3例，腰5节段4例，骶1节段3例)、右后型突出10例(腰3节段1例，腰4节段3例，腰5节段4例，骶1节段2例)；双侧神经根受压8例(正中型突出8例，腰4节段3例，腰5节段4例，骶1节段1例)，共测量受压神经根38根，非受压神经根202根。测得受压神经根的平均ADC值和FA值分别为(2.751±0.052) ×10-3 mm2/s和0.178±0.019；非受压神经根的平均ADC值和FA值分别为(2.255±0.044) ×10-3 mm2/s和0.209±0.011。腰椎间盘突出患者受压神经根的平均ADC值明显高于非受压神经根、健康志愿者正常神经根，组间差异均有统计学意义(t=61.997,P=0.000;t=59.334, P=0.000)；而受压神经根的平均FA值明显低于非受压神经根、正常神经根，组间差异均有统计学意义(t=13.934,P=0.000; t=10.650,P=0.000) (图2)。非受压神经根的平均ADC值和FA值与正常神经根组间差异无统计学意义(t=1.586,P=0.113; t=1.572,P=0.117)。 课件由本人授权在省技术官网发布

27 DTT技术显示神经根走行及受压改变 30例腰椎间盘突出患者及30例健康志愿者的DTI图像均无严重伪影或运动相关信号缺失，神经根DTT技术显示L3至S1双侧神经根的纤维束解剖结构。30例健康志愿者中26例健康志愿者的4节段未受压神经根可清晰显示，神经根连续、完整，走行自然，符合正常解剖(图1)；4例出现解剖变异，其中1例为L4神经双侧与L5神经部分相连汇入腰骶干，3例为L4神经单侧与L5神经部分相连汇入腰骶干。30例腰椎间盘突出患者中受压神经根出现单侧或双侧神经根受压移位、部分纤维束中断等表现；20例显示单一节段单侧神经根受压移位(3例为L3神经，5例为L4神经，7例为L5神经， 5例为S1神经)；8例显示单一节段双侧神经根受压移位(3例为L4神经，4例为L5神经， 1例为S1神经)，2例显示单一节段单侧神经根部分纤维束中断、部分移位(1例为L4神经，1例为L5神经)(图2)。同时30例腰椎间盘突出患者中，28例解剖结构正常，2例出现解剖变异，其中1例为L4神经单侧与L5神经部分相连汇入腰骶干，1例为L4神经单侧汇人腰丛和骶丛。 课件由本人授权在省技术官网发布

28 图1 健康志愿者的骶1正常神经根（A：ADC伪彩图骶1正常神经根呈蓝色；B;FA伪彩图骶1正常神经根呈黄绿色；C: DTT重建L3-S1双侧神经根连续性完整
课件由本人授权在省技术官网发布

29 图2 L5/骶1椎间盘突出骶1右侧神经根受压（A:ADC伪彩图骶1右侧受压神经根呈蓝绿色，较对侧信号增高；B:FA伪彩图骶1右侧受压神经根呈黄绿色，较对侧信号减低；C:DTT重建骶1右侧受压神经根连续性中断 课件由本人授权在省技术官网发布

30 讨论 腰椎间盘突出症患者在临床上多通过相关体征、电生理、常规CT及MRI检查等方法对受压的腰神经进行定位判断，并分析椎间盘对神经根的影响。常规MRI检查虽然能显示椎间盘突出的形态、程度及位置，但是由于腰神经根纤细、解剖结构复杂，仅能在横断面上显示神经根某段，却不能连续展示神经根的走行及受压情况。利用DTI示踪技术能够在活体内显示神经纤维束的空间结构及观察水分子弥散运动改变，能形象、准确地显示神经的走行及受压部位的纤维束改变，并且可以对其相关参数值（FA值及ADC 值）进行定量的分析。 课件由本人授权在省技术官网发布

31 讨论 在各种不同病理学条件下FA值及ADC值所 反映的病理生理过程是不同的：FA值反映了水分 子扩散的方向性(各向异性特征)，主要受神经纤维 的数量、组织密度及髓鞘化程度的影响，可以提供神经纤维束内部的细胞排列及结构的完整性等信息。 ADC值反映水分子在各个方向上的平均扩散能力， 而与扩散的方向无关，只表现组织内水分子扩散特 性，更加全面反映扩散的快慢，可提供细胞毒性水 肿、血管源性水肿及细胞结构完整性等微观结构信 息。扩散参数的变化可能与受压脊神经根的组织学 变化有关。 课件由本人授权在省技术官网发布

32 讨论 腰骶部脊神经根慢性压迫和化学刺激引 起的组织学变化，包括由于神经根屏障破坏增加了 血管渗透性、神经内水肿、施万细胞水肿和神经周围 充血等，而且，神经受压引起血流量的减低和缺血， 导致Wallerian变性和神经内膜破裂。这种微小的 变化有可能会通过改变神经轴突和轴突束之间的距 离而改变水沿神经的扩散；因此，垂直于最大本征值 扩散的增加，导致了FA值的降低，表明组织中各向 同性的增加。ADC的增加是受压神经根内神经水肿及轴突束距离的增加增大了水沿神经束的扩散能 力。 课件由本人授权在省技术官网发布

33 讨论 腰椎间盘突出患者受压神经根的ADC值则明显高于患者非受压神经根和健康志愿者正常神经根的ADC值(P<0.01)， FA值明显低于患者非受压神经根和健康志愿者的FA值(P<0.01)，而健康志愿者的正常神经根平均ADC值、FA值和患者非受压神经根的平均ADC值、FA值差异是无统计学意义的(P＞0.05)，说明ADC值增大和FA下降可以量化评估由椎间盘突出致神经根受压而造成腰骶丛神经的慢性损伤。需要说明的是，各种不同的神经病理改变，如外伤、炎症、肿瘤及卡压等均可造成ADC值增大和FA值降低，因此，定量的DTI数据分析必须结合常规MRN检查中神经形态学表现，并参考临床信息综合分析。 课件由本人授权在省技术官网发布

34 讨论 我们的研究显示3．0T MRI DTT能够无创 地显示脊神经形态及走行，发现纤维束是否移位和 变形，同时测量出FA值及ADC值的改变情况。 本研究采用单次激发自旋回波平面成像序列， 其具有速度快、效率高、对微小运动不敏感等优点， 但空间分辨率低，存在磁敏感伪影及化学位移伪影。 然而，我们通过应用并行采集技术，在采集时间不变 的前提下，可以增加重复采集次数，提高图像信噪比 并减少单次激发EPI序列的磁敏感伪影。 课件由本人授权在省技术官网发布

35 局限性 研究的样本量不够大，对统计结果可能存在偏倚，进一步收集病例分析L3至S1不同节段不同受压程度的受压神经根FA值的改变。
在勾画ROI时，不可避免的存在偏差，尤其是不同部位的ROI测量值可能有区别 较低b值不能产生足够的图像对比度，不利于神经纤维的辨别，而较高的b值会造成图像SNR降低，不利于纤维束示踪。 课件由本人授权在省技术官网发布

36 其他应用 腰椎DTI融合增强LAVA是否对指导临床手术路径更有帮助？ 腰椎间盘突出症射频消融后疗效评价？
受压神经根FA、ADC值的变化鉴别腰部良恶性肿瘤？ 课件由本人授权在省技术官网发布

37 结论 应用DTI及DTT技术可以定量分析脊神经受压改变，有助于客观显示神经纤维束走行。 课件由本人授权在省技术官网发布

38 谢谢 课件由本人授权在省技术官网发布