一种基于磁共振扩散张量成像的脊神经根病变定量评价方法与流程

本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种基于磁共振扩散张量成像的脊神经根病变定量评价方法。

背景技术：

脊神经根扩散张量成像(diffusiontensorimaging,dti）为神经结构的重建提供了一种有效无创伤的检测手段，能够用于脊神经根损伤情况下神经纤维束紊乱、破坏、变形的测量。

现在脊神经dti成像方法尚缺乏统一标准，而且目前的脊神经根dti成像方法多选择感兴趣区为病变脊神经根处，常规的感兴趣区是通过肉眼观察脊神经根的位置来选择，选择方法主观性强、可重复性差。层厚、扩散方向和b值的选择则缺乏统一标准，而扩散方向越多，成像时间越长；b值越大，图像信噪比越差，并且没有现有技术对脊神经根结构和功能进行量化评价。

dti成像对神经根纤维束的示踪成像需要借助软件实现。关于纤维束示踪的算法软件有两种，一种是确定性跟踪，另一种是概率性跟踪。概率性跟踪能够估计纤维走向的不确定性，对于解决像素内纤维交叉问题有一定帮助，但是这种算法需要采集较多梯度方向的dti图像，会明显增加扫描时间，不但增加时间成本，而且患者也很难耐受长时间的检查，并且由于数据多，计算量大，数据处理繁琐。确定性跟踪相对来说可以使用较少的梯度方向实现，节约时间，而且计算较快、简便，但是对于像素内纤维束互相交叉的情况无法解决，但目前尚无定论哪种更适合脊神经根的成像，没有现有技术针对于这方面的研究进行过报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题克服现有技术中的不足，提供一种准确性高、重复性好、成像时间短并可以对神经根的结构功能进行量化分级的基于磁共振扩散张量成像的脊神经根病变定量评价方法，

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于磁共振扩散张量成像的脊神经根病变定量评价方法,其包括如下步骤：

步骤1：首先进行矢状位t2wi和轴位t2wi序列扫描，发现病变脊神经根位置，对病变平面进行轴位dti扫描，dti采用3.0tmri单次激发自旋回波平面成像序列（singleshot-spinechoplanarimagingsequence），获得扩散张量图像数据；

步骤2：确定脊神经根磁共振扩散张量成像的感兴趣区，感兴趣区的选择方法如下：感兴趣区(regionofinterest,roi)选择左右两侧椎间孔区域，使两侧的roi呈对称分布，且面积大小趋近一致，具体方法为，先画沿椎体正中位置的竖直线，然后，找到通过椎间孔中心位置的斜线，两侧斜线应对称，即与竖直线呈同样夹角。然后在斜线上画出与之垂直的线段4条，长为2±0.1mm，中心点位于斜线上，每条线段的间距为3±0.1mm，最内侧线段与椎管硬膜囊的距离亦为3±0.1mm，将斜线与硬膜囊交点及各线段端点顺次连接起来，即为感兴趣区；

步骤3：数据处理，计算所画感兴趣区内的纤维束的数目及得出纤维示踪图，基于确定性跟踪的纤维束算法的volumeone软件；

步骤4：脊神经根结构量化评价。

优选地，在步骤1中，dti采用tr/te：2300/75.5ms,层厚5mm没有层间距,256×256矩阵，fov38×38mm。

优选地，在步骤1中，dti采用b值为0和600s/mm²，6个方向。

优选地，在步骤1中，矢状位t2wi参数：tr2500ms，te108.9ms；轴位t2wi参数：tr2440ms，te120.8ms。

优选地，在步骤3中，各向异性（fractionalanisotropy，fa）阈值为0.18。

优选地，步骤4中的量化评价方法为将纤维束形态分为完整和不完整、分支多和分支少，完整且分支多为2分，完整但分支少为1分，分支多但不完整亦为1分，不完整且分支少为0分，所述的分支多为大于等于5个，所述的分支少为小于5个。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明通过客观、准确选择脊神经根扩散张量成像的感兴趣区，确保扩散张量成像可重复性好，通过纤维束示踪直观测量脊神经根的结构和功能，并对其结构和功能进行量化分级，提供一种可行的脊神经根病变定量评价方法，为临床检测提供了新的评价标准。

纤维束示踪结果与感兴趣区的选择和fa阈值设定有关。本申请将椎间孔区域作为纤维束示踪成像的感兴趣区，是因为椎间盘膨出/突出导致神经根受压总是出现在这一区域，因此这个区域的脊神经根情况能表明是否出现了神经根病变。fa是表示扩散各向异性的数值，fa值越大，说明扩散的各向异性信号越强，当fa=0时，表明完全等方向扩散，当fa=1时，表明只沿某一方向扩散。但是，fa值测量会受到纤维束交叉影响。在纤维束交叉的部位，fa值减小，程序有可能选择与解剖学无关的纤维束实施追踪或者停止跟踪。在进行纤维跟踪的时候，需要设定某一fa阈值，即表示fa值小于该值时停止进行纤维束追踪。因此，本申请经过探索选择阈值为0.18。试验结果证实这一阈值是有效的。

通过实验验证，通过采用dti单次激发自旋回波平面成像序列，设定b值为600，扩散方向为6个，并精确勾画感兴趣区，设定fa阈值为0.18，并建立量化评价体系，能够准确评价脊神经根功能，扫描过程在4分钟之内完成，时间短、精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1脊神经根纤维束感兴趣区精确定义示意图；

图2腰椎矢状位t2wi图；

图3；腰4/5水平横断面t2wi图；

图4；腰4/5椎间盘平面右侧脊神经根纤维示踪图感兴趣区；

图5；腰4/5椎间盘平面右侧脊神经根纤维示踪图；

图6；腰4/5椎间盘平面左侧脊神经根纤维示踪图感兴趣区；

图7；腰4/5椎间盘平面左侧脊神经根纤维示踪图。

在附图中：1交感神经节、2灰色支、3窦椎神经、4脊髓神经前支、5背支、6侧枝、7中间支、8内侧支、9竖直线、10斜线、11线段、12感兴趣区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

本发明基于磁共振扩散张量成像的脊神经根病变定量评价方法,具体操作如下：

第一步：首先进行矢状位t2wi和轴位t2wi序列扫描，发现病变脊神经根位置，对病变平面进行轴位dti扫描，dti采用3.0tmri单次激发自旋回波平面成像序列（singleshot-spinechoplanarimagingsequence），获得扩散张量图像数据，tr/te：2300/75.5ms，层厚5mm没有层间距，256×256矩阵，fov38×38mm，b值为0和600s/mm²，6个方向，矢状位t2wi参数：tr2500ms，te108.9ms；轴位t2wi参数：tr2440ms，te120.8ms。

步骤2：确定脊神经根磁共振扩散张量成像的感兴趣区，感兴趣区的选择方法如下：感兴趣区(regionofinterest,roi)选择左右两侧椎间孔区域，使两侧的roi呈对称分布，且面积大小趋近一致，具体方法为，先画沿椎体正中位置的竖直线，然后，找到通过椎间孔中心位置的斜线，两侧斜线应对称，即与竖直线呈同样夹角。然后在斜线上画出与之垂直的线段4条，长为2±0.1mm，中心点位于斜线上，每条线段的间距为3±0.1mm，最内侧线段与椎管硬膜囊的距离亦为3±0.1mm，将斜线与硬膜囊交点及各线段端点顺次连接起来，即为感兴趣区；

步骤3：数据处理，计算所画感兴趣区内的纤维束的数目及得出纤维示踪图，利用volumeone软件在电脑上进行纤维束失踪图的三维显示（见附图1），在进行纤维束跟踪的时候，选择fa阈值为0.18，计算所画感兴趣内纤维束的数目及画出纤维束示踪图。

步骤4：脊神经根结构量化评价，将纤维束形态分为完整和不完整、分支多和分支少，完整且分支多为2分，完整但分支少为1分，分支多但不完整亦为1分，不完整且分支少为0分，所述的分支多为大于等于5个，所述的分支少为小于5个，通过这种分级系统，可以对神经根病变情况进行有效、可靠地评价。

为了验证本发明方法的可靠性，进行了如下临床试验：

1.研究对象

收集2012年1月-12月的18个患者。年龄20-72岁，平均年龄53.33±13.25岁。其中男性8例，女性10例。纳入标准：（1）临床症状为后背痛和/或下肢疼痛，伴有或不伴有下肢功能障碍；（2）mr图像上可以见椎间盘退变；（3）椎间盘突出/膨出仅导致单侧神经根受压；（4）神经根受压是指神经根被椎间盘组织挤压而偏移或呈扁平状与椎间盘分界不清。（5）没有其他脊柱疾病。排除标准：（1）患有除了脊柱退变之外的其他腰椎疾病；（2）有外伤病史；（3）椎间盘突出/膨出致双侧神经根均受压。所有受试者均签署知情同意书。

2.仪器与扫描

本研究使用signaexcitehd3.0t(美国ge公司)高场强mr扫描仪，使用脊柱线圈。受试者取仰卧位，双耳内紧塞棉球，保持平静呼吸，身体中线位于线圈中心，身体长轴与主磁场长轴平行。扫描序列包括标准的矢状位t1wi、矢状位和轴位t2wi和轴位dti。dti采用单次激发自旋回波平面成像序列（singleshot-spinechoplanarimagingsequence），tr/te:2300/75.5ms,层厚5mm没有层间距,256×256矩阵，fov38×38mm,b值为0和600s/mm2，6个方向。矢状位t1wi参数：tr3294ms,te25.4ms。矢状位t2wi参数：tr2500ms,te108.9ms。轴位t2wi参数tr2440ms,te120.8ms。

3测量值和方法

按照t2wi图像所见，对患者腰椎退变及椎间盘突出/膨出导致的单侧神经根受压情况进行诊断。然后，利用volumeone软件在电脑上进行纤维束示踪图的三维显示。感兴趣区(regionofinterest,roi)选择左右两侧椎间孔区域，尽量使两侧的roi呈对称分布，且面积大小趋近一致。具体方法为，先画沿椎体正中位置的竖直线，然后，找到通过椎间孔中心位置的斜线，两侧斜线应对称，即与竖直线呈同样夹角。然后在斜线上画出与之垂直的线段4条，长约2mm，中心点位于斜线上，每条线段的间距为3mm，最内侧线段与椎管硬膜囊的距离亦为3mm，将斜线与硬膜囊交点及各线段终点连接起来，即为感兴趣区。计算所画感兴趣区内纤维束的数目及画出纤维束示踪图。将纤维束根据形态进行分级（见下表1-表4）。取纤维束的横轴位图，利用中望cad测量软件测量示踪图上纤维束的横截面面积。

表1纤维束形状的形态分数统计

表2患侧和健侧神经根纤维束数目

表3患侧和健侧神经根纤维束面积

表4患侧和健侧神经根纤维束形态比较

4扫描过程及图像处理的质量控制

对受试者进行扫描时，采用统一的定位方法，受试躺在检查床上，经过反复观察（检查床进入指定位置前后均进行观察），使身体长轴与主磁场长轴平行，对受试的头、躯干的中心线均进行校正，从而达到扫描位置的标准化。

在勾画感兴趣区时，进行多次的勾画以使得区域符合上述标准。并且采用同样位置的横截面图，进行测量。在利用cad软件测量面积时，将图形放大，以使得面积测量准确。

5统计分析

统计分析采用sas9.0软件。将椎间盘退变致神经根受压侧称为患侧，神经根未受压侧称为健侧。比较患侧、健侧神经根纤维束的数目、面积、形态是否有统计学差异。若数据呈正态分布，则采用配对设计t检验方法；若数据呈非正态分布，则采用配对设计非参数检验进行比较，p<0.05为具有统计学意义。

6结果

6.1患侧、健侧神经根纤维束数目比较

患侧与健侧神经根纤维束数目均符合正态分布，但其差值不符合正态分布，因此采用非参数检验方法进行统计分析。分析结果显示患侧与健侧神经根纤维束数目差异无统计学意义。

6.2患侧、健侧神经根纤维束面积比较

患侧与健侧神经根纤维束面积均不符合正态分布，因此采用非参数检验方法进行统计分析。分析结果显示患侧与健侧神经根纤维束面积差异有统计学意义。

6.3患侧、健侧神经根纤维束形态比较

患侧与健侧神经根纤维束形态差异具有统计学意义。神经根纤维束示踪图上受压的脊神经根通常显示为纤维束失去完整性，较聚拢，且不显示周围分支。而未受压的脊神经根通常纤维束完整，形态自然、发散，常可见周围分支。(图2-7为同一个患者，示腰4-5椎间盘向椎体右后方膨出，挤压右侧椎间孔处脊神经根，dti图示病变侧脊神经根分支少于5支，形态聚拢。依照上述感兴趣区选择方法，所画感兴趣区对称，重复性好，实验结果可靠)。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。