不同參數(shù)條件下巴馬小型豬腰椎神經(jīng)根擴(kuò)散張量成像的比較研究

肖建明，彭濤，牛翔科，王宗勇，植彪

成都大學(xué)附屬醫(yī)院 放射科，四川 成都610081

不同參數(shù)條件下巴馬小型豬腰椎神經(jīng)根擴(kuò)散張量成像的比較研究

肖建明，彭濤，牛翔科，王宗勇，植彪

成都大學(xué)附屬醫(yī)院 放射科，四川 成都610081

目的 比較1.5T磁共振不同參數(shù)條件下的巴馬小型豬腰椎神經(jīng)根擴(kuò)散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）序列的圖像質(zhì)量，優(yōu)選最佳掃描參數(shù)。方法 采用不同的層厚、掃描野、矩陣組合對(duì)10頭小型豬各進(jìn)行3次腰椎DTI掃描，由3名高年資放射科醫(yī)師完成圖像信噪比的測(cè)量和擴(kuò)散張量纖維示蹤圖（Diffusion Tensor Tractography，DTT）的重建，并對(duì)DTT顯示效果進(jìn)行評(píng)分，采用方差檢驗(yàn)對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果 體素大小相近時(shí)，不同參數(shù)條件下（層厚不同或FOV不同）DTI圖像信噪比間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），不同F(xiàn)OV的DTT圖像質(zhì)量評(píng)分之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），相對(duì)小FOV的序列DTT圖像質(zhì)量評(píng)分較高。結(jié)論 體素大小取決于層厚、掃描野及矩陣，過大或過小的體素均導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。相對(duì)小掃描野（110 mm×110 mm）結(jié)合使用小矩陣（72 mm×72 mm）掃描，擴(kuò)散張量纖維示蹤成像可重建出更多的神經(jīng)纖維、完整性更好，是用于巴馬小型豬腰椎神經(jīng)根DTI相關(guān)評(píng)價(jià)的理想選擇。

擴(kuò)散張量成像；巴馬小型豬；腰椎；神經(jīng)根；參數(shù)

引言

腰椎非壓迫性神經(jīng)根炎是下腰痛的重要原因，隨著這一觀點(diǎn)逐步被人們接受，關(guān)于非壓迫性神經(jīng)根炎的微創(chuàng)治療研究也越來越多，但目前對(duì)于其療效主要采用病理手段證實(shí)，相關(guān)的影像學(xué)評(píng)價(jià)手段較少。擴(kuò)散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）是用于描述水分子擴(kuò)散方向特征的磁共振成像技術(shù)，其應(yīng)用于人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)非常成熟[1-4]，但DTI應(yīng)用于小型活體豬周圍神經(jīng)的報(bào)道較少，本文旨在比較幾種不同參數(shù)條件下DTI序列的圖像質(zhì)量，以期優(yōu)選出最佳掃描參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及檢查前準(zhǔn)備

選取普通級(jí)巴馬小型豬10只，均為雌性，體重平均（20±2）kg，由成都達(dá)碩實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司提供（生產(chǎn)許可證號(hào)：SCXK（川）2013-24），實(shí)驗(yàn)過程中亦由該公司提供飼養(yǎng)服務(wù)（四川省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用許可證，證號(hào)：SYXK（川）2014-189）。檢查前禁食禁水24 h。麻醉方法：肌注氯胺酮300 mg后，氯胺酮600 mg、地西泮20 mg、生理鹽水500 mL配置后經(jīng)耳緣靜脈滴注維持麻醉（滴速：80～90滴/分）。本研究獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器與方法

采用Siemens Magnetom Avanto 1.5T磁共振儀，TIM脊柱線圈。實(shí)驗(yàn)豬仰臥在檢查床上，背部?jī)蓚?cè)各墊一砂袋，四肢用棉布繩固定，取頭先進(jìn)，正中矢狀面盡可能與線圈縱軸保持一致，掃描中心定于第四腰椎。掃描室溫度22～24℃、濕度40%～60%恒定。采用三維超快速小角度激發(fā)（Turob Fast Low Angle Shot，Turbo FLASH）T1WI（參數(shù)：層厚1.1 mm；層數(shù)104；TI 1100 ms；TR 1860 ms；TE 3.02 ms；平均次數(shù)1次；并行因子為2；FOV 280 mm×280 mm；矩陣256×246；翻轉(zhuǎn)角15o；不抑脂；相位方向?yàn)轭^～腳）和三維快速自旋回波成像技術(shù)T2WI（參數(shù)：層厚1 mm；層數(shù)88；TR 2000 ms；TE 117 ms；平均次數(shù)為2次；并行因子為2；FOV 250 mm×250 mm；矩陣256×254；翻轉(zhuǎn)角150o，不抑脂；相位方向?yàn)轭^ ～腳）各完成一次解剖定位像后進(jìn)行5種不同參數(shù)DTI序列掃描；DTI序列采用單次激發(fā)自旋回波-平面回波成像序列（Spin Echo-Echo Plane Image，SE-EPI），各DTI序列參數(shù)，見表1。DTI參數(shù)值相同部分：序列類型SE-EPI；層間距為0；平均次數(shù)5次；并行因子2；抑脂；b值為0.800 s/mm2；彌散方向數(shù)為12。

1.3 圖像測(cè)量

在b=0 s/mm2圖像上L3-4、L4-5、L5-S1椎間孔水平脊髓處各選取一興趣區(qū)，測(cè)量組織信號(hào)強(qiáng)度SI組織，在同一層面內(nèi)組織外避開偽影區(qū)選取4個(gè)感興趣區(qū)測(cè)量背景信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差SD背景，并取背景標(biāo)準(zhǔn)差平均值SD背景[5-6]（矢狀位在脊髓最大層面L3-4，L4-5，L5-S1椎間孔水平測(cè)量1次信號(hào)強(qiáng)度和4次標(biāo)準(zhǔn)差，測(cè)量點(diǎn)見圖1。橫斷位在L3-4、L4-5、L5-S1椎間孔水平層面各測(cè)1次信號(hào)強(qiáng)度和4次標(biāo)準(zhǔn)差，測(cè)量點(diǎn)見圖2。信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）=SI組織/SD背景。

圖1 矢狀位信噪比測(cè)量示意圖

圖2 橫斷位信噪比測(cè)量示意圖

1.4 圖像后處理及評(píng)價(jià)

由3名高年資醫(yī)師獨(dú)立利用Siemens Syngo B17中Neuro3D軟件進(jìn)行圖像后處理。將所獲得的原始數(shù)據(jù)生成分?jǐn)?shù)各向異性圖（Fractional Anisotropy，F(xiàn)A）、擴(kuò)散張量纖維示蹤圖（Diffusion Tensor Tractography，DTT）。根據(jù)FA圖所顯示神經(jīng)根與T2WI和T1WI解剖圖所顯示神經(jīng)根走行擬合一致情況進(jìn)行FA圖顯示評(píng)分：每一神經(jīng)根100%擬合計(jì)1分，完全不顯示計(jì)0分；根據(jù)DTT圖顯示神經(jīng)纖維數(shù)量和完整性進(jìn)DTT圖顯示評(píng)分：4根及以上完整神經(jīng)纖維長(zhǎng)度超過下一神經(jīng)根計(jì)100%（1分），完全不顯示計(jì)0分[5-7]。每一序列FA圖和DTT圖顯示評(píng)分為L(zhǎng)3-4，L4-5，L5-S1兩側(cè)共6條神經(jīng)根評(píng)分總和，3位醫(yī)師評(píng)分的平均分作為FA圖和DTT圖的最終評(píng)分。

表1 DTI序列參數(shù) (不同部分)

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件做數(shù)據(jù)處理，SNR測(cè)量結(jié)果、FA圖評(píng)分、DTT圖評(píng)分采用方差檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

第一頭豬完成兩次掃描，其它均為3次掃描，5個(gè)不同參數(shù)DTI序列各獲得29次掃描數(shù)據(jù)。SNR測(cè)量結(jié)果，見表2。DTT和FA顯示評(píng)分，見表3。

在SNR對(duì)比中，方差檢驗(yàn)結(jié)果顯示：Sag1與Sag2、Tra1與Tra2之間無差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；Sag1分別與Sag4、Tra1、Tra2之間及Sag2分別與Sag4、Tra1、Tra2之間有差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（體素大的Sag4、FOV小的Tra1、Tra2的SNR高）； Sag4與Tra1、Tra2之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（體素大的Sag4的SNR高）。

在DTT和FA顯示評(píng)分對(duì)比中，方差檢驗(yàn)結(jié)果顯示：Sag1分別與Sag2、Tra2之間、Sag2與Sag4之間無差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；Sag1與Sag4之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Sag1評(píng)分高），Sag1與Tra1之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Tra1評(píng)分高）；Sag2與Tra1之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Tra1評(píng)分高），Sag2與Tra2之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Tra2評(píng)分高）；Sag4與Tra1之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Tra1評(píng)分高），Sag4與Tra2之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Tra2評(píng)分高）；Tra1與Tra2之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Tra1評(píng)分高）。

3 討論

DTI是一種用于描述水分子擴(kuò)散方向特征的磁共振成像技術(shù)。所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)專用軟件處理后可以重建DTT來描述纖維束的走行形態(tài)、評(píng)價(jià)精神發(fā)育遲滯患者腦白質(zhì)變化；FA來測(cè)量水分子各向異性值以評(píng)價(jià)神經(jīng)根病變、進(jìn)行腫瘤分級(jí)等[1-4,8-9]。影響DTI成像效果的因素中序列參數(shù)是文獻(xiàn)報(bào)道的重點(diǎn)， 主要集中在擴(kuò)散敏感梯度方向數(shù)（Number of Diffusion Gradient Directions，NDGD）、b值、層厚、掃描野等參數(shù)改變對(duì)成像效果的影響。NDGD設(shè)置范圍是從6～25、B值選擇范圍從600～1000均有支持者[10-14]。本研究選擇中間值：NDGD設(shè)置為12，b值設(shè)置為800 s/mm2。由于實(shí)驗(yàn)豬體型較小，因此本研究設(shè)置較小于文獻(xiàn)報(bào)道的層厚和掃描野對(duì)比其效果。

體素的大小取決于FOV、矩陣、和層面厚度3個(gè)基本成像參數(shù)，體素是像素與層面厚度的乘積，即：體素=FOV/矩陣×層厚，據(jù)此公式改變層厚的同時(shí)更改FOV或（和）矩陣可以保持體素大小不變。由于信號(hào)強(qiáng)度與每個(gè)體素內(nèi)共振質(zhì)子的數(shù)量成正比，所以增大體素會(huì)增加信號(hào)強(qiáng)度，即增加SNR，但負(fù)面效果是部份容積效應(yīng)也相應(yīng)地增加，導(dǎo)致漏掉小的病變（高信號(hào)被平均后信號(hào)減低）或產(chǎn)生假象；減小體素時(shí)空間分辨率會(huì)提高，但會(huì)降低SNR。理論上SNR可以通過增加信號(hào)平均次數(shù)來的高，但這會(huì)成倍地增加掃描時(shí)間，因此對(duì)于活體動(dòng)物，即使在持續(xù)麻醉狀態(tài)下也不可能過多地增加信號(hào)平均次數(shù)來使過低的SNR達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求[15-16]。本研究中，矢狀位1.1 mm與2 mm層厚序列之間及橫斷位兩個(gè)層厚3 mm序列之間的SNR測(cè)量無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，正是因?yàn)榉謩e對(duì)應(yīng)設(shè)置不同的FOV和矩陣以保持體素基本一致的結(jié)果；而1.1 mm層厚或2 mm層厚分別與4 mm層厚序列的SNR對(duì)比均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；4 mm層厚時(shí)雖然SNR高，DTT圖和FA圖評(píng)分卻較低（評(píng)分與1.1 mm、2 mm層厚相比較時(shí)，DTT和FA評(píng)分都有統(tǒng)計(jì)差異），屬體素較大，部分容積效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果。

磁場(chǎng)均勻度、回波鏈（Echo Train Length，ETL）、TE是影響單次激發(fā)SE-EPI圖像質(zhì)量的重要因素。在1.5T場(chǎng)強(qiáng)下，磁場(chǎng)均勻度隨球體容積直徑（Diameter of Spherical Volume，DSV）的增加而成倍的降低：DSV從50 cm降低到10 cm，每降低10 cm，磁場(chǎng)均勻度增加約1倍。TE是橫向磁化矢量衰減的時(shí)間，它決定進(jìn)動(dòng)質(zhì)子失相位的多少，TE越長(zhǎng)，采集信號(hào)前橫向磁化的衰減越大，回波幅度越小，產(chǎn)生的信號(hào)量也越少，SNR就會(huì)下降。單次激發(fā)的SEEPI在一個(gè)射頻脈沖激發(fā)后采集所有的成像數(shù)據(jù)，用于重建一個(gè)平面的MR圖像，因此其ETL的長(zhǎng)度取決于所使用矩陣的大小，矩陣越大，ETL越長(zhǎng)，TE就越長(zhǎng)，SNR就越低。層厚固定時(shí)降低FOV后相應(yīng)地降低矩陣可以保持體素大小基本不變，所以不會(huì)因降低FOV而降低圖像SNR，但因矩陣下降后TE變短將會(huì)提高SNR進(jìn)而提高圖像質(zhì)量。本研究中，橫斷位FOV從200 mm降到110 mm（矩陣相應(yīng)地從132×132降為72×72，兩者DTT評(píng)分差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義），體現(xiàn)出同時(shí)降低FOV和矩陣后圖像質(zhì)量的提高。

表2 各序列SNR平均值

表3 DTT和FA顯示主觀評(píng)分 (分)

綜上所述，在場(chǎng)強(qiáng)為1.5 T的情況下，相對(duì)小FOV（110 mm×110 mm）結(jié)合使用小矩陣（72 mm×72 mm）掃描，是應(yīng)用簿層厚條件時(shí)空間分辨率與SNR之間均衡的參數(shù)值，擴(kuò)散張量纖維示蹤成像可重建出更多的神經(jīng)纖維、完整性更好，是用于巴馬小型豬腰椎神經(jīng)根DTI相關(guān)評(píng)價(jià)的理想選擇。

[1] 宋澤進(jìn),譚永明,何來昌,等.磁共振彌散張量成像在腰椎間盤突出癥神經(jīng)根受壓中的臨床應(yīng)用[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2014,54(12):74-76.

[2] 成麗娜,汪文勝,溫金峰,等.DTT及VBM聯(lián)合評(píng)價(jià)精神發(fā)育遲滯患者腦白質(zhì)變化[J].放射學(xué)實(shí)踐,2015,30(8):806-810.

[3] 黃山,晏錚劍,鄧忠良,等.磁共振彌散張量成像定量分析正常成人L4、L5、S1神經(jīng)根[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2013,38(12): 1506-1509.

[4] Menke RA,Scholz J,Miller KL,et al.MRI characteristics of the substantia nigra in Parkinson's disease: a combined quantitative T1 and DTI study[J].Neuroimage,2009,47(2):435-441.

[5] Budzik JF,Verclytte S,Lefebvre G,et al.Assessment of reduced fi eld of view in diffusion tensor imaging of the lumbar nerve roots at 3 T[J].Eur Radiol,2013,23(5):1361-1366.

[6] 張朋,陳巖,劉鵬.磁共振在腦癱診療中的研究進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014,29(5):71-73.

[7] Naganawa S,Koshikawa T,Kawai H,et al.Optimization of diffusion-tensor MR imaging data acquisition parameters for brain fiber tracking using parallel imaging at 3T[J].Eur Radiol,2004,14(2):234-238.

[8] 可贊,王良,鄧明,等.MR擴(kuò)散張量成像定量參數(shù)FA和ADC值在前列腺移行帶結(jié)節(jié)良惡性分級(jí)中的應(yīng)用價(jià)值[J].磁共振成像,2016,7(5):332-336.

[9] 陳敏,王亞玲,李擁軍,等.磁共振擴(kuò)散張量成像定量分析豬心肌梗死早期離體心肌結(jié)構(gòu)變化[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2015, 31(8):1140-1143.

[10] 付志輝,貢志剛,周建華,等.擴(kuò)散梯度方向數(shù)目對(duì)DTI參數(shù)SNR和FA的影響[J].臨床放射學(xué)雜志,2014,33(3):437-440.

[11] 胡萬朝.磁共振彌散張量成像聯(lián)合神經(jīng)纖維束示蹤技術(shù)在腦梗死診治中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2015,30(8):43-45.

[12] 邢健,姚田嶺,魏秀芳.3.0T彌散張量成像(DTI)正常成人腦組織成像及參數(shù)分析[J].牡丹江醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,34(4):93-95.

[13] 張超,穆學(xué)濤,王宏,等.正常人頸髓擴(kuò)散張量成像最佳參數(shù)研究[J].放射學(xué)實(shí)踐,2014,29(10):1151-1154.

[14] Balbi V,Budzik JF,Duhamel A,et al.Tractography of lumbar nerve roots: initial results[J].Eur Radiol,2011,21(6):1153-1159.

[15] Mukherjee P,Berman JI,Chung SW,et al.Diffusion tensor MR imaging and fi ber tractography: theoretic underpinnings[J].Am J Neuroradiol,2008,29(4):632-641.

[16] Lindquist MA.The statistical analysis of fMRI data[J].Stat Sci,2008:439-464.

本文編輯 袁雋玲

Comparative Study of Diffusion Tensor Imaging with Different Parameters of Bama Minipig Lumbar Nerve Roots

X I A O J i a n-mi n g, P E N G T a o, N I U X ia n g-k e, WA N G Z o n g-y o n g, Z H I B i a o

Department of Radiology, Affiliated Hospital of Chengdu University, Chengdu Sichuan 610081, China

O b j e c t i v e To summarize the optimal sequence parameters, we compared the image quality of diffusion tensor imaging (DTI) with different sequence parameters in lumbar nerve roots of Bama minipig at 1.5 T. Me t h o d s We performed lumbar DTI scan on 10 pigs for 3 times based on different combinations of slice thickness, view field and matrix. The signal to noise ratio and reconstructed diffusion tensor tractography (DTT) were measured by 3 experienced radiologists, then the DTT images were evaluated and scored. Scoring results were analyzed statistically with the statistical analysis. R e s u l t s There was no signi fi cant differences in the SNR among different DTI images (P＞0.05) when the voxel size were similar, whereas the slice thickness and FOV were different. The difference of DTI image score was statistically significant among the different sequences of FOV (P＜0.05). The relative smaller FOV sequence had relative higher DDT image score. C o n c l u s i o n Voxel size depends on slice thickness, view fi eld and matrix, either too large or too small voxel can cause poor image quality. The DTT images show more nerve fi bers and better continuity when use the small view fi eld (72 mm×72 mm) in combination with small matrix. Therefore, this combination is a good choice for DTI evaluation of lumbar nerve root in miniature pigs.

diffusion tensor imaging; miniature pig; lumbar; nerve roots; parameters

R681.5；R445.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.016

1674-1633(2017)07-0056-04

2016-10-08

2016-11-04

四川省醫(yī)學(xué)科研青年創(chuàng)新課題計(jì)劃（Q14004）。

彭濤，副主任醫(yī)師，主要研究方向?yàn)楦共看殴舱裨\斷。

通訊作者郵箱：18385951@qq.com