CN103690167A - 一种用于坐骨神经的mr成像分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于坐骨神经的MR成像分析方法，包括线圈固定、扫描、成像、测量、示踪步骤。具体步骤为将待测样品用线圈固定；将经过线圈固定的待测样品用核磁共振成像扫描仪扫描获得扫描信号；采集得到的扫描信号进行弥散张量成像得到各向异性指数图、表观扩散相关系数图及本征值图，在相应图上测量可得到各向异性指数、表观扩散相关系数及本征值数据；对弥散张量成像原始图像进行纤维束示踪重建可得到纤维束示踪图。本发明提供的用于坐骨神经的MR成像分析方法可以提高坐骨神经成像的准确性和可靠性。

Description

一种用于坐骨神经的MR成像分析方法

技术领域

本发明涉及核磁共振成像领域，特别是涉及一种用于坐骨神经的MR成像分析方法。

背景技术

坐骨神经由腰神经和骶神经组成，来自腰4～腰5神经和骶1～骶3神经根，是所有神经中最粗者，但是坐骨神经较细小，走行不在同一平面。常规坐骨神经的检查主要包括：自旋回波技术（T1WI加权像、T2WI加权像），重T2WI加权成像（磁共振神经成像术（MRN））、核磁共振MR背景抑制弥散成像（DWBIS）及磁共振成像（MRI）增强扫描。在常规成像序列上，神经信号与肌肉信号相似，神经显示是凭借周围线状高信号的脂肪包绕，显示为等信号，在压脂序列及核磁共振（MR）神经成像术上神经可表现为高信号。这些神经成像术有以下缺点：

（1）神经信号与肌肉信号相似，神经显示是凭借周围线状高信号的脂肪包绕，因而消瘦患者显示不佳；

（2）周围神经往往与血管、脂肪伴行，以往的成像序列对脂肪及血管的压脂欠佳，使神经显示不满意；

（3）只能显示周围神经的解剖形态，对细微结构的显示能力较差。MRI神经成像MRN可使神经显示为高信号，可利用相控阵线圈及脂肪抑制重T2WI成像对神经进行选择性成像，清晰显示神经结构，但此技术对场强强度及线圈要求较高。

（5）尽管可以对周围神经进行T1值、T2值的测量，但比较复杂，MR背景抑制弥散成像：不能对神经病变进行定量研究；

（6）只能局限于坐骨神经、臂丛神经、正中神经等较粗大的神经主干的显示，而且仅限于神经走行较为平直的部分，不能连续显示神经全程，不能直观显示神经纤维束的细微结构，对于走行较为复杂、迂曲的节段则难以显示，因而无法精确评估损伤程度及检测神经纤维束的细微结构，同时具有扫描时间长及测量繁琐、主观性强等缺点，难以在临床推广，应用价值较为有限。

（7）能够显示周围神经损伤时信号和弛豫时间的异常，但是对于神经的再生缺乏特异性，而且无法显示复杂解剖部位的神经走行。

综上所述，这些成像方式只能局限于坐骨神经、臂丛神经、正中神经等较粗大的神经主干的显示，而且仅限于神经走行较为平直的部分，不能连续显示神经全程，对于走行较为复杂、迂曲的节段则难以显示，且对神经再生缺乏特异性，应用价值较为有限。

发明内容

本发明提供了一种用于坐骨神经的MR成像分析方法，可以克服现有技术中MR成像技术不能连续全面地显示坐骨神经周围的细小神经及对神经病变进行定量的技术缺陷。

基于上述问题，本发明提供的一种用于坐骨神经的MR成像分析方法，具体包括以下步骤：

S1、线圈固定：将待测样品用线圈固定；

S2、扫描：将经过线圈固定的所述待测样品用核磁共振成像扫描仪扫描获得扫描信号；

S3、成像：采集所述S2步骤得到的所述扫描信号进行弥散张量成像得到数据；

S4、测量：根据所述S3步骤得到各向异性指数（FA）图、表观扩散相关系数图（ADC）、本征值图；在相应图上测量可得到各向异性指数、表观扩散相关系数及本征值数据。

S5、示踪：将所述S4步骤得到的上述数据进行纤维束示踪重建步骤得到纤维束示踪图。

进一步的，S1步骤中的线圈为相控阵列射频线圈。

进一步的，S2步骤中核磁共振成像扫描仪为双梯度核磁共振成像扫描仪。

进一步的，双梯度MRI扫描仪的最大梯度场强为66mT/m，梯度爬升速率为160T/m/s。

进一步的，步骤S3中弥散张量成像的序列为单次激发的自旋回波-平面回波序列。

进一步的，单次激发的自旋回波-平面回波序列的弥散敏感系数b值为1000s/mm²，重复时间为4000ms，回波时间为70ms，层厚/层间距为2mm/0mm，扫描视野为128x128mm，扫描矩阵为80x80，体素为1.6mm；重建矩阵为256x256，重建体素为0.5mm，层数30，扫描时间为9分50秒，激励次数2。

进一步的，步骤S3中采用并行采集技术采集S2步骤得到的扫描信号进行弥散张量成像，并行采集技术采用敏感梯度编码与半傅里叶编码技术联用。

进一步的，步骤S3中弥散张量成像的弥散敏感梯度方向为32个，像素为1.6×1.6×1.6mm。

进一步的，步骤S5中纤维束示踪的FA阈值为0.3，转角阈值27°，最小纤维束长度选用10mm。

进一步的，步骤S5中纤维束示踪步骤采用两个感兴趣区定义法划定两个相距5mm的感兴趣区。

本发明的有益效果包括：本发明提供的一种用于坐骨神经的MR成像分析方法，通过采用高场强的MR机进行扫描，同时采用弥散张量成像及纤维束示踪术进行成像和示踪，可通过监测水分子的随机运动和测量各向异性指数等多个弥散参数值来提供组织的显微结构和组织架构等有价值的信息，具有常规MRI技术无法比拟的优势，可在细胞、分子水平早期检测病变的异常，能有效提高中小动物周围神经弥散张量成像的可行性及可靠性。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明提供了一种用于坐骨神经的MR成像分析方法，能有效提高中小动物周围神经MRI弥散张量成像(diffusion tensorimaging，DTI)的可行性及可靠性，其具体的分析方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、线圈固定：将待测样品用线圈固定；

S2、扫描：将经过线圈固定的所述待测样品用核磁共振成像扫描仪扫描获得扫描信号；

S3、成像：采集所述S2步骤得到的所述扫描信号进行弥散张量成像得到数据；

S4、测量：根据所述S3步骤得到各向异性指数（FA）图、表观扩散相关系数图（ADC）、本征值图；在相应图上测量可得到各向异性指数、表观扩散相关系数及本征值数据；

S5、示踪：将所述S4步骤得到的上述数据进行纤维束示踪重建步骤得到纤维束示踪图。

FA值，ADC值和本征值由Philips EWS v2.6工作站获得，本征值包括λ1、λ2、λ3值。本征向量值（λ∥，λ⊥）λ∥为λ1，λ⊥=（λ2+λ3）/2得到。纤维束的密度指数=纤维束数目/ROI。

如何清晰、无创及早期显示小动物周围神经及病变对于探索人体周围神经病变有重要意义。常规MRI检查只能显示粗大周围神经干的大体解剖形态，不能对神经损伤程度进行定量评价。弥散张量成像及纤维束示踪术是在常规弥散基础上发展起来的新兴技术，可通过监测水分子的随机运动和测量各向异性指数等多个弥散参数值来提供组织的显微结构和组织架构等有价值的信息，具有常规MRI技术无法比拟的优势，可在细胞、分子水平早期检测病变的异常。

进一步的，S1步骤中的线圈为相控阵列射频线圈。相控阵线圈为接收线圈，是由多个表面线圈共同组成，与其它线圈相比，获得的图像具有较高信噪比，高图像空间分辨率，快速成像的特点。相控阵列射频线圈为更高场强、更快成像速度及功能成像提供了良好的技术平台，可提供相关部位更精细的MRI检查。

进一步的，S2步骤中核磁共振成像扫描仪为双梯度核磁共振成像扫描仪，相对于单梯度磁共振扫描仪成像效果更好。

进一步的，当双梯度MRI扫描仪的梯度场强为66mT/m以上，梯度爬升速率为160T/m/s以上时，才能够完成弥散张量成像中的平面回波成像。当梯度场强越高，梯度爬升速率越快，弥散张量成像的效果越好。

进一步的，步骤S3中弥散张量成像的序列为单次激发的自旋回波-平面回波序列。如何获得高信噪比的动物坐骨神经图像质量，扫描序列的选择是关键。弥散张量成像对于图像的信噪比有较高的要求，而不同的示踪技术亦会对纤维束示踪的结果产生较大影响，因此，选择合适的扫描及重建技术对于弥散张量成像DTI纤维束示踪成像十分重要。本发明创造性的使用单次激发回波平面成像（singleshot spin-echo echo-planar imaging，SS SE-EPI）序列。由于弥散加权序列对于运动的敏感性，十分微小的运动都会对更加微小的分子运动产生影响，因此弥散加权序列需要超快速的成像技术。目前弥散张量成像多采用自旋回波的单次激发EPI序列，一次射频脉冲的激发即可完成一个二维（2D）图像的采集，因其成像速度快，显著降低了诸如呼吸、心跳、脉搏等生理性运动以及病人运动产生的伪影。

进一步的，单次激发的自旋回波-平面回波序列的弥散敏感系数（b值）为1000s/mm²，重复时间为4000ms，回波时间为70ms，层厚/层间距为2mm/0mm，扫描视野为128x128mm，扫描矩阵为80x80，体素为1.6mm；重建矩阵为256x256，重建体素为0.5mm，层数30，扫描时间为9分50秒，激励次数2，当自旋回波-平面回波序列采用前述参数进行弥散张量成像，成像效果更佳。

进一步的，步骤S3中采用并行采集技术采集S2步骤得到的扫描信号进行弥散张量成像，并行采集技术为敏感梯度编码与半傅里叶编码技术联用。仅使用单次激发的自旋回波-平面回波序列存在几何变形、图像质量差等缺点。本发明使用并行采集技术对扫描信号进行采集，能够加快扫描。而敏感梯度编码(sensitivity encoding，SENSE)技术是并行采集技术中的一种采集方法，采用多个表面接收单元同时接收信号，保持K空间最大值不变的情况下，增加相位编码之间的距离，从而减少K空间的采样步数，在保持空间分辨力不衰减的情况下，使采集时间减少的一种快速成像技术。K空间也叫傅里叶空间，是带有空间定位编码信息的MR信号原始数字数据的填充空间，每一幅MR图像都有其相应的K空间数据点阵。并行采集技术能够减少EPI采集时的相位编码数目，加快单位时间内K空间填充速度，减轻常规EPI累积相位错误所引起的图像变形，减轻横向磁化时间及准横向磁化时间T2和T2*对比的模糊效应。

半傅里叶编码技术是一种减少SS SE-EPI序列回波链长度的方法，利用k空间的共轭对称性，仅采集一半(部分)的k空间数据，另外一半(部分)根据对称性计算填补，使SS SE-EPI的回波链减少一半，起到同并行采集技术同样的效果。

本发明创造性的将SENSE技术和半傅里叶编码技术联用，由于SENSE因子为2，半傅里叶因子为0.678，两者技术联用，获得了满意的信噪比，具有显著的技术效果。

进一步的，步骤S3中弥散张量成像像素的为1.6×1.6×1.6mm，能有效保证了图像信噪比，具有操作简单，精度高、重复性好的优点。

进一步的，步骤S3中弥散张量成像的弥散敏感梯度方向为32个。弥散敏感梯度方向（MPG）的数量被认为是弥散张量成像中的一个重要因素，采用更多的MPG方向较增加扫描重复次数能获得更好的纤维束重建图像，本发明采用32个MPG的扫描方式能够减少对于方向的依赖性，增加弥散张量参数如FA值、ADC值和本征向量值的精确性。

进一步的，步骤S5中纤维束示踪的FA阈值为0.3，转角阈值27°，最小纤维束长度选用10mm。在纤维束示踪技术中，阈值的选择对纤维束示踪很重要，阈值过低会产生很多假纤维束，而阈值过高则会丢失真实的纤维束。阈值包括最小FA阈值、最大偏转角及最短纤维束长度。当FA值大于0.3时开始纤维束示踪，最大偏转角为27度，最短神经纤维束长度为10mm，显示的正常纤维束最接近真实情况。

进一步的，步骤S5中的纤维束示踪步骤采用两个感兴趣区（ROI）定义法，采用freehand模式划定两个相距5mm的ROI区。

弥散张量成像的数据传入Philips EWS v2.6工作站FiberTrak软件包行图像后处理。在Philips工作站上对弥散张量原始图像进行校正，采用Fiber Tracking软件取双ROI重建坐骨神经，得到纤维束示踪图，FA彩色图，观察神经纤维束的粗细、长短。纤维束示踪采用2个感兴趣区(ROI)定义法，在待测样品股骨大转子层面采用freehand模式划定2个相距5mm的ROI，刚好包含坐骨神经外径，软件自动显示出穿过2个ROI的纤维束。

实施例

以下实施例中所采用的MR成像设备为荷兰Philips公司生产的Achieva1.5T Nova Dual双梯度MR扫描仪，最大梯度场强66mT/m，梯度爬升速率160T/m/s。线圈为实验动物（兔）专用相控阵列射频线圈，型号为CG RBC18-H150-AP，由上海辰光医疗科技有限公司生产。图像工作站为Philips EWS（Extended Workspace）v2.6工作站，内装FiberTrak纤维束示踪后处理软件包。

实施例1

S1、线圈固定：将待测样品用相控阵列射频线圈固定；

S2、扫描：将经过线圈固定的待测样品用梯度场强为66mT/m，梯度爬升速率为160T/m/s的双梯度核磁共振成像扫描仪扫描获得扫描信号；

S3、成像：采用敏感梯度编码与半傅里叶编码技术联用采集S2步骤得到的扫描信号进行弥散张量成像得到数据，序列为单次激发的自旋回波-平面回波序列，弥散敏感系数（b值）为1000s/mm²。重复时间为4000ms，回波时间为70ms。层厚/层间距为2mm/0mm，扫描视野为128x128mm，扫描矩阵为80x80，体素为1.6mm；重建矩阵为256x256，重建体素为0.5mm，层数30，扫描时间为9分50秒，激励次数2；

S4、测量：将S3步骤得到各向异性指数（FA）图、表观扩散相关系数图（ADC）、本征值图；在相应图上测量可得到各向异性指数、表观扩散相关系数及本征值数据；

S5、示踪：使用三维暴力法确定坐骨神经的位置，结合解剖定位图，在坐骨神经在股骨转子水平选择2个相距5mm的感兴趣区（ROI）来定义纤维束，计算出穿过2个ROI的纤维束；将S3步骤得到的数据进行纤维束示踪步骤，调节FA阈值为0.3，转角阈值27°，最小纤维束长度选用10mm，得到纤维束示踪图和各向异性指数图。

实验例

选取32只健康的新西兰大白兔按照实施例1的方法进行实验，验证实施例1方法的有效性。

坐骨神经损伤模型制作。

实验组：选取健康新西兰大白兔32只，进行麻醉。麻醉成功后，将大白兔右后肢进行手术，暴露及游离右侧坐骨神经，于坐骨结节下两横指处用两把无齿输精管夹住神经主干的两端，两端的距离为5mm。然后均匀用力使两钳分离，神经变细、变长，当神经长度达10mm时，用力夹紧30s，然后缝合大白兔右后肢的各层皮肤。

对照组：将实验组的大白兔按照前述的方法对左后肢进行假手术，暴露大白兔左后肢的坐骨神经，然后立即缝合。

将实验组和对照组的大白兔于术前、术后1天、3天、1周、2周、3周、4周、6周、8周时按照实施例1的方法对大白兔的坐骨神经进行检查，考察坐骨神经可逆牵拉伤的不同时间段退变及异常的变化，并对此变化进行定量，同时与病理学、肢体功能评分（Tarlov和展趾反射评分）进行比较。每个时间点随机抽取4只大白兔进行检查。

实验一、弥散张量成像。

将实验组和对照组的大白兔按照实施例1的方法进行成像，检查坐骨神经可逆牵拉伤的不同时间段退变及异常的变化，并对此变化进行定量，检测各阶段的FA、ADC值。

经过不同时间段，牵拉神经近段FA值范围0.42±0.01～0.52±0.01，在手术后1天～1周的时间内，牵拉近段FA值与假手术侧有显著统计学差异（P<0.05）。牵拉段FA值范围0.33±0.01～0.44±0.01；牵拉远段FA值范围0.37±0.01～0.47±0.01，1天～8周牵拉段、牵拉远段FA值与假手术侧有显著统计学差异（P<0.05）。近段、牵拉段及远段FA值-时间曲线呈快速下降-逐渐上升型。牵拉近段、牵拉段及牵拉远段ADC值范围分别为1.42±0.01～1.45±0.01；1.43±0.01～1.47±0.01；1.42±0.01～1.44±0.02。各时间点神经损伤不同段ADC值与假手术侧ADC值无显著性变化（P>0.05）。

坐骨神经牵拉伤后1天～3天纤维束示踪图像仅显示神经近段；1周～6周远段纤维束增多、增粗；8周神经纤维大部分恢复正常。牵拉伤后退变时纤维长度及纤维密度指数均下降，1～6周纤维长度与假手术侧有差异，神经损伤8周时纤维长度及纤维长度密度指数上升，8周时纤维束长度基本恢复正常，但纤维束密度指数仍然没有恢复。术前双侧坐骨神经DTT纤维示踪为两条对称、条状结构影。FA彩色图、DTT图与STIR图、解剖图具有良好融合性。损伤1天及3天牵拉段及远段神经纤维无法显示，1周牵拉段及远段出现少量纤维束；3～6周纤维束较前增多；8周接近正常水平。彩色编码图与纤维束具有良好融合性，彩色编码FA图与常规STIR序列解剖图融合，两者具有良好融合性。

实验二、肢体功能评估。

对患肢的神经反射、运动功能进行评价，包括改良Tarlov评分、展趾反射，对兔损伤侧坐骨神经功能进行客观评价。其中改良Tarlov评分分为0～4级，分别记0～4分。0级：肢体完全瘫痪，针刺无反应；1级：针刺刚刚可见有轻微反应；2级：损伤侧后肢所有关节有自主运动，手压使足部屈曲时无抵抗；3级：手压使足部屈曲时有明显抵抗，但走路步态不稳；4级：行走步态正常。

展趾反射评分的具体步骤为：手捏住兔颈部皮肤将兔提离地面，迅速使其在空中下降而不让其着地，观察患侧脚趾张开情况，1级：脚趾张开完全不可见；2级：仅可见轻度脚趾分开；3级：明显可见脚趾分开（但幅度仍低于正常水平）；4级：脚趾完全张开达到正常水平。趾张反射对应1～4级神经功能分别记1～4分。

每只兔总分为8分，每组总分32分。肢体评估结果列于表1中。

表1（肢体评估表）

从表1中可以看出：坐骨神经牵拉伤后1天展趾反射评分降至最低值（4分），3～8周时逐渐恢复，至8周时展趾反射评分恢复至最大值（13分）；坐骨神经牵拉伤后1天的Tarlov评分降至最低值（5分），3至8周时逐渐恢复，至8周时恢复至最大值（14分）。

根据Tarlov评分和展趾反射评分结果可知：坐骨神经牵拉伤的弥散张量参数分析结果与Tarlov评分和展趾反射评分结果，其变化趋势是一致的，因此弥散张量参数具有可靠性。

实验三、病理学检查。

将实验组和对照组的大白兔处死，然后立即取坐骨神经的牵拉近段、牵拉段及牵拉远段神经各一段，每段长约4mm；放入10%福尔马林溶液内固定，用浓度为30%～100%的各级酒精脱水，然后用二甲苯透明两次，浸蜡，石蜡包埋，做纵、横切片，片厚5μm。将切片采用常规HE染色及NF、髓鞘特殊染色，在光镜观察。光镜观察结果为：术后1天牵拉段的髓鞘明显肿胀，部分髓鞘崩解，炎症细胞浸润；3天后牵拉段髓鞘大量溶解，轴索崩解；2～6周后，轴突、髓鞘退变与再生同时存在，施旺细胞及髓鞘增生，髓鞘不断成熟；8周后，牵拉段神经纤维排列整齐，髓鞘基本完整，神经基本恢复至正常。而牵拉远段在术后1天髓鞘轻度肿胀、充血、少量炎症细胞浸润，3天可见部分髓鞘瓦解，神经纤维空泡改变。余观察期基本同牵拉段改变，但损伤严重程度均较牵拉段轻。

综上，光镜检查结果与本发明实施例1方法的检测结果一致，证明本发明实施例1的方法能准确地显示坐骨神经和周围神经，准确性和可靠性很高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于坐骨神经的MR成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、线圈固定：将待测样品用线圈固定；

S2、扫描：将经过线圈固定的所述待测样品用核磁共振成像扫描仪扫描获得扫描信号；

S3、成像：采集所述S2步骤得到的所述扫描信号进行弥散张量成像得到数据；

S4、测量：根据所述S3步骤得到各向异性指数图、表观扩散相关系数图、本征值图，在相应图上测量可得到各向异性指数、表观扩散相关系数及本征值数据；

S5、示踪：将所述S4步骤得到的上述数据进行纤维束示踪重建步骤得到纤维束示踪图。

2.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

所述S1步骤中的所述线圈为相控阵列射频线圈。

3.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

所述S2步骤中所述核磁共振成像扫描仪为双梯度核磁共振成像扫描仪。

4.根据权利要求3所述的MR成像方法，其特征在于，

所述双梯度核磁共振成像扫描仪的最大梯度场强为66mT/m，梯度爬升速率为160T/m/s。

5.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

所述步骤S3中所述弥散张量成像的序列为单次激发的自旋回波-平面回波序列。

6.根据权利要求5所述的MR成像方法，其特征在于，

单次激发的自旋回波-平面回波序列的弥散敏感系数b值为1000s/mm²，重复时间为4000ms，回波时间为70ms，层厚/层间距为2mm/0mm，扫描视野为128x128mm，扫描矩阵为80x80，体素为1.6mm；重建矩阵为256x256，重建体素为0.5mm，层数30，扫描时间为9分50秒，激励次数2。

7.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

步骤S3中采用并行采集技术采集S2步骤得到的扫描信号进行弥散张量成像，并行采集技术采用敏感梯度编码与半傅里叶编码技术联用。

8.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

所述步骤S3中弥散张量成像的弥散敏感梯度方向为32个，像素为1.6×1.6×1.6mm。

9.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

所述步骤S5中纤维束示踪的FA阈值为0.3，转角阈值27°，最小纤维束长度选用10mm。

10.根据权利要求1所述的MR成像方法，其特征在于，

所述步骤S5中纤维束示踪步骤采用两个感兴趣区定义法划定两个相距5mm的感兴趣区。

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