不同参数条件下巴马小型猪腰椎神经根扩散张量成像的比较研究

肖建明，彭涛，牛翔科，王宗勇，植彪

成都大学附属医院 放射科，四川 成都610081

不同参数条件下巴马小型猪腰椎神经根扩散张量成像的比较研究

肖建明，彭涛，牛翔科，王宗勇，植彪

成都大学附属医院 放射科，四川 成都610081

目的 比较1.5T磁共振不同参数条件下的巴马小型猪腰椎神经根扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）序列的图像质量，优选最佳扫描参数。方法 采用不同的层厚、扫描野、矩阵组合对10头小型猪各进行3次腰椎DTI扫描，由3名高年资放射科医师完成图像信噪比的测量和扩散张量纤维示踪图（Diffusion Tensor Tractography，DTT）的重建，并对DTT显示效果进行评分，采用方差检验对评分结果进行统计学分析。结果 体素大小相近时，不同参数条件下（层厚不同或FOV不同）DTI图像信噪比间的差异无统计学意义（P＞0.05），不同FOV的DTT图像质量评分之间的差异有统计学意义（P＜0.05），相对小FOV的序列DTT图像质量评分较高。结论 体素大小取决于层厚、扫描野及矩阵，过大或过小的体素均导致图像质量下降。相对小扫描野（110 mm×110 mm）结合使用小矩阵（72 mm×72 mm）扫描，扩散张量纤维示踪成像可重建出更多的神经纤维、完整性更好，是用于巴马小型猪腰椎神经根DTI相关评价的理想选择。

扩散张量成像；巴马小型猪；腰椎；神经根；参数

引言

腰椎非压迫性神经根炎是下腰痛的重要原因，随着这一观点逐步被人们接受，关于非压迫性神经根炎的微创治疗研究也越来越多，但目前对于其疗效主要采用病理手段证实，相关的影像学评价手段较少。扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）是用于描述水分子扩散方向特征的磁共振成像技术，其应用于人体中枢神经系统的技术已经非常成熟[1-4]，但DTI应用于小型活体猪周围神经的报道较少，本文旨在比较几种不同参数条件下DTI序列的图像质量，以期优选出最佳扫描参数。

1 材料与方法

1.1 实验对象及检查前准备

选取普通级巴马小型猪10只，均为雌性，体重平均（20±2）kg，由成都达硕实验动物有限公司提供（生产许可证号：SCXK（川）2013-24），实验过程中亦由该公司提供饲养服务（四川省实验动物使用许可证，证号：SYXK（川）2014-189）。检查前禁食禁水24 h。麻醉方法：肌注氯胺酮300 mg后，氯胺酮600 mg、地西泮20 mg、生理盐水500 mL配置后经耳缘静脉滴注维持麻醉（滴速：80～90滴/分）。本研究获得医院伦理委员会批准。

1.2 仪器与方法

采用Siemens Magnetom Avanto 1.5T磁共振仪，TIM脊柱线圈。实验猪仰卧在检查床上，背部两侧各垫一砂袋，四肢用棉布绳固定，取头先进，正中矢状面尽可能与线圈纵轴保持一致，扫描中心定于第四腰椎。扫描室温度22～24℃、湿度40%～60%恒定。采用三维超快速小角度激发（Turob Fast Low Angle Shot，Turbo FLASH）T1WI（参数：层厚1.1 mm；层数104；TI 1100 ms；TR 1860 ms；TE 3.02 ms；平均次数1次；并行因子为2；FOV 280 mm×280 mm；矩阵256×246；翻转角15o；不抑脂；相位方向为头～脚）和三维快速自旋回波成像技术T2WI（参数：层厚1 mm；层数88；TR 2000 ms；TE 117 ms；平均次数为2次；并行因子为2；FOV 250 mm×250 mm；矩阵256×254；翻转角150o，不抑脂；相位方向为头 ～脚）各完成一次解剖定位像后进行5种不同参数DTI序列扫描；DTI序列采用单次激发自旋回波-平面回波成像序列（Spin Echo-Echo Plane Image，SE-EPI），各DTI序列参数，见表1。DTI参数值相同部分：序列类型SE-EPI；层间距为0；平均次数5次；并行因子2；抑脂；b值为0.800 s/mm2；弥散方向数为12。

1.3 图像测量

在b=0 s/mm2图像上L3-4、L4-5、L5-S1椎间孔水平脊髓处各选取一兴趣区，测量组织信号强度SI组织，在同一层面内组织外避开伪影区选取4个感兴趣区测量背景信号标准差SD背景，并取背景标准差平均值SD背景[5-6]（矢状位在脊髓最大层面L3-4，L4-5，L5-S1椎间孔水平测量1次信号强度和4次标准差，测量点见图1。横断位在L3-4、L4-5、L5-S1椎间孔水平层面各测1次信号强度和4次标准差，测量点见图2。信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）=SI组织/SD背景。

图1 矢状位信噪比测量示意图

图2 横断位信噪比测量示意图

1.4 图像后处理及评价

由3名高年资医师独立利用Siemens Syngo B17中Neuro3D软件进行图像后处理。将所获得的原始数据生成分数各向异性图（Fractional Anisotropy，FA）、扩散张量纤维示踪图（Diffusion Tensor Tractography，DTT）。根据FA图所显示神经根与T2WI和T1WI解剖图所显示神经根走行拟合一致情况进行FA图显示评分：每一神经根100%拟合计1分，完全不显示计0分；根据DTT图显示神经纤维数量和完整性进DTT图显示评分：4根及以上完整神经纤维长度超过下一神经根计100%（1分），完全不显示计0分[5-7]。每一序列FA图和DTT图显示评分为L3-4，L4-5，L5-S1两侧共6条神经根评分总和，3位医师评分的平均分作为FA图和DTT图的最终评分。

表1 DTI序列参数 (不同部分)

1.5 统计学分析

应用SPSS 17.0统计学软件做数据处理，SNR测量结果、FA图评分、DTT图评分采用方差检验进行统计分析，P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

第一头猪完成两次扫描，其它均为3次扫描，5个不同参数DTI序列各获得29次扫描数据。SNR测量结果，见表2。DTT和FA显示评分，见表3。

在SNR对比中，方差检验结果显示：Sag1与Sag2、Tra1与Tra2之间无差异无统计学意义；Sag1分别与Sag4、Tra1、Tra2之间及Sag2分别与Sag4、Tra1、Tra2之间有差异有统计学意义（体素大的Sag4、FOV小的Tra1、Tra2的SNR高）； Sag4与Tra1、Tra2之间差异有统计学意义（体素大的Sag4的SNR高）。

在DTT和FA显示评分对比中，方差检验结果显示：Sag1分别与Sag2、Tra2之间、Sag2与Sag4之间无差异无统计学意义；Sag1与Sag4之间差异有统计学意义（Sag1评分高），Sag1与Tra1之间差异有统计学意义（Tra1评分高）；Sag2与Tra1之间差异有统计学意义（Tra1评分高），Sag2与Tra2之间差异有统计学意义（Tra2评分高）；Sag4与Tra1之间差异有统计学意义（Tra1评分高），Sag4与Tra2之间差异有统计学意义（Tra2评分高）；Tra1与Tra2之间差异有统计学意义（Tra1评分高）。

3 讨论

DTI是一种用于描述水分子扩散方向特征的磁共振成像技术。所获得的数据经专用软件处理后可以重建DTT来描述纤维束的走行形态、评价精神发育迟滞患者脑白质变化；FA来测量水分子各向异性值以评价神经根病变、进行肿瘤分级等[1-4,8-9]。影响DTI成像效果的因素中序列参数是文献报道的重点， 主要集中在扩散敏感梯度方向数（Number of Diffusion Gradient Directions，NDGD）、b值、层厚、扫描野等参数改变对成像效果的影响。NDGD设置范围是从6～25、B值选择范围从600～1000均有支持者[10-14]。本研究选择中间值：NDGD设置为12，b值设置为800 s/mm2。由于实验猪体型较小，因此本研究设置较小于文献报道的层厚和扫描野对比其效果。

体素的大小取决于FOV、矩阵、和层面厚度3个基本成像参数，体素是像素与层面厚度的乘积，即：体素=FOV/矩阵×层厚，据此公式改变层厚的同时更改FOV或（和）矩阵可以保持体素大小不变。由于信号强度与每个体素内共振质子的数量成正比，所以增大体素会增加信号强度，即增加SNR，但负面效果是部份容积效应也相应地增加，导致漏掉小的病变（高信号被平均后信号减低）或产生假象；减小体素时空间分辨率会提高，但会降低SNR。理论上SNR可以通过增加信号平均次数来的高，但这会成倍地增加扫描时间，因此对于活体动物，即使在持续麻醉状态下也不可能过多地增加信号平均次数来使过低的SNR达到实验需求[15-16]。本研究中，矢状位1.1 mm与2 mm层厚序列之间及横断位两个层厚3 mm序列之间的SNR测量无统计学差异，正是因为分别对应设置不同的FOV和矩阵以保持体素基本一致的结果；而1.1 mm层厚或2 mm层厚分别与4 mm层厚序列的SNR对比均有统计学差异；4 mm层厚时虽然SNR高，DTT图和FA图评分却较低（评分与1.1 mm、2 mm层厚相比较时，DTT和FA评分都有统计差异），属体素较大，部分容积效应导致的结果。

磁场均匀度、回波链（Echo Train Length，ETL）、TE是影响单次激发SE-EPI图像质量的重要因素。在1.5T场强下，磁场均匀度随球体容积直径（Diameter of Spherical Volume，DSV）的增加而成倍的降低：DSV从50 cm降低到10 cm，每降低10 cm，磁场均匀度增加约1倍。TE是横向磁化矢量衰减的时间，它决定进动质子失相位的多少，TE越长，采集信号前横向磁化的衰减越大，回波幅度越小，产生的信号量也越少，SNR就会下降。单次激发的SEEPI在一个射频脉冲激发后采集所有的成像数据，用于重建一个平面的MR图像，因此其ETL的长度取决于所使用矩阵的大小，矩阵越大，ETL越长，TE就越长，SNR就越低。层厚固定时降低FOV后相应地降低矩阵可以保持体素大小基本不变，所以不会因降低FOV而降低图像SNR，但因矩阵下降后TE变短将会提高SNR进而提高图像质量。本研究中，横断位FOV从200 mm降到110 mm（矩阵相应地从132×132降为72×72，两者DTT评分差异具有统计学意义），体现出同时降低FOV和矩阵后图像质量的提高。

表2 各序列SNR平均值

表3 DTT和FA显示主观评分 (分)

综上所述，在场强为1.5 T的情况下，相对小FOV（110 mm×110 mm）结合使用小矩阵（72 mm×72 mm）扫描，是应用簿层厚条件时空间分辨率与SNR之间均衡的参数值，扩散张量纤维示踪成像可重建出更多的神经纤维、完整性更好，是用于巴马小型猪腰椎神经根DTI相关评价的理想选择。

[1] 宋泽进,谭永明,何来昌,等.磁共振弥散张量成像在腰椎间盘突出症神经根受压中的临床应用[J].南昌大学学报(医学版),2014,54(12):74-76.

[2] 成丽娜,汪文胜,温金峰,等.DTT及VBM联合评价精神发育迟滞患者脑白质变化[J].放射学实践,2015,30(8):806-810.

[3] 黄山,晏铮剑,邓忠良,等.磁共振弥散张量成像定量分析正常成人L4、L5、S1神经根[J].重庆医科大学学报,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] 张朋,陈岩,刘鹏.磁共振在脑瘫诊疗中的研究进展[J].中国医疗设备,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] 可赞,王良,邓明,等.MR扩散张量成像定量参数FA和ADC值在前列腺移行带结节良恶性分级中的应用价值[J].磁共振成像,2016,7(5):332-336.

[9] 陈敏,王亚玲,李拥军,等.磁共振扩散张量成像定量分析猪心肌梗死早期离体心肌结构变化[J].中国医学影像技术,2015, 31(8):1140-1143.

[10] 付志辉,贡志刚,周建华,等.扩散梯度方向数目对DTI参数SNR和FA的影响[J].临床放射学杂志,2014,33(3):437-440.

[11] 胡万朝.磁共振弥散张量成像联合神经纤维束示踪技术在脑梗死诊治中的应用[J].中国医疗设备,2015,30(8):43-45.

[12] 邢健,姚田岭,魏秀芳.3.0T弥散张量成像(DTI)正常成人脑组织成像及参数分析[J].牡丹江医学院学报,2013,34(4):93-95.

[13] 张超,穆学涛,王宏,等.正常人颈髓扩散张量成像最佳参数研究[J].放射学实践,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.

本文编辑 袁隽玲

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

四川省医学科研青年创新课题计划（Q14004）。

彭涛，副主任医师，主要研究方向为腹部磁共振诊断。

通讯作者邮箱：18385951@qq.com