Diffusion Tensor Imaging of the Spinal Cord at 1.5 and 3.0 Tesla

Zusammenfassung

Ziel: Die Durchführbarkeit der hochaufgelösten Diffusion-Tensor-Bildgebung (DTI) des menschlichen zervikalen Rückenmarks wurde an einem klinischen 3,0-Tesla-Magnet-Resonanz-Tomografen getestet. DTI-Parameterkarten und Signal-zu-Rausch-Verhältnisse (SNR) wurden mit bei 1,5 Tesla erzielten Ergebnissen verglichen. Material und Methoden: Acht gesunde Versuchspersonen und ein Patient nahmen an der Studie teil. Eine transversal orientierte EKG-getriggerte single-shot Echo-Planar-Bildgebungssequenz (EPI) mit Doppel-Spinecho-Diffusionspräparation wurde zur hochaufgelösten DTI-Bildgebung des Rückenmarks verwendet. Signalstärke, fraktionelle Anisotropie (FA) und mittlere Diffusivität (MD) wurden für zwei Feldstärken verglichen. Zusätzlich wurde die klinische Anwendbarkeit bei einem Patienten mit amyotropher Lateralsklerose (ALS) geprüft. Ergebnisse: Ein mittlerer Anstieg des SNR von 95,7 ± 4,6 % wurde bei 3,0 Tesla im Vergleich zu 1,5 Tesla gemessen. Die höhere Feldstärke lieferte eine verbesserte Bildqualität der DTI-Parameterkarten (p < 0,02). Bei beiden Feldstärken ergaben sich ähnliche FA- und MD-Werte (MD-Werte in Einheiten von 10 ^{- 3} mm²/s, 1,5 T: FA = 0,75 ± 0,08, MD = 0,84 ± 0,12, 3,0 T: FA = 0,74 ± 0,04, MD = 0,93 ± 0,14). Die DTI-Bilder des Patienten zeigten diagnostische Bildqualität. Im Bereich des erkrankten Corticospinaltraktes wurden eine um 46,0 ± 3,8 % verminderte FA (0,40 ± 0,03) und eine um 50,3 ± 5,6 % erhöhte MD (1,40 ± 0,05) gefunden. Schlussfolgerungen: Die DTI-Bildgebung des Rückenmarks zeigt bei 3,0 Tesla eine deutlich bessere Qualität als bei 1,5 Tesla. Das vorgeschlagene DTI-Protokoll erscheint für die Untersuchung von Rückenmarkserkrankungen geeignet.

Abstract

Purpose: The feasibility of highly resolved diffusion tensor imaging (DTI) of the human cervical spinal cord was tested on a clinical MR unit operating at 3.0 Tesla. DTI parametrical maps and signal-to-noise ratios (SNRs) were compared to results recorded at 1.5 Tesla. Materials and Methods: Eight healthy volunteers and one patient participated in the study. A transverse oriented single-shot ECG-triggered echo-planar imaging (EPI) sequence with double spin-echo diffusion preparation was applied for highly resolved DTI of the spinal cord. The signal yield, fractional anisotropy (FA), and mean diffusivity (MD) were compared for both field strengths. The clinical applicability of the protocol was also tested in one patient with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) at 3.0 T. Results: A mean increase in SNR of 95.7 ± 4.6 % was found at 3.0 Tesla compared to 1.5 Tesla. Improved quality of the DTI parametrical maps was observed at higher field strength (p < 0.02). Comparable FA and MD (reported in units of 10 ^{- 3} mm²/s) values were computed in the dorsal white matter at both field strengths (1.5 T: FA = 0.75 ± 0.08, MD = 0.84 ± 0.12, 3.0 T: FA = 0.74 ± 0.04, MD = 0.93 ± 0.14). The DTI images exhibited diagnostic image quality in the patient. At the site of the diseased corticospinal tract, a decrease of 46.0 ± 3.8 % in FA (0.40 ± 0.03) and an increase of 50.3 ± 5.6 % in MD (1.40 ± 0.05) were found in the ALS patient. Conclusion: The 3.0 Tesla field strength provides higher image quality in DTI of the spinal cord compared to 1.5 T. The proposed DTI protocol seems adequate for the assessment of spinal cord diseases.

Key words

MR diffusion/perfusion - spinal cord - MR imaging

References

• 1 Osborn A, Blaser S, Salzman K. Diagnostic Imaging: Brain. Salt Lake City; Amisirys 2004
• 2 Sartor K, Hartmann M, Fiebach J. et al . Normale und pathologische Wasserdiffusion im Gehirn.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 1317-1329
• 3 Kauczor H. Comprehensive Cancer Centers in Deutschland: Rolle der Radiologie.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 317-320
• 4 Habermann C, Gossrau P, Graessner J. et al . Diffusionsgewichtete MRT: Ist eine Differenzierung primärer Tumoren der Glandula parotidea möglich?.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 940-945
• 5 Hacklander T, Scharwachter C, Golz R. et al . Stellenwert der Diffusionsbildgebung in der Diagnostik von Wirbelkörpermetastasen des Prostatakarzinoms im Vergleich zu anderen Primärtumoren.  Fortschr Röntgenstr. 2006;  178 416-424
• 6 Moseley M E, Kucharczyk J, Mintorovitch J. et al . Diffusion-weighted MR imaging of acute stroke: correlation with T2-weighted and magnetic susceptibility-enhanced MR imaging in cats.  AJNR. 1990;  11 423-429
• 7 Heiland S, Sartor K. Magnetresonanztomographie beim Schlaganfall - Methodische Grundlagen und klinische Anwendung.  Fortschr Röntgenstr. 1999;  171 3-14
• 8 Flacke S, Urbach H, Keller E. et al . Zeitliche Veränderungen von Diffusionskoeffizienten beim Schlaganfall.  Fortschr Röntgenstr. 1999;  170 290-297
• 9 Le Bihan D, Mangin J F, Poupon C. et al . Diffusion Tensor imaging: concepts and applications.  J Magn Reson Imaging. 2001;  13 534-546
• 10 Giesel F, Wustenberg T, Bongers A. et al . MR-basierte Methoden der funktionellen Bildgebung des zentralen Nervensystems.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 714-730
• 11 Harting I, Sellner J, Meyding-Lamade U. et al . Bildgebung, Diagnosekriterien und Differenzialdiagnose der Multiplen Sklerose.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 613-622
• 12 Ay H, Buonanno F S, Schaefer P W. et al . Posterior leukoencephalopathy without severe hypertension: utility of diffusion-weighted MRI.  Neurology. 1998;  51 1369-1376
• 13 Hanyu H, Sakurai H, Iwamoto T. et al . Diffusion-weighted MR imaging of the hippocampus and temporal white matter in Alzheimer’s disease.  J Neurol Sci. 1998;  156 195-200
• 14 Sunaert S, Sage C, Peeters R. et al . Vascular versus neuronal defects in ALS: an fMRI and DTI study.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1, A10
• 15 Bammer R, Fazekas F. Diffusion imaging of the human spinal cord and the vertebral column.  Top Magn Reson Imaging. 2003;  14 461-476
• 16 Clark C, Werring D. Diffusion tensor imaging in spinal cord: methods and applications - a review.  NMR Biomed. 2002;  15 578-586
• 17 Schick F. Whole-body MRI at high field: technical limits and clinical potential.  Eur Radiol. 2005;  15 946-959
• 18 Schild H. Klinische Hochfeld-MRT.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 621-631
• 19 Stieltjes B, Klussmann S, Mrtin-Villalba A. et al . Transient increased permeability of the blood spinal cord brain barrier after spinal cord injury in mice visualized using Gadolinium-enhanced MRI.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  3 177
• 20 Haacke M, Brown R, Thompson M. et al .Magnetic resonance imaging. Physical principles and sequence design New York; John Wiley and Sons 1999
• 21 Basser P. Inferring microstructural features and the physiological state of tissue from diffusion-weighted images.  NMR Biomed. 1995;  8 333-344
• 22 Wang S, Poptani H, Woo J. et al . Amyotrophic lateral sclerosis: diffusion-tensor and chemical shift MR imaging at 3.0 T.  Radiology. 2006;  239 831-838