Reproducible evaluation of spinal cord DTI using an optimized inner volume sequence in combination with probabilistic ROI analysis

The purpose of this work was to reliably acquire and evaluate diffusion tensor data of the cervical spine. Thereto, we describe an optimized, time-efficient inner-volume echo planar imaging sequence. Multislice capability is achieved by restoring the magnetization in neighbouring slices early during the twice refocused diffusion preparation. The acquired diffusion images showed compelling image quality. To reduce the arbitrariness of conventional region of interest (ROI) analysis, a tissue classification algorithm was applied. The classification was independent of the ROI shape and hence, a reliable and stable evaluation of the diffusion tensor could be achieved. The mean fractional anisotropy (FA) of five healthy subjects decreased from C1 (FA=0.81±0.03) to C7 (FA=0.60±0.03), while the mean apparent diffusion coefficient (ADC) increased from C1 (ADC=0.78±0.08 μm2/ms) to C7 (ADC=1.08±0.08 μm2/ms). In subsequent measurements of the individual healthy subjects, the standard deviation of the FA was 0.024±0.011 and the standard deviation of the ADC was 0.045±0.017 μm2/ms. The FA values of a patient with acute ischemic spinal trauma were significantly lower and changed more drastically than ADC values. Here, absolute FA ranged from 0.23 to 0.42, showing that DTI of the spine may serve as surrogate marker for tissue integrity and therapy monitoring.

ZusammenfassungZiel dieser Arbeit war die verlässliche Aufnahme und Auswertung von Diffusions-Tensor-Daten des menschlichen zervikalen Rückenmarks. Dazu wird eine optimierte, zeiteffiziente, echoplanare Inner-Volume-Bildgebungssequenz verwendet, die Multislice-Aufnahmen durch die Rückgewinnung der Magnetisierung in benachbarten Schichten während der Diffusionswichtung ermöglicht. Die aufgenommenen Diffusionsbilder hatten eine überzeugende Bildqualität. Um die Beliebigkeit konventioneller Region of Interest (ROI)-Auswertungen zu verringern, wurde ein Gewebe-Klassifikations-Algorithmus verwendet. Die Klassifikation war unabhängig von der genauen Form der verwendeten ROI und somit konnte eine verlässliche, stabile Auswertung des Diffusionstensors erreicht werden. Die mittlere fraktionelle Anisotropie (FA) von fünf gesunden Probanden verringerte sich von C1 (FA=0,81±0,03) nach C7 (FA=0,60±0,03), während der mittlere Apparent Diffusion Coefficient (ADC) von C1 (ADC=0,78±0,08 μm2/ms) nach C7 (ADC=1,08±0,08 μm2/ms) anstieg. In aufeinander folgenden Messungen individueller Probanden war die Standardabweichung der FA 0,024±0,011 und die des ADC war 0,045±0,017 μm2/ms. Die FA-Werte eines Patienten mit akutem ischämischen Rückenmarktrauma waren signifikant kleiner und zeigten eine stärkere Veränderung als der ADC. Hier lagen die gemessenen FA-Werte im Bereich zwischen 0,23 und 0,42. Dies zeigt, dass Diffusionstensorbildgebung am Rückenmark als Marker für Gewebeintegrität und zur Therapiekontrolle dienen kann.