Detektion von T2-Myelopathiezeichen mittels vollautomatischer Analyse der Signalintensität des Rückenmarks bei Patienten mit degenerativer Erkrankung der Halswirbelsäule

Abstract-Text deutsch

Einleitung: Die Erkennung von T2-Myelopathiezeichen bei Patienten mit degenerativer HWS-Erkrankung erfolgt subjektiv in der klinischen Routine. Eine objektive Quantifizierung der Signalintensität im Rückenmark kann für die optimale Behandlung hilfreich sein. Wir untersuchten dazu eine neu entwickelte, vollautomatische Quantifizierung der T2-Signalintensität (T2-SI) des zervikalen Rückenmarks basierend auf der Segmentierung einer hochauflösenden T2-MRT-Sequenz.

Methode: Es wurden prospektiv 3D T2-SPACE-Sequenzen der HWS von 114 symptomatischen Patienten und 88 gesunden Probanden untersucht. Das Rückenmark wurde vollautomatisch durch ein trained deep convolutional neuronal network segmentiert und anschließend die T2-SI für das gesamte Zervikalmark in jeder Schichtebene registriert (Abb. 1). Die erhaltenen T2-SI-Kurven wurden für jedes HWS-Segment von C2 - C7 unterteilt (Abb. 1 beispielhaft für Höhe C5/6). Drei unabhängige Experten bewerteten als Goldstandard subjektiv alle HWS-Segmente hinsichtlich eines T2-Myelopathiesignals. Für Segmente mit vorhandenem Myelopathiesignal wurde die entsprechende T2-SI-Kurve mit der eines gesunden, alters-gematchten Probanden auf gleicher zervikaler Höhe verglichen.

Ergebnisse: 49 von 114 Patienten wiesen subjektiv ein T2-Myelopathiesignal auf, vorwiegend in den Höhen C4/5 (n=15) und C5/6 (n=22, Abb. 2). Die T2-SI-Kurven aller als T2-positiv bewerteten HWS-Segmente zeigten eine höhere Signalvariabilität, die sich in der erhöhten Standardabweichung und Spannweite der T2-SI im Rückenmark widerspiegelte (Abb. 1+2). Der neu definierte "T2-Myelopathie-Index" (T2-MI), als prozentualer Anteil der Spannweite vom Mittelwert der T2-SI im jeweiligen Segment, war assoziiert signifikant unterschiedlich für die Höhen C4/5, C5/6 und C6/7 (p<0,001-0,002) mit einem Trend für C6/7 (p=0,093, Abb. 2).

Diskussion: Die vollautomatische Quantifizierung der T2-SI des Rückenmarks konnte eine signifikant unterschiedliche Signal-Variabilität bei Patienten mit subjektiv vorhandenem T2-Myelopathiesignal im Vergleich zu gesunden Probanden zeigen. Da die absoluten T2-SI-Werte aufgrund individueller Aufnahmeheterogenitäten nicht verwertbar sind, wurde der interindividuell vergleichbare T2-Myelopathie-Index für jedes HWS-Segment eingeführt. Dieses automatisierte, innovative Verfahren hat das Potenzial, die radiologische Myelopathie objektiver und standardisierter zu diagnostizieren und damit die Behandlung zu optimieren. Die Bestimmung pathologischer Grenzwerte der T2-SI und die klinische Korrelation sind nun Gegenstand weiterer Forschung.

Abb. 1: Exemplarische Auswertung: Die T2-SI-Kurve auf Höhe C5/6 eines T2-positiven Patienten (rot) zeigt eine höhere Spannweite der T2-SI im betroffenen Segment im Vergleich zu einem gesunden Probanden (blau).

Abb. 2: Ergebnisse des T2-SI-Vergleichs beider Gruppen (Mittelwert, Standardabweichung, Spannweite, T2-MI) mit signifikant unterschiedlicher Signalvariabilität für die Ebenen C3/4, C4/5 und C5/6.

Abstract-Text englisch

Objectives: The detection of T2 hyperintensities in patients with degenerative cervical myelopathy (DCM) is done subjectively in clinical practice. To gain an objective quantification for dedicated treatment, a signal intensity analysis of the spinal cord seems to be purposeful. Thus, we investigated a fully automated quantification of the T2 signal intensity (T2-SI) of the entire cervical spinal cord based on a high-resolution T2 MRI segmentation.

Methods: We prospectively analyzed 3D T2 SPACE sequences of the cervical spine of 114 symptomatic patients and 88 healthy volunteers. The spinal cord was segmented through an automated trained deep convolutional neuronal network with subsequent T2-SI registration for the whole spinal cord slice by slice (Fig. 1). The received T2-SI curves were subdivided for each cervical level from C2 to C7 (Fig. 1 exemplary for level C5/6). Three independent experts additionally evaluated all cervical levels concerning a subjective present T2 hyperintensity sign. For levels with a T2 hyperintensity, the corresponding T2-SI curve was compared to the curve of an age-matched healthy volunteer at the identical cervical level.

Results: 49 of 114 patients showed a subjective present T2 hyperintensity, predominantly at level C4/5 (n=15) and C5/6 (n=22, Fig. 2). The T2-SI curves of all subjectively T2-positive rated levels showed a higher variability reflected by standard deviation and range of the T2-SI within the spinal cord (Fig. 1+2). The proportion of the range from the mean T2-SI at the particular level, termed as "T2 myelopathy index" (T2-MI), was correspondingly significantly different for the levels C4/5, C5/6 and C6/7 (p<0.001-0.002), with a trend for C6/7 (p=0.093, Fig. 2).

Discussion:

This fully automated quantification of the T2-SI of the spinal cord was able to reveal a significantly different variability of the T2-SI in patients with DCM and subjectively present T2 hyperintensity compared to healthy volunteers. Whilst the absolute T2-SI values are not applicable due to known individual imaging conditions, we introduced the inter-individually comparable T2 myelopathy index at every cervical level, showing corresponding significances. This automated, innovative procedure has the potential for diagnosing radiological DCM more objective and standardized, thus optimizing the recommendation for treatment. The determination of cut-off values and diagnostic accuracy are under further investigation.

Fig. 1: Evaluation procedure of two subjects: The signal intensity curve at the level C5/6 of a T2-positive patient (red) shows a higher range of T2-SI through the affected segment compared to the matched healthy volunteer (blue).

Fig. 2: Results for T2-SI comparison between both groups (mean, standard deviation, range, T2-MI) showing significant different signal variability for the levels C3/4, C4/5 and C5/6.