多b值DWI序列對脊柱結核早期評價的動物實驗研究

周 璇 王云玲 王 紅 劉曉晨 馬景旭 賈文霄

肺外結核中最常見的骨關節(jié)結核是脊柱結核,約占骨結核的50%[1],因而建立脊柱結核動物模型，進行相關實驗研究是脊柱結核防治工作中不可缺少的[2]。常規(guī)MRI檢查不僅可以發(fā)現椎體及軟組織改變，還可以更準確地顯示病變累及椎管內的程度[3]，其中磁共振擴散加權成像（diffusion weighted imaging，DWI）可以從分子水平定量角度對疾病診斷提供一定信息，而感興趣區(qū)(region of interest,ROI）的設置是DWI圖像中ADC值測量比較關鍵的基礎步驟之一，目前臨床和文獻中ROI的選取多數不描述其選取標準[4]，本文利用多b值DWI掃描觀察ADC值的變化并擬合ADC圖，并采用兩種不同的ROI設置方法測量脊柱結核的ADC值，以探討合適的b值及ROI設置方法對診斷脊柱結核的早期敏感性提供必要的依據。

方 法

1.實驗材料及分組

選取兔齡24周、健康的成年新西蘭大白兔55只，雌雄不限，分籠隔離飼養(yǎng)，體重3.0～3.5kg。人型結核分枝桿菌標準H37Rv菌株(中國生物制品研究所)。將實驗兔分為實驗組(40只)和對照組(15只)，術前拍攝脊柱X線片，以證實脊柱無病變、結構無異常。

2.造模方法

將人型結核分枝桿菌H37Rv菌株在羅氏培養(yǎng)基進行擴增制成濃度1.0×107CFU/ml均勻的菌懸液（5.0mg/ml）。將實驗兔經耳緣靜脈注射2%戊巴比妥鈉（劑量為20mg/kg重量）進行麻醉，在左側腰背部剃去兔毛后，以L5棘突向下作6cm側方路入，充分暴露L5椎體，于L5椎體上部近椎間盤處鉆出約0.3cm×0.8cm×0.4cm的骨孔，骨孔道填入浸注0.2ml結核菌懸液的明膠海綿，骨蠟封閉骨孔。對照組：麻醉及手術方法與病變組相同，不同處理為：對照組骨孔內填塞的為浸注0.2ml生理鹽水的明膠海綿。

3.術后觀察及影像學、組織病理學檢測指標

3.1 動物一般情況：包括動物進食、活動、精神狀態(tài)、切口情況。如動物切口出現感染，立即淘汰。

3.2 MRI檢查：手術造模后第4、6、8周行MRI檢查。實驗均使用Philips Gyroscan 1. 5T磁共振成像儀，利用8通道正交頭線圈、俯臥位、腳先進的方式進行，采用TFE序列進行定位，掃描全脊柱,用SEEPR類型的擴散加權成像法。DWI掃描參數為：TR2000ms，TE74ms，矩陣168×120，層厚1mm，層間距1mm，采集7層，NSA 8，400s/mm2，掃描時間68s。圖像處理及參數計算運用biomap軟件，將低b值（0s/mm2、50s/mm2、100s/mm2）、高b值（600s/mm2、800s/mm2、1000s/mm2）、7個b值（b=0s/mm2、50s/mm2、100s/mm2、500s/mm2、600s/mm2、800s/mm2、1000s/mm2）、3個b值（0s/mm2、500s/mm2、1000s/mm2）分別擬合出ADClow圖、ADChigh圖、ADC7b圖、ADC3b圖進行圖像特點的分析。利用ADC7b圖同樣病變區(qū)域內選擇三個面積下ROI及單個面積ROI，兩種方法的ROI總面積一致，同時要求兩名醫(yī)師分別采用盲法進行多次重復測量ADC值，按照同樣方法測量3次，取平均值。得出ADC3b值、ADC7b值、ADClow值、ADChigh值以及ADChigh值與ADClow值之間的差異（ADCperf值）進行統計學分析。兩種ROI方法選擇的ADC7b值與對照組進行統計學分析并進行ROC曲線分析靈敏度、特異度。

3.3 組織病理學檢查：實驗兔在造模后行MRI檢查完畢處死后切取其病變組織，將病變組織涂片后，逐步滴加石炭酸復紅適量，加熱5分鐘后，冷卻、沖洗。用3%鹽酸酒精脫色、再沖洗，再用堿性亞甲藍溶液復染，沖洗后油鏡觀察。

4.統計分析

所有數據采用SPSS18.0統計軟件包統計分析,分別對實驗組病變椎體不同時間段ADC3b值、ADC7b值、ADClow值、ADChigh值、ADCperf值以及單個ROI和多個ROI測得的ADC值進行統計學分析，數據以“均數±標準差”表示,分別進行t檢驗、方差分析。P＜0.05有統計學意義。利用受試者ROC曲線確定ADC值臨界點并計算靈敏度、特異度。

結 果

1.動物術后一般情況

術中對照組麻醉死亡兩只，病變組40只大白兔經病理學檢查，確診感染結核桿菌的為34只，其余6只未感染，淘汰，接種成功率為85%。

2.影像學表現

2.1 MRI檢查：手術造模后第4周實驗組兔常規(guī)MRI平掃未見明顯異常，而在DWI圖上較其他椎體呈稍高信號（圖1A）。術后第6周實驗組兔腰5椎體呈混雜信號，DWI圖上較正常椎體呈明顯高信號，并較第4周病變范圍增大（圖1B）。術后8周實驗組兔椎體病變較前幾周范圍增大，腰大肌走行區(qū)可見片狀高信號，考慮冷膿腫形成（圖1C）。對照組術后4周、6周、8周MRI掃描椎體形態(tài)正常，兔腰背部皮下軟組織異常信號，考慮手術創(chuàng)傷引起。

（2）術后4周、6周、8周后低b值DWI圖像擬合而成ADClow圖，其值包括血流灌注及水分子彌散的雙重貢獻（圖2A）；ADChigh圖的b值高，背景噪聲大，圖像信噪比最差（圖2B）；ADC3b圖較ADC7b圖信噪比低（圖2C）；ADC7b信噪比最高，病變顯示最清楚（圖2D）。

2.2 ADC值的測量：①ADC3b值、ADC7b值以及ADCperf值均有統計學差異（P＜0.05）；而ADClow值與ADChigh值之間無統計學差異（P＞0.05)，第4周的ADC3b值、ADC7b值、ADCperf值分別與第6周、第8周存在統計學差異（P=0.011，P=0.008；P=0.042，P=0.006；P=0.033，P=0.001）（見表1）。②單個ROI或多個ROI時病變組與對照組的ADC值有統計學差異（P＜0.05），而同一病變單個ROI測得的ADC均值較多個ROI低，但差異沒有統計學意義（t=-1.610，P=0.542；t=0.841，P=0.448）。多個ROI測得的ADC值診斷脊柱結核的靈敏度、特異度高于前者（表2，圖2D）。

2.3 組織病理學檢查：實驗組40只實驗兔中有34只組織內均可見灶狀炎細胞浸潤，骨組織和纖維結締組織內可見結核樣肉芽腫及少量干酪樣壞死。病變椎體病理抗酸染色呈陽性（圖3），示有膿細胞、類上皮樣細胞或壞死灶等形成。對照組骨組織內未見異常。

表1 實驗組不同時間段各類ADC值的測量結果比較（±s）

表1 實驗組不同時間段各類ADC值的測量結果比較（±s）

時間 例數 ADC7b ADC3b ADClow ADChigh ADCperf 4周 34 0.60±0. 03 1.87±0. 02 1.01±0.07 0.46±0.05 0.55±0.06 6周 34 0.62±0.04 1.75±0.03 1.02±0.05 0.42±0.07 0.60±0.06 8周 34 0.66±0.04 1.60±0.05 1.03±0.06 0.39±0.04 0.64±0.07 F值 4.213 3.254 0.230 1.995 5.294 P值 0.010 0.024 0.875 0.135 0.005

表2 兩種ROI設置方法的結果比較(±s）

表2 兩種ROI設置方法的結果比較(±s）

組別 例數 實驗組 對照組 t p單個ROI 34 0.62±0.04 0.71±0.03 7.301 0.000多個ROI 13 0.45±0.04 0.58±0.05 8.763 0.000

表3 兩種不同ROI選擇的ADC值的準確性

討 論

目前研究通過對DWI的影像信號高低的觀察及ADC值的測量對疾病進行分析診斷，DWI信號的衰減值受物質的ADC值和彌散敏感系數值（bvalue,b值）這兩個因素的影響，b值越大，對擴散的敏感性越高，所測得的ADC值越準確，但是b值過大，容易導致圖像扭曲變形和SNR減低，反而會影響病灶ADC值的測量[5]，所以選擇適當的b值在DWI成像方面尤為重要。ADC值可以通過ADC圖上的ROI自動測量，也可通過像素評價測量，這些方法均取決于測量者對被測量結構的正確識別，因為ROI的大小、位置和數量的選擇是由操作者控制，這可能導致選擇性偏倚。

本研究為了保證ADC圖擬合的清晰度及ADC值測量的準確性，不同ADC圖的擬合至少使用3個b值的DWI圖像，以便降低圖像的背景噪聲，增加圖像的信噪比，增加ADC值測量的精確性。目前報道研究發(fā)現低b值（b＜200 s/mm2）圖像逐漸偏向于T2像，圖像信噪比增高，但其對組織的血液循環(huán)、血管灌注等運動會很大程度上影響其組織信號的衰減程度；而高b值（b＞500s/mm2）的應用可以排除組織內血流灌注對ADC值的影響，ADC值在反映水分子彌散運動變化方面越精確[6-8]，背景噪聲越大，信噪比越低，偽影增多，穩(wěn)定性較差；而ADCperf值大致反映出組織的血流灌注情況，排除水分子帶來的干擾；7b值綜合反映組織內水分子擴散運動及血流灌注情況，ADC7b圖信噪比最高，獲得的ADC值越精確；3b值圖像掃描時間較短，但相對于7b值圖像的信噪比較差。本組資料中，同一病變單個ROI和多個ROI所測得的ADC值差別雖然沒有統計學意義，但是前者都比后者低，這表明單個ROI測得的ADC值所反映的病變彌散受限程度較重。單個ROI和多個ROI所得的ADC值有差異，推測可能與病變的不均勻性及ROI內部分容積效應等有關，故ROI需兼顧部分容積效應及噪聲的影響［9］。而據國內[10]已報道的實驗表明：結核分枝桿菌侵入骨質后4周椎體就已有充血水腫的變化，在實驗中，考慮到由于手術創(chuàng)傷所造成的炎癥、出血及水腫，剔除了術后l周的時間點，在術后每周進行病理學檢查發(fā)現術后4周炎癥、出血及水腫反應降低，軟組織損傷修復，所以將此時間點作為初期觀測點。平衡上述不同b值關系及ROI方法的選擇，7b值及3b值更能準確地檢測及描述病變特征的功能性成像技術，其ADC值的變化能夠側重反映病變的某個特征，而多個ROI的選擇靈敏度及特異度更高。因此多b值的DWI聯合應用多個ROI方法的選擇對脊柱結核尋找早期干預措施與傳染病的治療有積極作用，是應用廣泛、實用價值大的MR功能成像技并能夠為脊柱結核早期診斷提供一定的信息。