擴散加權(quán)成像信號與液體內(nèi)蛋白質(zhì)的相關(guān)性實驗研究

李 坤 LI Kun

李 威2 LI Wei

潘振宇1 PAN Zhenyu

伊慧明3 YI Huiming

陳英敏4 CHEN Yingmin

擴散加權(quán)成像信號與液體內(nèi)蛋白質(zhì)的相關(guān)性實驗研究

李 坤1LI Kun

李 威2LI Wei

潘振宇1PAN Zhenyu

伊慧明3YI Huiming

陳英敏4CHEN Yingmin

作者單位
1. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院京西院區(qū)放射科 北京 100043
2.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科 天津 300052
3. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院放射科 天津300020
4. 河北省人民醫(yī)院放射科 河北石家莊050057

目的 蛋白質(zhì)是影響擴散加權(quán)成像（DWI）信號及表觀擴散系數(shù)（ADC）值的主要因素，使囊液于DWI上呈高信號，ADC值降低，但在實際工作中并非完全如此，本研究擬深入了解蛋白質(zhì)的類型、濃度對其的影響。材料與方法 通過在體外制作不同濃度的白蛋白溶液、球蛋白溶液及同濃度不同比例的白蛋白和球蛋白混合溶液體模，采用GE 1.5T超導(dǎo)型MRI成像系統(tǒng)，定量研究其對DWI信號和ADC值的影響。結(jié)果 ①ADC值與白蛋白及球蛋白溶液濃度呈線性負相關(guān)（37℃時，r白=－0.849，P白＜0.05；r球=－0.843，P球＜0.05；40℃時，r白=－0.894，P白＜0.05；r球=－0.819，P球＜0.05）；DWI信號強度與白蛋白溶液的濃度呈線性正相關(guān)（37℃時，r=0.753，P＜0.05；40℃時，r=0.845，P＜0.05），而與球蛋白溶液的濃度無相關(guān)性（37℃時，r=－0.222，P＞0.05；40℃，r=－0.270，P＞0.05）。②相同濃度和溫度下，白蛋白溶液DWI信號強度高于球蛋白溶液（t=3.96，P＜0.001），ADC值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.61，P＞0.05）。結(jié)論 通過對囊液DWI及ADC值的定量分析，可以初步了解囊液的性質(zhì)，從而為體內(nèi)囊性病變的定性診斷提供理論依據(jù)。

蛋白質(zhì)；磁共振成像；擴散加權(quán)成像；表觀擴散系數(shù)；體外研究

擴散加權(quán)成像（DWI）對體內(nèi)囊性病變具有較高的鑒別診斷價值，Carter等[1]及Zhang等[2]在分析不同類型的卵巢囊性病變時發(fā)現(xiàn)，囊液T2WI信號較低時，DWI呈高信號，表觀擴散系數(shù)（ADC）值有明顯下降趨勢，因此推測囊液中蛋白質(zhì)含量是影響DWI信號和ADC值的主要因素，并與ADC值呈明顯負相關(guān)[3]。既往研究[4-6]報道腦膿腫時，因膿液中富含蛋白成分，DWI呈明顯高信號，ADC值顯著降低，其診斷敏感度及特異度均在90%以上[7]；但也有文獻報道個別腦膿腫的ADC值不僅不降低反而升高，或與正常腦質(zhì)ADC值類似，DWI呈低信號或等信號[7]；囊性轉(zhuǎn)移瘤DWI呈高信號者亦有報道[8]。然而，目前對囊性病變的擴散特性及囊液性質(zhì)對DWI及ADC值的影響尚缺少深入系統(tǒng)的研究和定量分析。本實驗研究擬對蛋白質(zhì)對DWI信號和ADC值的影響進行系統(tǒng)定量體外研究，以了解不同的蛋白質(zhì)類型及濃度對其影響的內(nèi)在規(guī)律，從而為探討體內(nèi)富含蛋白質(zhì)的囊性病變的DWI信號特點及ADC值提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 95%電泳純牛血清白蛋白（分子量66 000 Da）、γ-球蛋白（分子量84 000 Da）及適量蒸餾水；直徑為3 cm的玻璃瓶10個；防震泡沫方形容器，大小約21 cm×19 cm×17 cm；電子天平（精確度0.001 g）；GE 1.5T超導(dǎo)型MRI成像系統(tǒng)。

1.2 蛋白質(zhì)溶液體模的制備 將蛋白質(zhì)溶液分成3個組，每組以蒸餾水作為對照。A組：牛血清白蛋白溶液組，B組：牛血清γ-球蛋白溶液組，C組：混合蛋白質(zhì)溶液組（白蛋白∶γ-球蛋白）。A組和B組蛋白質(zhì)溶液的濃度分別為30～110 g/L，其中≥90 g/L為高濃度蛋白液，＜90 g/L為低濃度蛋白液[9]；C組混合蛋白質(zhì)溶液的總濃度為60 g/L，白蛋白和γ-球蛋白按不同比例配置（表1），溶液體積均為20 ml。將上述標(biāo)本在不同溫度下置入MRI掃描儀內(nèi)掃描。

表1 實驗體模各標(biāo)本的蛋白質(zhì)溶液濃度

1.3 DWI掃描 將標(biāo)本溶液分兩排放入盛有一定濃度氯化鎳溶液的容器中，1為空白對照（蒸餾水），2～10蛋白質(zhì)溶液濃度由30～110 g/L依次升高。按照標(biāo)本的排列方向與進床方向垂直的方式在室溫（20℃）下行DWI掃描。掃描參數(shù)：頭標(biāo)準(zhǔn)線圈，橫軸位，b=1000 mm2/s，層厚5.0 mm，間隔0 mm，視野24 cm×24 cm，矩陣128×128，激勵次數(shù)4。將上述標(biāo)本分別置于水浴箱內(nèi)依次加熱至37℃、40℃，分別行DWI掃描，掃描參數(shù)不變。

1.4 圖像后處理 將所得圖像采用AW 4.0分析軟件中的Function 2.0軟件包進行后處理。采用閾值定義去除周圍背景的影響，在b=1000 mm2/s時，分別獲取各標(biāo)本的ADC圖。為了減少磁敏感偽影的影響，將測量的感興趣區(qū)置于ADC圖和DWI圖的中心位置，面積均為80 mm2，分別測量ADC值及DWI信號強度各3次，取平均值作為最終的ADC值和DWI信號強度。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SAS V9.0軟件，不同蛋白質(zhì)溶液的濃度與DWI信號強度和ADC值的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析，同溫度和濃度的白蛋白與球蛋白溶液的DWI信號強度和ADC值比較采用配對資料t檢驗，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DWI信號強度、ADC值與白蛋白及球蛋白濃度的關(guān)系 在37℃和40℃時，DWI信號強度與白蛋白溶液濃度呈線性正相關(guān)（37℃時，r=0.753，P＜0.05；40℃時，r=0.845，P＜0.05）；而與球蛋白溶液濃度無顯著相關(guān)性（37℃時，r=－0.222，P＞0.05；40℃，r=－0.270，P＞0.05）。ADC值與白蛋白及球蛋白溶液濃度呈線性負相關(guān)（37℃時，r白=－0.849，P白＜0.05，r球=－0.843，P球＜0.05；40℃時，r白=－0.894，P白＜0.05，r球=－0.819，P球＜0.05），見表2、3及圖1、2。

2.2 DWI信號強度、ADC值與不同比例白蛋白及球蛋白混合溶液的關(guān)系 在37℃和40℃時，ADC值與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白的比例無顯著相關(guān)性（37℃時，r=0.116，P＞0.05；40℃時，r=0.641，P＞0.05）。37℃時，DWI信號強度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白的比例呈線性正相關(guān)性（r=0.816，P＜0.05）；而40℃時，DWI信號強度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白的比例無顯著相關(guān)性（r=0.594，P＞0.05），見表4及圖3。

2.3 相同濃度和溫度下白蛋白和球蛋白DWI信號強度和ADC值比較 相同濃度和溫度下，白蛋白DWI信號強度高于球蛋白，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（t=3.96，P＜0.01），ADC值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=0.61，P＞0.05），見表5。

圖1 不同濃度白蛋白溶液在37℃（A、B）和40℃（C、D）時的DWI圖和ADC圖。1為空白對照（蒸餾水），2～10為白蛋白溶液濃度由30～110 g/L依次升高，環(huán)形區(qū)域為選定的感興趣區(qū)。肉眼觀察，DWI信號差異不明顯，ADC值逐漸降低（ADC圖由紅到藍，ADC值依次減?。?/p>

圖2 不同濃度球蛋白溶液在37℃（A、B）和40℃（C、D）時的DWI圖和ADC圖。1為空白對照（蒸餾水），2～10為球蛋白溶液濃度由30～110 g/L依次升高，環(huán)形區(qū)域為選定的感興趣區(qū)。肉眼觀察，DWI信號差異不明顯，ADC值逐漸降低（ADC圖由紅到藍，ADC值依次減?。?/p>

表2 在37℃和40℃時不同濃度白蛋白溶液的ADC值及DWI信號強度

表3 在37℃和40℃時不同濃度球蛋白溶液的ADC值及DWI信號強度

表4 在37℃和40℃時同濃度不同比例白蛋白和球蛋白混合溶液的ADC值及DWI信號強度

表5 相同濃度和溫度下白蛋白和球蛋白溶液的ADC值及DWI信號強度

圖3 同濃度不同比例混合蛋白質(zhì)溶液在37℃（A、B）和40℃（C、D）時的DWI圖和ADC圖。1為空白對照（蒸餾水），2～10為白蛋白/球蛋白的比值（1∶0～0∶1）依次降低，環(huán)形區(qū)域為選定的感興趣區(qū)。肉眼觀察，DWI信號差異不明顯，ADC值無明顯變化規(guī)律（ADC圖由紅到藍，ADC值依次減小）

3 討論

DWI是基于水分子微觀運動成像的一種MRI技術(shù)，能從分子水平反映組織器官微觀的病理學(xué)特點，對囊性病變具有較高的診斷價值。由于囊性病變內(nèi)缺少正常的細胞結(jié)構(gòu)及血供，其DWI信號強度差異主要是由于囊液理化性質(zhì)不同所致。

蛋白質(zhì)是影響DWI信號及ADC值的主要因素。對膠質(zhì)瘤、血管母細胞瘤、顱咽管瘤等部分腫瘤性病變的囊液成分進行分析發(fā)現(xiàn)，其囊液成分與血漿相似，以白蛋白為主[10-11]。王存豐等[12]對未合并出血和感染的單純性腎囊腫的囊液進行生化分析發(fā)現(xiàn)，其囊液成分類似于血漿。白蛋白由肝臟合成，主要存在于血漿中，常見于由于血漿滲出并局部聚集而形成的囊性病變，如晚期肝硬化及腎病綜合征引起的漿膜腔積液、腹腔積液等。

球蛋白是當(dāng)人體受到細菌、病毒或異種蛋白質(zhì)等物質(zhì)刺激后，由漿細胞產(chǎn)生的具有免疫功能的球狀蛋白質(zhì)，其含量反映自身免疫功能，正常情況下免疫球蛋白含量較低；但發(fā)生感染性病變、惡性腫瘤等引起的積液中免疫球蛋白含量較高。

本實驗研究選擇白蛋白和球蛋白為研究對象，結(jié)果表明，ADC值與蛋白質(zhì)溶液濃度呈正相關(guān)，與既往文獻報道一致，白蛋白和球蛋白隨著溶液濃度的升高，其黏滯度均增加，均可使水分子的擴散運動受到限制，導(dǎo)致ADC值下降。此外，蛋白質(zhì)分子表面的氨基、羧基、羥基等親水基團與水分子結(jié)合，使水分子呈凝膠狀態(tài)，自由水分子減少，也使ADC值下降。

本實驗中對同濃度的兩種溶液及同濃度不同比例的混合溶液的ADC值進行比較，結(jié)果顯示ADC值無顯著差異，即ADC值僅與蛋白質(zhì)的總濃度有關(guān)，而與蛋白質(zhì)的分子量及類型無關(guān)，其可能原因是盡管球蛋白分子量較大，但相同濃度下其分子數(shù)量較少，而且球蛋白的二級結(jié)構(gòu)使其分子形態(tài)更接近于球形，其暴露在分子表面的親水基團的數(shù)量相應(yīng)地減少，結(jié)合水的能力較白蛋白弱，處于凝膠狀態(tài)的水分子較少，因此，雖然白蛋白和球蛋白的分子量及分子構(gòu)型不同，但是對水分子隨機擴散運動的限制程度相似。

影響DWI信號強度的因素較多，凡是能夠影響ADC值的因素均可以影響DWI信號強度，另外還受到b值及T2透射效應(yīng)的影響。本實驗中，蛋白質(zhì)溶液標(biāo)本均設(shè)置為b=1000 mm/s2，因此，各標(biāo)本間DWI信號強度的差異排除了b值的影響。DWI信號強度與白蛋白溶液濃度呈線性正相關(guān)，而DWI信號強度與球蛋白溶液濃度無相關(guān)性，其原因可能與自身構(gòu)型有關(guān)。Som等[13]在分析慢性鼻竇炎患者的分泌物及進行純?nèi)芫傅鞍踪|(zhì)體模實驗時發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)濃度增加會導(dǎo)致T1及T2弛豫時間縮短，而且蛋白質(zhì)分子之間的相互作用會明顯影響T1及T2弛豫時間，且對T2弛豫時間的影響比對T1弛豫時間的影響更明顯，即T2弛豫時間更依賴于分子間的相互作用。球蛋白的二級結(jié)構(gòu)使其分子形態(tài)更接近于球形，造成暴露在分子表面的基團數(shù)量較少，分子間的相互作用較弱，對T2弛豫時間縮短不明顯，因此球蛋白溶液DWI信號強度主要受到T2透射效應(yīng)的影響。本實驗中，DWI信號強度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白比值呈線性正相關(guān)（37℃時，r=0.816，P＜0.05），但當(dāng)溫度為40℃時，DWI信號強度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白比值無相關(guān)性，其原因可能為溫度較高時，造成蛋白質(zhì)分子構(gòu)型發(fā)生改變，對DWI信號強度產(chǎn)生的影響發(fā)生變化；可能是由于本實驗的測量誤差所致，有待后續(xù)實驗進一步證實。

本實驗采用在體外制作不同蛋白質(zhì)溶液體模的方法，系統(tǒng)定量地研究了白蛋白和球蛋白對DWI信號強度及ADC值影響的內(nèi)在規(guī)律，從而為富含蛋白質(zhì)的囊液性質(zhì)的定性診斷提供理論依據(jù)。通過對囊液的ADC值及DWI信號強度進行定量分析，可以進一步了解囊液的性質(zhì)，從而可以提高DWI對體內(nèi)囊性病變的鑒別診斷能力。

然而，本實驗僅就蛋白質(zhì)單一因素對ADC值及DWI信號強度的影響進行了定量研究，體內(nèi)囊性病變囊液成分復(fù)雜，且囊液的pH、滲透壓、黏滯度等均可以對ADC值及DWI信號強度產(chǎn)生影響，而且部分因素互為因果，因此，今后需對影響ADC值及DWI信號強度的因素進行多因素分析，為囊性病變的定性診斷提供更準(zhǔn)確的信息。

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（本文編輯 張春輝）

Correlation Between Diffusion Weighted Imaging Parameters and Protein Content in Fluid: An Experimental Study

Purpose Protein is the main influencing factors for diffusion weighted imaging (DWI) signals and apparent diffusion coefficient (ADC), it results in hyperintensity on DWI and low ADC, but not fully matched in clinic. This paper aims to investigate the effect of protein type and concentration on the signal intensity (SI) and ADC of DWI. Materials and Methods Different concentrations of albumin, globulin solution and the mixed solution were created in vitro. DWI was performed on GE 1.5T superconducting nuclear MRI system. Results ①There was a linear negative correlation between the ADC value and the concentrations of protein solution (at 37℃, ra=－0.849, Pa＜0.05; rg=－0.843, Pg＜0.05; at 40℃, ra=－0.894, Pa＜0.05; rg=－0.819, Pg＜0.05); there was a linear positive correlation between the SI of DWI and the concentrations of the albumin solution (at 37℃, r=0.753, P＜0.05; at 40℃, r=0.845, P＜0.05). There was no correlation between the SI of DWI and the concentrations of the globulin solution (at 37℃, r=－0.222, P＞0.05; at 40℃, r=－0.270, P＞0.05). ②SI of the albumin solution was significantly higher than the globulin solution at the same concentration and temperature (t=3.96, P＜0.001); the ADC values were not statistically different between the albumin and the globulin solution (t=0.61, P＞0.05). Conclusion The nature of the cystic fluid can be understood preliminarily through quantitative analysis of the cystic fluid DWI and ADC values, so as to provide theoretical basis for the qualitative diagnosis of cystic lesions in vivo.

Protein; Magnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging; Apparent diffusion coefficient; In vitro

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.06.004

李 坤

Department of Radiology, Beijing Chaoyang Hospital--the Jingxi Campus, the Affiliated College of Capital Medical University, Beijing 100043, China

Address Correspondence to: LI Kun

E-mail: likun19801001@sina.com

R445.2

2015-02-24

修回日期：2015-05-10

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2015年 第23卷 第6期：413-417，422

Chinese Journal of Medical Imaging

2015 Volume 23(6): 413-417, 422