多b值擴散加權(quán)成像雙指數(shù)模型對HIV早期感染診斷的應(yīng)用價值研究

吳韋清，吳光耀，全紅*

多b值擴散加權(quán)成像雙指數(shù)模型對HIV早期感染診斷的應(yīng)用價值研究

吳韋清1，吳光耀2，全紅1*

目的 探討多b值擴散加權(quán)成像單指數(shù)模型與雙指數(shù)模型對于HIV陽性診斷的作用。材料與方法 對23名青少年(15例HIV陽性，8例HIV陰性)進行腦部多b值彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging, DW I)檢查，b值分別為0、50、150、200、400、600、800 s/mm2。對圖像信號數(shù)據(jù)分別進行單指數(shù)模型和雙指數(shù)模型擬合，得出額上回的表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient, ADC)、快彌散系數(shù)(fast apparent diffusion coefficient, ADCf)、慢彌散系數(shù)(slow apparent diffusion coefficient, ADCs)、以及慢彌散系數(shù)所占比例(As)并進行統(tǒng)計學(xué)分析。結(jié)果 感染人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)患者左側(cè)額葉的ADCf值(4.609±3.254)較健康對照組ADCf值(8.871±5.040)有顯著性差異(P＜0.05)，兩組右側(cè)額葉ADCf值顯著性差異(P＞0.05)。兩組的ADCs、ADC均無顯著性差異(P＞0.05)。結(jié)論 多b值擴散加權(quán)成像中的ADCf值能夠為獲得性免疫缺陷綜合征(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)診斷提供一定參考價值。

單指數(shù)模型；雙指數(shù)模型；擴散加權(quán)成像；額葉；獲得性免疫缺陷綜合征

Received 7 Jan 2016, Accepted 4 Mar 2016

ACKNOW LEDGM ENTSThis w o rk w as part of National Natural Science Foundation of China (No. 10875092) and Natural Science Foundation of Hubei Province (No. 2012FKB04449).

獲得性免疫綜合癥(acquired immune deficiency syndrome, AIDS)即艾滋病，是人類在感染人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)后所患疾病。HIV主要感染15～49歲的青壯年[1]，艾滋病的危害極大，對艾滋病診斷手段的研究十分重要。對于艾滋病的診斷，目前臨床上常用血液學(xué)檢查和免疫功能檢查的方法。

磁共振成像(m agnetic resonance im aging, M RI)技術(shù)和功能磁共振成像(function m agnetic resonance imaging, fMRI)技術(shù)具有無電離輻射、無

創(chuàng)口、能夠做到高清成像、精準(zhǔn)量化以及功能成像[2]等優(yōu)點，是一種很具有吸引力的影像診斷技術(shù)。MRI與fMRI包括灌注加權(quán)成像(perfusionweighted imaging, PW I)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)、磁共振波普(MR spectroscopy, MRS)、擴散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging, DW I)等技術(shù)。過去曾有將fMRI與MRI用于艾滋病人的相關(guān)疾病診斷的報道。Thomas等[3]用DW I和MRS對HIV感染者中樞系統(tǒng)淋巴瘤進行早期診斷研究。Suzuki等[4]報道MRI可診斷HIV病人的弓形體腦炎。M azin等[5]通過分析健康人與艾滋病人大腦MRI圖像來研究艾滋病毒對人類大腦的影響。Bladow ska等[6-7]利用PW I技術(shù)對早期艾滋病患者進行研究。以上報道說明對艾滋病人的大腦進行磁共振檢查能夠為艾滋病診斷提供幫助?，F(xiàn)有研究大多專注于中樞神經(jīng)已經(jīng)受到損傷的艾滋病人[8-10]，對于未發(fā)生中樞神經(jīng)病變的艾滋病陽性感染者進行影像學(xué)檢查的研究卻很少[6-7]。

Sukstanskii AL等人[11]的研究顯示病變組織內(nèi)的細(xì)胞器數(shù)目、細(xì)胞大小以及細(xì)胞間隔等因素能夠直接影響DW I檢查的表觀擴散系數(shù)(apparent diffusion coefficient, ADC)值。雷正勇等人[12]對無神經(jīng)系統(tǒng)癥狀及其他病史的正常人大腦進行DW I掃描，并利用雙指數(shù)模型對圖像進行擬合，結(jié)果顯示雙指數(shù)模型擬合出的3個新參數(shù)能夠從新的角度反映腦組織的生物信息。這提示DW I雙指數(shù)模型可能能夠反映艾滋病早期患者腦部生物信息以及可能出現(xiàn)的早期損傷。本研究將對未發(fā)生腦部病變的艾滋病患者與正常人的大腦DW I圖像(b=50、150、200、400、600、800 s/mm2)中額葉的額上回灰質(zhì)的信號值進行雙指數(shù)模型和單指數(shù)模型擬合，得到快彌散系數(shù)(fast apparent diffusion coefficient, ADCf)、慢彌散系數(shù)(slow apparent diffusion coefficient, ADCs)、慢彌散系數(shù)所占比例(As)及ADC，并對結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)分析，以期能夠為DW I技術(shù)在艾滋病早期診斷中的應(yīng)用研究提供補充。

1 材料與方法

1.1 一般資料

2013年7-8月共收集23名青少年信息(男13名，女10名)，平均年齡(16.4±1.4)歲，其母親皆為HIV陽性攜帶者。其中15名(男8名、女7名)已感染HIV(血清學(xué)檢查為HIV陽性并經(jīng)國家確證實驗室證實)，另外8名未感染HIV。兩組對象間年齡與性別均無統(tǒng)計學(xué)差異。所有研究對象及數(shù)據(jù)采集都來自武漢大學(xué)中南醫(yī)院。所有對象：(1)顱內(nèi)無腫瘤，無腦內(nèi)病變。(2)無精神病史及其他不良嗜好。(3)所有研究均已獲研究對象同意及倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 儀器與方法

磁共振掃描使用3.0 T全身掃描儀器(Siemens Magnetom Trio 3.0 T)進行，掃描序列包括T1W I序列(TR=700 ms，TE=9.6 ms)，橫軸位T2W I序列(TR=2000 ms，TE=76 ms)，冠狀位T2W I(TR=3800 ms，TE=68 ms)，多b值DW I掃描序列(b=0、50、150、200、400、600、800 s/mm2，TR=3400 ms，TE=85 ms，激勵次數(shù)為4，矩陣192×192)。以上序列掃描層數(shù)為20，層厚5 mm，間距為0。

1.3 圖像處理

將所得到的磁共振圖像經(jīng)SPM軟件預(yù)處理后獲得7個b值下的DW I圖像。用MRIcro軟件打開圖像，分別在大腦左、右葉的額上回區(qū)域各取一塊橢圓形ROI(圖1)，含有約100個像素點，大小約為100 mm2，分別讀取7個b值下ROI的平均信號強度s。1.4 數(shù)據(jù)處理

取b=0時的s值為，以s/s0為縱坐標(biāo)，b為橫坐標(biāo)在matlab 2014中繪制出散點圖，利用雙指數(shù)模型公式

和單指數(shù)模型公式

進行曲線擬合，分別得到每個實驗對象左右兩側(cè)的ADCs、ADCf、As、ADC值，并繪制出擬合曲線。使用SPSS 19軟件分別對HIV陽性對象和陰性對象的以上值進行統(tǒng)計學(xué)分析，采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

HIV陽性與HIV陰性兩組的額葉部位信號值均隨著b值增大而減小(圖2)。HIV陽性感染者和陰性健康者擬合結(jié)果的比較，HIV陽性的左側(cè)額葉的ADCf值較H IV陰性的ADCf值有顯著性差異(P＜0.05)，兩組間右側(cè)額葉ADCf值無顯著差異(P＞0.05)。兩組的ADCs、ADC均沒有明顯差異(P＞0.05)。見表1、2。

圖1 右額葉ROI示意圖。A～G依次為b=0、50、150、200、400、600、800 s/mm2的DW I圖像 圖2 HIV陽性與HIV陰性兩組的額葉部位信號值隨b值增大而衰減曲線

Fig. 1 The ROI of right frontal lobe. A—G is image of DW I when b=0, 50, 150, 200, 400, 600, 800 s/mm2. Fig. 2 How signal decay with b-value of frontal lobe of two groups of HIV positive and HIV negative

表1 兩組ADCs、ADCf、ADC計算結(jié)果(10-3mm2/s)Tab. 1 ADCs, ADCf, ADC value of HIV-positive and HIV-negative(10-3mm2/s)

表2 兩組左右側(cè)額葉t檢驗結(jié)果Tab. 2 Result of t test of left and right frontal lobe of two groups

3 討論

40℃時純水的擴散系數(shù)D是2.5 mm2/s，實際上由于組織中存在著細(xì)胞膜、細(xì)胞器等組織阻礙水分子的擴散，有學(xué)者[13]提出了利用ADC來定量表示組織內(nèi)水分子的彌散狀態(tài)。然而哺乳動物的生理結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為了更好地反映這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有學(xué)者[14]提出了雙指數(shù)模型。該模型假設(shè)生物體內(nèi)水分子存在兩種彌散狀態(tài)，快彌散狀態(tài)(對應(yīng)擴散速率ADCf)和慢彌散狀態(tài)(對應(yīng)擴散速率ADCs)，并且用As來表示慢彌散狀態(tài)的水分子數(shù)量占所有水分子數(shù)量的比例。在本研究中，總體而言個體的ADC值的大小都大于ADCs值而小于ADCf值，這個結(jié)果符合單指數(shù)模型和雙指數(shù)模型對于ADC、ADCs、ADCf值的定義。

Bladowska等[6-7]在對無精神疾病、無機會性感染、無顱內(nèi)腫瘤的艾滋病人的PW I研究中，發(fā)現(xiàn)患者額葉皮質(zhì)的相對血容量與健康人存在顯著差異。這些研究結(jié)果提示對無中樞神經(jīng)病變的艾滋病感染者的DW I圖像中額葉部分進行研究，可能會為AIDS的早期診斷提供幫助。

在本研究中，病人的左側(cè)額葉部位的ADCf值與正常人存在顯著差異(P＜0.05)。張文華等[15]對缺血性腦卒中患者的研究中，對比鏡像區(qū)域，患者腦部核心缺血區(qū)域的ADCf值、ADCs值和ADC值均表現(xiàn)出異常(P＜0.05)。韓云鵬等[16]對糖尿病患者腦部DW I的研究結(jié)果顯示，糖尿病患者腦部的ADCf與ADCs較健康人存在顯著性差異。以上研究提示，本研究中利用多b值DW I技術(shù)對無精神疾病、無機會性感染、無顱內(nèi)腫瘤的艾滋病患者進行腦部檢查時，能發(fā)現(xiàn)其額葉部位已經(jīng)發(fā)生水分子擴散的影像學(xué)異常，這可能反映出其腦部結(jié)構(gòu)或者功能存在異常。

本研究結(jié)果中，艾滋病患者腦部額葉的ADCs值與健康人比較并沒有顯著性差異，與許多DW I應(yīng)用研究結(jié)果[16]有分歧。有觀點[17]認(rèn)為ADCs值與ADCf分別描述了水分子細(xì)胞外液與細(xì)胞內(nèi)液的兩種不同的擴散狀態(tài)。韓鵬等[16]的研究中認(rèn)為糖尿病造成的腦部慢性損傷會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)含水下降，導(dǎo)致病人腦組織細(xì)胞的ADCf值下降，而損傷造成細(xì)胞間隙增大會表現(xiàn)出ADCs值上升。本研究的對象是尚未出現(xiàn)腦部機會性感染、無精神疾病的艾滋病毒感染者，筆者猜測感染者的腦部已經(jīng)出現(xiàn)慢性損傷，造成皮質(zhì)萎縮，細(xì)胞內(nèi)含水下降，但是可能同時組織的細(xì)胞密度上升，使得細(xì)胞間隙未出現(xiàn)明顯變化，最終出現(xiàn)陽性組與健康人組的ADCf值存在顯著性差異而ADCs值沒有表現(xiàn)出顯著性差異。

本研究中，艾滋病感染者的ADCf值與健康人有顯著差異，但是利用單指數(shù)模型計算出的ADC值并沒有表現(xiàn)出差異。這提示有可能雙指數(shù)模型能夠比單指數(shù)模型更好地反映艾滋病早期患者的腦部水分子擴散的影像學(xué)異常。其他研究中也常見雙指數(shù)模型比單指數(shù)模型更敏感地反映出組織損傷的結(jié)論[18-19]。

總之，本研究基于雙指數(shù)模型DW I和單指數(shù)模型DW I擬合出來的ADCf、ADCs和ADC值均能一定程度上反映額葉組織的生物信息。而其中雙指數(shù)模型的ADCf值反映出無癥狀HIV早期感染者額葉部位的水分子擴散異常，有可能會對HIV陽性診斷提供幫助。

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Differential diagnosis of AIDS: study of multi b-value DW I double-exponential model

WU Wei-qing1, WU Guang-yao2, QUAN Hong1*1School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China2Zhongnan Hospital of Wuhan University, Wuhan 430071, China

Ob jective: To discuss how mono-exponential model and doubleexponential model of multi-b value diffusion weighted imaging perform in HIV diagnosis. Materials and M ethods: Multi-b value DWI(b=0, 50, 150, 200400, 600, 800) was performed to 23 teenagers, 15 of whom were HIV-positive and 8 of whom were HIV-negative. By fitting the images of mono-exponential model and doubleexponential model, ADCs, ADCf, ADC values in frontal lobe were com pared betw een HIV-positive subjects and HIV-negative subjects by statistical analysis. Resu lts: For left frontal lobe, HIV-positive subjects have significantly low er ADCfvalues than HIV-negative subjects. While ADCs, ADC values are not significantly different. Conclusion: Double-exponential model of multi-b value diffusion weighted imaging, especially ADCfvalues can be a reference in AIDS diagnosis.

Multi-b value DW I; Mono-exponential model; Double-exponential model; Frontal lobe; Acquired immune deficiency syndrome

國家自然科學(xué)基金項目(編號：10875092)；湖北省自然科學(xué)基金項目(編號：2012FKB04449)

1. 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430072

2. 武漢大學(xué)中南醫(yī)院，武漢 430071

全紅，E-mail: csp6606@sina.com

2016-01-07接受日期：2016-03-04

R445.2；R593.9

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.04.011

吳韋清, 吳光耀, 全紅. 多b值擴散加權(quán)成像雙指數(shù)模型對HIV早期感染診斷的應(yīng)用價值研究. 磁共振成像, 2016, 7(4): 298–302.

*Correspondence to: Quan H, E-mail: csp6606@sina.com