磁共振水-脂分離成像技術(shù)對椎體脂肪含量的測量

常飛霞，黃剛，樊敦徽，徐香玖，馬小梅，王平，沈雯怡

磁共振水-脂分離成像技術(shù)對椎體脂肪含量的測量

常飛霞1，2，黃剛3*，樊敦徽2，徐香玖3，馬小梅3，王平3，沈雯怡1

目的以雙能X線吸收測量法(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)檢查為參照標準，應用磁共振水-脂分離成像(Dixon)技術(shù)測量腰椎椎體脂肪信號強度并計算脂肪分數(shù)(fat fraction，F(xiàn)F)來評價椎體骨密度方面的應用價值。材料與方法回顧性收集甘肅省人民醫(yī)院腰椎體查患者36例，納入腰1-4椎體(144個)。所有患者均分別行DXA檢查及腰椎MR檢查，以DXA腰椎椎體T值作為金標準，使用WHO的診斷標準，即T值≥-1.0 SD 為正常，-1.0～-2.5 SD為骨量減低，≤-2.5 SD為骨質(zhì)疏松；同時在MRI圖像上測量并計算腰1-4椎體的信號強度(T2脂相像)及FF，骨髓脂肪FF計算公式：FF=［Mfat/(Mfat+Mwater)］×100%，式中Mwater、Mfat分別指水像及脂像感興趣區(qū)(region of interest，ROI)總像素信號強度值，以此來評價磁共振水-脂分離成像技術(shù)預測骨質(zhì)疏松的能力。結(jié)果36例患者144個椎體，按照T值進行分組，骨量正常組58個，骨量減少組28個，骨質(zhì)疏松組58個，骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組椎體脂相信號強度分別為100.2±20.1、156.1±56.3、211.9±84.6。FF分別為：(31.1±6.2)%、(53.3±7.6)%、(77.8±7.2)%。骨質(zhì)疏松組、骨量減少組及正常組比較，腰椎T2脂相信號強度及脂肪分數(shù)均具有統(tǒng)計學差異(P＜0.01)。椎體脂相信號強度與DXA呈負相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)r=-0.64，P＜0.01，脂肪分數(shù)與DXA呈負相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)r=-0.93，P＜0.01。結(jié)論磁共振水-脂分離成像通過測定腰椎信號強度并計算脂肪分數(shù)，可以反映椎體脂肪含量的變化，對骨質(zhì)疏松做出初步診斷，對于評估腰椎骨密度具有一定的應用前景。

磁共振成像；水脂-分離技術(shù)；椎體；脂肪分數(shù)；骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一個重大的公共衛(wèi)生問題。據(jù)統(tǒng)計，50%的女性和20%的男性都有發(fā)生骨質(zhì)疏松相關(guān)性骨折的危險。盡管雙能X線吸收測量法(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)對骨質(zhì)疏松癥的篩查未得到充分利用，但世界衛(wèi)生組織(WHO)仍將DXA 測定骨密度值作為診斷骨質(zhì)疏松的金標準[1-2]。DXA一般用于絕經(jīng)后女性和50歲以上男性骨質(zhì)疏松的診斷，腰椎或髖關(guān)節(jié)的T值≤-2.5即可診斷。此外骨密度(bone mineral density，BMD)的評價方法還有定量CT(quantitative computed tomography，QCT)、超聲等，但DXA做為WHO推薦的方法，本文測量則以T值為標準進行對比研究。

有研究證實骨量的降低均伴有不同程度的骨髓內(nèi)脂肪組織增加[3-4]，因此，研究椎體內(nèi)骨髓脂肪組織含量的變化對評估骨質(zhì)疏松及骨折風險具有重要意義。1H-MRS作為一種對廣大患者來說既無輻射又無創(chuàng)傷的檢查，能對椎體松質(zhì)骨中水和脂肪的含量進行分析，在松質(zhì)骨形態(tài)出現(xiàn)異常前發(fā)現(xiàn)早期骨質(zhì)量的變化。但磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy，MRS)[5]并非檢查中常規(guī)應用序列，只有在高場強磁共振機才能做到，而且檢查耗時較長，要求患者配合難度較大，在椎體檢查中難以推廣，從而限制了它在臨床的應用。經(jīng)研究證明MRI水-脂分離技術(shù)(Dixon)可以定量分析臟器內(nèi)的脂肪含量[6-8]，目前應用Dixon技術(shù)測量骨髓內(nèi)脂肪組織含量的研究較少，所以本研究收集了既做DXA檢查又做腰椎磁共振常規(guī)檢查的患者進行圖像的測量、分析，甘肅省人民醫(yī)院腰椎常規(guī)序列包括水-脂分離序列，為本研究提供了便利，通過測量各椎體脂相中信號強度及計算脂肪分數(shù)，來評價腰椎骨髓脂肪含量，從而間接評價腰椎骨量的變化為OP診斷提供了新的檢查手段。

Dioxn技術(shù)是一種水-脂分離方法，它既是反轉(zhuǎn)恢復和脂肪飽和等常規(guī)方法外的現(xiàn)代壓脂技術(shù)，還可以通過一次掃描獲得多個對比度并用于脂肪定量等場合。水脂分離的圖像，放棄一個就是抑制，有些應用兩者都需要精確定量。在相關(guān)研究中，脂肪分數(shù)值變異系數(shù)為2.95%，這說明掃描具有較好的可重復性。利用組內(nèi)相關(guān)分析考察不同研究者間FF值測量的一致性時發(fā)現(xiàn)，兩位獨立觀察者測量FF值時ICC為0.928(當ICC＞0.75時，表示信度良好)，這提示不同觀察者間具有很好的一致性。因此，此項技術(shù)對評估骨髓脂肪含量是可行的。

對患者進行腰椎MR檢查的同時篩查腰椎BMD，不需要額外成像，不會增加患者費用及時間，如果腰椎水-脂分離圖像信號強度及脂肪分數(shù)對脂肪含量的測量是準確的，那么就可以間接證明腰椎Dixon檢查對骨質(zhì)疏松的診斷是有價值的，就可以排除DXA檢查的必要性。因此用腰椎Dixon對并發(fā)骨質(zhì)疏松進行篩查，將會進一步增加臨床的應用價值，也可以降低額外檢查的成本。Dixon技術(shù)受重復時間(repetition time，TR)及回波時間(echo time，TE)的影響較小，可采集任意兩個不同相差的圖像，因而可以選擇更短的TR和更短的TE，采集速度更快，更適于常規(guī)序列掃描的應用。本研究的目的在于證明在腰椎常規(guī)MR檢查的同時評估腰椎BMD的效果，以DXA檢查為參照標準，測量腰椎椎體信號強度及計算骨髓脂肪含量，同時評估骨密度，從而說明Dixon技術(shù)對腰椎骨質(zhì)疏松的診斷有一定的應用前景。

1 材料與方法

1.1 研究對象

收集2015年7月至2016年3月甘肅省人民醫(yī)院腰椎檢查患者36例，其中女23例，男13例，年齡32～72歲，平均年齡58.5歲，所有患者在檢查前簽署知情同意書，所有患者DXA檢查與3.0 T磁共振常規(guī)腰椎檢查時間間隔不超過10天。排除標準：腰椎患有骨腫瘤、轉(zhuǎn)移瘤、血管瘤、結(jié)核等病變的患者；腰椎有壓縮骨折；有甲狀腺功能亢進、甲狀旁腺功能亢進等骨質(zhì)代謝相關(guān)疾病；服用影響骨質(zhì)代謝水平的藥物，如糖皮質(zhì)激素等。

1.2 DXA和MR檢查技術(shù)

GE公司(LunarDPX型)醫(yī)用診斷X線系統(tǒng)骨密度儀。應用DXA設備(GE-LunarDPX型)測腰椎BMD值。所有研究對象應用DXA設備(GELunarDPX型)按廠商制定的標準方法測量L1-L4椎體前后位BMD值(g/cm2)和各個椎體對應的T值，測量前均需進行儀器校準。采用中華醫(yī)學會骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病學分會推薦的診斷標準，即T值≥-1.0 SD為骨量正常，-1.0～-2.5 SD為骨量減低，T≤-2.5 SD 為骨質(zhì)疏松，T值≤-2.5 SD且合并一處或多處脆性骨折為嚴重骨質(zhì)疏松[2-7]。

德國SIEMENS Skyra 3.0 T MRI儀進行腰椎磁共振檢查，使用脊柱相控陣線圈；MR 掃描序列包括：T2WI矢狀位化學位移成像：TR 3500 ms，TE 82 ms，翻轉(zhuǎn)角度150°，回波鏈16，層厚均為4 mm，層間距為0.8 mm，矩陣256×256，F(xiàn)OV為260 mm×260 mm，共掃描15 層。掃描結(jié)束后，系統(tǒng)自動生成4 幅圖像，即正相位、反相位、脂像及水像。

1.3 圖像分析及測量

將磁共振掃描圖像傳至MMWP (multi modality work place) version：VE40后處理工作站，由兩位放射科主治醫(yī)師獨立測定所有椎體骨髓脂肪的含量。選擇經(jīng)過腰椎(測量L1～L4)椎體最正中矢狀位T2脂相圖像，手動繪制感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，ROI包括整個椎體的松質(zhì)骨部分，需避開椎靜脈入口及皮質(zhì)骨等(圖1A)。通過后處理軟件計算并測量脂肪分數(shù)：[脂相/(脂相+水相)]×100%，在計算出的圖像選擇經(jīng)過腰椎(測量L1～L4)椎體最正中矢狀位測量脂肪分數(shù)，測量方法同上(圖1B)。

1.4 統(tǒng)計學分析

2 結(jié)果

納入36例患者，共計144個椎體，按照T值進行分組，骨量正常組58個，骨量減少組28個，骨質(zhì)疏松組58個，骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組椎體脂相信號強度分別為100.2±20.1、156.1±56.3、211.9±84.6。FF分別為：(31.1±6.2)%、(53.3±7.6)%、(77.8±7.2)%。

3.0 T磁共振水-脂分離成像腰椎同脂相圖像觀察：骨量正常組的脂相上可見少量稍高信號的脂肪組織(圖2)，骨量減少組在脂相圖像可見散發(fā)片狀大小不一的高信號的脂肪成分(圖3)，骨質(zhì)疏松組脂相可見諸椎體邊緣骨質(zhì)增生變尖，椎體內(nèi)可見多發(fā)片狀高信號脂肪成分(圖4)，通過脂相位圖像可以對組織和病灶內(nèi)是否含有脂肪成分及其多少做出初步判斷。

2.1 椎體信號強度與骨密度之間的關(guān)系

骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組椎體信號強度分別為100.2±20.1、156.1±56.3、211.9±84.6，組間比較差異有統(tǒng)計學差異(P＜0.01)，見表1；組內(nèi)兩兩比較，差異有統(tǒng)計學意義，見表2。脂相信號強度與DXA呈負相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)為r=-0.64，P＜0.01，見圖5。

2.2 椎體脂肪分數(shù)與骨密度之間的關(guān)系

骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組椎體FF分別為：(31.1±6.2)%、(53.3±7.6)%、(77.8±7.2)%，組間比較差異有統(tǒng)計學差異(P＜0.01)，見表1；組內(nèi)兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義，見表3。椎體FF與DXA呈負相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)為r=-0.93，P＜0.01，見圖6。

3 討論

OP是以骨量減少、骨組織顯微結(jié)構(gòu)退化為特征，以至骨骼脆性增高、骨折風險增加的一種全身代謝性骨骼疾病。近年來骨質(zhì)疏松在中國發(fā)病率呈逐年上升趨勢，成為一個重大的公共衛(wèi)生問題，給家庭和社會帶來巨大的經(jīng)濟負擔，因此預防篩查工作急需做到位。

DXA是目前評價骨密度的金標準，具有操作方便、檢測時間短、患者電離輻射劑量低(其放射量相當于胸片的1/30)的優(yōu)點[9]，曾被公認為測量BMD的首選方法，但是有研究表明DXA準確性低，漏診率較高。

QCT測定法是利用三維技術(shù)來測量BMD，該方法受骨體積影響小、分辨率高等優(yōu)點[10]，結(jié)果可通過三維旋轉(zhuǎn)功能測量，排除椎體重疊及患者體位因素造成的干擾[11]，且QCT對于診斷骨質(zhì)疏松的準確率逐漸被大家認可，然而QCT較高的輻射劑量及高成本限制了其在臨床的廣泛應用。

因骨質(zhì)在磁場內(nèi)的信號迅速下降，過去研究認為MRI對骨密度的測量無意義，但最近有研究[12-13]表明，可應用磁共振水-脂分離成像技術(shù)對腰椎BMD進行早期篩查。磁共振水脂分離成像技術(shù)[14-16]通過測定椎體信號下降指數(shù)可以反映椎體脂肪含量的變化，間接證明此成像技術(shù)對骨質(zhì)疏松診斷價值。

Justesen等[17]通過活檢研究人體髂骨骨髓脂肪含量，比較正常人及骨質(zhì)疏松患者的骨髓脂肪含量，研究發(fā)現(xiàn)老年人及骨質(zhì)疏松患者骨松質(zhì)體積明顯減少，骨髓中脂肪含量顯著增多。Meunier等[18]通過84 例尸體標本的髂骨病理解剖研究后發(fā)現(xiàn)，脂肪組織的含量從老年人的60%左右降低到年輕人的15%左右，松質(zhì)骨的含量從16%左右增加到了26%左右[19]。Naverias等[20]研究證明椎體內(nèi)骨髓脂肪細胞是骨髓微環(huán)境的主要負性調(diào)節(jié)因子，對椎體骨髓脂肪生成抑制，可以增強骨髓移植患者的造血功能，從而防止骨質(zhì)流失。Hajek等[21]通過3例尸體進行尸檢研究，發(fā)現(xiàn)病理及磁共振圖像上腰椎骨髓內(nèi)的斑點狀和斑片狀異常信號是脂肪組織，所以測定骨髓的脂肪含量對椎體骨量的測定有重要價值。

圖1A：腰椎T2脂相圖像。在L1～L4椎體最正中矢狀位手工繪制ROI，測量L1～L4椎體信號強度；B：通過后處理軟件計算脂肪分數(shù)：[脂相/ (脂相+水相)]×100%，測量圖像選擇經(jīng)過腰椎(測量L1～L4)椎體最正中矢狀位手工繪制ROI測量脂肪分數(shù)圖2腰椎骨量正常組T2脂相圖像。圖像上可見少量稍高信號的脂肪成分，白色箭頭所指區(qū)域即彩圖中橘黃色圖3腰椎骨量減少組T2脂相圖像。圖像上可見散在片狀大小不一的高信號的脂肪成分，白色箭頭所指區(qū)域即彩圖中橘黃色區(qū)域圖4腰椎骨質(zhì)疏松組T2脂相圖像。圖像可見諸椎體邊緣骨質(zhì)增生變尖，椎體內(nèi)可見多發(fā)片狀高信號脂肪成分，白色箭頭所指區(qū)域即彩圖中橘黃色區(qū)域Fig. 1A: Lumbar T2 lipid phase image. In the middle of the L1—L4 vertebral sagittal plane hand drawn ROI, measure the signal intensity; B: Fat fraction calculated by post-processing software: [lipid phase/(fat phase + water phase)]×100%, In the lumbar spine (L1—L4) vertebra most middle sagittal plane, handdrawn ROI, measure the fat fraction.Fig. 2T2 lipid phase image of lumbar spine bone mass in normal group. Image shows a small amount of fat component was slightly high signal intensity, the white arrow indicates the region that is illustrated in the orange region.Fig. 3T2 lipid phase image of lumbar spine bone mass in osteopenia group. Image shows scattered sheet different sizes of fat component showed high, the white arrow indicates the region that is illustrated in the orange region.Fig. 4T2 lipid phase image of lumbar spine bone mass in osteoporosis group. Image shows each vertebral edge bone hyperplasia, and multiple sheet high signal of fat component within the vertebral body, the white arrow indicates the region that is illustrated in the orange region.

磁共振Dixon技術(shù)可以無創(chuàng)地測定組織內(nèi)的脂肪含量[22-23]。骨骼是人體支撐系統(tǒng)，腰椎作為人體中軸骨骼，椎體內(nèi)的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)較多，是骨量流失先發(fā)病的部位，腰椎骨小梁數(shù)目較其它骨質(zhì)相對較高，因此，椎體BMD下降主要以椎體骨小梁變薄、消失為主，骨質(zhì)疏松的程度相對較明顯。成骨細胞、骨細胞和破骨細胞的功能決定了骨組織發(fā)生骨質(zhì)疏松和骨量減少時，脂肪細胞增加伴隨著成骨細胞的減少，脂肪細胞的進一步增加會導致更多的造血干細胞轉(zhuǎn)化為破骨細胞，這樣就會導致成骨細胞和破骨細胞失去平衡，最終導致骨質(zhì)疏松的發(fā)生[24]，肖越勇等[25]通過對5具新鮮尸體的實驗研究表明脂肪首先沉積在骨質(zhì)疏松的中部，因此本研究以腰1～4 椎體作為研究對象，通過利用3.0 T磁共振化學位移成像技術(shù)來測定腰椎松質(zhì)骨T2脂相信號強度及脂肪分數(shù)，以期評價腰椎骨質(zhì)疏松程度，為臨床早期預防及治療提供依據(jù)。

研究共納入36例患者，共計144個椎體，按照T值進行分組，骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組椎體脂相信號強度分別為100.2±20.1、156.1±56.3、211.9±84.6。組間及組內(nèi)差異均有統(tǒng)計學意義，脂相信號強度與DXA呈負相關(guān)，兩者相關(guān)系數(shù)為r=-0.64，P＜0.01，這與雷立存等[13]的研究結(jié)果一致，表明通過測量椎體信號強度能夠反映椎體骨髓脂肪含量變化。骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組FF分別為：(31.1±6.2)%、(53.3±7.6)%、(77.8±7.2)%，組間及組內(nèi)比較有顯著性差異，F(xiàn)F與DXA呈負相關(guān)。該研究結(jié)果與陳瑤等[24]通過磁共振水-脂分離技術(shù)對大鼠骨質(zhì)疏松模型進行MRI水-脂成像，脂肪分數(shù)測量的研究結(jié)果一致。說明磁共振水-脂分離成像通過ROI測定腰椎信號強度并計算FF，可以反映椎體脂肪含量的變化，對骨質(zhì)疏松做出初步診斷。本研究得出骨密度與椎體脂肪信號強度及FF相關(guān)系數(shù)分別為r=-0.64、-0.93，證明椎體脂肪信號強度及FF值對椎體骨髓脂肪含量的檢測有一定價值，而FF值更準確可靠，對于評估腰椎骨密度具有較廣應用前景。

表1不同組別椎體信號強度及脂肪分數(shù)比較Tab.1Comparison of the signal strength and fat fraction of different groups of vertebral body

表2腰椎不同骨量組間組內(nèi)椎體信號強度比較Tab.2Compare the intraclass vertebral signal intensity in different bone mass groups

表3腰椎不同骨量組間組內(nèi)椎體脂肪分數(shù)的比較Tab.3Compare the intraclass vertebral fat fraction in different bone mass groups

圖5T2脂相信號強度與DXA的線性關(guān)系Fig. 5The linear relationship between the lipid phase signal intensity and DXA.

圖6椎體脂肪分數(shù)與DXA線性關(guān)系Fig. 6The linear relationship between fat fraction of vertebral body and DXA.

Youn等[4]使用MRI水-脂分離成像技術(shù)對椎體骨髓FF與椎體骨密度的關(guān)系進行研究，結(jié)果表明椎體骨量減少組的椎體脂肪含量和正常組比較無統(tǒng)計學意義，其結(jié)果與本組研究不一致，可能與DXA測量正位腰椎骨密度時存在一定誤差有關(guān)[27-28]。

本研究的局限性是無病理學的支持，病例數(shù)量較少并且缺乏長期隨訪研究，研究的臨界值等需要在更大的研究群體中和外部檢驗證實。DXA作為參照標準，其特異性較低；3.0 T MR水-脂分離成像可以在腰椎常規(guī)檢查的基礎上無創(chuàng)性測定椎體骨髓的脂肪含量，具有較高的敏感度，椎體信號強度及FF與骨密度值有明顯的相關(guān)性，通過測量椎體脂相信號強度及計算FF可以作為評價骨質(zhì)疏松癥的有效方法之一。

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Measurement of fat content in vertebral body by magnetic resonance water fat separation

CHANG Fei-xia1,2, HUANG Gang3*, FAN Dun-hui2, XU Xiang-jiu3, MA Xiao-mei3, WANG Ping3, SHEN Wen-yi1

1Gansu University of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China

2Dunhuang Hospital of Gansu province, Dunhuang 736200, China

3Department of Radiology, Gansu Provincial People’s Hospital, Lanzhou 730000, China

Objective:Taking DXA as a reference standard, the use of magnetic resonance (NMR) water and fat separation imaging technology (Dixon) can measure the fat signal intensity and calculate the fat fraction (FF) in order to evaluate the application value of vertebral bone mineral density.Materials and Methods:Thirtysix cases of lumbar vertebral body(L1-L4) (144 vertebral body) in which the patients checked in Gansu Provincial People's Hospital were retrospectively collected. All patients who were performed DXA and MR examination of lumbar spine were divided into normal group(T≥-1.0 SD), osteopenia group (-1.0－-2.5SD) and osteoporosis group (≤-2.5SD), according to DXA results and the diagnostic criteria of WHO; At the same time, we measured and calculated the waist 1-4 of the vertebral body signal intensity (T2 fat alike) and fat fraction (FF), Marrow fat formula of FF MRI: FF=[Mfat/ (Mfat+Mwater)]×100%(Mwater, Mfatrespectively refers to water and lipid like ROI total pixel signal strength value) to evaluate the magnetic resonance (NMR) water and fat separation imaging techniques to predict the ability of osteoporosis.Results:According to DXA results, in a total of 144 vertebral bodies involved 36 patients, 58 subjects were in normal group, 28 subjects were in osteopenia group and 58 subjects were inosteoporosis group. The Fat signal intensity of the three groups (normal group, osteopenia group and osteoporosis group) were 100.2±20.1, 156.1±56.3, 211.9±84.6, and the fat fraction (FF) were (31.1±6.2)%, (53.3±7.6)%, (77.8±7.2)%, respectively. Among osteoporosis group and osteopenia group and normal group, lumbar fat T2 signal intensity and fat fractions were statistically different (P＜0.01). When the fat signal intensity negatively correlated with DXA, the correlation coefficient was r=-0.64, P＜0.01; when the fat fraction (FF) negatively correlated with DXA, the correlation coefficient was r=-0.93, P<0.01.Conclusion:Lumbar signal strength and fat fraction through magnetic resonance (NMR) water and fat separation imaging by ROI can reflect the change of the vertebral body fat content in patients with osteoporosis, and is of high value in clinical application. With T value of DXA as the standard, the possibility of having BMD screening for osteoporosis correlation during Dixon check is comparatively high. As a result, it has a certain application prospect to evaluate the bone mineral density of the lumbar spine by simply measuring the fat signal intensity and calculating the fat fraction of ROI.

Magnetic resonance imaging; Water-fat separation technology; Vertebral; Fat fraction; Osteoporosis

Huang G, E-mail: keen0999@163.com

Received 8 Aug 2016, Accepted 20 Sep 2016

1.甘肅中醫(yī)藥大學，蘭州 730000

2.甘肅省敦煌市醫(yī)院，敦煌 736200

3.甘肅省人民醫(yī)院放射科，蘭州 730000

黃剛，E-mail：keen0999@163.com

2016-08-08

接受日期：2016-09-20

R445.2；R589.5

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.12.003

常飛霞, 黃剛, 樊敦徽, 等. 磁共振水-脂分離成像技術(shù)對椎體脂肪含量的測量.磁共振成像, 2016, 7(12): 902-908.*