擴散峰度成像在兔肝纖維化分期診斷中的初步研究

胡家瑋，劉曉嵐，郭冬梅，董洋

肝纖維化早期為可逆過程[1]，但肝纖維化晚期難以逆轉(zhuǎn)，因此，肝纖維化準確分期診斷具有重要意義。目前，有創(chuàng)的肝臟穿刺活檢是分期診斷肝纖維化的“金標準”，但存在一定的不足和風(fēng)險。在無創(chuàng)的影像學(xué)診斷方法中，MRI是公認的最佳影像學(xué)手段[2]，其中，基于水分子高斯分布的擴散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)可以為肝纖維化分期診斷提供重要價值[3]，但實際上生物體內(nèi)水分子運動呈非高斯分布狀態(tài)，經(jīng)典DWI序列并不能真實反映體內(nèi)水分子的擴散情況。而基于非高斯分布的擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)作為一種反映真實水分子擴散微觀結(jié)構(gòu)的磁共振新技術(shù)，逐漸被應(yīng)用于肝臟纖維化診斷研究中[4-5]。有研究表明，肝臟內(nèi)各肝葉肝纖維化期別不完全一致，而多數(shù)研究者將肝臟整體作為研究對象并不能準確反映各肝葉肝纖維化期別。本研究依據(jù)兔肝纖維化模型，將每個肝葉作為研究對象，旨在探討DKI相關(guān)參數(shù)在兔肝纖維化分期診斷中的應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

大連醫(yī)科大學(xué)動物實驗中心清潔級新西蘭雄性大白兔，兔齡6～8個月，體重2.5～3.0 kg。造模分2批進行，第一批15只，第二批20只，隨機分成實驗組(30只)、對照組(5只)。大白兔分籠飼養(yǎng)1周。實驗組大白兔頸部皮下注射四氯化碳與橄欖油混合溶液，每周2次，第1～3周0.1 mL/kg、4～6周0.2 mL/kg、7～10周0.3 mL/kg，對照組大白兔頸部皮下注射相同劑量的生理鹽水。造模過程中密切關(guān)注大白兔神態(tài)、毛色、毛量、體重及飲食情況。兩批實驗組造模開始時間間隔3周，造模方式相同。本實驗通過大連醫(yī)科大學(xué)動物倫理審查委員會批準。

1.2 掃描方法及參數(shù)

注射藥物后的第 5、6、7、10周末，大白兔禁食8 h、禁水4 h。MR掃描前，經(jīng)耳緣靜脈按照2.5 mL/kg注射10%水合氯醛深度麻醉；MR掃描時，大白兔取仰臥位，腹帶固定，選用美國 GE Discovery MR750W 3.0 T超導(dǎo)型磁共振成像系統(tǒng)(8通道膝關(guān)節(jié)HD線圈)采集FSE AX fs T2WI、FSE AX T1WI及DKI圖像，掃描參數(shù)如下：FSE AX fs T2WI：TR 2000 ms，TE 50 ms，層厚4.0 mm，層間距1.0 mm，F(xiàn)OV 20 cm×16 cm，矩陣 256×192，層數(shù) 13，掃描時間 1 min 40 s；FSE AX T1WI：TR 4000 ms，TE 2.9 ms，層厚4.0 mm，層間距1.0 mm，F(xiàn)OV 20 cm×16 cm，矩陣192×192，層數(shù)13，掃描時間1 min 47 s；DKI：TR 4000 ms，TE 73.3 ms，層厚4.0 mm，層間距1.0 mm，F(xiàn)OV 20 cm×20 cm，矩陣64×64，層數(shù)13，b值=0、500、1000 s/mm2，激勵次數(shù)4，方向 30°，掃描時間9 min 24 s。

1.3 病理圖像

MR掃描后，立即經(jīng)耳緣靜脈注射空氣處死大白兔，并行剖腹手術(shù)取出肝臟，觀察并記錄肝臟大小、形態(tài)、顏色、質(zhì)地等。用10%福爾馬林固定標本24～48 h后取病理組織，避開肝臟邊緣及膽囊，用常規(guī)石蠟包埋切片，行HE及Masson染色獲取病理圖像(圖1)。由兩名病理科教授根據(jù)METAVIR標準[6]，以每個肝葉為單位分期肝纖維化：F0：正常肝組織，F(xiàn)1：匯管區(qū)擴張，F(xiàn)2：少量纖維間隔形成，F(xiàn)3：大量纖維間隔形成，F(xiàn)4：肝硬化。將其分為3組：正常組(F0)、早期肝纖維化組(F1-F2)、晚期肝纖維化組(F3-F4)。

1.4 圖像分析及診斷方法

在GE AW 4.6后處理工作站，依據(jù)病理結(jié)果獲取的DKI偽彩圖像及由DKI擬合生成的參數(shù)包括部分各向異性分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)、平均擴散度(mean diffusion，MD)、平均擴散峰度(mean kurtosis，MK)值(圖2)。根據(jù)病理結(jié)果選取F0、F1、F2、F3、F4對應(yīng)肝葉的連續(xù)3個最大層面，分別在每層肝葉放置3個ROI，每個ROI面積約為20 mm2，盡量避開偽影、肝內(nèi)血管、膽管、膽囊以及肝緣等區(qū)域。F0、F1、F2、F3、F4對應(yīng)肝葉的FA、MD、MK值均為連續(xù)3個層面內(nèi)ROI的平均值。

表1 肝纖維化不同病理分期與DKI參數(shù)比較Tab. 1 Comparison between different pathological stages of liver fibrosis and DKI parameters

表2 DKI參數(shù)在肝纖維化組間比較Tab. 2 Comparison of DKI parameters between liver fibrosis groups

表3 DKI參數(shù)對肝纖維化各組別的診斷效能Tab. 3 Diagnostic efficacy of DKI parameters for liver fibrosis groups

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

所有計數(shù)資料均采用均數(shù)±標準差表示，運用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件，采用單因素方差分析進行多組間兩兩比較，方差分析前對各組數(shù)據(jù)進行Levene方差齊性檢驗；采用Spearman等級相關(guān)分析探討DKI各參數(shù)與肝纖維化分期之間的相關(guān)性，對于有統(tǒng)計學(xué)意義的參數(shù)，繪制受試者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲線，評價各參數(shù)對肝纖維化分期的診斷效能，計算曲線下面積(area under curve，AUC)，選取最大約登指數(shù)為臨界值(Cut off)，計算各參數(shù)的敏感度和特異度，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

實驗組造模過程及麻醉過程中各死亡1只大白兔；獲取肝纖維化各期肝葉數(shù)分為F0=10、F1=14、F2=14、F3=14、F4=14(表1)。FA值與肝纖維化分期呈正相關(guān)(r=0.499，P＜0.01)；MD值與肝纖維化期別呈負相關(guān)(r=-0.537，P＜0.01)；MK值與肝纖維化期別呈正相關(guān)(r=0.635，P＜0.01)；FA、MD、MK在各組間均有統(tǒng)計學(xué)差異(P＜0.05)(表2)；F0/F1-F2中，MK、MD、FA的AUC分別為0.875、0.886、0.809(P＜0.01)(圖3A)，提示MD值診斷效能最高(Cut off值為0.643，靈敏度為100%，特異度為64.3%)；F0/F3-F4中，MK、MD、FA的AUC分別為0.957、0.975、0.904(P＜0.01)(圖3B)，提示MD值診斷效能最高(Cut off值為0.964，靈敏度為100%，特異度為96.4%)；F1-F2/F3-F4中，MK、MD、FA的AUC分別為0.751、0.663、0.661(P＜0.05)(圖3C)，提示MK值診斷效能最高(Cut off值為0.571，靈敏度為96.4%，特異度為60.7%)(表3)。

3 討論

DKI作為一種無創(chuàng)性診斷肝纖維化的影像學(xué)方法，能反映水分子真實擴散運動，同時又能定量分析肝纖維化過程中肝臟內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化。DKI需要多個較高b值，b值越高，越能體現(xiàn)局部水分子擴散的非高斯分布，但隨著b值的逐漸增高，導(dǎo)致圖像信噪比降低，影響圖像后處理及數(shù)據(jù)測量的準確性。根據(jù)以往研究[7]，本研究選取3個b值，分別為0、500、1000 s/mm2，能有效減弱血流灌注對信號采集的影響，既能保證DKI反映真實水分子的擴散運動和圖像的質(zhì)量，又能有效縮短掃描的時間。

3.1 DKI相關(guān)參數(shù)與肝纖維化分期的相關(guān)性

DKI參數(shù)包括MD、MK、FA，其中MD值反映水分子的擴散運動。本研究結(jié)果顯示隨著肝纖維化程度的進展，MD值與肝纖維化分期呈顯著負相關(guān)(r=-0.573，P＜0.01)，提示纖維化過程中，由于大量膠原纖維在肝內(nèi)沉積，導(dǎo)致肝內(nèi)水分子數(shù)量減少，同時伴有肝細胞變性水腫、炎癥細胞浸潤[8]，限制了水分子的擴散運動，導(dǎo)致MD值逐漸減小。本研究結(jié)果與Anderson等[9]研究結(jié)果一致；FA值反映水分子運動的方向性。本研究結(jié)果顯示隨著肝纖維化程度的進展，F(xiàn)A值與肝纖維化分期呈顯著正相關(guān)(r=0.499，P＜0.01)，提示隨著肝纖維化病程進展，肝內(nèi)纖維束增多[10]，使水分子擴散沿主軸方向比較明顯，導(dǎo)致FA值逐漸增大。本研究結(jié)果與Taouli等[11]研究結(jié)果一致，說明FA值能反映肝纖維化進程中微觀結(jié)構(gòu)的變化，有助于反映肝內(nèi)纖維束變化的趨勢。MK值作為DKI中最具特征性的參數(shù)，主要反映組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。本研究結(jié)果顯示隨著肝纖維化病程的進展，MK值與肝纖維化分期呈顯著正相關(guān)(r=0.635，P＜0.01)，提示隨著肝纖維化進展，肝內(nèi)膠原纖維沉積增多，肝內(nèi)細胞微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加[12]，MK值逐漸增大。本研究結(jié)果與Sheng等[13]研究結(jié)果一致。但盛若凡等[14]探究DKI模型在大鼠炎癥分級及肝纖維化分期中的診斷價值，結(jié)果表明MD值與炎癥分級及肝纖維化分期呈負相關(guān)(r=-0.590、0.650，P＜0.01)，MK值與其無相關(guān)性，可能原因為K值在肝纖維化分期中重疊性較高有關(guān)。

3.2 DKI相關(guān)參數(shù)在肝纖維化分期中的診斷效能

李潔[15]分析家兔DKI圖像探討DKI相關(guān)參數(shù)對家兔肝纖維化分期的診斷效能，結(jié)果顯示FA、MD、MK值均可用于定量評價肝纖維化分期；Yoshimaru等[16]通過分析肝纖維化病人DKI圖像，發(fā)現(xiàn)MK值能區(qū)分早期肝纖維化和晚期肝纖維化組，MK、MD值均能區(qū)分早期肝纖維化和肝硬化組、晚期肝纖維化和肝硬化組；Sheng[13]等及Hu等[17]通過分析肝纖維化大鼠DKI圖像，均發(fā)現(xiàn)MD值是診斷肝纖維化、晚期肝纖維化、肝硬化最優(yōu)的參數(shù)。本實驗ROC曲線結(jié)果顯示，F(xiàn)A、MD、MK值均能區(qū)分早、晚期肝纖維化組(AUC均＞90%，P＜0.01)，提示FA、MD、MK值鑒別正常肝組織與肝纖維化晚期有較高的準確性。FA、MD、MK值均能區(qū)分正常肝組織與早期肝纖維化組，MK值能區(qū)分早、晚期肝纖維化組(AUC均＞70%，P＜0.01)，提示FA、MD、MK值鑒別正常肝組織與肝纖維化早期、MK值鑒別肝纖維化早期與肝纖維化晚期有一定準確性；FA值區(qū)分早、晚期肝纖維化組的診斷效能較低(AUC=66.1%，P＜0.05)，但趙廣強等[18]比較DWI及擴散張量成像在家兔肝纖維分期診斷價值，發(fā)現(xiàn)FA值區(qū)分早、晚期肝纖維化組的診斷效能低于ADC值(AUC=96.4%、38.4%，P＜0.05)，可能說明擴散峰度成像在反映肝纖維化嚴重程度上優(yōu)于擴散張量成像。因此，在肝纖維化分期診斷中，MD值是區(qū)分正常肝組織與早期肝纖維化組、正常肝組織與晚期肝纖維化組最佳的參數(shù)；MK值是區(qū)分早、晚期肝纖維化組最佳的參數(shù)。本實驗結(jié)果與Hu等[17]研究結(jié)果相似，但本研究對肝纖維化早期、晚期進行明確分組，以及采用全部肝葉作為研究對象，增加樣本量的同時，能較為精確反映肝纖維化分期中細微變化。

本研究存在以下幾方面局限性：首先，病理大體上取材部位與影像圖像上感興趣區(qū)不能完全對應(yīng)，易導(dǎo)致結(jié)果誤差；其次，MR掃描過程中，家兔呼吸偽影對圖像觀測有一定影響；最后，本實驗并未進一步研究肝纖維化分期在同一肝葉是否相同。

總之，DKI作為無創(chuàng)性的磁共振功能成像技術(shù)，能較早且準確地反映肝纖維化過程中病理生理改變及組織微觀結(jié)構(gòu)的變化。

利益沖突：無。