兔肝臟3.0T磁共振彌散加權成像的實驗研究

董天明，孫希杰，徐 賢，戴 靜，鄭 偉，安寧豫，王曉卿

中國人民解放軍總醫院 1放射科 3動物實驗中心，北京 1008532中國人民解放軍海軍總醫院放射科，北京 1000484中國人民解放軍261醫院放射科，北京 100094595820部隊衛生隊，北京 102207

·論著·

兔肝臟3.0T磁共振彌散加權成像的實驗研究

董天明1，孫希杰2，徐 賢1，戴 靜3，鄭 偉4，安寧豫1，王曉卿5

中國人民解放軍總醫院1放射科3動物實驗中心，北京 100853
2中國人民解放軍海軍總醫院放射科，北京 100048
4中國人民解放軍261醫院放射科，北京 100094
595820部隊衛生隊，北京 102207

目的探索正常兔肝臟3.0T磁共振彌散加權成像(DWI)檢查方法學及兔正常肝臟DWI特征、量化指標和參考標準。方法雄性新西蘭大白兔20只，用速眠新Ⅱ注射液麻醉后，采用不同b值分別行DWI掃描。以表觀彌散系數(ADC)值及其最大值與最小值的差值、信號強度(SH)、噪聲(SD)、信噪比(SNR)、質量指數(QI)為指標進行統計學分析。結果隨著b值的增大，肝實質平均ADC值逐漸變小，差異有統計學意義(Plt;0.001)。ADC值的最大值與最小值的差值，以b=1000 s/mm2時最小，b=300 s/mm2時最大。SH值隨b值的增大而逐漸變小(Plt;0.001)，當b=600、800、1000 s/mm2時三者差異無統計學意義(Pgt;0.05)。SD值隨b值的增大而逐漸變小(Plt;0.001)，b=800、1000 s/mm2時兩者差異無統計意義(Pgt;0.05)。SNR值隨b值的增大而逐漸變小(Plt;0.001)，b=600 s/mm2時分別與b=800、1000 s/mm2時比較，差異無統計學意義(Pgt;0.05)。QI值亦隨b值的增大逐漸變小(Plt;0.001)，b=800、1000 s/mm2時兩者差異無統計學意義(Pgt;0.05)。結論在兔肝臟3.0T超高場強磁共振DWI中，采用600 s/mm2的b值可以減少掃描時間，并保證一定的彌散權重、較好的圖像質量和ADC值測量的穩定性。

肝臟；磁共振；彌散加權成像；動物實驗

ActaAcadMedSin, 2012,34(1):51-57

近年來，隨著兔肝癌及肝硬化等模型在基礎研究中的廣泛應用，以及超高場磁共振(magnetic resonance，MR)軟硬件的成熟，兔肝臟彌散加權成像(diffusion-weighted imaging，DWI)實驗研究也逐漸成為肝臟疾病研究的一個熱點。本研究旨在初步探索正常兔肝臟DWI檢查方法學，并探索兔正常肝臟DWI特征、量化指標和參考標準，為肝臟疾病的MR實驗研究提供方法學及理論依據。

材料和方法

實驗動物健康成年雄性新西蘭白兔20只，由解放軍總醫院實驗動物中心提供，4月齡，體重(3.0±0.4)kg，從1～20進行隨機編號。動物分籠飼養，每籠1只，按晝夜時程，在室溫及穩定濕度下，用平衡飼料喂養，觀察無異常后進行實驗。

實驗試劑10%水合氯醛由解放軍總醫院動物實驗中心提供，速眠新Ⅱ注射液由長春軍需大學獸醫研究所研制。

主要設備儀器GE Signa HD 3T掃描儀(含8通道膝關節線圈)，計算機圖像分析系統(ADW 4.0, GE Medical Systems, USA)。

預實驗初步對比10%水合氯醛與速眠新Ⅱ注射液的麻醉效果；對比MR檢查時兔取仰臥位和俯臥位的圖像呼吸偽影抑制情況；以上初步對比結果經3名資深主治或以上影像醫師評價和擇優后進行如下正式實驗。

DWI實驗動物停食水12 h后行MR檢查，所有檢查均于晚間進行。在檢查前，以0.2 ml/kg體重的劑量將速眠新Ⅱ注射液肌內注射于兔后肢肌肉豐厚處，3 min左右觀察麻醉效果，觀察呼吸緩慢而均勻時，行冠狀位T2加權像 (weighted image，WI)掃描，然后使用冠狀位圖像定位行DWI檢查，采用5個b值：50、300、600、800、1000 s/mm2，回波時間/重復時間 minimum/6000 ms，掃描層厚3 mm，間距0.5 mm，矩陣 128×128，視場20×20 cm，激勵次數4。

數據測量和計算分別定量測量肝實質的表觀彌散系數(apparent diffusion coefficient，ADC)、信號強度(signal strength，SH)、噪聲(noise signal，SD)，并計算信噪比(signal to noise ratio，SNR)、質量指數(quality index, QI)[1-2]、ADC最大值與最小值的差值(簡稱差值)。

ADC值：在肝實質中心層面取不同位置3個感興趣區(region of interest，ROI)，每個ROI前后測量3次，取前后測量平均ADC值作為該ROI的ADC值。

SH、SD及SNR值：SH為肝實質的平均信號值，取肝內5個面積為50 mm2的ROI進行測量且注意避開較大血管、膽管以及較重的偽影；SD為同一ROI等量像素的標準差；SNR=SH/SD。

QI：將SNR和圖像肝解剖顯示分別按5個等級量化后再按相同權重(為便于計算均取1)相加后所得的一個能綜合反映圖像質量的指標。SNR量化標準為：1分，SNR≤7；2分，7lt;SNR≤8.5；3分，8.5lt;SNR≤10；4分，10lt;SNR≤13.5；5分，13.5≤SNR。圖像肝解剖顯示評價標準為：1分，圖像質量很差，臟器邊界不清，不能顯示肝內血管；2分，介于l與3分之間；3分，臟器邊緣顯示一般，可隱約顯示胃腸邊緣，可顯示肝內靜脈的較大分支；4分，介于3與5分之間；5分，臟器邊緣銳利，可清楚顯示胃腸邊緣，能顯示肝內靜脈小分支。分別由3名資深主治或以上醫師獨立評價計分再取平均值。

統計學處理采用SPSS 16.0統計軟件進行統計學處理，計量資料以均數±標準差表示，對不同處理組間進行隨機區組方差分析，并對差異有統計學意義者進一步進行SNK法比較。Plt;0.05為差異有統計學意義。

結 果

預實驗結果初步實驗發現：速眠新Ⅱ麻醉深，持續時間長，呼吸抑制明顯，劑量較容易掌握，家兔因麻醉死亡率低，檢查成功率高；而10%水合氯醛麻醉較淺，持續時間較長，對兔的肌肉松弛效果不理想，呼吸抑制不明顯，因腹腔麻醉實際吸收劑量不易掌握，家兔因麻醉死亡率高，檢查成功率較低。俯臥位較仰臥位檢查，呼吸偽影輕，肝臟位置不易移動，圖像質量較高。

不同b值間圖像質量與ADC值的比較隨著b值的增大，肝實質平均ADC值逐漸變小(Plt;0.001)，b值取50、300、600、800、1000 s/mm2時，肝實質平均ADC值的95%置信區間分別為(3.74～4.00)×10-3mm2/s、(2.50～2.85)×10-3mm2/s、(1.84～2.10)×10-3mm2/s、(1.52～1.78)×10-3mm2/s、(1.22～1.46)×10-3mm2/s。ADC值的差值在b=1000 s/mm2時最小，b=300 s/mm2時最大。SH值隨b值的增大而逐漸變小(Plt;0.001)，但當b=600、800、1000 s/mm2時三者間差異無統計學意義(Pgt;0.05)，曲線圖亦可見b=600 s/mm2后曲線趨于平直。SD值隨b值的增大而逐漸變小(Plt;0.001)，但當b=800、1000 s/mm2時兩者間差異無統計意義(Pgt;0.05)。SNR值隨b值的增大而逐漸變小(Plt;0.001)，b=600 s/mm2分別與b=800、1000 s/mm2時比較，差異無統計學意義(Pgt;0.05)。QI值亦隨b值的增大逐漸變小(Plt;0.001)，但b=800、1000 s/mm2時兩者間差異無統計學意義(Pgt;0.05)，且二者數值均小于5(表1)。圖1為某實驗兔肝臟MR掃描結果，顯示隨著b值的增大，各數據均表現為逐漸變小的趨勢，ADC和QI均以b=50 s/mm2時為最大，b=1000 s/mm2時為最小。

討 論

DWI作為一種非侵襲性的功能成像方法，已經逐漸成為評價放療、化療、介入治療等抗腫瘤治療方法的療效[3-6]、干細胞移植治療急性肝損傷的療效[7-8]、肝臟良惡性腫瘤的鑒別[9]、肝硬化及肝纖維化的病理變化[10]等的一種重要影像學方法。而大部分肝臟疾病治療方法人體試驗存在的局限性，使動物實驗成為上述研究的主要途徑，所以正常兔肝實質的ADC值范圍、不同b值DWI圖像質量以及如何選擇合適的b值，對兔肝臟疾病模型的評價具有重要意義。

表 1 正常兔肝臟各參數不同b值DWI掃描情況

隨著b值的增大，肝實質ADC值逐漸變小，分別為3.66、2.68、1.92、1.62、1.46；SNR亦表現為逐漸下降的趨勢，但b=600、800、1000 s/mm2較為接近；從圖像質量看，QI分別為7.33、5.33、5.67、3.33、2.00，以b=50 s/mm2為最佳，b=1000 s/mm2為最差，b=300、600 s/mm2較為接近With b value increases, the ADC values decrease at the same time, which are 3.66, 2.68, 1.92, 1.62, and 1.46, respectively；the SNR decreases at the same time, but there are no significant difference between both DWI with b=600 s/mm2 and b=800 s/mm2 or b=1000 s/mm2； QI are 7.33, 5.33, 5.67, 3.33, 2.00, and b=50 s/mm2 is the best, b=1000 s/mm2 is the worst; the distinction between DWI with b=300 s/mm2 and b=600 s/mm2 is insignificantA.冠狀位T2加權像；B～C.b=50 s/mm2的DWI和ADC圖；D～E.b=300 s/mm2的DWI和ADC圖；F～G.b=600 s/mm2的DWI和ADC圖；H～I.b=800 s/mm2的DWI和ADC圖；J～K.b=1000 s/mm2的DWI和ADC圖A.coronal T2 weighted image；B-C.DWI and ADC images of b=50 s/mm2；D-E.DWI and ADC images of b=300 s/mm2；F-G.DWI and ADC images of b=600 s/mm2；H-I.DWI and ADC images of b=800 s/mm2；J-K.DWI and ADC images of b=1000 s/mm2

彌散又稱擴散，是人體內物質轉運的方式之一，也是許多生理活動的重要組成部分。從分子角度看，彌散是指分子的隨機運動，即布朗運動。人體的水分子擴散包括細胞內、外以及細胞之間的運動，MR DWI可以反映水分子的布朗運動。目前，DWI技術包括自旋回波、平面回波和穩態自由進動，其中臨床上以平面回波DWI應用最為廣泛，本研究DWI采用的亦是回波平面成像(echo planar imaging, EPI)T2WI序列，可以在數十毫秒內完成單幅圖像的信號采集，可以基本“凍結”心跳、脈搏、呼吸、血液灌注等不自主的生理活動[11]，使其更適用于動物實驗研究，但有磁敏感偽影較明顯、SNR較低的缺點。

梯度因子即所謂b值，也稱彌散敏感系數，決定著彌散敏感梯度的程度，其與梯度場場強、持續時間和間隔時間有關。增大b值，可以提高不同ADC值區域的信號對比，而同時信號也會降低；反之亦然。

ADC值反映水分子在組織內的擴散活動能力，可以評估DWI的結構。ADC值越大，在彌散加權圖像上，水分子彌散受限時，由彌散導致MR信號降低的效應較低，因而表現為較高信號，同時由于彌散受限，ADC值較小，根據ADC值計算結構而重建出來的ADC圖表現為低信號。隨著b值的增加，同一組織的ADC值逐漸增加。本研究結論與其相符。多數報道認為其原因是：DWI既反映組織水分子的布朗運動，同時也反映組織的血液灌注狀態，小的b值及b值差DWI主要反映組織或病變的血液灌注狀態，大的b值及b值差DWI主要反映組織或病變內水分子的布朗運動[12-14]。可能的機制為：因為組織內血液灌注的運動速度明顯快于水分子的布朗運動，DWI反映的是體素內的水分子運動，不能反映體素外的分子運動。當b值較小時，水分子的布朗運動對DWI的影響較小，主要反映血液灌注，而b值較大時，則反映的主要是水分子的布朗運動[14]。因此，不同b值測得的ADC值有較大差異[15]。另外，以往的研究還發現較大的b值或b值差，所測得的ADC值較為穩定，數據也更準確，反之亦然[14-16]。Yamada等[17]使用不同的b值差對肝臟不同病變測量ADC值后發現，b值差較小時，測量的ADC值波動較大，組內最大值與最小值之間差值可以達到1倍以上；而b值差較大時，各ROI的ADC值波動小。本研究發現，當b=1000 s/mm2時，組內ADC值最大值與最小值之間差值最小，測量數據更穩定，這與以往研究相似；其次以b=600 s/mm2時，組內ADC值的測量數據穩定。所以，筆者認為在選擇b值時，既要兼顧一定的彌散權重，也要保證較好的ADC值測量的穩定性。

本研究選擇SNR和QI數兩個指標共同評價DWI質量。SNR是SH與SD的比值。SNR是評價MR圖像質量的最重要指標，圖像的SNR與SH成正比。SH是某一ROI內像素的平均值。在組織成分確定的情況下，DWI的信號強度主要受主磁場強度、b值、層厚、掃描矩陣等影響，理論上，其數值應隨著b值的增加而增加。而本研究發現隨著b值的增大，SH值具有逐漸變小的趨勢，但b=600、800、1000 s/mm2兩兩比較的差異無統計學意義，可見當b值增大到一定程度(b=600 s/mm2)時，SH受b值的影響較小。可見，在動物實驗中，通過降低b值提高信號強度不一定可行，還需考慮MR儀器的性能、線圈等客觀因素的影響。

QI由袁友紅等[1-2]提出，定義為將SNR、圖像偽影、圖像肝解剖顯示分別按5個等級量化后再按相同權重相加后所得的一個能綜合反映圖像質量的指標。筆者考慮到本研究的實際情況，對其進行如下修改，使其更為完善。(1)SD的定義：SD是指由患者、環境或系統電子設備產生的不需要的信號，是同一ROI內等量象素的標準差(相對于SH而言)[18]。它也是一種電信號，但在MRI中絲毫不反映組織特性。SD分為系統噪聲和統計噪聲。系統噪聲是在MRI中引起某種偽影的信號或成像視野以外的信號在一定條件下引入成像視野以內，前者如呼吸運動偽影，后者如容積效應偽影；統計噪聲來源于硬件電路，這種SD在沒有MR信號時也可以被接收，所以一般也稱為背景噪聲。統計噪聲存在于每幅MRI圖像中，而系統噪聲則在有偽影的情況下存在，并且可能成為圖像的主要SD來源。所以，筆者認為，在評價MR圖像質量時，系統噪聲應該成為主要研究方向，而不是統計噪聲。本研究測量的SD是統計噪聲與系統噪聲的總和，既考慮到背景噪聲對圖像的影響，也考慮到DWI中的各種偽影對圖像的影響，這一指標既能客觀地反映圖像偽影的情況，又能使SNR的計算更準確。本研究還發現：隨著b值的增大，SD值具有逐漸減小的趨勢，但b=800、1000 s/mm2兩兩比較的差異無統計學意義，說明b值對SD的影響并不是簡單的線性關系。(2)QI：本研究之所以不將偽影計算進QI，原因其一是本研究計算SNR時，使用的是系統噪聲而非統計噪聲，系統噪聲已經包含圖像偽影情況；其二是采用人工評價偽影情況，主觀性強，也不利于量化評價。另外，由于本研究SNR的測量方法不同，得出的數據與以往研究有差異，所以采用數據的五分位數間距定義評分方法，這樣不但使SNR各組間評分不致離散度過大，也能更準確地反映總體評分情況。

本研究顯示，隨著b值的增加，SNR與QI均逐漸下降，但b=600 s/mm2與b=800、1000 s/mm2比較，SNR差異不大，b=800 s/mm2與1000 s/mm2比較，QI差異不大。筆者認為在b值較高時，b值對圖像質量的影響較小。又因為b值的增加，必然引起梯度場作用時間的延長，也就是回波時間將延長，掃描時間延長，這也不利于動物實驗的順利進行。所以，在保證掃描時間盡量短而且有較好圖像質量的情況下，筆者建議盡量選擇較小的b值，如b=50、300、600 s/mm2。

關于偽影，DWI主要包括如下幾種：(1)呼吸運動偽影：在動物實驗中，其對圖像質量影響程度的大小主要取決于麻醉劑種類、劑量、掃描體位以及掃描時間。兔MR檢查麻醉劑選擇的主要目的是操作簡單、麻醉時間長、不易激惹、呼吸抑制效果明顯、麻醉致死亡率低。國內主要使用水合氯醛腹腔注射、速眠新Ⅱ肌肉注射、戊巴比妥鈉靜脈注射等，雖然從麻醉效果上，戊巴比妥鈉靜脈注射麻醉效果最佳，但由于注射方式與劑量不易掌握，不利于MR室內的動物實驗研究；筆者在預實驗中比較了前兩種方式，發現速眠新Ⅱ肌肉注射較為符合上述要求。關于掃描體位，以往國內外的動物研究均選用仰臥位[19-20]，而筆者通過預實驗發現，俯臥位是兔睡眠的自然生理體位，體位易于固定，不易移動和蘇醒，在有自身對照的實驗中，比較容易達到多次檢查的一致性。而且最為重要的是，俯臥位可以用自身體重抑制呼吸，較仰臥位在腹部壓重物更有利于實驗的順利進行，圖像更加對稱。DWI掃描時間直接決定實驗的成敗，一般來講，動物實驗首次麻醉劑量的有效麻醉時間(即呼吸、心率等較為穩定的時期)均在30 min，超過這段時間，檢查過程中就有可能出現呼吸偽影嚴重影響圖像質量的現象，所以筆者認為，應該在盡量保證彌散權重的基礎上，選擇較小的b值進行檢查，本研究發現b=300、600 s/mm2時，在其他參數相同的情況下與b=800、1000 s/mm2比較，掃描時間明顯縮短。(2)磁敏感偽影：與人體不同，兔胃內存在大量氣體，另外采用EPI序列也增加了磁敏感偽影。袁友紅等[1]曾采用改變體位與術前加用少量消氣劑的方法，有一定效果。本研究發現適當調整檢查前禁食禁水的時間可能會適當減少胃內氣體。(3)部分容積偽影：本研究采用3 mm層厚，已經較大程度地減少了該偽影，筆者認為在掃描時間允許的情況下，可以把層厚減少至2 mm。

綜上所述，考慮掃描時間、SNR、圖像偽影、測量數據的穩定性等因素，筆者建議在使用兔進行動物實驗時選擇俯臥位、速眠新Ⅱ肌肉注射麻醉方法、b=600 s/mm2進行DWI，可以減少掃描時間，并保證一定的彌散權重、較好的圖像質量和ADC值測量的穩定性，再輔以b=300 s/mm2掃描，可更敏感地檢測病變，得到更好的結果。另外，本研究關于3.0T超高場MR DWI肝實質的ADC值95%可信區間，當b=600 s/mm2時為(1.84～2.10)×10-3mm2/s，當b=300 s/mm2時為(2.50～2.85)×10-3mm2/s。以上指標可作為兔肝實質ADC值的參考標準，為兔肝臟疾病模型3.0T DWI提供理論依據。

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AnExperimentalStudyonRabbitLiverby3.0TeslaMagneticResonanceDiffusion-weightedImaging

DONG Tian-ming1, SUN Xi-jie2, XU Xian1, DAI Jing3,ZHENG Wei4, AN Ning-yu1, WANG Xiao-qing5

1Department of Radiology,3Department of Animal Experimental Center,
Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China
2Department of Radiology, Chinese PLA Navy General Hospital, Beijing 100048, China
4Department of Radiology, 261st Hospital of Chinese PLA, Beijing 100094, China
5Medical Team of 95820 Troops, Beijing 102207, China

AN Ning-yu Tel: 010-66876358, E-mail: anningyu@301hospital.com.cn

ObjectiveTo explore the methodology as well as the features, quantificational index， and reference standard of 3.0 Tesla magnetic resonance (MR) diffusion-weighted imaging (DWI) on the normal rabbit’s liver.MethodsTwenty New Zealand white rabbits were enrolled and DWI was performed after anesthetics with multi-b values at 3.0T MR scanner. Apparent diffusion coefficient (ADC) values as well as the difference between maximum and minimum ADC values, signal strength (SH), noise signal (SD), signal to noise ratio (SNR), and quality index (QI) were recorded and analyzed.ResultsWith b value increased, the ADC values decreased accordingly (Plt;0.001). The difference between maximum and minimum ADC values with b=1000 s/mm2was the least (good stability), b=600 s/mm2was the second least, and b=300 s/mm2was greatest (bad stability). The SH decreased at the same time (Plt;0.001)，but the difference among DWI with b=600, 800, and 1000 s/mm2was not statistically significant (Pgt;0.05). The SD decreased at the same time (Plt;0.001), but the difference between DWI with b=800 s/mm2and b=1000 s/mm2was not statistically significant (Pgt;0.05). The SNR decreased at the same time (Plt;0.001), but there were no significant differences between DWI with b=600 s/mm2and b=800 s/mm2or b=600 s/mm2and b=1000 s/mm2(Pgt;0.05). The SNR of DWI with b=800 s/mm2and b=1000 s/mm2was lower. The QI decreased at the same time (Plt;0.001), but the difference between DWI with b=800 s/mm2and b=1000 s/mm2was not statistically significant (Pgt;0.05).ConclusionWhen 3.0T MR DWI is applied for rabbit liver, it is better to use b=600 s/mm2for reducing scanning time and assuring better diffusion weights, quantity of images, and stability of ADC measurement.

liver; magnetic resonance imaging; diffusion-weighted imaging; animal experiment

安寧豫 電話：010-66876358，電子郵件：anningyu@301hospital.com.cn

R-332；R445.2

A

1000-503X(2012)01-0051-07

10.3881/j.issn.1000-503X.2012.01.010

2011-08-22)