MR單指數及拉伸指數模型擴散成像診斷大鼠肝纖維化病理分期的價值

胡根文，全顯躍，李欣明，梅穎潔，符式新，張凱鐘

1.深圳市寶安區婦幼保健院影像中心，廣東深圳 518133；2.南方醫科大學珠江醫院影像中心，廣東廣州 510282；3.飛利浦醫療保健事業部，廣東廣州 510282；

肝纖維化是肝組織對各種病因的慢性肝損傷的一種修復反應。早期的纖維化具有可逆性[1]，通過適當的治療可以阻止或延緩其進展為肝硬化及肝癌[2]。傳統影像檢查方法對肝纖維化的診斷準確性不足。擴散加權成像（DWI）反映了水分子在組織中的布朗運動，可以間接反映組織微結構的變化。單指數模型擴散成像是基于水分子的高斯擴散的特性而獲得 ADC值[3]。拉伸指數模型（stretched exponential model，SEM）擴散成像等非高斯擴散模型可能提供關于體內實際水分子運動更準確的信息[4]。本研究擬探討單指數及拉伸指數模型擴散成像診斷肝纖維化大鼠模型病理分期的價值。

1 材料與方法

1.1 動物模型的建立 從廣東省醫學實驗動物中心購得40只成年雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠，體重（250±20）g，實驗動物合格證號為 44007200041126。在無特定病原體級環境下分籠飼養，提供標準飼料和水。室溫18～20℃，濕度60%～70%。12 h光照、黑暗交替。所有的實驗程序均經過廣東省醫學實驗動物中心動物倫理委員會批準（批準文號為B201706-11）。

大鼠采用隨機數字表法分為對照組 8只、模型組32只。用3%戊巴比妥鈉腹腔內注射（0.2 ml/100 g）對大鼠進行麻醉。無菌技術下行腹部切口，分離膽總管并在分叉處緊鄰肝臟進行結扎。為了獲得纖維化各個階段的數據，在術后4個時間點（7、14、21、28 d）采用隨機數字表法選取8只大鼠進行MRI及病理檢查。

1.2 儀器與方法 采用Philips Ingenia 3.0T MR掃描儀，4通道小動物線圈。大鼠用3%戊巴比妥腹腔內注射，劑量為 0.2 ml/100 g，以俯臥位、頭先進進行掃描。掃描序列：①軸面梯度回波T2WI：TR 206 ms，TE 9.2 ms，視野60 mm×60 mm，矩陣100×100，層厚3 mm；②軸面快速自旋回波T1WI：TR 400 ms，TE 10 ms，視野60 mm×60 mm，矩陣120×93，層厚3 mm；③DWI采用平面回波序列，TR 2000 ms，TE 55 ms，視野50 mm×50 mm，層厚3 mm，層數9，矩陣64×63，單指數模型b值為0、800 s/mm2；拉伸指數模型b值為 0、700、1400、2100 s/mm2。

1.3 圖像分析 將原始數據導入軟件PRIDE DWI Tool 1.5（Philips Healthcare Best），經 Levenberg-Marquardt算法進行擬合，①傳統的單指數擴散模型為[5]：Sb/S0=exp（-b·ADC），其中Sb和S0分別是b≠0和 b=0時的擴散加權信號強度，ADC是表觀擴散系數；②拉伸指數模型為[6]：ln（S）=ln（S0）－（b·DDC）α，其中DDC表示分布擴散系數，α表示水分子擴散異質性指數（0～1）。

獲得參數（ADC、DDC、α）圖后，由2名醫師在不知曉病理結果的情況下使用 Image J軟件（National Institutes of Health）在肝實質內手動勾畫5個感興趣區，大小3～4 mm2，避免包含肝緣、血管或膽管，測量各參數值。

1.4 病理分析 掃描結束后處死大鼠，取出肝組織固定、切片，行HE及Masson染色。參照METAVIR分期標準[7]，將肝纖維化分為F0～4期，F0期：無纖維化；F1期：匯管區及其周圍纖維化和局限竇周纖維化；F2期：纖維間隔形成，但小葉結構大部仍保留；F3期：大量纖維間隔，分隔并破壞肝小葉，但尚無肝硬化；F4期：肝硬化。

1.5 統計學方法 采用SPSS 20.0軟件，計量資料以±s表示，組間比較采用單因素方差分析，組內兩兩比較采用LSD法。各參數結果與病理分期的相關性采用Spearman相關分析，P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 病理表現 對照組8只均無纖維化，均為F0期。模型組F1期8只、F2期9只、F3期9只、F4期6只（圖1）。

圖1 大鼠肝臟Masson染色病理結果（×200）。A為對照組大鼠肝臟病理圖，無纖維化；B為F1期，匯管區及其周圍纖維化和局限竇周纖維化；C為F2期，纖維間隔形成，但小葉結構大部仍保留；D為F3期，大量纖維間隔，分隔并破壞肝小葉，但尚無肝硬化；E為F4期，肝硬化

2.2 MRI表現 所有動物均完成MRI檢查（圖2）。不同肝纖維化病理分期（F1～F4期）各組大鼠的ADC、DDC、α均低于對照組（F0期），差異有統計學意義，且不同纖維化分級之間的參數差異均有統計學意義（P均<0.05），見表1。纖維化分期與單指數及拉伸指數參數（ADC、DDC、α）均具有相關性（r=-0.734、-0.792、0.505，P均<0.05）。

圖2 膽管結扎誘導的肝纖維化F3期大鼠MRI圖像。A為軸面T1WI像；B為軸面T2WI像；C為單指數擬合的ADC圖；D為拉伸指數擬合的分布擴散系數（DDC）圖；E為拉伸指數擬合的水分子擴散異質性指數（α）圖

表1 不同病理分期肝纖維化組的單指數及拉伸指數模型參數比較（ ±s）

表1 不同病理分期肝纖維化組的單指數及拉伸指數模型參數比較（ ±s）

注：DDC：分布擴散系數；α：水分子擴散異質性指數

F2 期 9 0.921±0.080 0.773±0.125 0.693±0.082 F3期90.838±0.0780.700±0.0750.700±0.059 F4 期 6 0.831±0.099 0.681±0.072 0.667±0.085 F值30.6821.525.80 P值 <0.001 <0.001 <0.001

3 討論

膽管結扎法建立大鼠肝纖維化模型是通過人為肝外膽道阻塞，引發膽汁淤積、膽道內壓力增高、膽管擴張，并可引起肝內膽小管破裂。由于肝內血管受到擴張膽管的壓迫可造成肝細胞的缺氧，同時膽汁外滲，可引起肝細胞壞死及膠原組織沉積，纖維組織增生并向膽管伸展，包圍肝小葉并散布于肝細胞周圍，隨著肝纖維化的加深，最終可以形成肝硬化。因該模型炎癥反應少，纖維化形成快，自發逆轉率低，安全無毒，是肝纖維化較理想的模型之一，適合于模擬臨床膽汁性肝硬化的研究[8]。

MR擴散成像是一種功能MRI技術，反映組織內水分子布朗運動特點，從而間接反映組織微觀結構的變化[9]。在均質中，水分子的擴散運動形式分布函數呈高斯分布，即是自由、非受限的。傳統的ADC值即是在這種假定下通過單指數高斯擴散模型來分析組織結構差異[3]。然而，由于組織內細胞結構復雜性，存在特殊細胞形態及細胞膜屏障、細胞內外間隔等各種擴散屏障，所以體內水擴散行為不可能完全符合高斯模型的自由擴散，非高斯擴散模型能更準確地反映組織內真實的水分子擴散情況[10]。

拉伸指數模型擴散成像是新興的非高斯擴散模型成像，可同時提供組織的非高斯擴散信息及組織的異質性程度，拉伸指數模型擴散成像有參數DDC（與標準擴散系數相似）和參數α。α接近于1表示組織內擴散的異質性低，而接近于0的α表示高度異質性[6]。

既往研究結果顯示[11-13]，在肝纖維化發展后ADC下降。本研究中，參數ADC、DDC隨著纖維化水平的增加而下降。一般認為是由于肝纖維化過程中，肝臟損傷導致肝細胞壞死、凋亡和炎癥，可能導致各種細胞因子和脂質過氧化物的分泌，共同作用于肝星狀細胞合成細胞外基質（ECM）。ECM 沉積以及肝細胞液體的滲漏和肝纖維化過程中炎癥細胞浸潤等因素均可以限制水分子擴散并導致擴散參數 ADC、DDC降低。

DDC與肝纖維化分級之間的相關性優于ADC，這可能是由于各種擴散障礙如ECM、炎癥、肝細胞氣球樣變和脂肪變性的存在，肝內水分子的擴散已經偏離高斯模型。以非高斯模型獲得的DDC與肝纖維化組織擴散的實際狀態更為一致。

α反映了微觀結構的異質性[6]，認為其在膠質瘤分級中有較強的參考價值[14]，在鑒別腎臟腫瘤時也有一定的意義[15]。Anderson等[16]報道了 α在肝纖維化中的變化，并且認為α與病理分級關系不密切，但是該報告是基于離體肝臟的研究。本活體研究表明，與正常肝組織相比，α在纖維化中呈增加趨勢，表明肝纖維化過程中，病變呈彌漫性改變，但其微觀組織異質性并未增高。

本研究通過大鼠模型分析了肝纖維化中單指數及拉伸指數模型擴散成像的變化規律及各參數反映相應組織病理和生理變化，表明拉伸指數模型擴散成像能更好地反映組織在超高b值下的水擴散特性，并包含有組織內微觀結構的特定信息，可作為標準DWI單指數模型的補充手段。然而，因本研究僅涉及動物模型，并且樣本量較小，拉伸指數模型擴散成像的臨床應用價值仍需進一步研究。