磁共振体素内不相干运动成像在大鼠肝纤维化模型中的应用

胡根文HU Genwen全显跃QUAN Xianyue Queenie Chan李余发LI Yufa林 婷　LIN Ting史 达SHI Da

磁共振体素内不相干运动成像在大鼠肝纤维化模型中的应用

胡根文1HU Genwen全显跃2QUAN Xianyue Queenie Chan3李余发4LI Yufa林 婷2LIN Ting史 达2SHI Da

作者单位
1.深圳市宝安区妇幼保健院影像中心 广东深圳 518133 2.南方医科大学珠江医院影像中心 广东广州 510282 3.飞利浦医疗保健事业部 香港 999077 4.南方医科大学珠江医院病理科 广东广州510282

目的 探讨磁共振体素内不相干运动（IVIM）成像在肝纤维化进程中的变化规律。材料与方法 选取65只SD大鼠，分为对照组15只和模型组50只，模型组采用四氯化碳诱导不同时间以获取不同程度的肝纤维化。使用3.0T MR进行肝脏IVIM成像获得体素内真性水分子扩散（D）、灌注分数（f）、体素内微循环灌注（D*）。扫描后行病理检查并分为对照组及轻度、中度、重度肝纤维化组，将影像学表现与病理结果进行对照。结果 对照组15只大鼠和模型组42只大鼠完成实验，不同程度肝纤维化组IVIM参数D、f、D*值比较，差异均有统计学意义（F=17.58、13.80、27.48，P＜0.05）；肝纤维化程度与D、f、D*均呈负相关（r=-0.668、-0.630、-0.704，P＜0.05）。结论 IVIM可以作为一种无创的、不使用造影剂的新技术用于探测肝纤维化进程中组织内扩散和灌注的变化，反映肝纤维化早期的病理生理改变，有助于早期检测和诊断肝纤维化。

肝硬化；磁共振成像，弥散；扩散加权成像；病理学；疾病模型，动物；大鼠，Sprague-Dawley

体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）是一种新兴的MR扩散成像技术。根据IVIM理论，信号衰减的函数表达的是一个biexponential方程，获得3个参数：体素内真性水分子扩散（puremolecular diffusion，D），表示感兴趣区（ROI）内纯的水分子扩散效应；灌注分数（perfusion fraction，f），表示ROI内局部微循环所致灌注效应占总体扩散效应的比率；体素内微循环灌注（perfusion related diffusion，D*），代表ROI内由于微循环灌注所致的扩散效应［1］。IVIM区分了组织内水分子扩散和微循环毛细血管灌注，能更精确地反映组织的病理生理改变［2］。本研究通过分析肝纤维化进程中的IVIM参数变化，探讨IVIM技术在检测和评估肝纤维化中的应用价值。

1　材料与方法

1.1实验动物 选取雄性SD大鼠65只，由南方医科大学实验动物中心提供［动物许可证号：SCXK（粤）2011-0015］，体重（200±20）g。在SPF级环境下分笼饲养，动物饲养条件：温度18～20℃，湿度60%～70%，明暗各12 h，实验期间自由饮水、摄食，所有实验动物均采用标准大鼠饲料喂养，饮用蒸馏水；定期观察并记录大鼠的情况。所有研究人员在动物实验期间严格遵守动物实验的各项伦理条例。

1.2模型制作 采用随机数字表法将大鼠分成模型组50只和对照组15只。参考文献［3］采用经典的肝纤维化模型制作方法：适应性喂养1周后，模型组于大鼠后腿外侧（左右交替）皮下注射50%四氯化碳橄榄油溶液0.3 ml/100 g，每周2次，整个实验过程中每周称体重2次（注射前）以调节药量。适应性喂养1周后，对照组15只大鼠麻醉后行MRI及病理检查。同时模型组开始注射药物制模，于制模后第14天、第21天、第28天、第35天、第42天、第49天、第56天、第63天、第70天从模型组随机取出5只大鼠麻醉后行MRI检查。

1.3MRI检查 采用Philips Archieve 3.0T TX超导MR扫描仪，以大鼠专用线圈为接收线圈。大鼠以3%戊巴比妥钠2 ml/kg腹腔注射麻醉后，头先进、俯卧位，腹部垫海绵以限制运动。扫描范围覆盖整个肝脏。各序列扫描参数：①轴位快速自旋回波（TSE）-T1WI：TR 400 ms，TE 10 ms，视野（FOV）60 mm×60 mm，矩阵120×93，层厚3 mm；②轴位TSE-T2WI：TR 1080 ms，TE 120 ms，FOV 60 mm×60 mm，矩阵120×88，层厚3 mm；③扩散成像序列采用单次激发序列：TR 2000 ms，TE 55 ms，FOV 50 mm×50 mm，翻转角100°，矩阵64×63，层厚3 mm，层间距0，扩散敏感梯度方向数3，成像时间5 min 38 s。肝顶至肝底扫描9层，选取8个b值0、25、50、100、150、300、500、800 s/mm2，多b值原始数据导入工作站中的后处理软件（PRIDE DWI Tool，version 1.5，Philips Healthcare），选择双指数模型进行后处理，得到纯扩散系数D、灌注分数f、灌注系数D*等参数图，使用Image J在图像信噪比最高的层面肝实质内放置5个圆形ROI，ROI大小约3～4 mm2，避开肝脏边缘及胆管、血管。由2名放射科主治医师各测量1次，取平均值。

1.4肝脏组织病理学检查 采用过量麻醉法处死大鼠，取出肝组织固定、切片，行HE染色及Masson染色。由2名病理主治医师采用盲法按METAVIR［4］分级标准评估肝纤维化分期：将纤维化分为S0～S4期：S0期，无纤维化；S1期，汇管区及其周围纤维化和局限窦周纤维化；S2期，纤维间隔形成，但小叶结构大部分仍保留；S3期，大量纤维间隔，分隔并破坏肝小叶，但尚无肝硬化；S4期，早期肝硬化。将模型组S0期及S1期归为肝纤维化轻度组，S2期及S3期归为中度组，S4期归为重度组。

1.5统计学方法 采用SPSS 20.0软件，不同程度肝纤维化分组间各参数比较采用单因素方差分析；以肝脏病理结果为诊断“金标准”，各参数与病理分组之间的相关性采用Spearman相关分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2　结果

2.1造模结果 模型组5只大鼠死亡，3只因图像欠佳被排除研究，对照组15只大鼠及模型组42只大鼠最终纳入研究。病理诊断结果显示：对照组15只，肝纤维化轻度组11只，中度组21只，重度组10只，见图1、2。

图1　大鼠肝脏Masson染色病理结果。A.正常大鼠肝脏病理；B.轻度肝纤维化，汇管区及其窦周见纤维化；C.中度肝纤维化，可见纤维间隔形成，分隔并破坏肝小叶；D.重度肝纤维化，可见早期假小叶形成

2.2不同程度肝纤维化组D、f、D*值比较 Spearman相关分析结果显示，肝纤维化程度与D、f、D*值呈显著负相关（r=-0.668、-0.630、-0.704，P＜0.05）。单因素方差分析结果显示，不同程度肝纤维化组之间D、f、D*值差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

3　讨论

扩散加权成像（DWI）反映人体组织内水分子的布朗运动特点，从而间接反映组织微观结构的变化。肝纤维化是各因素导致合成大量的胶原和蛋白多糖等细胞外基质的过度沉积，理论上这些细胞外基质限制了水分子的扩散运动。使得DWI在肝纤维化中的应用成为可能。临床上采用表观扩散系数（ADC）来量化扩散系数，既往研究表明，肝纤维化时期的ADC值较正常肝脏低［5］。然而，传统的ADC值在活体组织中不仅受到组织内水分子扩散的影响，同时也受微循环毛细血管灌注等其他因素的影响［6］。

图2　中度肝纤维化大鼠IVIM图像。A.白色圆圈示测量时ROI的放置位置；B.体素内真性水分子扩散D图，D值为0.81×10-3mm2/s；C.灌注分数f图，f值为0.17；D.体素内微循环灌注D*图，D*值为28.32×10-3mm2/s

表1　不同程度肝纤维化组的D、f、D*值比较

Le Bihan等［7］提出IVIM理论，IVIM成像可用于分别量化其中的扩散运动成分和血流灌注成分。通过较大范围的多个b值DWI，并对不同b值及相应DWI数据进行双指数拟合，即可分离单纯水分子扩散和微循环灌注效应。一般认为，b值＜200 s/mm2反映灌注的效应；而b值＞200 s/mm2则反映真实的扩散。本实验采用8个b值：0、25、50、100、150、300、500、800 s/mm2。IVIM通常有3个参数：D为真实扩散系数，表示ROI内纯的水分子扩散效应；f为灌注分数，表示ROI内局部微循环所致灌注效应占总体扩散效应的比率；D*为血液微循环产生的伪扩散系数（灌注扩散系数），代表局部ROI内由于微循环的灌注所致扩散效应［1］。

肝纤维化时ADC值减低已经得到共识，但ADC值下降原因仍存在争议。大多数学者认为肝纤维化时由于细胞外间隙内大量纤维组织弥漫性增生、沉积，限制了水分子的扩散运动，而且肝纤维化过程中同时伴有肝细胞变性水肿、炎症细胞浸润，共同导致ADC值减小［5］。而部分学者认为ADC值降低可能是因为纤维组织增生影响了肝脏微循环，导致肝实质内血流灌注减少所致［8-9］，同时肝内脂肪和铁质含量的改变也影响ADC值的改变［10］。因此，ADC值对肝纤维化的诊断准确性仍存在争议。

IVIM区分了组织内水分子扩散和微循环毛细血管灌注，更精确地反映组织的病理生理改变［2］。目前IVIM广泛应用于各系统疾病的研究，其在肝纤维化方面的应用也成为研究热点［1，2，11-12］。肝纤维化各期的平均ADC值均高于IVIM的D值，表明ADC值不仅包含水分子的扩散信号，也包括毛细血管的血液灌注等信号。

本研究结果显示，IVIM各参数D、f、D*值在不同程度肝纤维化组间差异有统计学意义（P＜0.05）。肝纤维化程度与IVIM各参数D、f、D*值呈显著负相关（r=-0.668、-0.630、-0.704，P＜0.05），与Yoon等［13］的研究结果基本一致。

既往研究显示，D值在严重的肝纤维化中明显下降，理论上，在肝纤维化进程中各种损肝因子引起肝细胞损伤、大量脂肪变性、坏死及炎症反应，并合成大量的胶原和蛋白多糖等细胞外基质过度沉积，从而限制了水分子的扩散运动［5，14］，从而引起D值下降。然而，也有研究报道D值与肝纤维化程度之间无明显相关性［2，13］。本实验结果显示，D值与肝纤维化程度之间存在相关性，其原因可能为在四氯化碳诱导的肝纤维化过程中，肝细胞肿胀及脂肪变性的严重程度并不与纤维化的进程一一对应，导致D值的变化具有不确定性。

本实验结果显示，D*与肝纤维化的严重程度呈负相关。在肝纤维化进程中，门静脉压力升高引起门静脉血流量减少，为了补偿门静脉血流的减少，肝动脉扩张以增加血流量。但肝动脉增加的血流量不足以完全抵消门静脉减少的血流量，使肝脏的血液灌注减少［15-17］，引起D*下降。本实验结果显示，对照组和早期肝纤维化组D*下降最明显，分别为（37.99±3.21）×10-3mm2/s和（30.38±3.74）×10-3mm2/s，提示D*可能是早期肝纤维化敏感而有效的指标，与Chow等［1］的结论相同。D*在今后的研究中应该得到关注。

关于肝纤维化进程中f值的变化，目前尚无统一定论，Chow等［1］认为肝硬化时由于肝动脉血流增大抵消了门静脉血流的减少，从而使f值与对照组无差异；Guiu等［18］认为f值随着肝灌注的减少而增大；Lemke等［19］认为，f值还依赖于扫描回波时间。本实验结果中，随着肝纤维化程度的增加，f值减小。由于本实验样本量较小，尚需今后做较深入的研究。

本实验的局限性为：①本实验采用大鼠模型研究人类肝纤维化过程的影像学改变，但目前任何一种实验动物模型都不能全面、准确地反映人类肝纤维化的本质，与人类的病理变化过程存在一定的差异。②对肝纤维化的评估限于评级，缺乏精确的定量分析。

总之，IVIM参数在不同程度肝纤维化间有差异，相对于ADC值，IVIM参数可以反映组织的扩散和灌注情况。IVIM可以更为全面、准确地反映肝纤维化早期的病理及生理改变，随着研究的深入，IVIM有望成为肝纤维化无创诊断及病理分期的有效手段。

［1］ Chow AM， Gao DS， Fan SJ， et al. Liver fibrosis: an intravoxel incoherent motion （IVIM） study. J Magn Reson Imaging， 2012，36（1）: 159-167.

［2］ Zhang Y， Jin N， Deng J， et al. Intra-voxel incoherent motion MRI in rodent model of diethylnitrosamine-induced liver fibrosis. Magn Reson Imaging， 2013， 31（6）: 1017-1021.

［3］ 王一娇， 唐少珊， 赵国家. 超声实时组织弹性成像评价大鼠肝纤维化分期. 中国医学影像学杂志， 2013， 21（4）: 245-248.

［4］ Bedossa P， Poynard T. An algorithm for the grading of activity in chronic hepatitis C. The METAVIR Cooperative Study Group. Hepatology， 1996， 24（2）: 289-293.

［5］ Hu G， Chan Q， Quan X， et al. Intravoxel incoherent motion MRI evaluation for the staging of liver fibrosis in a rat model. J Magn Reson Imaging， 2015， 42（2）: 331-339.

［6］ 谢丽芬， 梁长虹. 体素内不相干运动成像在肝脏中的研究进展. 中华放射学杂志， 2014， 48（1）: 77-79.

［7］ Le Bihan D， Turner R， Macfall JR. Effects of intravoxel incoherent motions （IVIM） in steady-state free precession（SSFP） imaging: application to molecular diffusion imaging. Magn Reson Med， 1989， 10（3）: 324-337.

［8］ Luciani A， Vignaud A， Cavet M， et al. Liver cirrhosis: intravoxel incoherent motion MR imaging--pilot study. Radiology， 2008， 249（3）: 891-899.

［9］ 杨正汉， 谢敬霞， 胡碧芳， 等. 肝硬化组织表观扩散系数改变及其可能机制的实验研究. 中国医学影像技术， 2002，18（9）: 849-851.

［10］ Bülow R， Mensel B， Meffert P， et al. Diffusion-weighted magnetic resonance imaging for staging liver fibrosis is less reliable in the presence of fat and iron. Eur Radiol， 2013，23（5）: 1281-1287.

［11］ Schramm N， D'Anastasi M， Reiser MF， et al. Value of magnetic resonance imaging in diffuse liver diseases. Radiologe， 2012，52（8）: 727-737.

［12］ Dyvorne HA， Galea N， Nevers T， et al. Diffusion-weighted imaging of the liver with multiple b values: effect of diffusion gradient polarity and breathing acquisition on image quality and intravoxel incoherent motion parameters--a pilot study. Radiology， 2013， 266（3）: 920-929.

［13］ Yoon JH， Lee JM， Baek JH， et al. Evaluation of hepatic fibrosis using intravoxel incoherent motion in diffusion-weighted liver MRI. J Comput Assist Tomogr， 2014， 38（1）: 110-116.

［14］ Girometti R， Furlan A， Bazzocchi M， et al. Diffusion-weighted MRI in evaluating liver fibrosis: a feasibility study in cirrhotic patients. Radiol Med， 2007， 112（3）: 394-408.

［15］ Guan S， Zhou KR， Zhao WD， et al. Magnetic resonance diffusion-weighted imaging in the diagnosis of diffuse liver diseases in rats. Chin Med J （Engl）， 2005， 118（8）: 639-644.

［16］ Kanematsu M， Goshima S， Watanabe H， et al. Diffusion/ perfusion MR imaging of the liver: practice， challenges， and future. Magn Reson Med Sci， 2012， 11（3）: 151-161.

［17］ Chandarana H， Taouli B. Diffusion and perfusion imaging of the liver. Eur J Radiol， 2010， 76（3）: 348-358.

［18］ Guiu B， Petit JM， Capitan V， et al. Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted imaging in nonalcoholic fatty liver disease: a 3.0-T MR study. Radiology， 2012， 265（1）: 96-103.

［19］ Lemke A， Laun FB， Simon D， et al. An in vivo verification of the intravoxel incoherent motion effect in diffusion-weighted imaging of the abdomen. Magn Reson Med， 2010， 64（6）: 1580-1585.

（本文编辑张春辉）

Magnetic Resonance Imaging of Intravoxel Incoherent Motion in Rats Hepatic Fibrosis

Purpose To explore MRI intravoxel incoherent motion （IVIM） in progress of rats hepatic fibrosis which is induced by carbon tetrachloride. Materials and Methods Sixty-five rats were divided into 50 rats of model group and 15 rats of control group. Fifty treated rats were induced by carbon tetrachloride for different times to obtain different degrees of hepatic fibrosis. 3.0T MR was performed to obtain IVIM parameters pure molecular diffusion （D）， perfusion fraction （f）， perfusion related diffusion （D*）. Hepatic pathological analysis was performed after MR scanning， and were further divided into four groups （normal， mild， moderate， severe hepatic fibrosis）. Then the imaging and histopathological manifestation were compared. Results There was significant differences among four groups in D， f， D* values （F=17.58， 13.80 and 27.48， P＜0.05）. D，f and D* values were negatively correlated with hepatic fibrosis levels （r=-0.668， -0.630 and -0.704， P＜0.05）. Conclusion IVIM may be a new noninvasive technique without contrast agent to investigate changes of tissue diffusion and perfusion in the progress of hepatic fibrosis， as well as early patho-physiological changes， which can contribute to diagnose hepatic fibrosis at the early stage.

Liver cirrhosis； Diffusion magnetic resonance imaging； Diffusion-weighted imaging； Pathology； Disease models， animal； Rats， sprague-dawley

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.09.005

全显跃

Department of Medical Image Center， Zhujiang Hospital， Southern Medical University，Guangzhou 510282， China

Address Correspondence to: QUAN Xianyue

E-mail: quanxianyue2014@163.com

广东省医学科学技术研究基金（B2016025）。

R-33；R445.2

2016-01-04

修回日期：2016-03-14

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷 第9期：658-661

Chinese Journal of Medical Imaging

2016 Volume 24 （9）: 658-661