家兔肝纤维化模型体素内相位不相干运动成像研究

周立绥

杜 勇2DU Yong

彭 涛1PENG Tao

宋丽华1SONG Lihua

段玉梅1DUAN Yumei

吕赛群1LV Saiqun

牛翔科1NIU Xiangke

权光南3QUAN Guangnan

家兔肝纤维化模型体素内相位不相干运动成像研究

周立绥1ZHOU Lisui

杜 勇2DU Yong

彭 涛1PENG Tao

宋丽华1SONG Lihua

段玉梅1DUAN Yumei

吕赛群1LV Saiqun

牛翔科1NIU Xiangke

权光南3QUAN Guangnan

Department of Radiology, the Af fi liated

Hospital of North Sichuan Medical College,Nanchong 637000, China

Address Correspondence to:DU Yong

E-mail: yongdu2005@163.com

中国医学影像学杂志

2017年 第25卷 第6期：414-417

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (6): 414-417

目的评价体素内相位不相干运动（IVIM）成像在家兔肝纤维化分期中的诊断价值。材料与方法构建家兔肝纤维化不同时期的模型，进行多b值（分别为0、50、100、200、300、800、1000、1200 s/mm2）IVIM成像，并最终按肝纤维化病理分期相应将实验家兔分为S1～S4 4组，测量不同时期纤维化肝脏IVIM双指数模型扩散系数D值，灌注相关扩散系数D*值及灌注分数f值，比较对照组（仅注射生理盐水）与S1组、S2组与S3组的参数。结果对照组家兔D值高于S1组家兔，差异有统计学意义（P＜0.05），而D*值及f值差异无统计学意义（P＞0.05）。随着肝纤维化级别的增加，D、D*及f值也逐渐减低。其中，S2组与S3组的D*值差异有统计学意义（P＜0.05），而D值和f值差异无统计学意义（P＞0.05）。结论D值有助于鉴别正常肝脏及肝纤维化S1期，D*值有助于鉴别S2及S3期的肝纤维化，而f值则不能发现早期肝纤维化，也不能帮助进行肝纤维化分期。IVIM成像提供了一种无创的肝纤维化早期及准确分期的方法，可为临床诊治提供帮助。

肝硬化；磁共振成像；扩散加权成像；病理学；疾病模型，动物；兔

肝纤维化早期的确诊及分期对防止其进展到肝硬化甚至肝癌的意义重大[1-2]。磁共振扩散加权成像（DWI）及基于单指数的表观扩散系数（ADC）值对肝纤维化诊断价值已有较多研究；然而ADC值出现明显变化时往往已是肝纤维化晚期。早期肝纤维化与正常肝脏ADC值之间并无显著差异，故早期发现肝纤维化存在困难。在体素内相位不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）理论中，水分子的运动包括纯水分子的扩散和毛细血管灌注，组织信号强度的改变则基于双指数模型[3-4]。与单指数ADC值相比，基于IVIM理论得到的扩散系数D值、假扩散系数D*值及灌注分数f值对扩散运动的描述更接近真实情况。目前使用IVIM对肝纤维化进行分期的研究较少，本研究探讨IVIM成像对家兔肝纤维化模型分期的价值，以建立一种无创的肝纤维化早期发现及准确分级的检查方法。

1 材料与方法

1.1 动物模型构建 清洁级新西兰大耳白家兔共72只，其中雄性42只，雌性30只，6个月龄，体重（2.0±0.3）kg，由川北医学院动物实验中心提供，实验动物生产许可证号：SCXK（川）2013-18。对照组随机纳入8只，实验组随机纳入64只。实验组家兔腹腔进行不同浓度四氯化碳（CCl4）混合溶液注射，对照组家兔腹腔进行纯生理盐水注射，动物实验方案经川北医学院实验动物伦理委员会批准。

将纯CCl4溶于色拉油中摇匀，配成浓度为5%的溶液。按照0.1 ml/kg每周腹腔注射1次，建立不同时期的肝纤维化模型[5]。构建模型过程中动物共死亡12只，其中实验组死亡11只，成功构建53只各期纤维化模型，对照组死亡1只。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery MR750 3.0T超导型磁共振系统。扫描线圈使用膝关节HD线圈，在家兔腹部呼吸幅度最大的部位绑呼吸带。扫描序列：①RTr Axfs T2 Propeller：视野（FOV）8.0，TE 85 ms，矩阵 320×320，层厚2 cm，层间距0.5 cm，激励次数4；②RTr eDWI：FOV 8.0，矩阵64×96，层厚2 cm，层间距 0.5 cm，b值分别为0、50、100、200、400、800、1000、1200 s/mm2，对应的激励次数分别为1、1、2、2、4、6、8、12。

1.3 病理组织学检查 参考胡晓峰等[5]的文献，CCl4诱导后在第25、50、75、100天可建立起按病理学S1期～S4分期的肝纤维化模型。理论每期处死16只家兔，但因造模前期家兔死亡较多，因而S1期和S2期处死数量相应减少。本研究第25天处死第1批家兔12只，第50天处死第2批13只，第75天处死第3批16只，第100天处死第4批12只。每批同时处死2只对照组家兔（因实验过程中1只死亡，最后一批次仅处死1只）。每批家兔的选择按照随机原则。取出家兔肝脏切片后进行Masson染色，放大100倍进行观察。根据肝纤维化病理学S1～S4分期，将不同级别肝纤维化的家兔分为相应的S1～S4组。

1.4 图像分析 采用GE Advantage 4.6工作站MADC软件，测量不同级别肝纤维化双指数模型的IVIM参数。1名副主任医师采用盲法指导2名影像硕士研究生分别在肝脏3个不同层面取3个感兴趣区（ROI）进行测量，取18个ROI的平均值作为最终数值，最后由副主任医师对数据进行复核。ROI的选择尽量避开肝脏脉管系统及伪影，当在D、D*、f值图上不易确定时，与b=0时的DWI图对照辨认准确定位后测量，以避免误差。

1.5 统计学方法 采用SPSS 16.0软件，计量资料采用t检验，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 病理学表现 第25天处死第一批的12只，病理证实均为S1期；第50天处死第二批的13只中，病理证实有2只为S1期，11只为S2期；第75天处死第三批的16只中，病理证实S3期11只，S2期5只；第100天处死第四批的12只中，病理证实S4期11只，S3期1只。共成功构建53只家兔肝纤维化模型，其中S1期14只，S2期16只，S3期12只，S4期11只。病理组织学显示汇管区内成纤维细胞大量增生，中央静脉周围纤维化，可见胶原纤维束向小叶内延伸，假小叶形成（图1）。肝纤维化形成稳定，与人的肝纤维化接近。

图1 家兔肝纤维化各期Masson染色结果（×100）。A～D分别对应S1～S4期，随纤维化级别的进展，可见中央静脉及汇管区周围纤维增多，S4期可见假小叶形成

2.2 MRI表现 MRI常规序列及IVIM后处理结果见图 2、3。

2.3 D、D*和f值比较 对照组及肝纤维化各期D、D*及f值分布见图4。对测量结果进行IVIM双指数分析，对照组家兔D值高于肝纤维化S1组家兔，差异有统计学意义（P＜0.05），而D*值及f值差异无统计学意义（P＞0.05）。肝纤维化S2组与S3组D*值差异有统计学意义（P＜0.05），而D值及f值差异无统计学意义（P＞0.05）。

图2 家兔肝纤维化模型S1期常规T2压脂图像（A）及IVIM各参数D、D*、f值图像（B～D）

图3 家兔肝纤维化模型S3期常规T2压脂图像（A）及IVIM各参数D、D*、f值图像（B～D）

图4 对照组及肝纤维化各期D、D*及f值分布。A. 对照组及肝纤维化各期D值分布；B.对照组及肝纤维化各期D*值分布；C.对照组及肝纤维化各期f值分布

3 讨论

肝纤维化的早期准确诊断对预后尤为重要。DWI可以通过检测水分子的运动而揭示组织或病变的结构和功能，可以无创观察全肝各个部位的水分子扩散情况。肝纤维化会导致细胞外基质合成增多，尤其是胶原纤维的增生会限制水分子扩散，从而造成ADC值下降；然而大量研究发现，当ADC值出现明显变化时往往已是肝纤维化晚期，早期纤维化和正常肝脏的ADC值之间有明显重叠，因而ADC值并不能帮助发现早期肝纤维化，从而总体的临床诊断价值有限[3-4]。Le Bihan等[3]首先提出了IVIM理论。与传统的扩散成像单指数模型不同，在IVIM的经典理论中，组织信号强度的改变则基于双指数模型，即Sb/S0=fexp（－bD*）+（1－f）exp（－bD），其中D值为扩散系数，代表纯的水分子扩散运动，又称为缓慢的扩散运动成分，单位为mm2/s；D*值为假扩散系数，代表体素内血流灌注导致的相位不相干运动，即灌注相关的扩散运动，或称为快速的扩散运动成分，单位为mm2/s；f值为灌注分数。IVIM理论对扩散运动的描述比单指数模型更接近真实情况。已有研究表明，IVIM的参数在脑胶质瘤分级[6]、乳腺病变[7]、输尿管梗阻改变[8]及宫颈癌[9]的临床诊断及鉴别诊断中的价值优于单一的ADC值。

国内外也有运用IVIM对肝纤维化及肝硬化的研究报道，但通过检索文献，目前尚未见采用IVIM对纤维化进行分期的研究[10-15]。本研究构建了各期纤维化模型，并对不同分期的IVIM参数进行比较。在对照组与S1组肝纤维化对比中，D值差异有统计学意义（P＜0.05），而 D*值及 f值差异无统计学意义（P＞0.05），表明D值可帮助早期肝纤维化的检出，推测从正常肝脏到早期纤维化的过程中，结缔组织增生造成水分子扩散受限明显而导致D值下降，而纤维化早期，肝脏组织结构的改变尚不足以造成门静脉灌注压的明显下降，或肝动脉灌注的补偿机制能很好地弥补门静脉灌注的不足，因而反映灌注属性的D*值及f值并无明显下降。这一结论与Chow等[15]的研究中小鼠注射CCl42周或4周后D和D*值会明显减低有所不同，推测其原因可能是未进行准确的病理分期，而实验动物选择不同也可能导致结果的差异。与家兔相比，小鼠体型更小，建立纤维化模型速度更快，因而会出现不同的研究结果。与S2组相比，S3组家兔肝脏的D*值明显下降（P＜0.05），而D值及f值差异无统计学意义（P＞0.05），说明在纤维化从S2期到S3期演进的过程中，纤维化增生的进展对门静脉的灌注下降影响更大，而对水分子的扩散影响相对较小。因此，D*值可鉴别S2期与S3期的肝纤维化，而对S2期的肝纤维化进行有效治疗，不但可以防止病变进展，甚至可以逆转这一进程达到治愈的效果。因此这一结果对于临床抗纤维化治疗的方式及疗效评价有一定的价值。

本研究也存在一些不足之处，对于IVIM成像而言，b值的选择对测量结果有直接影响。研究中使用了8个b值，范围0～1200 s/mm2，分布设置平均，并随着b值增加，同时增加激励次数提高信噪比。Lemke等[16]提出更符合实际的b值分布及相应的激励次数，在肝脏IVIM成像中，至少要选择3～4个200 s/mm2以下的b值以更好地描述灌注，400～800 s/mm2这个区间只需要1个b值，而800 s/mm2以上也至少需要3～4个b值。相信随着b值设置的统一，会减少研究结果的争议，并更有说服力和临床意义。本研究在动物麻醉的状态下进行呼吸触发采集数据，因麻醉状态下呼吸频率会发生改变，而并不同于生理状态，因而也会引起测量数据的改变。

总之，本研究通过建立各期肝纤维化动物模型并进行IVIM参数分析，表明D值有助于鉴别正常肝脏及肝纤维化S1期，D*值有助于鉴别S2期及S3期肝纤维化，而f值则不能发现早期肝纤维化，也不能帮助进行肝纤维化分期。本研究初步证实了IVIM成像在不同肝纤维化时期鉴别中的价值，可为临床提供一种无创诊断肝纤维化并进行分期的方法。

[1]Bataller R, Brenner DA. Liver fibrosis. J Clin Invest, 2005,115(2): 209-218.

[2]Zhou K, Lu LG. Assessment of fibrosis in chronic liver diseases. J Dig Dis, 2009, 10(1): 7-14.

[3]Le Bihan D, Breton E, Lallemand D, et al. MR imaging of intravoxel incoherent motions: application to diffusion and perfusion in neurologic disorders. Radiology, 1986, 161(2):401-407.

[4]Lima M, Le Bihan D. Clinical intravoxel incoherent motion and diffusion MR imaging: past, present, and future.Radiology, 2016, 278(1): 13-32.

[5]胡晓峰, 刘斌, 吴强. 家兔肝纤维化模型的建立. 四川动物,2007, 26(4): 945-947.

[6]Bisdas S, Koh TS, Roder C, et al. Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MR imaging of gliomas: feasibility of the method and initial results. Neuroradiology, 2013, 55(10): 1189-1196.

[7]何杰, 张焱, 程敬亮, 等. 单、双指数模型扩散加权成像鉴别诊断乳腺良恶性病变的对比研究. 中国医学影像学杂志,2014, 22(1): 30-33, 35.

[8]贾慧茹, 张翼, 刘乐, 等. 扩散加权成像单指数和双指数模型评估单侧输尿管梗阻大鼠肾脏扩散及微灌注变化. 中国医学影像学杂志, 2014, 22(5): 325-328.

[9]相世峰, 高云云, 张莉华, 等. 小视野体素内不相干运动MRI在宫颈癌术前分级中的可行性. 中国医学影像学杂志,2015, 23(3): 219-221, 225.

[10] Joo I, Lee JM, Yoon JH, et al. Nonalcoholic fatty liver disease:intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MR imagingan experimental study in a rabbit model. Radiology, 2014,270(1): 131-140.

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

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

[13] Patel J, Sigmund EE, Rusinek H, et al. Diagnosis of cirrhosis with intravoxel incoherent motion diffusion MRI and dynamic contrast-enhanced MRI alone and in combination: preliminary experience. J Magn Reson Imaging, 2010, 31(3): 589-600.

[14] Yoon JH, Lee JM, Yu MH, et al. Evaluation of hepatic focal lesions using diffusion-weighted MR imaging: comparison of apparent diffusion coef fi cient and intravoxel incoherent motionderived parameters. J Magn Reson Imaging, 2014, 39(2): 276-285.

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

[16] Lemke A, Stieltjes B, Schad LR, et al. Toward an optimal distribution of b values for intravoxel incoherent motion imaging. Magn Reson Imaging, 2011, 29(6): 766-776.

（本文编辑 周立波）

Intravoxel Incoherent Motion Diffusion Weighted MR in Rabbits of Liver Fibrosis Model

PurposeTo evaluate the value of intravoxel incoherent motion (IVIM) imaging in diagnosis of liver fi brosis staging in rats.Materials and MethodsRabbit models of liver fi brosis at different stages were established. All rabbits were divided into four groups based on the pathological results of fi brosis grading as S1-S4. The IVIM imagings with 8 b-values (0,50, 100, 200, 300, 800, 1000, 1200 s/mm2) were performed. The diffusion coef fi cient (D),perfusion-related coef fi cient (D*), and perfusion fraction (f) were calculated and compared between control (only injection of saline) and S1 group, S2 and S3 group.ResultsThe D value was signi fi cantly lower in S1 group compared with control group (P＜0.05), but the D* and f values showed no signi fi cant difference between the two groups (bothP＞0.05).With the progression of liver fi brosis, the D, D* and f value decreased gradually; the D*value showed signi fi cant difference between S2 and S3 group (P＜0.05), but the D and f values showed no significant differences between the two groups (bothP＞0.05).ConclusionThe D value is useful for differentiation of normal liver and hepatic fi brosis of S1 stage, while the D* is valuable for differentiation of hepatic fi brosis of S2 and S3 stage. However, the f value neither could detect early fi brosis, nor could differentiate hepatic fi brosis staging. IVIM imaging provides a noninvasive method for early and accurate staging of liver fi brosis, which may be of great help in clinical diagnosis and treatment.

Liver cirrhosis; Magnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging;Pathology; Disease models, animal; Rabbits

1. 成都大学附属医院放射科 四川成都610081

杜 勇

2016-12-03

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.06.004

2017-03-16

2. 川北医学院附属医院放射科 四川南充637000

3.通用电气医疗集团 北京 100176

R445.2；R575.2