IVIM扩散加权成像技术在进行性肌营养不良中的应用价值
2018-01-10丁宁宁屈婷婷卞益同刘本寅西安交通大学第一附属医院医学影像科陕西西安7006华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科湖北武汉4000西安交通大学附属红会医院CT室陕西西安70054
丁宁宁,周 丽,屈婷婷,卞益同,刘本寅,杨 健(. 西安交通大学第一附属医院医学影像科,陕西西安 7006;2. 华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科,湖北武汉 4000;. 西安交通大学附属红会医院CT室,陕西西安 70054)
IVIM扩散加权成像技术在进行性肌营养不良中的应用价值
丁宁宁1,2,周 丽1,屈婷婷1,卞益同1,刘本寅3,杨 健1
(1. 西安交通大学第一附属医院医学影像科,陕西西安 710061;2. 华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科,湖北武汉 430030;3. 西安交通大学附属红会医院CT室,陕西西安 710054)
目的探讨体素内不相干运动扩散加权成像(IVIM-DWI)技术在进行性肌营养不良(PMD)中的应用价值。方法对7例经肌肉活检证实的进行性肌营养不良(4例贝氏肌营养不良,3例肢带型肌营养不良)患者进行双侧大腿轴位T1WI、T2STIR和IVIM-DWI扫描,经后处理分析和测量得到IVIM参数值:快速弥散系数(Fast ADC值)、慢速弥散系数(Slow ADC值)、快速弥散分数(Ff值),并通过T1加权成像和改良的Mercuri分级评分法,对骨骼肌脂肪浸润程度进行0~5分的6级评分。采用单因素方差分析比较PMD患者中脂肪浸润肌肉、水肿肌肉、未受累肌肉各组间IVIM参数差异,并分析不同程度脂肪浸润肌肉间的IVIM参数差异。结果PMD患者中脂肪浸润肌肉、水肿肌肉及未受累肌肉的Slow ADC值分别0.75±0.39、1.14±0.19、1.00±0.11(10-3mm2/s),差异具有统计学意义(P<0.05),3组Fast ADC值分别约7.14±6.51、13.56±9.67、4.02±1.89(10-3mm2/s),差异具有统计学意义(P<0.05)。各组Ff值差异无统计学意义(P>0.05)。按照改良的Mercuri分级评分将未受累肌肉和脂肪浸润肌肉分为3组:轻度脂肪浸润(0~1分)、中度脂肪浸润(2~3分)、重度脂肪浸润(4~5分),3组Slow ADC值分别1.00±0.11、0.98±0.17、0.50±0.29(10-3mm2/s),重度脂肪浸润组与另2组差异均具有统计学意义(P<0.05)。结论IVIM-DWI技术可用于定量评估肌肉水分子扩散及微血管灌注情况,对PMD患者的脂肪浸润及水肿肌肉进行定量分析,其中Slow ADC值能反应肌肉脂肪浸润的程度。
进行性肌营养不良;扩散加权成像;体素内不相干运动成像;磁共振成像
进行性肌营养不良(progressive muscular dystrophy, PMD)是一组进行性发展的以骨骼肌变性为特征的遗传性疾病,假肥大型及肢带型肌营养不良是其中最常见的类型。临床主要表现为进行性加重的肌肉萎缩、无力,最先对称性累及双侧近端肌肉。目前,PMD诊断主要依据临床表现、肌电图、肌酸磷酸激酶,确诊依据是肌肉活检及基因检测。MRI对软组织分辨力高,能清晰地显示肌肉水肿、脂肪浸润以及替代情况,在病程监测、指导肌肉活检以及疗效评价等方面具有重要价值,但传统MR序列(如T1WI、T2WI、T2STIR)不能对肌肉水肿及脂肪浸润进行定量分析,只能对脂肪浸润程度进行主观评价[1-2]。
PMD临床亚型众多,组织病理改变主要是肌纤维的变性、坏死、再生和纤维结缔组织增生,炎性细胞浸润会引起细胞外间隙改变,从而引起肌肉水分子的弥散运动和微循环的改变[3]。体素内不相干运动扩散加权成像(IVIM-DWI)技术能够通过多参数定量反应组织水分子运动的真性扩散及微循环血液灌注形成的假性扩散。本研究期望利用此技术反应肌肉脂肪浸润和水肿程度[4],探讨IVIM-DWI技术在PMD中的应用价值。
1 资料与方法
1.1研究对象本研究所有患者均签署书面知情同意书。回顾性分析经肌肉活检及基因检测证实的7例 PMD患者,其中4例贝氏肌营养不良(Becker muscle dystrophy, BMD),3例肢带型肌营养不良(limb-girdle muscle dystrophy, LGMD);男5例,女2例,年龄8~43岁,平均21.1岁。主要临床表现为双侧肢体无力、肌肉萎缩,病程3个月~20年;肌酸激酶均呈显著增高,范围约1 730~12 347 U/L(正常参考值0~170 U/L)[3](表1)。
表17例PMD患者的临床资料
Tab.1 The clinical information of the 7 PMD patients
编号年龄(岁)性别肌酸激酶(U/L)临床表现肌肉活检结果是否进行基因检测123男4818双下肢无力伴酸胀3年BMD是215男2302双下肢无力6年BMD是38男2000双下肢轻度无力3月BMD是422男1730双下肢无力20年BMD是514男2080双下肢无力3年加重1年LGMD否625女12347双下肢无力1年LGMD否743女2460双下肢无力5年LGMD否
BMD:贝氏肌营养不良;LGMD:肢带型肌营养不良。
1.2检查方法使用GE公司3.0T超导磁共振扫描仪(Signa Excite HD, General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, USA),运用8通道腹部线圈进行双侧大腿(双侧髂前上棘连线水平至腘窝水平)轴位T1WI自旋回波(SE)、T2WI短时翻转恢复序列(STIR)及IVIM-DWI扫描。
T1WI扫描参数:TR 420 ms,TE 10.2 ms,激励次数2次,矩阵128×128,视野40×40,层数 20,层厚6 mm,层间距2 mm。STIR T2WI扫描参数:TR 3 800 ms,TE 85.5 ms,TI 180 ms,其余参数与T1WI匹配。IVIM-DWI扫描参数:选取15个扩散敏感系数b值,分别为0、20、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000、1 100、1 200 s/mm2,TR 3 600 ms,TE 85.5 ms,其余参数与T1WI匹配,扫描时间为4 min 20 s。
1.3图像分析由具有3年以上经验的MRI诊断医师运用GE图像工作站(ADW4.4;GE Healthcare)分析PMD在MRI上的信号特点,通过T1加权成像和改良的Mercuri分级评分法[9],对骨骼肌脂肪浸润程度进行0~5分的6级评分,脂肪浸润程度评分标准:0分,骨骼肌内未见异常高信号病灶;1分,骨骼肌内可见点状高信号病灶;2分,骨骼肌内可见散在高信号病灶,受累病灶小于肌容积的30%;3分,骨骼肌内可见散在融合高信号病灶,受累病灶占肌容积的30%~60%;4分,骨骼肌内可见大片状融合高信号病灶,受累病灶超过肌容积的60%;5分,骨骼肌内全部为弥漫高信号病灶。其中0~1分代表骨骼肌轻度脂肪浸润,2~3分代表骨骼肌中度脂肪浸润,4~5分代表骨骼肌重度脂肪浸润。在T2STIR、T1WI匹配像上将病患组分为未受累肌肉(T2STIR上未显示水肿,T1WI也未显示脂肪浸润)和水肿肌肉(T2STIR上显示高信号,T1WI显示有或无脂肪浸润)及脂肪浸润肌肉(单纯T1WI显示脂肪浸润,T2STIR上无高信号),在横截面按照肌肉轮廓勾勒大腿骨骼肌11块肌肉(大收肌、股二头肌、股外侧肌、股中间肌、股内侧肌、股直肌、半腱肌、半膜肌、股薄肌、缝匠肌、长收肌)的感兴趣区(region of interest, ROI),测量Slow ADC值、Fast ADC值及Ff值(图1)。
图1BMD患者T2STIR,T1WI,FastADC,SlowADC和FractionofFastADC图像
Fig.1 T2STIR, T1WI, fast ADC, slow ADC and fraction of fast ADC images of a patient with BMD
BMD患者,男性,23岁,四肢无力3年,肌酸激酶4 818 U/L。A:T2STIR图像,示股外侧肌、股内侧肌、股二头肌短头信号均匀弥漫增高,呈水肿改变,如箭头所示;B:T1WI,股二头肌长头(4分)、半腱肌(3分)、半膜肌(4分)及大收肌(4分)脂肪浸润,按照半膜肌肌肉轮廓勾勒ROI(如箭头所示);C:b=0的DWI图;D:Fast ADC图,ROI信号未见明显减低或增高;E:Slow ADC图,半膜肌ROI信号减低,Slow ADC值为0.663±0.34;F:Fraction of Fast ADC图,ROI信号未见明显减低或增高。
1.4统计学分析采用SPSS 16.0统计分析软件,结果以平均值±标准差表示,采用Shapiro-Walk(W检验)进行正态性检验,方差同质性检验法行方差齐性检验,运用单因素方差分析比较各组参数的差异,多重比较采用LSD方法,以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结 果
2.1PMD患者肌肉受累及脂肪浸润评分情况7例 PMD患者均表现为肌萎缩为主、并有肌肉不同程度脂肪浸润剂替代、肌肉间隙扩大,在T1WI上呈等、高信号。脂肪浸润程度以股二头肌及大收肌最重,评分总计分别为32分、28分,其次为半腱肌(24分)、半膜肌(22分),长收肌(7分)、股薄肌(6分)及缝匠肌(4分)受累较少。另外,此7例患者均有不同程度的肌肉水肿,T2STIR呈高信号,有的表现为肌肉内散在斑片状病灶,有的则累及整块肌肉,股四头肌最易受累,7例均有水肿(表2)。
表27例PMD患者大腿骨骼肌脂肪浸润评分的情况
Tab.2 Mercuri’s scale of the 7 PMD patients’ thigh muscles
患者编号大收肌股二头肌股外侧肌股直肌股内侧肌股中间肌半腱肌半膜肌股薄肌缝匠肌长收肌155433332110255444422000335100044003423000022111544423343223645513244000755212155200总计2832201115132422647
2.2PMD患者脂肪浸润肌肉、水肿肌肉及未受累肌肉FastADC值、SlowADC值、Ff值的方差分析PMD患者3组肌肉Slow ADC值大小顺序为:水肿肌肉>未受累肌肉>脂肪浸润肌肉,3组间差异均具有统计学意义(P<0.05);3组Fast ADC值中水肿肌肉最高,与另外两组差异存在统计学意义(P<0.05),脂肪浸润肌肉的Fast ADC值小于未受累肌肉,但差异无统计学意义(P>0.05);3组Ff值差异无统计学意义(P>0.05,表3)。
2.3PMD患者不同脂肪浸润分级的IVIM参数的方差分析将44块未受累肌肉和脂肪浸润的肌肉按照脂肪浸润评分划分为轻度(0~1分)、中度(2~3分)及重度脂肪浸润(4~5分)3组,其中重度脂肪浸润肌肉的Slow ADC值最小,与另外两组差异存在统计学意义(P<0.05),轻度脂肪浸润肌肉的Slow ADC值略大于中度脂肪浸润组,但差异无统计学意义(P>0.05);3组Fast ADC值及Ff值差异无统计学意义(P>0.05,表4)。
表3PMD脂肪浸润肌肉、水肿肌肉、未受累肌肉IVIM各参数的方差分析
Tab.3 One-way ANOVA among IVIM’s parameters in fatty infiltration, edematous, and unaffected muscles of PMD
组别病变肌肉块数IVIM参数( x±s)SlowADCFastADCFf(%)脂肪浸润肌肉a330.75±0.397.14±6.5144.64±6.63水肿肌肉b331.14±0.1913.56±9.6741.09±7.73未受累肌肉c111.00±0.114.02±1.8944.72±2.053组间F值19.98.952.363组间P值0.000.000.10a与bP值0.000.01-b与cP值0.010.00-a与cP值0.000.05-
表4不同级别脂肪浸润的肌肉IVIM各参数的方差分析
Tab.4 One-way ANOVA among IVIM’s parameters in different Mercuri’s scales
浸润级别肌肉块数IVIM参数( x±s)SlowADCFastADCFf(%)轻度脂肪浸润(0~1)a171.00±0.114.83±2.5845.38±6.91中度脂肪浸润(2~3)b110.98±0.177.07±3.9145.60±7.54重度脂肪浸润(4~5)c160.50±0.294.99±4.3743.35±5.713组间F值28.501.460.573组间P值0.000.240.57a与bP值0.99--b与cP值0.00--a与cP值0.00--
3 讨 论
进行性肌营养不良是一组以进行性加重的肌无力、肌萎缩为主要临床特点的遗传性疾病,依据美国MDA分型标准,大致可分为9类。本研究入组4例BMD及3例LGMD是PMD中最常见的类型。临床上表现为血清磷酸激酶显著增高,肌电图呈典型的肌源性损害特点[1]。虽然PMD分类较多,但肌肉病理表现大致相似:肌纤维的变性、坏死、再生和纤维结缔组织增生,炎性细胞浸润。电镜下表现为肌纤维粗细不等,部分萎缩,有些肥大。肌细胞核内移,肌膜下肌丝轻度溶解消失,肌浆网轻度增生并扩张,少数肌纤维坏死,可见卫星细胞及新生的肌细胞,间质胶原纤维及脂肪细胞增生,部分毛细血管内皮细胞肿胀,基底膜增厚,血管周围有少量淋巴细胞及巨噬细胞浸润[3]。
MRI具有良好的软组织分辨能力,对脂肪、水肿病灶显示清楚,并可提示疾病的进程:水肿性改变提示疾病为急性或亚急性、部分可逆的过程,脂肪出现于长期的、不可逆的疾病过程[2]。本研究7例病患均是双侧大腿对称性受累,MRI主要表现为2种信号改变:①T1WI呈对称性高信号,T2STIR呈等信号,提示为病变肌肉对称性脂肪替代;②T1WI呈等低信号,T2STIR呈高信号,提示为炎性水肿。本研究中脂肪浸润以股二头肌及大收肌为重,长收肌、股薄肌及缝匠肌受累较少,FISCHER等[5]报道PMD患者骨骼肌脂肪浸润受累存在先后顺序,即大收肌最先受累、且受累程度较重,其次为股二头肌和股四头肌,而缝匠肌、长收肌和股薄肌相对不受累,本研究的脂肪浸润受累模式与之相似,这种选择性肌肉受累的原因尚不清楚,可能与解剖及功能特点有关,即这些肌肉均为较薄弱的带状肌,在人体活动中主要起协调作用而受力相对较小[6]。本组研究通过T1加权成像和应用改良的Mercuri分级评分法得出股二头肌总分最高,大收肌次之,但差异并无统计学意义,股薄肌及缝匠肌受累较少。由于本研究的样本量有限,与FISCHER等研究结果略有不同,但脂肪浸润受累模式大体趋势一致。MRI的T1WI及T2STIR序列能清晰地显示脂肪或水肿病灶,对脂肪浸润程度进行主观评价,但不能进行客观定量分析。我们之前的研究表明,IVIM-DWI技术可用于定量评估肌肉水分子扩散及微血管灌注情况,其参数对特发性肌炎的诊断具有重要作用[7]。IVIM在肌营养不良中的应用,国内外文献尚未有报道。
体素内不相干运动理论最早由LE BIHAN等提出,通过公式计算可获的f值(Fraction of Fast ADC值)、D*值(Fast ADC值)及D值(Slow ADC值),分别代表体素内毛细血管容积占整个组织容积的比值;毛细血管网的微循环灌注相关情况及相对真实的组织中水分子的扩散状态。多个参数更能体现组织中微循环灌注及单纯水分子扩散的特性[4]。
本次研究结果显示,PMD患者脂肪浸润Slow ADC值明显低于水肿肌肉和未受累肌肉。脂肪浸润的肌肉发生肌纤维的脂肪变,严重者肌肉组织被脂肪及纤维结缔组织增生取代,导致水分子数量减少,弥散空间缩小,受限明显,Slow ADC值反应的是水分子弥散状态,故而Slow ADC值减低[8]。另外,我们发现不同程度的脂肪浸润,Slow ADC值也有差异,重度脂肪浸润肌肉Slow ADC值明显低于轻中度脂肪浸润肌肉,脂肪变越严重,肌肉完全被脂肪及纤维结缔组织取代,水分子数量越小,弥散空间受限越明显,导致Slow ADC值越低。文献报道约有69%的PMD患者可有不同程度炎性细胞的浸润[9]。本组病例中有33块水肿肌肉,水肿程度轻重不一,部分并伴有轻到中度的脂肪沉积变性。我们之前关于特发性肌炎的研究表明,水肿肌肉的Slow ADC值明显高于未受累肌肉,水肿肌肉中肌纤维的变性、坏死,使组织间隙增大,水分子弥散空间增大、受限减低。另外,炎性细胞浸润可导致毛细血管通透性增加,血管内液体、蛋白、白细胞流入组织间隙内,导致Slow ADC值增高。QI等[10]研究表明,多发性肌炎水肿肌肉D值较未受累及肌肉增高24%。本组PMD患者水肿肌肉的Slow ADC值高于未受累肌肉,与文献报道一致,但增高程度较低,可能与炎细胞浸润程度及同时存在脂肪变性有关。Slow ADC值可以灵敏地反应肌肉中水分子的弥散特点,定量分析肌肉的水肿及脂肪变性,并能显示脂肪浸润程度。
水肿肌肉的Fast ADC值高于未受累肌肉和脂肪浸润的肌肉。炎性细胞浸润可导致毛细血管通透性增强,增加血管与血管外间隙液体交换。血管通透性增加可能是导致Fast ADC值增加的主要因素[11]。MORVAN[12]研究表明,运动过后肌肉血流灌注增多,D*值较静息状态的明显增高。PMD患者中单纯脂肪浸润无水肿改变的肌肉中,主要病理改变为肌纤维脂肪变性,坏死,结缔组织增生,无炎性细胞浸润,血管通透性变化不大,虽然Fast ADC值略高于未受累肌肉,但差异不具有统计学意义,不同程度脂肪浸润的肌肉的Fast ADC值也并无明显差异。Fast ADC值可以反应微血管灌注的情况,定量显示水肿肌肉的炎性细胞浸润的程度。
在本项研究中,三组Ff即灌注分数无显著性差异。QI等[10]研究结果显示多发性肌炎水肿肌肉的f值 比未受累肌肉降低约40%,本项研究中肌肉水肿程度轻重不一,部分同时合并脂肪变性,故Ff平均值较未受累肌肉略低,但差异无统计学意义。
综上所述,IVIM-DWI技术为我们评估PMD脂肪浸润及水肿肌肉提供了新方法,Fast ADC值、Slow ADC值能更直观地显示脂肪浸润及水肿的程度,对客观准确定量地分析病情进展具有重要意义。
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Thevalueofintravoxelincoherentmotiondiffusionweightedimaginginprogressivemusculardystrophy
DING Ning-ning1,2, ZHOU Li1, QU Ting-ting1, BIAN Yi-tong1, LIU Ben-yin3, YANG Jian1
(1. Department of Medical Imaging, the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710061; 2. Department of Radiology, Tongji Hospital of Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030; 3. Department of CT,Honghui Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China)
ObjectiveTo explore the value of intravoxel incoherent motion diffusion weighted imaging (IVIM-DWI) in patients with progressive muscular dystrophy.MethodsWe enrolled 7 patients with known progressive muscular dystrophy (4 Becker muscle dystrophy, BMD; 3 limb-girdle muscle dystrophy, LGMD) in this study. Both IVIM, T1WI and T2STIR sequences were performed on both thighs of all the subjects. Slow ADC, fast ADC and fraction of fast ADC (Ff) were measured. Tl weighted images were used to assess the fat infiltration of their thigh muscles using a 0-5 modified version of Mercuri’s scale. Slow ADC, fast ADC and fraction of fast ADC (Ff) were compared among the fatty infiltration, edematous muscle and unaffected muscle (neither edematous nor fatty infiltration muscles in patients). One-way analysis of variance was used for statistical analyses with a significance ofP<0.05.ResultsThe mean slow ADC value of fatty infiltration, edematous muscle, and unaffected muscle was 0.75±0.39, 1.14±0.19, and 1.00±0.11 (10-3mm2/s), respectively (P<0.05). The mean fast ADC value in the three groups was 7.14±6.51, 13.56±9.67, and 4.02±1.89 (10-3mm2/s), respectively (P<0.05). There was no significant difference in the Ff values among the three groups (P>0.05). The mean slow ADC value in different grades of steatosis was 1.00±0.11, 0.98±0.17, and 0.50±0.29 (10-3mm2/s), respectively; the slow ADC value in heavy fat infiltration group differed significantly from that in the other two groups (P<0.05).ConclusionIVIM-DWI can be used to quantitatively evaluate the thigh diffusion and microcirculation characteristics of muscles in patients with PMD, make a quantitative analysis of edema and steatosis of the muscle, and reflect the degree of muscle steatosis.
progressive muscle dystrophy; diffusion weighted imaging; intravoxel incoherent motion; magnetic resonance imaging
2017-08-28
2017-11-23
国家重点研发计划(No.2016YFC0100300),国家自然科学基金面上项目(No.81471631、No.81171317、No.51706178),教育部“新世纪优秀人才支持计划”(No.NCET-11-0438)与西安交通大学第一附属医院临床研究课题重点项目(No.XJTU1AF-CRF-2015-004)
Supported by the National Key Research and Development Program of China (No.2016YFC0100300), National Natural Science Foundation of China (No.81471631, 81171317 and 51706178), Program for New Century Excellent Talents in University (No.NCET-11-0438) and the Clinical Research Award of the First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University (No. XJTU1AF-CRF-2015-004)
杨健,教授,主任医师. E-mail: cjr.yangjian@vip.163.com
优先出版:http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1399.R.20171220.1146.004.html(2017-12-20)
R445.2
A
10.7652/jdyxb201801030
(编辑 卓选鹏)