多b值DWI序列对脊柱结核早期评价的动物实验研究

周 璇 王云玲 王 红 刘晓晨 马景旭 贾文霄

肺外结核中最常见的骨关节结核是脊柱结核,约占骨结核的50%[1],因而建立脊柱结核动物模型，进行相关实验研究是脊柱结核防治工作中不可缺少的[2]。常规MRI检查不仅可以发现椎体及软组织改变，还可以更准确地显示病变累及椎管内的程度[3]，其中磁共振扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）可以从分子水平定量角度对疾病诊断提供一定信息，而感兴趣区(region of interest,ROI）的设置是DWI图像中ADC值测量比较关键的基础步骤之一，目前临床和文献中ROI的选取多数不描述其选取标准[4]，本文利用多b值DWI扫描观察ADC值的变化并拟合ADC图，并采用两种不同的ROI设置方法测量脊柱结核的ADC值，以探讨合适的b值及ROI设置方法对诊断脊柱结核的早期敏感性提供必要的依据。

方 法

1.实验材料及分组

选取兔龄24周、健康的成年新西兰大白兔55只，雌雄不限，分笼隔离饲养，体重3.0～3.5kg。人型结核分枝杆菌标准H37Rv菌株(中国生物制品研究所)。将实验兔分为实验组(40只)和对照组(15只)，术前拍摄脊柱X线片，以证实脊柱无病变、结构无异常。

2.造模方法

将人型结核分枝杆菌H37Rv菌株在罗氏培养基进行扩增制成浓度1.0×107CFU/ml均匀的菌悬液（5.0mg/ml）。将实验兔经耳缘静脉注射2%戊巴比妥钠（剂量为20mg/kg重量）进行麻醉，在左侧腰背部剃去兔毛后，以L5棘突向下作6cm侧方路入，充分暴露L5椎体，于L5椎体上部近椎间盘处钻出约0.3cm×0.8cm×0.4cm的骨孔，骨孔道填入浸注0.2ml结核菌悬液的明胶海绵，骨蜡封闭骨孔。对照组：麻醉及手术方法与病变组相同，不同处理为：对照组骨孔内填塞的为浸注0.2ml生理盐水的明胶海绵。

3.术后观察及影像学、组织病理学检测指标

3.1 动物一般情况：包括动物进食、活动、精神状态、切口情况。如动物切口出现感染，立即淘汰。

3.2 MRI检查：手术造模后第4、6、8周行MRI检查。实验均使用Philips Gyroscan 1. 5T磁共振成像仪，利用8通道正交头线圈、俯卧位、脚先进的方式进行，采用TFE序列进行定位，扫描全脊柱,用SEEPR类型的扩散加权成像法。DWI扫描参数为：TR2000ms，TE74ms，矩阵168×120，层厚1mm，层间距1mm，采集7层，NSA 8，400s/mm2，扫描时间68s。图像处理及参数计算运用biomap软件，将低b值（0s/mm2、50s/mm2、100s/mm2）、高b值（600s/mm2、800s/mm2、1000s/mm2）、7个b值（b=0s/mm2、50s/mm2、100s/mm2、500s/mm2、600s/mm2、800s/mm2、1000s/mm2）、3个b值（0s/mm2、500s/mm2、1000s/mm2）分别拟合出ADClow图、ADChigh图、ADC7b图、ADC3b图进行图像特点的分析。利用ADC7b图同样病变区域内选择三个面积下ROI及单个面积ROI，两种方法的ROI总面积一致，同时要求两名医师分别采用盲法进行多次重复测量ADC值，按照同样方法测量3次，取平均值。得出ADC3b值、ADC7b值、ADClow值、ADChigh值以及ADChigh值与ADClow值之间的差异（ADCperf值）进行统计学分析。两种ROI方法选择的ADC7b值与对照组进行统计学分析并进行ROC曲线分析灵敏度、特异度。

3.3 组织病理学检查：实验兔在造模后行MRI检查完毕处死后切取其病变组织，将病变组织涂片后，逐步滴加石炭酸复红适量，加热5分钟后，冷却、冲洗。用3%盐酸酒精脱色、再冲洗，再用碱性亚甲蓝溶液复染，冲洗后油镜观察。

4.统计分析

所有数据采用SPSS18.0统计软件包统计分析,分别对实验组病变椎体不同时间段ADC3b值、ADC7b值、ADClow值、ADChigh值、ADCperf值以及单个ROI和多个ROI测得的ADC值进行统计学分析，数据以“均数±标准差”表示,分别进行t检验、方差分析。P＜0.05有统计学意义。利用受试者ROC曲线确定ADC值临界点并计算灵敏度、特异度。

结 果

1.动物术后一般情况

术中对照组麻醉死亡两只，病变组40只大白兔经病理学检查，确诊感染结核杆菌的为34只，其余6只未感染，淘汰，接种成功率为85%。

2.影像学表现

2.1 MRI检查：手术造模后第4周实验组兔常规MRI平扫未见明显异常，而在DWI图上较其他椎体呈稍高信号（图1A）。术后第6周实验组兔腰5椎体呈混杂信号，DWI图上较正常椎体呈明显高信号，并较第4周病变范围增大（图1B）。术后8周实验组兔椎体病变较前几周范围增大，腰大肌走行区可见片状高信号，考虑冷脓肿形成（图1C）。对照组术后4周、6周、8周MRI扫描椎体形态正常，兔腰背部皮下软组织异常信号，考虑手术创伤引起。

（2）术后4周、6周、8周后低b值DWI图像拟合而成ADClow图，其值包括血流灌注及水分子弥散的双重贡献（图2A）；ADChigh图的b值高，背景噪声大，图像信噪比最差（图2B）；ADC3b图较ADC7b图信噪比低（图2C）；ADC7b信噪比最高，病变显示最清楚（图2D）。

2.2 ADC值的测量：①ADC3b值、ADC7b值以及ADCperf值均有统计学差异（P＜0.05）；而ADClow值与ADChigh值之间无统计学差异（P＞0.05)，第4周的ADC3b值、ADC7b值、ADCperf值分别与第6周、第8周存在统计学差异（P=0.011，P=0.008；P=0.042，P=0.006；P=0.033，P=0.001）（见表1）。②单个ROI或多个ROI时病变组与对照组的ADC值有统计学差异（P＜0.05），而同一病变单个ROI测得的ADC均值较多个ROI低，但差异没有统计学意义（t=-1.610，P=0.542；t=0.841，P=0.448）。多个ROI测得的ADC值诊断脊柱结核的灵敏度、特异度高于前者（表2，图2D）。

2.3 组织病理学检查：实验组40只实验兔中有34只组织内均可见灶状炎细胞浸润，骨组织和纤维结缔组织内可见结核样肉芽肿及少量干酪样坏死。病变椎体病理抗酸染色呈阳性（图3），示有脓细胞、类上皮样细胞或坏死灶等形成。对照组骨组织内未见异常。

表1 实验组不同时间段各类ADC值的测量结果比较（±s）

表1 实验组不同时间段各类ADC值的测量结果比较（±s）

时间 例数 ADC7b ADC3b ADClow ADChigh ADCperf 4周 34 0.60±0. 03 1.87±0. 02 1.01±0.07 0.46±0.05 0.55±0.06 6周 34 0.62±0.04 1.75±0.03 1.02±0.05 0.42±0.07 0.60±0.06 8周 34 0.66±0.04 1.60±0.05 1.03±0.06 0.39±0.04 0.64±0.07 F值 4.213 3.254 0.230 1.995 5.294 P值 0.010 0.024 0.875 0.135 0.005

表2 两种ROI设置方法的结果比较(±s）

表2 两种ROI设置方法的结果比较(±s）

组别 例数 实验组 对照组 t p单个ROI 34 0.62±0.04 0.71±0.03 7.301 0.000多个ROI 13 0.45±0.04 0.58±0.05 8.763 0.000

表3 两种不同ROI选择的ADC值的准确性

讨 论

目前研究通过对DWI的影像信号高低的观察及ADC值的测量对疾病进行分析诊断，DWI信号的衰减值受物质的ADC值和弥散敏感系数值（bvalue,b值）这两个因素的影响，b值越大，对扩散的敏感性越高，所测得的ADC值越准确，但是b值过大，容易导致图像扭曲变形和SNR减低，反而会影响病灶ADC值的测量[5]，所以选择适当的b值在DWI成像方面尤为重要。ADC值可以通过ADC图上的ROI自动测量，也可通过像素评价测量，这些方法均取决于测量者对被测量结构的正确识别，因为ROI的大小、位置和数量的选择是由操作者控制，这可能导致选择性偏倚。

本研究为了保证ADC图拟合的清晰度及ADC值测量的准确性，不同ADC图的拟合至少使用3个b值的DWI图像，以便降低图像的背景噪声，增加图像的信噪比，增加ADC值测量的精确性。目前报道研究发现低b值（b＜200 s/mm2）图像逐渐偏向于T2像，图像信噪比增高，但其对组织的血液循环、血管灌注等运动会很大程度上影响其组织信号的衰减程度；而高b值（b＞500s/mm2）的应用可以排除组织内血流灌注对ADC值的影响，ADC值在反映水分子弥散运动变化方面越精确[6-8]，背景噪声越大，信噪比越低，伪影增多，稳定性较差；而ADCperf值大致反映出组织的血流灌注情况，排除水分子带来的干扰；7b值综合反映组织内水分子扩散运动及血流灌注情况，ADC7b图信噪比最高，获得的ADC值越精确；3b值图像扫描时间较短，但相对于7b值图像的信噪比较差。本组资料中，同一病变单个ROI和多个ROI所测得的ADC值差别虽然没有统计学意义，但是前者都比后者低，这表明单个ROI测得的ADC值所反映的病变弥散受限程度较重。单个ROI和多个ROI所得的ADC值有差异，推测可能与病变的不均匀性及ROI内部分容积效应等有关，故ROI需兼顾部分容积效应及噪声的影响［9］。而据国内[10]已报道的实验表明：结核分枝杆菌侵入骨质后4周椎体就已有充血水肿的变化，在实验中，考虑到由于手术创伤所造成的炎症、出血及水肿，剔除了术后l周的时间点，在术后每周进行病理学检查发现术后4周炎症、出血及水肿反应降低，软组织损伤修复，所以将此时间点作为初期观测点。平衡上述不同b值关系及ROI方法的选择，7b值及3b值更能准确地检测及描述病变特征的功能性成像技术，其ADC值的变化能够侧重反映病变的某个特征，而多个ROI的选择灵敏度及特异度更高。因此多b值的DWI联合应用多个ROI方法的选择对脊柱结核寻找早期干预措施与传染病的治疗有积极作用，是应用广泛、实用价值大的MR功能成像技并能够为脊柱结核早期诊断提供一定的信息。