新生猪缺氧缺血性脑病扩散峰度成像的时间进程变化

何晓宁，肖娟，田娟，吴鹏，韩雨璇，杨超

大连医科大学附属第二医院放射科，辽宁大连 116000； *通讯作者 杨超 dryangchao@163.com

MRI 能有效诊断新生儿缺氧缺血性脑病，并为患儿制订个体化治疗方案提供极大的帮助[1]，尤其是扩散加权成像（DWI）已成为诊断急性期缺氧缺血性脑病的必要手段[2]，但DWI 是一种各向同性扩散模型，它假设水分子在各个方向的扩散情况均相同。这种模型过于理想化，不足以反映脑组织内真实的水分子扩散情况。扩散张量成像（DTI）在DWI 基础上引入扩散张量的概念，可以准确显示缺氧缺血病灶水分子扩散的各向异性[3]。然而DTI 和DWI 均以水分子扩散满足高斯分布为理论基础，不符合复杂而真实的脑组织扩散情况[4-5]。扩散峰度成像（DKI）是DTI 技术的延伸，它以水分子扩散呈非高斯分布为基础，更接近于真实的组织水分子扩散情况，且采用多个b 值，可更敏感地反映脑组织微结构的变化[3,6]，而且能够较DTI 更好地评价交叉走行的神经纤维区域的病变[7]。DKI 在缺血性卒中的应用研究已取得初步进展，在急性期，病灶DKI 相关参数图像呈不均匀高信号，体现了细胞毒性水肿引起的组织水分子扩散受限不均一性[8]。目前DKI 在缺氧缺血性脑病中的应用鲜有报道，理论上，缺氧缺血后发生细胞毒性水肿应会引起DKI相关参数发生一定的变化。本研究拟评估新生猪缺氧缺血性脑病DKI 各参数值随时间变化的规律。

1 材料与方法

1.1 模型建立 选取足月新生健康约克种猪20 只，体重（2000±200）g，日龄3～5 d，雌雄不限，实验组15 只，对照组5 只。室温保持在28～30℃，异氟烷吸入麻醉，颈正中纵切口长约2.0 cm，分离双侧颈总动脉，实验组用4.0 外科手术线结扎双侧颈总动脉，缝合切口，然后将动物放入缺氧箱内，给予持续4%氧气和96%氮气的混合气体2 L/min，使用RSS-5100 型测氧仪（上海雷磁仪器厂），维持氧浓度在4%，乏氧持续30 min。对照组仅做分离双侧颈总动脉的假手术，不做颈总动脉结扎。手术前3 h 及术后给予庆大霉素预防感染。按实际情况给予奶粉喂养。实验组2 只动物因乏氧过程中死亡，故实验组实际为13 只。

1.2 检查方法 采用GE Discovery MR750w 3.0T MR扫描仪及32 通道头线圈。使用自制木制动物固定盒进行动物固定，俯卧位，根据实际情况适当给予吸入麻醉。实验组和对照组于模型建立后3、6、9、12、16、24 h 各时间点分别行MRI 扫描。冠状位扫描，扫描序列包括T1WI、T2WI、T2-FLAIR 及DKI。DKI 扫描采用单次激发自旋平面回波成像，TR 4500 ms，TE为最小值，扩散敏感梯度方向为20 个，b 值取0、1000、2000 s/mm2，矩阵128×128，视野220 mm×220 mm，层厚3.0 mm，层间距0.5 mm，激励次数2，扫描时间14 min 45 s，可同时得到DKI 及DTI 相关参数图像。

1.3 图像后处理和分析 DKI 扫描后将图像传输至后处理工作站，并以DICOM 格式导出，用functool软件后处理，计算生成平均扩散峰度（MK）、轴向扩散峰度（Ka）、径向扩散峰度（Kr）、平均扩散系数（MD）、轴向扩散张量（Da）及垂直扩散张量（Dr）图。实验组选取MK 明显高信号、MD 明显低信号区域放置ROI，对照组在相应层面同一部位放置ROI 进行测量，每个部位分别测量3 次，取平均值。分析不同时间点病灶各参数值随时间变化的规律特点，并根据公式（1）计算各参数值的变化率。

1.4 病理学检查 实验组及对照组在扫描完成后各取3 只猪行病理学检查。将脑组织完整取出，参考扫描线，选取病灶处，以平行于视交叉方向用无菌刀将脑组织切成3 mm 厚切片，置于4%多聚甲醛溶液中固定。48 h 后取出，经脱水、石蜡包埋、HE 染色后，用光学显微镜观察脑组织病变。

1.5 统计学方法 采用SPSS 19.0 软件，计量资料行正态分布检验，以±s表示。实验组各时间点参数值变化及实验组与对照组参数值比较采用重复测量方差分析，P<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 缺氧缺血后不同时间点DKI、DTI 相关参数值的变化 本研究中，所有实验组新生猪病灶范围均位于皮层下白质及侧脑室旁。缺氧缺血后各时间点，病灶在DKI 相关参数图像上呈不均匀高信号，DTI 相关参数图像呈均匀低信号，病灶参数值与对照组相比，差异均有统计学意义（P<0.05）。实验组及对照组各时间点DKI、DTI 相关参数值见表1，各时间点参数图像见图1。DKI 相关参数值MK、Ka、Kr 变化率均大于DTI 相关参数值MD、Da、Dr 变化率，且轴向参数Ka、Da 的变化率均大于相应的径向参数Kr、Dr 变化率（图2）。

2.2 DKI 及DTI 相关参数值随时间变化趋势 随时间变化，DKI 相关参数值MK、Ka、Kr 逐渐增高，DTI 相关参数值MD、Da、Dr 逐渐减低。MK、MD值变化趋势见图3。

2.3 病理结果 实验组病理切片显示神经元肿胀，间质水肿，大量炎症细胞浸润，周围血管扩张以及胶质细胞结节，并可见局灶坏死，对照组未见异常（图4）。

表1 实验组与对照组不同时间点DKI 及DTI 相关参数值比较（±s）

表1 实验组与对照组不同时间点DKI 及DTI 相关参数值比较（±s）

注：P 值（组间）为各时间点实验组与对照组之间比较的P 值；P 值（时间）为实验组参数值不同时间点间比较的P 值；P 值（组别*时间）为时间与组别的交互作用，即不同时间点不同组之间比较的P 值。MK 为平均扩散峰度；MD 为平均扩散系数；Ka 为轴向扩散峰度；Da 为轴向扩散张量；Kr 为径向扩散峰度；Dr 为垂直扩散张量

3 h 实验组（n=13） 1.27±0.09 1.21±0.08 1.19±0.10 1.20±0.08 1.36±0.09 1.05±0.11 对照组（n=5） 0.76±0.01 1.98±0.03 0.63±0.02 2.38±0.07 0.84±0.01 1.78±0.03 6 h 实验组（n=13） 1.39±0.09 1.03±0.10 1.26±0.08 1.15±0.12 1.46±0.06 0.93±0.09 1.77±0.03 9 h 实验组（n=13） 1.52±0.10 0.95±0.07 1.38±0.09 1.02±0.05 1.57±0.13 0.89±0.10 对照组（n=5） 0.75±0.02 1.98±0.08 0.66±0.03 2.35±0.03 0.83±0.02 1.80±0.03 对照组（n=5） 0.77±0.01 1.97±0.04 0.64±0.03 2.37±0.07 0.85±0.01 12 h 实验组（n=13） 1.59±0.13 0.92±0.10 1.49±0.09 0.99±0.08 1.68±0.19 0.84±0.11 1.79±0.02 16 h 实验组（n=13） 1.66±0.07 0.89±0.06 1.52±0.04 0.95±0.08 1.74±0.07 0.81±0.05 对照组（n=5） 0.78±0.01 1.96±0.02 0.64±0.02 2.34±0.04 0.83±0.02 1.78±0.03 对照组（n=5） 0.76±0.02 1.99±0.04 0.65±0.02 2.37±0.06 0.84±0.02 24 h 实验组（n=13） 1.78±0.09 0.82±0.04 1.55±0.07 0.93±0.07 1.92±0.06 0.76±0.05 1.76±0.02 P 值（组间） <0.001 <0.001 <0.001 0.002 <0.001 0.005 对照组（n=5） 0.75±0.02 1.95±0.04 0.63±0.02 2.37±0.03 0.86±0.02 0.002 P 值（组别*时间） <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 P 值（时间） <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001

图2 不同时间点病灶各参数值百分比变化率

图3 MK 及MD 值随时间的变化趋势

图4 实验组与对照组病理图。A、B 分别为病理图片显示神经元水肿，间质水肿（黑箭），大量炎症细胞浸润，并可见胶质细胞结节，局部见坏死组织（白箭，HE，×100）；C 为对照组病理图片，显示神经细胞排列整齐，形态规整，胞核大而圆（HE，×100）

3 讨论

猪和人类的基因序列、染色体结构具有很高的同源性，且各种解剖结构相仿，故利用新生猪模型可以较好地模拟新生儿缺氧缺血性脑病[9]。目前对于早期缺氧缺血性脑病的影像诊断主要依赖于DWI[10]，但脑实质不同部位的复杂程度不同，导致其水分子扩散偏离高斯分布的程度也不同，因此，DWI 作为一种高度理想化的模型无法真实地评价脑组织病变区域的水分子扩散情况，而DKI 除成像模型上的优势外，还具有多个参数图像，使得其对新生儿缺氧缺血性脑病进行精确诊断评估成为可能。

本研究中，病灶均分布于皮层下及侧脑室旁，是因缺氧缺血早期血液优先供给基底节区，导致血流重新分布，使得皮层下及侧脑室旁较早出现病灶[11]。在急性期脑梗死的相关报道[12-13]中，病灶峰度系数K 值增高，表现为高信号；扩散系数D 值则降低，表现为低信号，这是水分子扩散受限的直观表现。本研究发现，缺氧缺血后病灶MK、Ka 及Kr 图像呈不均匀高信号，表明DKI 能够反映缺氧缺血后细胞毒性水肿导致的水分子扩散受限的不均一，而MD、Da、Dr 图像呈均匀低信号，不能区分病灶内水分子扩散的差异。研究还发现，病灶区域DKI 相关参数值变化率均大于DTI 相关参数值，提示DKI 对于显示病变脑组织微结构改变较DTI 更敏感，与既往相关研究[14-15]一致。此外，病灶Ka、Da 的变化率大于Kr 和Dr，表明平行于神经轴突方向上的水分子扩散受限程度要大于垂直于轴突方向上的扩散受限，可能提示轴索损伤先于髓鞘损伤或较髓鞘损伤更重[16]。既往研究[17-18]认为发生细胞毒性水肿后，神经轴突肿胀曲张，细胞内线粒体及内质网等细胞器肿胀，导致轴突方向上水分子扩散严重受限，这也是DKI 图像上病灶呈不均匀高信号的病理基础。

本研究显示，随着时间增加，病灶MK、Ka、Kr 值逐渐增加，而MD、Da、Dr 值呈逐渐降低的趋势，提示病灶水分子扩散受限程度逐渐加重，与脑梗死时间进程的相关报道[19-20]相符。所不同的是，本研究所示参数值未出现假正常化的趋势，表明在24 h 内，缺氧缺血性脑水肿以细胞毒性水肿为主，尚未出现血管源性水肿或其不起主导作用。Spampinato 等[21]的临床研究发现，缺血病灶MK 值、Ka 值越高，MD 值越低的患者，预后越差。最终病理结果显示，神经元水肿，炎症反应较重，且出现局灶坏死。因此，本研究中新生猪缺氧缺血病灶的相关参数值变化趋势提示病情逐渐加重，可能与预后不良显著相关，但尚需后续研究进一步证实。

本研究存在一些局限性：①样本数量较少，未获取各个时间点的病理图片，从而无法从病理上证实细胞毒性水肿的程度逐渐加重。②因皮层下和侧脑室旁的病灶多连在一起，故未分别评估。③研究时间仅限于24 h 内，如果时间延长，可能会观察到病灶参数值发生假正常化现象。上述不足有待后期继续研究完善。

总之，DKI 以其多b 值、多参数的优势，能够衡量缺氧缺血脑组织中水分子扩散偏离高斯分布的程度，比传统的扩散成像更全面、更敏感地反映病灶内微结构的改变，并准确地评价了缺氧缺血后各时间点的变化趋势。然而，对于治疗时间紧迫的新生儿缺氧缺血性脑病，常规DKI 所需扫描时间较长，限制了其在临床上的应用，快速DKI 的适用性还有待研究。DKI 凭借其巨大的优势，在缺氧缺血性脑病中的应用前景十分广阔。