IVIM-DWI灌注参数与ADC、DDC值变化评估CIRI组织学特征的价值

魏立杰，刘 莎，李晓军

（邢台市第三医院CT/核磁科，河北邢台054000）

核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是一种可多方位成像且组织分辨力优良影像学检查手段，可以对组织进行多方位、多层面成像，具有软组织分辨率高、多参数成像及准确显示解剖结构的优势[1]。近几年MRI 中的弥散加权成像(diffusionweighted imaging，DWI)作为临床急性缺血性脑梗死的一种标准检查手段广泛应用于临床治疗中，在缺血性脑卒中早期发现、诊断方面具有重要参考价值[2]。 表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC）是可以有效反映出组织中水分子弥散能力的一个重要参数，一般当水分子弥散程度下降，ADC 值下降、DWI 图像信号增强[3]。ADC 值越大表明，组织中含有的自由水分子量越多。但由于ADC 值属于传统的DWI 单指数模型，反映的是平均扩散系数以及组织总体水分弥散状态，难以反映出真实组织的水分弥散情况[4]。而体素内不相干运动扩散加权成像(in⁃travoxel incoherent motion diffusion weighted imaging，IVIM-DWI)是一种单次扫描即可，且同时获得活体组织扩散和微血管灌注信息的成像技术，无需注射对比剂，但目前该技术在脑梗死中的应用报道较少[5]。本研究通过构建大鼠脑缺血再灌注(cerebral ischemia reperfus，CIR)模型，分析大鼠CIR 后不同时间点脑损伤区IVIM-DWI 灌注相关参数、ADC 值、DWI 信号强度及扩散分布指数(distributed diffusion coefficient，DDC)的变化情况，观察对大鼠急性缺血性脑梗死再灌注损伤（cerebral ischemia reperfusion injury，CIRI）后脑部组织学特征的评估价值。

1 材料与方法

1.1 实验动物与分组清洁级成年雄性SD 大鼠64只，购于广东省医学实验动物中心，鼠龄12 月，体重254 g ~ 298 g，平均体重（276.25±5.62）g，大鼠全天自由进食常规饲料及自由饮水。所有大鼠随机分为实验组、假手术组。实验组采用改良线栓法建立CIR模型，假手术组实行血管分离后立即缝合。其中，实验组根据CIR 时间分为CIR-1 h、CIR-3 h、CIR-6 h、CIR-12 h、CIR-24 h、CIR-3 d、CIR-7 d 共7 个亚组，每组8只。2组大鼠均采用3.0T磁共振扫描仪对大鼠进行冠状位IVIM-DWI扫描。

1.2 大鼠CIRI 模型建立手术前所有大鼠禁食、不禁水12 h以上。水合氯醛（10%）将大鼠经腹膜麻醉；麻醉成功后将其仰卧位固定，经颈部正中位置行一纵行切口，游离出右侧颈总动脉、颈内外动脉，对右侧颈总动脉进行夹闭，颈外动脉近心端与远心端结扎后从中间位置将其剪断；于颈外动脉残端位置切小口并插入线栓，进线深度控制在1.8 cm，且在感受到阻力后停止进线。完成进线一个半小时后，将线栓缓慢取出，恢复大鼠脑部血流再灌注，直至大鼠清醒。

1.3 神经功能损伤程度的评估根据文献报道的ZeaLonga 评分法[6]对各组大鼠神经功能损伤情况进行评分。评分标准包括：大鼠无神经功能损伤为0分；将大鼠倒挂时其左侧前肢屈曲不能顺利伸展为1分；大鼠向对侧转圈为2 分；大鼠行走困难且出现向对侧倾倒现象为3分；大鼠已无法自行走动且出现丧失意识症状为4分。

1.4 IVIM-DWI灌注参数以及ADC、DDC值、DWI信号强度测定磁共振扫描仪（型号：Verio 3.0T）对各组大鼠进行俯卧位扫描，采用8通道头线圈并将线圈中央置入大鼠头部进行冠状位扫描。IVIM-DWI 扫描参数包括：重复时间与回波时间分别为5 000 ms、90 ms，视野80 mm×80 mm，反转角90°，层厚2 mm，层间距0 mm，激励次数3 次，分别选取3 个b 值（0~2 000 s/mm2）。生成ADC 图后勾画出感兴趣区域，测量DWI 信号强度、ADC 值、DDC 值，计算DWI 相对信号强度及相对ADC 值。 通过Levenberg -Marqual算法[7-8]应用扩散敏感系数（b 值）的DWI 信号衰减曲线拟合双指数模型计算得出灌注分数(perfusion frac⁃tion，f) 、纯扩散系数(pure difusion coefieients，D ) 以及伪扩散系数(pseudodifusion coefieients，D* ) 。

1.5 脑梗死体积测定2，3，5-氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride, TTC)染色法测量、比较各组大鼠脑梗死体积。完成各时间点的IVIMDWI扫描后，采用断头法取出大鼠脑部，冷冻30 min，2 mm 冠状位切片，浸泡于2% 的TCC 溶液中，37℃水浴中加热30 min 并取出，10 %多聚甲醛磷酸缓冲液将标本固定24 h；Image-pro-plus软件测量大鼠脑梗死体积。

1.6 组织形态学变化情况取“1.5项”下经多聚甲醛磷酸溶液固定的各组大鼠脑组织标本，石蜡包埋，4μm 冠状位切片，烘干，采取常规脱蜡、冲洗、染色、冲洗、分化、染色、脱水、封固步骤处理。置于显微镜下观察假手术组、CIR-12 h 组、CIR-24 h 组、CIR-3 d组大鼠大脑海马区、皮质区神经元细胞组织形态学变化。

1.7 统计学处理所有数据采用SPSS19.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差（±s）表示，采用独立样本t检验。计数资料以百分比（n/%）表示，采用χ2检验。多组间比较采用方差分析，组间两两比较采用SNq检验。等级资料（神经功能评分）以中位数(最小值～最大值)表示，组间比较采用秩和检验，以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 神经功能评分比较 假手术组大鼠未发生神经功能损伤；与假手术组比较，实验组中CIR-1 h、CIR-3 h、CIR-6 h、CIR-12 h、CIR-24 h 组大鼠均发生神经功能缺损，其功能缺损严重程度随CIR时间的延长逐渐加重，差异具有统计学意义（P<0.05）。而CIR-3 d、CIR-7 d组大鼠神经功能缺损程度逐渐减轻，见表1。

表1 各组大鼠神经功能的评分比较（±s）

表1 各组大鼠神经功能的评分比较（±s）

注：与实验组中其他组比较，aP<0.05；与假手术组比较，bP<0.05。

组别假手术组实验组CIR-1 h组CIR-3 h组CIR-6 h组CIR-12 h组CIR-24 h组CIR-3 d组CIR-7 d组Z值P值n 8 5 6 8 8 8 8 8 8 8 - -评分/分0 -（1.85±0.33）b（2.01±0.29）b（2.24±0.39）b（2.72±0.54）b（3.27±0.61）ab（2.31±0.55）b（1.34±0.36）b 5.121 0.026

2.2 IVIM-DWI 灌注参数、ADC 值、DDC 值、DWI 信号强度比较假手术组相对信号强度、ADC值均无显著异常信号，实验组中DWI 图像均为高信号，相应部位ADC 值、DDC 值、f值、D*值均显著下降（P<0.001）。随着CIR 时间延长，CIR-1 h、CIR-3 h、CIR-6 h、CIR-12 h、CIR-24 h 组的DWI 相对信号强度、D 值均呈显著升高，ADC 值、f 值、D*值、DDC 值均呈显著下降趋势（P<0.001），且分别于CIR-24 h 时达到峰值与最低值。CIR-3 d、CIR-7 d 组DWI 相对信号强度、D 值随CIR 时长开始下降，但仍显著高于假手术组（P<0.001）。同时CIR-3 d、CIR-7 d 组ADC 值、f 值、D*值及DDC 值随着CIR 时长逐渐上升，但仍显著低于假手术组（P<0.001），见表2。

表2 IVIM-DWI灌注参数、DWI信号强度、DDC及ADC值比较（±s）

表2 IVIM-DWI灌注参数、DWI信号强度、DDC及ADC值比较（±s）

注：与假手术组比较，aP<0.05。

组别假手术组实验组CIR-1 h组CIR-3 h组CIR-6 h组CIR-12 h组CIR-24 h组CIR-3 d组CIR-7 d组F值P n 8 5 6 8 8 8 8 8 8 8 - -DWI相对信号强度1.01±0.12 1.91±0.23a 1.40±0.11a 1.74±0.15a 1.98±0.22a 2.12±0.26a 2.67±0.35a 1.94±0.27a 1.52±0.24a 18.695<0.001相对ADC值1.00±0.09 0.73±0.09a 0.72±0.07a 0.65±0.08a 0.63±0.10a 0.69±0.08a 0.54±0.06a 0.78±0.12a 0.89±0.15a 10.256<0.001 f /%56.45±0.44 44.44±3.45a 46.02±3.54a 43.25±3.19a 41.02±3.22a 38.95±3.09a 37.62±2.88a 49.25±4.65a 54.98±5.96a 51.262<0.001 D/（×10-3mm2/s）0.31±0.10 0.77±0.26a 0.64±0.12a 0.74±0.18a 0.83±0.24a 0.96±0.31a 1.05±0.33a 0.63±0.15a 0.51±0.10a 36.282<0.001 D*/（×10-3mm2/s）37.26±0.84 27.58±4.54a 31.48±5.26a 28.64±5.48a 25.47±4.49a 22.28±4.24a 20.85±4.32a 28.48±5.32a 35.89±6.36a 63.845<0.001 DDC/（×10-3mm2/s）8.77±1.63 4.20±1.26a 5.36±1.32a 4.32±1.23a 3.61±1.02a 3.20±0.89a 2.63±0.74a 5.62±1.36a 7.59±1.96a 41.252<0.001

2.3 脑梗死体积比较TTC染色结果显示，假手术组大鼠脑部未出现梗死；CIR-1 h 组大鼠右侧纹状体以及周围皮质出现小体积梗死；随着CIR 时间延长，CIR-3 h、CIR-6 h、CIR-12 h、CIR-24 h 组大鼠脑梗死体积呈逐渐上升趋势，与CIR-1 h 组比较差异均具有统计学意义（P<0.05），其中CIR-24 h 组大鼠脑梗死体积最大。CIR-3 d、CIR-7 d 组大鼠脑梗死体积与CIR-24 h组比较呈缩小趋势（P<0.05），见表3。

表3 各组大鼠脑梗死体积比较（±s）

表3 各组大鼠脑梗死体积比较（±s）

注：与CIR-1h组比较，aP<0.05。

组别CIR-1 h组CIR-3 h组CIR-6 h组CIR-12 h组CIR-24 h组CIR-3 d组CIR-7d组F值P n 8 8 8 8 8 8 8 - -脑梗死体积/mm3 299.45±25.12 316.52±29.26a 358.78±32.62a 413.26±36.29a 463.25±39.52a 451.66±41.27a 423.52±36.48a 156.856<0.001

2.4 组织形态学结果比较假手术组海马区及皮质区结构均正常；CIR-12 h 组大鼠脑部缺血侧的海马区、皮质区均形成胞浆空泡及出现部分浓染细胞，且发生核固缩现象，但细胞排列顺序未出现显著异常；CIR-24 h 组大鼠的缺血侧神经元的缺血损伤症状最为显著，并出现大量胞浆空泡化，细胞间隙显著增宽，核固缩现象显著，细胞排列显著异常；CIR-3 d 组大鼠脑部损伤情况较CIR-12 h 、CIR-24 h 组有所改善，脑部缺血侧海马区细胞胞浆空泡化程度降低，但皮质区空泡化现象仍加重，见图1。

图1 各组大鼠神经元细胞形态学变化HE染色图（×400）

3 讨论

传统单指数模型DWI弥散系数的ADC 值是单体素内所含各种构成组分的平均扩散系数，只反映扩散总体情况，易受到弥散以及灌注的双重影响[9-10]。尤其当脑部以及其他组织的细胞受到破坏或损害时，细胞内外间隙增大导致水分子加速扩散，ADC 值将出现显著变化；同时当组织中的血流灌注较为丰富，毛细血管内压也会对水分子运动产生影响和干扰。IVIM-DWI 是一种双指数模型DWI，是通过多b值采样及成像，构建双指数曲线拟合，从而将扩散与灌注进行分离，以计算IVIM-DWI 相关参数值[11]。通过双指数模型DWI，可以更加准确的判断组织中水分子弥散能力，进而为临床诊疗提供更加精确的判定[12]。

有研究表明，大鼠发生CIR 后，脑部组织发生缺血梗死，坏死区的局部组织细胞密度下降，水分子扩散运动显著加强，D 值逐渐升高[13]。脑部组织细胞因缺血缺氧导致细胞出现毒性水肿及炎性浸润，水肿使细胞外间隙减小，进而导致水分子弥散能力降低，表现为DWI 图像高信号以及ADC 值降低。缺血、缺氧会引发脑组织内微循环障碍，组织血液灌流水平显著降低，反映组织灌注程度的D*值，反映组织灌注水平及组织血容量水平的f 值变化均呈降低趋势[14]。作为综合反映组织扩散及微循环灌注的综合评价指标，DDC 降低可能是由于微循环灌注程度下降导致[15]。张思影[16]、郭宇[17]等研究发现，随着CIR 时间继续延长，机体产生的溶蛋白酶会将坏死组织分解液化，再被淋巴管吸收，微循环灌注水平逐渐恢复，进而表现为CIR-3 d、CIR-7 d 组大鼠的脑梗死体积逐渐缩小，f值、D值以及D*均逐渐接近假手术组。这与本研究结果一致。

大鼠CIR 的发生机制可能是炎症反应、脑细胞凋亡、钙超载以及自由基产生等多种机制综合作用的结果[18]。本研究结果显示，假手术组大鼠未发生脑梗死及神经功能损伤，且假手术组海马区以及皮质区结构均正常。实验组中CIR-1 h 组DWI 图像为高信号，D 值上升，且相应部位ADC 值、f 值、D*值均显著下降。随着CIR 时间延长，CIR-1 h、CIR-3 h、CIR-6 h、CIR-12 h、CIR-24 h 组的相对信号强度、D 值均呈显著升高趋势，ADC 值、f 值、D*值均呈显著下降趋势，且在CIR-24 h 时达到峰值和最低值；但CIR-3 d、CIR-7 d 组DWI 相对信号强度、D 值较CIR-24 h 开始下降，ADC 值、f值以及D*值开始上升，趋近于假手术组。研究所得到的IVIM-DWI 相关参数的改变与大鼠CIR 后表现的组织病理改变具有一致性。在大鼠脑缺血早期，细胞发生毒性水肿，水分子的弥散程度受到限制表现为ADC 值下降，随着缺血缺氧时间延长，细胞毒性水肿可发展为血管源性水肿，细胞坏死凋亡，水分子弥散首先程度减弱，因此表现为从CIR-3 d 开始大鼠ADC 值逐渐上升，且CIR-7 d 逐渐接近假手术组[19]。大鼠CIR 后随着再灌注时间增加，大鼠脑缺血导致的病理状态并未完全改善，且出现持续性加重，提示CIR再灌注也可能对大鼠脑部造成二次损害[20]。

综上所述，IVIM-DWI 参数一定程度上可以反映一定时间内的CIRI 组织损伤变化情况，对CIRI 组织学特征评估具有重要价值，有望为临床诊疗提供新的方向及思路。