红外光谱分析技术评价MRI对胆囊结石成分预判的研究*

翟彦昌 国强 康永强 陈强 刘帅

(内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院 1.普外二科；2.影像科核磁共振室，内蒙古 包头 014010)

胆石病(Gallstone disease,GSD)是最常见的胆道疾病，其患病率在全球范围内不等，美国胆结石发生率为15%，欧洲为5.9%～21.9%，亚洲为4%～15%，而中国为3%～11%，某些地区已接近发达国家的发病水平[1-2]。GSD是一种“群体性疾病”，约80%为无症状GSD患者，其中约10%的患者5年内会出现症状，20%的患者20年内会出现症状[3-6]。由于不同种类的胆囊结石的成石因素及发病机制都有所不同，因此关于胆囊结石成分、发病机制及成石因素等的研究也不断在发展。GSD患者大致可分为三类：无症状GSD患者、有症状但存在手术禁忌证无法行手术治疗的GSD患者及有症状且可行手术治疗的GSD患者，针对这三类患者临床上有不同的处理方式，由于目前胆结石成分检测多为术后体外分析，无法对非手术GSD患者进行精准诊疗，因此在术前能够准确判断出胆囊结石成分具有重要的临床意义。本文通过患者术前的MRI检查及术后胆囊结石的红外光谱分析来判断MRI能否在术前预判胆囊结石成分，具体研究如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料 纳入2020 年12月～ 2021年8月我院100例预行胆囊切除的胆石病患者。纳入标准：临床上有上腹部不适、隐痛、消化道症状或黄疸等全身症状可行MRI检查及拟行胆囊结石相关手术的GSD患者。排除标准：甲、乙、丙、丁、戊型肝炎病毒及人类免疫缺陷病毒感染者；消化道其他疾病患者；恶性肿瘤患者；代谢性疾病患者；各种精神疾患的患者。100例有胆囊结石者为观察组，其中男性患者55例，女性患者45例，年龄24～78岁，平均(53.40±14.10)岁；另选取同期无胆囊及肝脏疾病的50患者作为空白对照组，其中男性患者25例，女性患者25例，年龄 30～80岁，平均(55.00±25.00)岁。经患者知情同意，术后取大小适中、形状成型的结石[直径6～30 mm，平均(16.6±4.3)mm]标本行傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析。

1.2 检查方法 采用美国GE Medical systems LLC 3.0T超导型MR仪，Torso 通道相控表面线圈对患者上腹部(自剑突层面向下包括肝脏和胆囊)行 MRI 平扫。进行上腹部平扫。扫描序列：①T2WI采用呼吸触发脂肪抑制序列FRFSE：TR/TE 6667/93.4，矩阵 300×224，层厚6 mm，层间距1 mm,Fov 35 cm×30 cm。②T1WI 采用快速扰相位梯度重聚成像和化学位移成像：TR/TE 190/2.4～4.7，矩阵 260×180，层厚2.0 mm，层间距1 mm,Fov 35 cm×30 cm。③T2WI采用快速扰相位梯度重聚成像：TR/TE 1267/80，矩阵 252×218，层厚5.0 mm，层间距1.0 mm，Fov 35 cm×30 cm。④FEISTA序列：TR/TE 2.4/1.2，矩阵250×208，层厚2.0 mm，层间距1 mm,Fov 39 cm×39 cm。采用美国 GE 公司 ADC4.4 图像工作站对T2WI、T2WISPAIR、T1WI、FEISTA序列进行分析并测量结石信号值。结石用去离子水冲洗后，烘干箱内60℃干燥3 h。然后用玛瑙研钵和杵，将胆结石磨成粉末。用KBr按1∶500稀释粉末，在2t的压力下压成透明薄膜，随后用FT-IR分光光度计(FTS 3000, Bio-Rad, Cambridge, MA, USA)在400～4000 cm-1处进行分析，分辨率为4 cm-1。每个样品经过100次扫描，在吸光度模式下得到平均光谱。将各吸收峰值与各类结石的标准峰值进行比较，对胆结石进行分类。

1.3 MRI表现及FT-IR分析结果 FT-IR(金标准)结果：53例胆结石与纯胆固醇的光谱匹配良好，可归类为胆固醇结石(Cholesterol stone CS)(图1A)。15例胆结石表现为典型的胆色素钙吸收带，被归类为胆色素钙结石(Pigment gallstone PS)(图1B)。其余32例在光谱曲线中能同时看到胆固醇及胆红素钙的特征性峰，此类胆结石被归类为胆固醇、胆红素酸钙的混合结石(图1C)。MRI各序列信号表现与FT-IR对比(表1)。T2WI：低信号或外周低信号中央高信号，T2WI SPAIR：低信号或外周低信号中央高信号，T1WI：低信号，FEISTA：低信号时共55例(图2、3)；T2WI：外周低信号中央高信号，T2WI SPAIR：外周低信号中央高信号，T1WI：高信号；FEISTA：高信号时共13例(图4)；T2WI：外周低信号中央高信号，T2WI SPAIR：外周低信号中央高信号，T1WI：外周低信号中央高信号，FEISTA：外周低信号中央高信号时共32例(图5)；T2WI、T2WI SPAIR：高信号；T1WI、FEISTA：稍低信号，共50例(图6)。MRI各序列信号值与FT-IR对比(表2)。T2W1:<800；T2WI SPAIR<800；T1WI<400；FEISTA<400 时共52例；T2WI<800；T2WISPAIR<800；T1WI>800；FEISTA>800时共15例；T2W1<800；T2WI SPAIR<800；T1WI<800；FEISTA:<800时共33例；T2WI>800；T2WI SPAIR>800；T1WI:400～800；FEISTA:400～800时共50例。

表1 100例观察对象中阳性结石和胆汁空白对照在各序列的信号表现Table 1 signal performance of positive stones and bile blank control in each sequence

表2 100例观察对象中阳性结石和胆汁空白对照在各序列的信号值Table 2 Signal values of positive stones and bile blank control in each sequence in 100 subjects

图1 各类胆结石的特征性吸收峰值Figure 1 Characteristic absorption peaks of various gallstones注：A.胆固醇结石(1458、1371、1053 cm-1为胆固醇的特征性吸收峰)；B.胆色素结石(1668、1662、1631、1246 cm-1为胆色素钙的特征吸收峰)；C.混合型胆结石(1454、1047 cm-1的胆固醇特征性吸收峰与1637、1560、1249cm-1的胆色素钙特征吸收峰同时存在)

图2 100例阳性病例中45例患者的影像表现及影像值Figure 2 Imaging performance and values of 45 of 100 positive cases注：A.横断面T2WI序列；B.横断面T2WI SPAIR序列；C.横断面T1WI序列；D.横断面FEISTA序列(胆囊体积尚可，囊壁增厚，内类圆形异常低信号影)

图3 100例阳性病例中10例患者的影像表现及影像值Figure 3 Imaging performance and values of 10 of 100 positive cases注：A.横断面T2WI序列；B.横断面T2WI SPAIR序列(胆囊体积尚可，囊壁增厚，其内见类圆形异常信号影呈外周低信号中央稍高信号)；C.横断面T1WI序列；D.横断面FEISTA序列(胆囊体积尚可，囊壁增厚，其内见类圆形异常低信号影)

图4 100例阳性病例中13例患者的影像表现及影像值Figure 4 Imaging performance and values of 13 of 100 positive cases注：A.横断面T2WI序列；B.横断面T2WI SPAIR序列(胆囊增大，囊壁增厚，囊内可见多发结节状异常信号影呈外周低信号中央稍高信号)；C.横断面T1WI序列；D.横断面FEISTA序列(胆囊增大，囊壁增厚，囊内可见多发结节状高信号影)

图5 100例阳性病例中32例患者的影像表现及影像值Figure 5 Imaging performance and values of 32 of 100 positive cases注：A.横断面T2WI序列；B.横断面T2WI SPAIR序列；C.横断面T1WI序列；D.横断面FEISTA序列(胆囊体积尚可，胆囊壁未见增厚，囊内可见多发类圆形异常信号影呈外周低信号中央稍高信号)

图6 50例阴性患者的影像表现及影像值Figure 6 50 Imaging performance and values of negative patients注：A.横断面T2WI序列；B.横断面T2WI SPAIR序列；C.横断面T1WI序列；D.横断面FEISTA序列(胆囊体积尚可，胆囊壁未见增厚，囊内未见异常信号影)

1.4 统计学分析 采用 SPSS 21.0软件进行分析，配对样本计数资料组间比较使用McNemar检验，使用Kappa检验评价FT-IR和MRI两种方法一致性情况；以FT-IR检测结果为金标准，利用ROC曲线下面积AUC、灵敏度、特异度和准确度等指标对MRI筛查方法效果进行评估。以P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 FT-IR与MRI信号表现对不同成分结石诊断情况 McNemar检验结果显示，FT-IR和MRI两种结石诊断方法对比差异无统计学意义(P=0.135)(表3)，可认为两种方法检出率无差异。两组的Kappa值为0.962，Kappa值>0.7(表4)，说明FT-IR和MRI两种结石诊断方法一致性很好。经ROC曲线分析可知，MRI筛查不同结石情况的AUC (95%CI)为0.980(0.943～0.996)，准确度为97.33%，灵敏度为96.00%，特异度为100.00%，约登指数为0.96(图7)。说明MRI筛查结石情况的效果很好。

图7 评估 MRI信号表现预判结石成分准确性的ROC曲线Figure 7 ROC curve for evaluating the accuracy of MRI signalperformance in predicting stone composition

表3 FT-IR与MRI信号表现对不同成分结石诊断情况的McNemar分析Table 3 McNemar analysis of FT-IR and MRI signal performance in the diagnosis of stones with different components

表4 FT-IR与MRI信号表现对不同成分结石诊断情况的Kappa一致性检验Table 4 Kappa consistency test of FT-IR and MRI signal performance in the diagnosis of stones with different components

2.2 FT-IR与MRI信号值对不同成分结石诊断情况 McNemar检验结果显示，两组诊断对比差异无统计学意义(P=0.655)(表5)，可认为两种方法检出率无差异。两组的Kappa值为0.953，Kappa值>0.7(表6)，说明两种方法诊断结果一致性很好。经ROC曲线分析可知，MRI筛查不同结石情况的AUC (95%CI)为0.975(0.935～0.994)，准确度为96.67%，灵敏度为95.00%，特异度为100.00%，约登指数为0.95(图8)，说明MRI筛查结石情况的效果很好。

图8 评估MRI信号值预判结石成分准确性的ROC曲线Figure 8 ROC curve for evaluating the accuracy of MRI signalvalues in predicting stone composition

表5 FT-IR与MRI信号值对不同成分结石诊断情况的McNemar分析Table 5 McNemar analysis of FT-IR and MRI signal values in the diagnosis of stones with different components

表6 FT-IR与MRI信号值对不同成分结石诊断情况的Kappa一致性检验Table 6 Kappa consistency test of FT-IR and MRI signal values in the diagnosis of stones with different components

2.3 根据以上分析将MRI判断胆囊结石成分的结果汇总 胆固醇结石：T2WI、T2WI SPAIR序列呈低信号或外周低信号中央高信号，T1WI、FEISTA序列呈低信号，信号值：T2WI、T2WI SPAIR序列<800，T1WI、FEISTA序列<400。胆色素结石：T2WI、T2WI SPAIR序列呈外周低信号中央高信号，T1WI、FEISTA序列呈高信号，信号值：T2WI、T2WI SPAIR序列<800，T1WI、FEISTA序列>800。③T2WI、T2WI SPAIR、T1WI、FEISTA序列呈外周低信号中央高信号，信号值均<800。

3 讨论

3.1 胆囊结石的FT-IR分析特点 FT-IR被认为是分析化合物化学组成的可靠方法，广泛应用于泌尿系结石或胆囊结石分析、不同组织恶性肿瘤的诊断以及血液或体液成分的测量等[7]。胆囊结石的传统分类是根据其化学组成成分的不同，将胆石分为3类，分别是胆固醇结石、胆色素结石和混合性结石，混合结石是指含有两种或两种以上物质组分且各组分含量相近的结石。Qiao等[2]的研究显示，胆固醇结石的FT-IR特征吸收峰为1466、1377、1057 cm-1；胆色素结石的FT-IR特征吸收峰为1663、1629、1570、1247 cm-1；胆固醇-胆红素混合结石的FT-IR特征吸收峰为1666、1570、1246 cm-1、1463、1377、1056 cm-1。本研究中，观察组100例胆囊结石标本中有53例出现1458、1371、1053 cm-1的特征性吸收峰，将其判定为胆固醇结石；15例出现1668、1662、1631、1246 cm-1的特征吸收峰，将其判定为胆色素结石；32例出现1454、1047 cm-1与1637、1560、1249 cm-1同时存在的特征性吸收峰，将其判定为混合型结石。因为对结石的分析不是按照逐层分析而是整体分析，可能会出现部分特征性峰值不显现的情况，但是基于现有的峰值可以将结石种类加以区分。

3.2 胆囊结石的MRI特点 MRI被广泛应用于医学的各个领域[8]，其实用性得到了广泛的认可。1986 年MRI第一次被用于胆道疾病的诊断， 当时仅对扩大的胆管以及明显的梗阻部位有较敏感的诊断意义。随着技术的进步，MRI作为一种非侵入性的检查方法，以其无创、无辐射、不需造影剂、操作简便、无并发症及可重复检查等特点，易于被广大患者所接受，从而成为胆系结石一项重要的辅助检查手段。此外，MRI对软组织的分辨率高，为多参数扫描，可为胰胆管形态学提供全面的诊断信息[9-10]。胆囊结石的主要成分包括水、胆固醇、胆色素、钙等，其中部分金属离子与胆红素结合形成复合物[2]。然而，在临床上利用MRI预判胆囊结石成分的报道较少，这可能是由于在固体中分子运动受到限制，难以获得MRI信号，质子T2弛豫时间显著缩短，T1弛豫时间延长[11]。已知Cu、Fe、Mn等金属离子具有较大的磁矩，表现为顺磁离子，缩短了水质子的T1弛豫时间，因此含有这些离子的组织在T1WI图像上呈现高强度信号，Ukaji等[12]、刘广宇[13]对体外结石的研究显示，T1WI上PS的亮信号可能与内部金属含量有关，高强度区金属含量显著高于低强度区，Cu含量尤为显著。Moon等[14]研究指出，T2WI图像中央高强度显示的是胆囊结石内充满液体的裂隙。MRI水成像是利用水的T2权重效应，采用加长TR、TE，重点突出组织中水的成分[15]。本实验利用胆囊结石内部的金属元素或者含水等原因会对MRI的信号产生影响，采用4种序列(T2WI、T2WI SPAIR、T1WI、FEISTA)对胆囊结石进行分析。研究[16-17]表明，FEISTA序列运用完全平衡的梯度为每个TR间隔的末端横向磁化重新定相，形成良好的T2对比， 图像上可以清晰看到缓慢流动的液体呈高信号。该序列的三大特点：①梯度回波序列，对磁敏感及磁化率伪影敏感。②对比度的权重既不在T1也不在T2，而是T2/T1。③又称其为三亮序列即脂肪亮、水亮，血液亮，因此可以辅助T2WI序列检查胆道系统。由于胆色素结石中含有金属成分，其中央内部含水量较高，因此在T2WI序列上可以看到中央高信号，在T1WI和FEISTA序列中可以看到与周围胆汁信号强度相似的高信号影。Catalano等[18]在实验中观察到胆结石内蛋白质大分子的存在有时可能是在T1或T2加权像上看到中心高信号与周边低信号(T1弛豫时间较短)的原因。由于胆汁和结石在不同序列上会产生不同的信号差异，而信号差异会导致影像值的差异，因此利用此特点采用美国GEMedical systems LLC 3.0T超导型MRI测量各结石在各序列下的影像值，在试验过程中发现不同成分的胆结石在不同的序列下测量的值不同，根据本实验结果可见胆囊结石内部的水成分决定了其在FEISTA序列上表现的高信号，而在T2WI和T2WI SPAIR序列上表现的混杂信号可能是由于内部蛋白质大分子的存在，也有可能是胆色素结石及胆固醇结石形成混合结石而本身呈现的信号状态。如果是内部蛋白质大分子的缘故则可能在T2WI和T1WI序列上看到混杂信号但是不会在FEISTA序列上看到周围低中央高的混杂信号或单纯高信号影，相应的影像值只会在T2WI和T2WI SPAIR序列会超过400，而T1WI和FEISTA序列不会超过400；如果是混合型结石则在T1WI和FEISTA序列上看到的是周围低中央高的混杂信号而不是高信号影。因此该序列上相应的影像值会出现超过400但最大超不过800，如果是胆色素成分，则其T1WI和FEISTA序列会出现高信号表现，该序列上相应的影像值也会超过800。

3.3 MRI预判胆囊结石成分为未来胆囊结石的预防、诊疗提供新思路 有症状胆石症和无症状胆石症的处理方式有所不同，具体预防、诊治的方式要根据结石成分而定，胆囊结石成分的不同与胆汁成分改变息息相关，而相关研究表明胆汁成分是可以通过各自敏感的作用通路进行改变的[19]。因此CS和PS的鉴别诊断有时在临床上有重要意义。无症状胆石症发生在大多数胆石症患者中，根据目前的指南[4-5]，应期待治疗，自然病史研究和大多数决策分析研究不赞成对其进行预防性胆囊切除术[6]。相反，对于伴有胆绞痛、急性胆囊炎、急性胰腺炎等并发症的患者需要治疗，包括用止痛药缓解疼痛，用熊去氧胆酸进行药物溶石，以及急诊或常规开腹或腹腔镜胆囊切除术，其中胆囊切除术是金标准治疗方法[20]。虽然手术治疗胆结石通常是安全有效的，但术后可能会发生一些并发症，如胆管损伤、胆漏、出血、肠道损伤、感染和非特异性的术后胃肠道症状，即持续性腹痛和消化不良，包括胆道或胆道外原因导致的早期或晚期“胆囊切除术后综合征”发生在高达10%的病例中[21]，这些都与医疗费用的显著增加有关，因此胆囊结石的有效预防对减少医疗负担也具有重要的意义。目前CS的预防治疗可分为一级预防和二级预防，一级预防的目标是防止CS的形成，无论是在普通人群中的胆结石高危人群还是在一些流行病学确定的高危种族。二级预防的目的是防止溶石治疗后胆结石的复发。值得注意的是，虽然有1/3的胆结石最终会引起症状和并发症，但许多胆结石无任何临床症状。因此，二级预防也可用于防止这类患者出现症状和并发症[22]。根据胆囊结石的发病机制其预防可以分为物理预防和药物预防，其中药物方面，由于熊去氧胆酸已被证明通过降低胆固醇的肠道吸收和胆汁分泌，以及胆汁酸池的疏水性指数来促进胆结石的溶解，因此可与他汀类药物一起用于溶解CS[22]。但是熊去氧胆酸使用局限且复发率高，这种治疗方法已普遍失势。此外研究[22-23]显示依折麦布也被证明能够显著降低胆固醇饱和及胆固醇饱和指数，因此也可能成为一种新的、有潜力的治疗或预防CS的新工具。

4 结论

MRI可以较准确的预判胆囊结石成分，可为临床治疗胆石病提供新思路，为胆石病的预防及流行病学研究提供理论基础。