吳韋清，吳光耀，全紅*

多b值擴(kuò)散加權(quán)成像雙指數(shù)模型對(duì)HIV早期感染診斷的應(yīng)用價(jià)值研究

吳韋清1，吳光耀2，全紅1*

目的 探討多b值擴(kuò)散加權(quán)成像單指數(shù)模型與雙指數(shù)模型對(duì)于HIV陽(yáng)性診斷的作用。材料與方法 對(duì)23名青少年(15例HIV陽(yáng)性，8例HIV陰性)進(jìn)行腦部多b值彌散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging, DW I)檢查，b值分別為0、50、150、200、400、600、800 s/mm2。對(duì)圖像信號(hào)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行單指數(shù)模型和雙指數(shù)模型擬合，得出額上回的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient, ADC)、快彌散系數(shù)(fast apparent diffusion coefficient, ADCf)、慢彌散系數(shù)(slow apparent diffusion coefficient, ADCs)、以及慢彌散系數(shù)所占比例(As)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果 感染人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)患者左側(cè)額葉的ADCf值(4.609±3.254)較健康對(duì)照組ADCf值(8.871±5.040)有顯著性差異(P＜0.05)，兩組右側(cè)額葉ADCf值顯著性差異(P＞0.05)。兩組的ADCs、ADC均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。結(jié)論 多b值擴(kuò)散加權(quán)成像中的ADCf值能夠?yàn)楂@得性免疫缺陷綜合征(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)診斷提供一定參考價(jià)值。

單指數(shù)模型；雙指數(shù)模型；擴(kuò)散加權(quán)成像；額葉；獲得性免疫缺陷綜合征

Received 7 Jan 2016, Accepted 4 Mar 2016

ACKNOW LEDGM ENTSThis w o rk w as part of National Natural Science Foundation of China (No. 10875092) and Natural Science Foundation of Hubei Province (No. 2012FKB04449).

獲得性免疫綜合癥(acquired immune deficiency syndrome, AIDS)即艾滋病，是人類在感染人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)后所患疾病。HIV主要感染15～49歲的青壯年[1]，艾滋病的危害極大，對(duì)艾滋病診斷手段的研究十分重要。對(duì)于艾滋病的診斷，目前臨床上常用血液學(xué)檢查和免疫功能檢查的方法。

磁共振成像(m agnetic resonance im aging, M RI)技術(shù)和功能磁共振成像(function m agnetic resonance imaging, fMRI)技術(shù)具有無(wú)電離輻射、無(wú)

創(chuàng)口、能夠做到高清成像、精準(zhǔn)量化以及功能成像[2]等優(yōu)點(diǎn)，是一種很具有吸引力的影像診斷技術(shù)。MRI與fMRI包括灌注加權(quán)成像(perfusionweighted imaging, PW I)、彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)、磁共振波普(MR spectroscopy, MRS)、擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging, DW I)等技術(shù)。過(guò)去曾有將fMRI與MRI用于艾滋病人的相關(guān)疾病診斷的報(bào)道。Thomas等[3]用DW I和MRS對(duì)HIV感染者中樞系統(tǒng)淋巴瘤進(jìn)行早期診斷研究。Suzuki等[4]報(bào)道MRI可診斷HIV病人的弓形體腦炎。M azin等[5]通過(guò)分析健康人與艾滋病人大腦MRI圖像來(lái)研究艾滋病毒對(duì)人類大腦的影響。Bladow ska等[6-7]利用PW I技術(shù)對(duì)早期艾滋病患者進(jìn)行研究。以上報(bào)道說(shuō)明對(duì)艾滋病人的大腦進(jìn)行磁共振檢查能夠?yàn)榘滩≡\斷提供幫助?，F(xiàn)有研究大多專注于中樞神經(jīng)已經(jīng)受到損傷的艾滋病人[8-10]，對(duì)于未發(fā)生中樞神經(jīng)病變的艾滋病陽(yáng)性感染者進(jìn)行影像學(xué)檢查的研究卻很少[6-7]。

Sukstanskii AL等人[11]的研究顯示病變組織內(nèi)的細(xì)胞器數(shù)目、細(xì)胞大小以及細(xì)胞間隔等因素能夠直接影響DW I檢查的表觀擴(kuò)散系數(shù)(apparent diffusion coefficient, ADC)值。雷正勇等人[12]對(duì)無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)癥狀及其他病史的正常人大腦進(jìn)行DW I掃描，并利用雙指數(shù)模型對(duì)圖像進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示雙指數(shù)模型擬合出的3個(gè)新參數(shù)能夠從新的角度反映腦組織的生物信息。這提示DW I雙指數(shù)模型可能能夠反映艾滋病早期患者腦部生物信息以及可能出現(xiàn)的早期損傷。本研究將對(duì)未發(fā)生腦部病變的艾滋病患者與正常人的大腦DW I圖像(b=50、150、200、400、600、800 s/mm2)中額葉的額上回灰質(zhì)的信號(hào)值進(jìn)行雙指數(shù)模型和單指數(shù)模型擬合，得到快彌散系數(shù)(fast apparent diffusion coefficient, ADCf)、慢彌散系數(shù)(slow apparent diffusion coefficient, ADCs)、慢彌散系數(shù)所占比例(As)及ADC，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以期能夠?yàn)镈W I技術(shù)在艾滋病早期診斷中的應(yīng)用研究提供補(bǔ)充。

1 材料與方法

1.1 一般資料

2013年7-8月共收集23名青少年信息(男13名，女10名)，平均年齡(16.4±1.4)歲，其母親皆為HIV陽(yáng)性攜帶者。其中15名(男8名、女7名)已感染HIV(血清學(xué)檢查為HIV陽(yáng)性并經(jīng)國(guó)家確證實(shí)驗(yàn)室證實(shí))，另外8名未感染HIV。兩組對(duì)象間年齡與性別均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。所有研究對(duì)象及數(shù)據(jù)采集都來(lái)自武漢大學(xué)中南醫(yī)院。所有對(duì)象：(1)顱內(nèi)無(wú)腫瘤，無(wú)腦內(nèi)病變。(2)無(wú)精神病史及其他不良嗜好。(3)所有研究均已獲研究對(duì)象同意及倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器與方法

磁共振掃描使用3.0 T全身掃描儀器(Siemens Magnetom Trio 3.0 T)進(jìn)行，掃描序列包括T1W I序列(TR=700 ms，TE=9.6 ms)，橫軸位T2W I序列(TR=2000 ms，TE=76 ms)，冠狀位T2W I(TR=3800 ms，TE=68 ms)，多b值DW I掃描序列(b=0、50、150、200、400、600、800 s/mm2，TR=3400 ms，TE=85 ms，激勵(lì)次數(shù)為4，矩陣192×192)。以上序列掃描層數(shù)為20，層厚5 mm，間距為0。

1.3 圖像處理

將所得到的磁共振圖像經(jīng)SPM軟件預(yù)處理后獲得7個(gè)b值下的DW I圖像。用MRIcro軟件打開圖像，分別在大腦左、右葉的額上回區(qū)域各取一塊橢圓形ROI(圖1)，含有約100個(gè)像素點(diǎn)，大小約為100 mm2，分別讀取7個(gè)b值下ROI的平均信號(hào)強(qiáng)度s。1.4 數(shù)據(jù)處理

取b=0時(shí)的s值為，以s/s0為縱坐標(biāo)，b為橫坐標(biāo)在matlab 2014中繪制出散點(diǎn)圖，利用雙指數(shù)模型公式

和單指數(shù)模型公式

進(jìn)行曲線擬合，分別得到每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象左右兩側(cè)的ADCs、ADCf、As、ADC值，并繪制出擬合曲線。使用SPSS 19軟件分別對(duì)HIV陽(yáng)性對(duì)象和陰性對(duì)象的以上值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

HIV陽(yáng)性與HIV陰性兩組的額葉部位信號(hào)值均隨著b值增大而減小(圖2)。HIV陽(yáng)性感染者和陰性健康者擬合結(jié)果的比較，HIV陽(yáng)性的左側(cè)額葉的ADCf值較H IV陰性的ADCf值有顯著性差異(P＜0.05)，兩組間右側(cè)額葉ADCf值無(wú)顯著差異(P＞0.05)。兩組的ADCs、ADC均沒有明顯差異(P＞0.05)。見表1、2。

圖1 右額葉ROI示意圖。A～G依次為b=0、50、150、200、400、600、800 s/mm2的DW I圖像 圖2 HIV陽(yáng)性與HIV陰性兩組的額葉部位信號(hào)值隨b值增大而衰減曲線

Fig. 1 The ROI of right frontal lobe. A—G is image of DW I when b=0, 50, 150, 200, 400, 600, 800 s/mm2. Fig. 2 How signal decay with b-value of frontal lobe of two groups of HIV positive and HIV negative

表1 兩組ADCs、ADCf、ADC計(jì)算結(jié)果(10-3mm2/s)Tab. 1 ADCs, ADCf, ADC value of HIV-positive and HIV-negative(10-3mm2/s)

表2 兩組左右側(cè)額葉t檢驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Result of t test of left and right frontal lobe of two groups

3 討論

40℃時(shí)純水的擴(kuò)散系數(shù)D是2.5 mm2/s，實(shí)際上由于組織中存在著細(xì)胞膜、細(xì)胞器等組織阻礙水分子的擴(kuò)散，有學(xué)者[13]提出了利用ADC來(lái)定量表示組織內(nèi)水分子的彌散狀態(tài)。然而哺乳動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，為了更好地反映這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有學(xué)者[14]提出了雙指數(shù)模型。該模型假設(shè)生物體內(nèi)水分子存在兩種彌散狀態(tài)，快彌散狀態(tài)(對(duì)應(yīng)擴(kuò)散速率ADCf)和慢彌散狀態(tài)(對(duì)應(yīng)擴(kuò)散速率ADCs)，并且用As來(lái)表示慢彌散狀態(tài)的水分子數(shù)量占所有水分子數(shù)量的比例。在本研究中，總體而言個(gè)體的ADC值的大小都大于ADCs值而小于ADCf值，這個(gè)結(jié)果符合單指數(shù)模型和雙指數(shù)模型對(duì)于ADC、ADCs、ADCf值的定義。

Bladowska等[6-7]在對(duì)無(wú)精神疾病、無(wú)機(jī)會(huì)性感染、無(wú)顱內(nèi)腫瘤的艾滋病人的PW I研究中，發(fā)現(xiàn)患者額葉皮質(zhì)的相對(duì)血容量與健康人存在顯著差異。這些研究結(jié)果提示對(duì)無(wú)中樞神經(jīng)病變的艾滋病感染者的DW I圖像中額葉部分進(jìn)行研究，可能會(huì)為AIDS的早期診斷提供幫助。

在本研究中，病人的左側(cè)額葉部位的ADCf值與正常人存在顯著差異(P＜0.05)。張文華等[15]對(duì)缺血性腦卒中患者的研究中，對(duì)比鏡像區(qū)域，患者腦部核心缺血區(qū)域的ADCf值、ADCs值和ADC值均表現(xiàn)出異常(P＜0.05)。韓云鵬等[16]對(duì)糖尿病患者腦部DW I的研究結(jié)果顯示，糖尿病患者腦部的ADCf與ADCs較健康人存在顯著性差異。以上研究提示，本研究中利用多b值DW I技術(shù)對(duì)無(wú)精神疾病、無(wú)機(jī)會(huì)性感染、無(wú)顱內(nèi)腫瘤的艾滋病患者進(jìn)行腦部檢查時(shí)，能發(fā)現(xiàn)其額葉部位已經(jīng)發(fā)生水分子擴(kuò)散的影像學(xué)異常，這可能反映出其腦部結(jié)構(gòu)或者功能存在異常。

本研究結(jié)果中，艾滋病患者腦部額葉的ADCs值與健康人比較并沒有顯著性差異，與許多DW I應(yīng)用研究結(jié)果[16]有分歧。有觀點(diǎn)[17]認(rèn)為ADCs值與ADCf分別描述了水分子細(xì)胞外液與細(xì)胞內(nèi)液的兩種不同的擴(kuò)散狀態(tài)。韓鵬等[16]的研究中認(rèn)為糖尿病造成的腦部慢性損傷會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)含水下降，導(dǎo)致病人腦組織細(xì)胞的ADCf值下降，而損傷造成細(xì)胞間隙增大會(huì)表現(xiàn)出ADCs值上升。本研究的對(duì)象是尚未出現(xiàn)腦部機(jī)會(huì)性感染、無(wú)精神疾病的艾滋病毒感染者，筆者猜測(cè)感染者的腦部已經(jīng)出現(xiàn)慢性損傷，造成皮質(zhì)萎縮，細(xì)胞內(nèi)含水下降，但是可能同時(shí)組織的細(xì)胞密度上升，使得細(xì)胞間隙未出現(xiàn)明顯變化，最終出現(xiàn)陽(yáng)性組與健康人組的ADCf值存在顯著性差異而ADCs值沒有表現(xiàn)出顯著性差異。

本研究中，艾滋病感染者的ADCf值與健康人有顯著差異，但是利用單指數(shù)模型計(jì)算出的ADC值并沒有表現(xiàn)出差異。這提示有可能雙指數(shù)模型能夠比單指數(shù)模型更好地反映艾滋病早期患者的腦部水分子擴(kuò)散的影像學(xué)異常。其他研究中也常見雙指數(shù)模型比單指數(shù)模型更敏感地反映出組織損傷的結(jié)論[18-19]。

總之，本研究基于雙指數(shù)模型DW I和單指數(shù)模型DW I擬合出來(lái)的ADCf、ADCs和ADC值均能一定程度上反映額葉組織的生物信息。而其中雙指數(shù)模型的ADCf值反映出無(wú)癥狀HIV早期感染者額葉部位的水分子擴(kuò)散異常，有可能會(huì)對(duì)HIV陽(yáng)性診斷提供幫助。

[References]

[1]Chen D, Liu J, Liu DH. Prediction of ADIS epidemic situation development and analysis of prevention-control measurem ents. Chinese Journal of Public Health Management, 2013, 19(1): 3-7.

陳東, 劉劍, 劉德海. 我國(guó)艾滋病疫情發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)和防控措施分析. 中國(guó)公共衛(wèi)生管理, 2013, 19(1): 3-7.

[2]Shi MG, Fu HH, Ge MM, et al. High resolution imaging, accurate quantification, functional measurement: latest status and development of MR imaging. Chin J M agn Reson Imaging, 2014, 5(S1): 20-25.

石明國(guó), 付海鴻, 戈明媚, 等. 高清成像 精準(zhǔn)量化 功能測(cè)量——磁共振成像技術(shù)現(xiàn)狀與展望. 磁共振成像, 2014, 5(S1): 20-25.

[3]Thomas ZT, Meng L, Naidich TP, et al. Central nervous system lymphoma characterization by diffusion-weighted imaging and MR spectroscopy. Journal of Neuroimaging Official Journal of the American Society of Neuroimaging, 2008, 18(4): 411-417.

[4]Suzuki K, Masuya M, Matsumoto T, et al. High-intensity signals in the basal ganglia from gadolinium-enhanced T1-weighted MRI as an early change in toxop lasma encephalitis in an AIDS patient. Journal of Infection & Chemotherapy Official Journal of the Japan Society of Chemotherapy, 2010, 16(2): 135-138.

[5]Hassan MA. Studying the effect of HIV/AIDS on human brain using MRI. International Journal of Scientific & Engineering Research, 2015, 6(3): 209-216.

[6]Joanna B, Anna Z, Anna K, et al. Evaluation of metabolic changes w ithin the normal appearing gray and white matters in neurologically asymptomatic HIV-1-positive and HCV-positive patients: M agnetic resonance spectroscopy and imm unologic correlation. European Journal of Radiology, 2013, 82(4): 686-692.

[7]Bladow ska J, Knysz B, Zimny A, et al. Value of perfusionweighted MR imaging in the assessment of early cerebral alterations in neurologically asymptomatic HIV-1-Positive and HCV-Positive patients. Plos One, 2014, 9(7): 102214.

[8]Yu QZ, Zhong Z. MRI representation w ith intracranial disease in AIDS patients. Journal of Jinan University, 2012, 33(4): 418-421.

喻奇志, 鐘正. AIDS相關(guān)性顱內(nèi)病變MRI分析. 暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版), 2012, 33(4): 418-421.

[9]Shi DP, Yan QD, Chen SH, et al. Analysis of imaging appearances of brain in AIDS patients. J Pract Radiol, 2006, 22(2): 143-146.

史大鵬, 閆慶棟, 陳世華, 等. AIDS腦部病變影像學(xué)表現(xiàn)分析.實(shí)用放射學(xué)雜志, 2006, 22(2): 143-146.

[10]Zhang JX, W ang L, Ren YL, et al. Brain lesions in patients w ith AIDS: appearances on MRI. Modern Medical Imagelogy, 2009, 18(1): 1-4.

張錦烜, 王磊, 任月玲, 等. AIDS患者腦部病變MRI表現(xiàn). 現(xiàn)代醫(yī)用影像學(xué), 2009, 18(1): 1-4.

[11]Sukstanskii AL, Yablonskiy DA. Effects of restricted diffusion on MR signal formation. Journal of Magnetic Resonance, 2002, 157(1): 92-105.

[12]Lei ZY, Zhu L, Li XH, et al. Preliminary study of biexponentialmodel on high-b-value DW I. Progress in Biomedical Engineering, 2009, 30(1): 33-36.

雷正勇, 朱莉, 李小虎, 等. 雙指數(shù)模型在高b值彌散加權(quán)成像中的初步研究. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展, 2009, 30(1): 33-36.

[13]Bihan DL, Turner R, Douek P, et al. Diffusion MR imaging: clinical applications. Ajr American Journal of Roentgenology, 1992, 159(3): 591-599.

[14]Bennett KM, Hyde JS, Schmainda KM. W ater diffusion heterogeneity index in the human brain is insensitiveto the orientation of applied magnetic field gradients. Magn Reson Med, 2006, 56(2): 235-239.

[15]Zhang WH, Zhou X, Zhou L, et al. Diffusion weighted imaging w ith mono -exponential model and bi-exponential model in patients w ith ischem ic stroke. Chinese Imaging Journal of Integrated Traditional and Western M edicine, 2016, 14(1): 9-11.

張華文, 周欣, 周琳, 等. 單指數(shù)及雙指數(shù)模型DW I對(duì)缺血性腦卒中患者的評(píng)價(jià). 中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合影像學(xué)雜志, 2016, 14(1): 9-11.

[16]Han YP. D iffusion study of chronic brain dam age in type 2 diabetes mellitus using multi-com ponent diffusion weighted imaging. Dalian: Dalian Medical University, 2014, .

韓云鵬. 2型糖尿病慢性腦損害的多b值DW I研究. 大連: 大連醫(yī)科大學(xué), 2014, .

[17]Seevinck PR, Deddens LH, D ijkhuizen RM. M agnetic resonance imaging o f brain angiogenesis after stroke. Angiogenesis, 2010, 13(2): 101-111.

[18]Sh i XY, Ren CP, Chen JL, et al. Com parison o f m onoexponential and biexponential m odels o f diffusionweighted imaging in differential diagnosis between benign and malignant lesions of primary bone tumors. Tumor, 2014, 34(2): 163-168.

石曉瑩, 任翠萍, 程敬亮, 等. 擴(kuò)散加權(quán)成像單指數(shù)模型和雙指數(shù)模型對(duì)原發(fā)性良惡性骨腫瘤鑒別診斷的價(jià)值. 腫瘤, 2014, 34(2): 163-168.

[19]Ding JL, Xing W, Chen J, et al. The comparison between monoexponential and bi-exponential function of multi-b DW I in evaluation of clear cell renal cell carcinoma. Chin J Magn Reson Imaging, 2013, 4(4): 266-270.

丁玖樂, 邢偉, 陳杰, 等. 腎透明細(xì)胞癌多b值DW I的單指數(shù)函數(shù)與雙指數(shù)函數(shù)分析比較. 磁共振成像, 2013, 4(4): 266-270.

Differential diagnosis of AIDS: study of multi b-value DW I double-exponential model

WU Wei-qing1, WU Guang-yao2, QUAN Hong1*1School of Physics and Technology, Wuhan University, Wuhan 430072, China2Zhongnan Hospital of Wuhan University, Wuhan 430071, China

Ob jective: To discuss how mono-exponential model and doubleexponential model of multi-b value diffusion weighted imaging perform in HIV diagnosis. Materials and M ethods: Multi-b value DWI(b=0, 50, 150, 200400, 600, 800) was performed to 23 teenagers, 15 of whom were HIV-positive and 8 of whom were HIV-negative. By fitting the images of mono-exponential model and doubleexponential model, ADCs, ADCf, ADC values in frontal lobe were com pared betw een HIV-positive subjects and HIV-negative subjects by statistical analysis. Resu lts: For left frontal lobe, HIV-positive subjects have significantly low er ADCfvalues than HIV-negative subjects. While ADCs, ADC values are not significantly different. Conclusion: Double-exponential model of multi-b value diffusion weighted imaging, especially ADCfvalues can be a reference in AIDS diagnosis.

Multi-b value DW I; Mono-exponential model; Double-exponential model; Frontal lobe; Acquired immune deficiency syndrome

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：10875092)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：2012FKB04449)

1. 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430072

2. 武漢大學(xué)中南醫(yī)院，武漢 430071

全紅，E-mail: csp6606@sina.com

2016-01-07接受日期：2016-03-04

R445.2；R593.9

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.04.011

吳韋清, 吳光耀, 全紅. 多b值擴(kuò)散加權(quán)成像雙指數(shù)模型對(duì)HIV早期感染診斷的應(yīng)用價(jià)值研究. 磁共振成像, 2016, 7(4): 298–302.

*Correspondence to: Quan H, E-mail: csp6606@sina.com