多b值扩散加权成像双指数模型对HIV早期感染诊断的应用价值研究

吴韦清，吴光耀，全红*

多b值扩散加权成像双指数模型对HIV早期感染诊断的应用价值研究

吴韦清1，吴光耀2，全红1*

目的 探讨多b值扩散加权成像单指数模型与双指数模型对于HIV阳性诊断的作用。材料与方法 对23名青少年(15例HIV阳性，8例HIV阴性)进行脑部多b值弥散加权成像(diffusion weighted imaging, DW I)检查，b值分别为0、50、150、200、400、600、800 s/mm2。对图像信号数据分别进行单指数模型和双指数模型拟合，得出额上回的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)、快弥散系数(fast apparent diffusion coefficient, ADCf)、慢弥散系数(slow apparent diffusion coefficient, ADCs)、以及慢弥散系数所占比例(As)并进行统计学分析。结果 感染人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)患者左侧额叶的ADCf值(4.609±3.254)较健康对照组ADCf值(8.871±5.040)有显著性差异(P＜0.05)，两组右侧额叶ADCf值显著性差异(P＞0.05)。两组的ADCs、ADC均无显著性差异(P＞0.05)。结论 多b值扩散加权成像中的ADCf值能够为获得性免疫缺陷综合征(acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)诊断提供一定参考价值。

单指数模型；双指数模型；扩散加权成像；额叶；获得性免疫缺陷综合征

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).

获得性免疫综合症(acquired immune deficiency syndrome, AIDS)即艾滋病，是人类在感染人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)后所患疾病。HIV主要感染15～49岁的青壮年[1]，艾滋病的危害极大，对艾滋病诊断手段的研究十分重要。对于艾滋病的诊断，目前临床上常用血液学检查和免疫功能检查的方法。

磁共振成像(m agnetic resonance im aging, M RI)技术和功能磁共振成像(function m agnetic resonance imaging, fMRI)技术具有无电离辐射、无

创口、能够做到高清成像、精准量化以及功能成像[2]等优点，是一种很具有吸引力的影像诊断技术。MRI与fMRI包括灌注加权成像(perfusionweighted imaging, PW I)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)、磁共振波普(MR spectroscopy, MRS)、扩散加权成像(diffusion-weighted imaging, DW I)等技术。过去曾有将fMRI与MRI用于艾滋病人的相关疾病诊断的报道。Thomas等[3]用DW I和MRS对HIV感染者中枢系统淋巴瘤进行早期诊断研究。Suzuki等[4]报道MRI可诊断HIV病人的弓形体脑炎。M azin等[5]通过分析健康人与艾滋病人大脑MRI图像来研究艾滋病毒对人类大脑的影响。Bladow ska等[6-7]利用PW I技术对早期艾滋病患者进行研究。以上报道说明对艾滋病人的大脑进行磁共振检查能够为艾滋病诊断提供帮助。现有研究大多专注于中枢神经已经受到损伤的艾滋病人[8-10]，对于未发生中枢神经病变的艾滋病阳性感染者进行影像学检查的研究却很少[6-7]。

Sukstanskii AL等人[11]的研究显示病变组织内的细胞器数目、细胞大小以及细胞间隔等因素能够直接影响DW I检查的表观扩散系数(apparent diffusion coefficient, ADC)值。雷正勇等人[12]对无神经系统症状及其他病史的正常人大脑进行DW I扫描，并利用双指数模型对图像进行拟合，结果显示双指数模型拟合出的3个新参数能够从新的角度反映脑组织的生物信息。这提示DW I双指数模型可能能够反映艾滋病早期患者脑部生物信息以及可能出现的早期损伤。本研究将对未发生脑部病变的艾滋病患者与正常人的大脑DW I图像(b=50、150、200、400、600、800 s/mm2)中额叶的额上回灰质的信号值进行双指数模型和单指数模型拟合，得到快弥散系数(fast apparent diffusion coefficient, ADCf)、慢弥散系数(slow apparent diffusion coefficient, ADCs)、慢弥散系数所占比例(As)及ADC，并对结果进行统计学分析，以期能够为DW I技术在艾滋病早期诊断中的应用研究提供补充。

1 材料与方法

1.1 一般资料

2013年7-8月共收集23名青少年信息(男13名，女10名)，平均年龄(16.4±1.4)岁，其母亲皆为HIV阳性携带者。其中15名(男8名、女7名)已感染HIV(血清学检查为HIV阳性并经国家确证实验室证实)，另外8名未感染HIV。两组对象间年龄与性别均无统计学差异。所有研究对象及数据采集都来自武汉大学中南医院。所有对象：(1)颅内无肿瘤，无脑内病变。(2)无精神病史及其他不良嗜好。(3)所有研究均已获研究对象同意及伦理委员会批准。

1.2 仪器与方法

磁共振扫描使用3.0 T全身扫描仪器(Siemens Magnetom Trio 3.0 T)进行，扫描序列包括T1W I序列(TR=700 ms，TE=9.6 ms)，横轴位T2W I序列(TR=2000 ms，TE=76 ms)，冠状位T2W I(TR=3800 ms，TE=68 ms)，多b值DW I扫描序列(b=0、50、150、200、400、600、800 s/mm2，TR=3400 ms，TE=85 ms，激励次数为4，矩阵192×192)。以上序列扫描层数为20，层厚5 mm，间距为0。

1.3 图像处理

将所得到的磁共振图像经SPM软件预处理后获得7个b值下的DW I图像。用MRIcro软件打开图像，分别在大脑左、右叶的额上回区域各取一块椭圆形ROI(图1)，含有约100个像素点，大小约为100 mm2，分别读取7个b值下ROI的平均信号强度s。1.4 数据处理

取b=0时的s值为，以s/s0为纵坐标，b为横坐标在matlab 2014中绘制出散点图，利用双指数模型公式

和单指数模型公式

进行曲线拟合，分别得到每个实验对象左右两侧的ADCs、ADCf、As、ADC值，并绘制出拟合曲线。使用SPSS 19软件分别对HIV阳性对象和阴性对象的以上值进行统计学分析，采用独立样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

HIV阳性与HIV阴性两组的额叶部位信号值均随着b值增大而减小(图2)。HIV阳性感染者和阴性健康者拟合结果的比较，HIV阳性的左侧额叶的ADCf值较H IV阴性的ADCf值有显著性差异(P＜0.05)，两组间右侧额叶ADCf值无显著差异(P＞0.05)。两组的ADCs、ADC均没有明显差异(P＞0.05)。见表1、2。

图1 右额叶ROI示意图。A～G依次为b=0、50、150、200、400、600、800 s/mm2的DW I图像 图2 HIV阳性与HIV阴性两组的额叶部位信号值随b值增大而衰减曲线

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 两组ADCs、ADCf、ADC计算结果(10-3mm2/s)Tab. 1 ADCs, ADCf, ADC value of HIV-positive and HIV-negative(10-3mm2/s)

表2 两组左右侧额叶t检验结果Tab. 2 Result of t test of left and right frontal lobe of two groups

3 讨论

40℃时纯水的扩散系数D是2.5 mm2/s，实际上由于组织中存在着细胞膜、细胞器等组织阻碍水分子的扩散，有学者[13]提出了利用ADC来定量表示组织内水分子的弥散状态。然而哺乳动物的生理结构十分复杂，为了更好地反映这样的复杂结构，有学者[14]提出了双指数模型。该模型假设生物体内水分子存在两种弥散状态，快弥散状态(对应扩散速率ADCf)和慢弥散状态(对应扩散速率ADCs)，并且用As来表示慢弥散状态的水分子数量占所有水分子数量的比例。在本研究中，总体而言个体的ADC值的大小都大于ADCs值而小于ADCf值，这个结果符合单指数模型和双指数模型对于ADC、ADCs、ADCf值的定义。

Bladowska等[6-7]在对无精神疾病、无机会性感染、无颅内肿瘤的艾滋病人的PW I研究中，发现患者额叶皮质的相对血容量与健康人存在显著差异。这些研究结果提示对无中枢神经病变的艾滋病感染者的DW I图像中额叶部分进行研究，可能会为AIDS的早期诊断提供帮助。

在本研究中，病人的左侧额叶部位的ADCf值与正常人存在显著差异(P＜0.05)。张文华等[15]对缺血性脑卒中患者的研究中，对比镜像区域，患者脑部核心缺血区域的ADCf值、ADCs值和ADC值均表现出异常(P＜0.05)。韩云鹏等[16]对糖尿病患者脑部DW I的研究结果显示，糖尿病患者脑部的ADCf与ADCs较健康人存在显著性差异。以上研究提示，本研究中利用多b值DW I技术对无精神疾病、无机会性感染、无颅内肿瘤的艾滋病患者进行脑部检查时，能发现其额叶部位已经发生水分子扩散的影像学异常，这可能反映出其脑部结构或者功能存在异常。

本研究结果中，艾滋病患者脑部额叶的ADCs值与健康人比较并没有显著性差异，与许多DW I应用研究结果[16]有分歧。有观点[17]认为ADCs值与ADCf分别描述了水分子细胞外液与细胞内液的两种不同的扩散状态。韩鹏等[16]的研究中认为糖尿病造成的脑部慢性损伤会导致细胞内含水下降，导致病人脑组织细胞的ADCf值下降，而损伤造成细胞间隙增大会表现出ADCs值上升。本研究的对象是尚未出现脑部机会性感染、无精神疾病的艾滋病毒感染者，笔者猜测感染者的脑部已经出现慢性损伤，造成皮质萎缩，细胞内含水下降，但是可能同时组织的细胞密度上升，使得细胞间隙未出现明显变化，最终出现阳性组与健康人组的ADCf值存在显著性差异而ADCs值没有表现出显著性差异。

本研究中，艾滋病感染者的ADCf值与健康人有显著差异，但是利用单指数模型计算出的ADC值并没有表现出差异。这提示有可能双指数模型能够比单指数模型更好地反映艾滋病早期患者的脑部水分子扩散的影像学异常。其他研究中也常见双指数模型比单指数模型更敏感地反映出组织损伤的结论[18-19]。

总之，本研究基于双指数模型DW I和单指数模型DW I拟合出来的ADCf、ADCs和ADC值均能一定程度上反映额叶组织的生物信息。而其中双指数模型的ADCf值反映出无症状HIV早期感染者额叶部位的水分子扩散异常，有可能会对HIV阳性诊断提供帮助。

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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

国家自然科学基金项目(编号：10875092)；湖北省自然科学基金项目(编号：2012FKB04449)

1. 武汉大学物理科学与技术学院，武汉 430072

2. 武汉大学中南医院，武汉 430071

全红，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

吴韦清, 吴光耀, 全红. 多b值扩散加权成像双指数模型对HIV早期感染诊断的应用价值研究. 磁共振成像, 2016, 7(4): 298–302.

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