郭林英， 張順， 石晶晶， 張水霞， 姚義好， 朱文珍

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·中樞神經(jīng)影像學(xué)·

磁共振氧攝取分數(shù)成像在缺血性腦卒中的應(yīng)用初探

郭林英， 張順， 石晶晶， 張水霞， 姚義好， 朱文珍

目的：初步探討磁共振氧攝取分數(shù)(OEF)成像在缺血性腦卒中的應(yīng)用價值。方法：本研究納入13例缺血性腦卒中患者，均行常規(guī)MRI序列(T1WI、T2WI、T2-FLAIR)、DWI、三維動脈自旋標(biāo)記成像(3D-ASL)及OEF序列掃描，觀察腦梗死區(qū)域的氧攝取分數(shù)(OEF)、靜脈血容量百分數(shù)(vCBV)、可逆性橫向馳豫率(R2*)較對側(cè)正常鏡像區(qū)域的變化情況。結(jié)果：13例患者中，6例腦梗死區(qū)域OEF增加，其中4例vCBV、R2*增加，1例vCBV減低、R2'無明顯變化，1例vCBV、R2*信號均無明顯變化；7例腦梗死區(qū)域OEF減低，其中6例vCBV、R2*減低，1例vCBV增加、R2*無明顯變化。結(jié)論：MRI-OEF序列有望應(yīng)用于評估缺血性腦卒中患者的血流動力學(xué)變化及組織細胞氧代謝狀態(tài)。

磁共振成像； 氧攝取分數(shù)成像； 缺血性腦卒中

缺血性腦卒中是一種常見的腦血管病，具有發(fā)病率、病死率、致殘率和復(fù)發(fā)率較高的特點。最常見的病因是動脈硬化性血管狹窄、急性血栓形成造成的局部腦血管閉塞。局部腦血管閉塞引起血流灌注壓下降，腦血流量(cerebral blood flow，CBF)減少，初期腦細胞通過增加氧攝取分數(shù)以代償供能，但超過代償極限后，細胞能量供應(yīng)出現(xiàn)障礙，逐漸崩解死亡，最終失去攝氧能力。磁共振功能成像技術(shù)在缺血性腦卒中的早期診斷及指導(dǎo)溶栓治療中可發(fā)揮重要作用。

磁共振氧攝取分數(shù)(oxygen extraction fraction，OEF)成像是近年來發(fā)展起來的一項MRI新技術(shù)，可活體評價組織器官的血流動力學(xué)氧代謝情況。通過采用非對稱自旋回波(asymmetric spin-echo，ASE)快速平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)技術(shù)[1-2]，基于腦組織細胞的代謝狀態(tài)，可無創(chuàng)性地定量獲得組織的OEF、靜脈血容量百分數(shù)(fractional cerebral venous blood volume，vCBV)、可逆性橫向馳豫率(reversible transverse relaxation rate，R2*)等參數(shù)[3-4]，從而可評價血流動力學(xué)相關(guān)參數(shù)在缺血性腦卒中的變化。與2D多回波自旋/梯度回波(multi-echo gradient echo/spin echo，GESSE)相比，ASE序列EPI技術(shù)具有掃描時間短、患者可耐受性好、可多層采集、運動偽影少等優(yōu)點[5]。本研究初步探討了磁共振氧攝取分數(shù)成像在缺血性腦卒中的臨床應(yīng)用價值。

材料與方法

1.研究對象

2014年9月-2015年1月本院43例急性缺血性腦卒中患者中共13例患者符合本研究的納入標(biāo)準(zhǔn)，其中男8例，女5例，中位年齡55歲。病例納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合腦梗死的相應(yīng)臨床癥狀；②經(jīng)常規(guī)MRI平掃及隨后復(fù)查確診為腦梗死；③病變位于單側(cè)大腦半球。病例排除標(biāo)準(zhǔn)：①MRI圖像上運動偽影明顯；②腦干或小腦梗死；③有其它腦器質(zhì)性病變或腦外傷者。13例患者自出現(xiàn)臨床癥狀至MRI檢查的時間間隔為4 h～10 d，其中超急性期(<6 h)2例，急性期(6 h～3 d)6例，亞急性期(3～14 d)5例。所有研究對象簽署了知情同意書。

2.MRI檢查方法

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀，32通道頭線圈。MRI掃描序列及參數(shù)如下。T1WI：TR 2992 ms，TE 23.4 ms，TI 869.0 ms，視野24 cm×18 cm，矩陣320×320，激勵次數(shù)1；T2WI：TR 4599.0 ms，TE 105.3 ms，視野24 cm×18 cm，矩陣320×224，激勵次數(shù)2；T2-FLAIR：TR 8000.0 ms，TE 164.4 ms，TI 2100.0 ms，視野24 cm×24 cm，矩陣256×256，激勵次數(shù)1；DWI：EPI序列，TR 3000 ms，TE 65.5 ms，視野24 cm×24 cm，矩陣160×160，激勵次數(shù)4，b=0、1000 s/mm2；3D-動脈自旋標(biāo)記成像：TR 4787.0 ms，TE 14.6 ms，視野24 cm×24 cm，分辨率1024×8，激勵次數(shù)3，標(biāo)記后延遲時間1525 ms；OEF成像：EPI序列，ASE脈沖，TR 4000 ms，TE 77.6 ms，視野24.0 cm×24.0 cm，矩陣128×128，激勵次數(shù)2，掃描時間3 min 16 s。2例行T1WI、T2WI、3D-ASL復(fù)查，其中1例加掃TOF-MRA，1例加掃OEF檢查。

3.磁共振OEF成像的理論基礎(chǔ)及評價參數(shù)

OEF可以用公式表示為：

(1)

其中CaO2(arterial oxygen content)代表動脈血氧含量，CvO2(venous oxygen content)代表靜脈血氧含量，在正常的生理條件下，可以將動脈血氧含量看作全飽和狀態(tài)，即CaO2為100%，則OEF=1-CvO2。因此，可將腦組織中毛細血管和靜脈內(nèi)脫氧血紅蛋白的含量作為OEF的特征性標(biāo)記物。

R2*可通過R2*= R2*-R2獲得。其中R2*為總橫向馳豫率，R2*=1/T2*；R2為不可逆性橫向馳豫率，R2=1/T2，R2與脫氧血紅蛋白含量成正比[3]，主要反映因磁場不均勻性引起的信號丟失。

vCBV實際為磁敏感性物質(zhì)所占的百分比，其主要由脫氧血紅蛋白的含量決定，如果假定動脈血氧完全飽和，則脫氧血紅蛋白主要位于腦組織內(nèi)的靜脈血管及毛細血管網(wǎng)中，故而可以反映含有脫氧血紅蛋白的靜脈血管及毛細血管網(wǎng)的百分比。

生理狀態(tài)下腦組織的局部氧代謝率(regional cerebral metabolic rate for oxygen，rCMRO2)維持在一定的穩(wěn)定水平，計算公式為[6]：

rCMRO2=rCBF×rOEF

(2)

4.圖像處理與分析

將所有原始圖像傳輸至GE ADW4.5工作站。采用Functool軟件處理獲得CBF偽彩圖及OEF、vCBV和R2*參數(shù)圖。對比分析患側(cè)與健側(cè)的OEF、vCBV、R2*值 。

結(jié) 果

DWI檢查顯示13例患者的腦組織內(nèi)均有大小不等的高信號病變。13例患者的各項參數(shù)變化情況見表1。與對側(cè)比較 ，病灶的CBF值均降低；6例病灶的OEF增加，其中4例vCBV、R2*增加， 1例vCBV減低、R2*無明顯變化，1例vCBV、R2*均無明顯變化；7例病灶的OEF減低，其中6例vCBV、R2*減低，1例vCBV增加、R2*無明顯變化。13例患者病灶側(cè)DWI高信號區(qū)ASL-CBF減低。

1例超急性期患者出現(xiàn)癥狀后4 h的MRI檢查結(jié)果顯示DWI高信號區(qū)的CBF減低、OEF增加、vCBV增加、R2*增加；經(jīng)溶栓、抗血小板聚集等治療后3個月行MRI復(fù)查，T2-FLAIR圖像顯示腦組織內(nèi)未見明顯異常信號(圖1)。1例急性期患者出現(xiàn)癥狀后32 h的MRI檢查結(jié)果顯示，DWI高信號區(qū)的CBF減低、OEF增加、vCBV增加、R2*增加；5 d后復(fù)查示DWI高信號區(qū)中心區(qū)域的OEF減低、vCBV減低、R2*減低(圖2)。

表1 所有患者病變區(qū)各參數(shù)的變化情況

注：出現(xiàn)癥狀至MRI檢查的時間間隔；↑表示病灶區(qū)的參數(shù)值較對側(cè)相應(yīng)正常區(qū)域增加，↓表示病灶區(qū)參數(shù)值較對側(cè)相應(yīng)正常區(qū)域減低，─ 表示病灶區(qū)參數(shù)值與對側(cè)相應(yīng)正常區(qū)域無明顯差異。

討 論

在腦缺血事件中，腦血流動力學(xué)及代謝改變處于動態(tài)變化中。顱內(nèi)血管閉塞等導(dǎo)致動脈灌注壓降低時，主要有兩種代償反應(yīng)：血管自動調(diào)節(jié)和增加氧攝取分數(shù)。最初，機體通過舒張血管、降低循環(huán)阻力、增加血容量來維持一定的腦血流量，同時rCMRO2相應(yīng)的輕度減低以適應(yīng)血流量的減少[7]；當(dāng)灌注壓進一步降低時，腦血流量明顯減少，其減少的幅度遠高于機體適應(yīng)性rCMRO2減少，當(dāng)血管塌陷、血管舒張調(diào)節(jié)機制受損，血容量明顯減低，機體僅依靠增加氧攝取分數(shù)來滿足正常的氧代謝需求，此時，磁共振氧攝取分數(shù)成像可探測到這種變化，表現(xiàn)為OEF圖上信號增加，因局部代謝產(chǎn)生相對較多的脫氧血紅蛋白，vCBV和R2*值輕度升高；當(dāng)灌注壓嚴重降低、氧攝取分數(shù)達到極限(即100%)仍不足以維持代謝需求時，局部rCMRO2明顯減少直至零，能量供應(yīng)不足，鈉鉀泵功能障礙，細胞內(nèi)鈉水潴留，細胞水腫崩解，結(jié)構(gòu)完整性破壞，失去攝氧能力，發(fā)生不可逆性損傷，與此同時，血管舒張調(diào)節(jié)能力亦逐漸減低至消失，血容量降至零[8-10]，磁共振氧攝取分數(shù)成像表現(xiàn)為病灶的OEF值明顯減小，因血流和代謝停止、局部脫氧血紅蛋白減少，vCBV和R2*值減小。

圖1 男，47歲，突發(fā)言語不清4h入院，MRI檢查示左側(cè)頂葉腦梗死。a) DWI示左頂葉有條片狀高信號區(qū)(箭)； b) ASL-CBF偽彩圖顯示左側(cè)頂葉病灶的CBF值(長箭)較對側(cè)減低，其前部額頂交界處見匍匐狀高信號區(qū) (短箭)，提示為側(cè)支循環(huán)血管開放； c) OEF圖像顯示左側(cè)頂葉病灶的OEF值較對側(cè)增高(長箭)，其前部額頂交界處可見一片狀OEF值減低區(qū)(短箭)，提示為側(cè)支循環(huán)的代償灌注； d) vCBV圖像顯示左側(cè)頂葉病灶的vCBV值較對側(cè)增高，其前部額頂交界處可見一片狀vCBV值增高區(qū)； e) R2*偽彩圖顯示左頂葉病灶的R2*值較對側(cè)增高(長箭)，其前部額頂交界處可見一片狀R2*值增高區(qū)(短箭)； f) 3個月后復(fù)查T2-FLAIR，顯示原病灶區(qū)未見明顯異常信號。

Grubb等[9]將腦缺血事件中血流動力學(xué)變化的演變過程分為3期。0期：血流灌注壓力正常，血流量與組織代謝需求平衡；Ⅰ期：血管舒張減小血流阻力來維持一定的血流量，即血管自我調(diào)節(jié)機制，此期血容量增加；Ⅱ期：灌注壓力嚴重減低，超出血管舒張的自我調(diào)節(jié)機制，血流量明顯減低，細胞通過增加氧攝取分數(shù)維持氧代謝和腦功能。有研究者將II期稱為貧困灌注期(misery perfusion)[11]，以低血流量及高氧攝取分數(shù)為特點，磁共振氧攝取分數(shù)成像顯示缺血灶信號增加。本研究中6例患者顯示病灶的OEF增加，處于貧困灌注期，此時細胞結(jié)構(gòu)的完整性存在，積極有效地改善血流可使其恢復(fù)。

圖； f) 復(fù)查DWI； g) 復(fù)查ASL-CBF圖； h) 復(fù)查OEF圖； i) 復(fù)查vCBV圖； j) 復(fù)查R2*圖。

圖2 男，66歲，突發(fā)右側(cè)肢體無力失語32小時入院。a～e) 入院時MRI：DWI示左側(cè)額頂顳葉、基底節(jié)區(qū)可見楔形異常高信號區(qū)，ASL-CBF圖示病灶的CBF較對側(cè)明顯減低，OEF、vCBV、R2*圖示病灶OEF、vCBV、R2*值較對側(cè)增高； f～j) 治療5d后復(fù)查MRI：DWI示病灶范圍較前略擴大，病灶的CBF較前增高、但仍低于對側(cè)，OEF、vCBV、R2*圖示左側(cè)擴散受限區(qū)域的中心部位可見OEF、vCBV、R2*值較對側(cè)減低(短箭)，但其周圍的OEF、vCBF和R2*較對側(cè)增高(長箭)。a) DWI； b) ASL-CBF圖； c) OEF圖； d) vCBV圖； e) R2*

整體觀察13例患者可發(fā)現(xiàn)，隨腦卒中出現(xiàn)臨床癥狀至進行檢查的時間間隔的增加，病灶在OEF圖像上呈現(xiàn)信號增高轉(zhuǎn)為減低的趨勢。本組2例患者分別于出現(xiàn)癥狀后4和32 h首次行MRI檢查，ASL-CBF圖顯示缺血區(qū)的血流量減少，OEF成像顯示缺血區(qū)信號增高；其中1例患者于出現(xiàn)癥狀5 d后進行復(fù)查，顯示缺血灶的血流量仍未恢復(fù)，血流量持續(xù)減低使缺血灶(DWI高信號區(qū))中心部位的OEF發(fā)生變化，由32 h時的增加轉(zhuǎn)為減低，發(fā)展為梗死核心區(qū)，這一現(xiàn)象與腦缺血事件未受干預(yù)時的血流動力學(xué)及細胞代謝狀態(tài)一致。而2號患者及時進行溶栓治療后，低血流灌注得到改善，左頂葉DWI高信號區(qū)于3月后行T2-FLAIR復(fù)查時已基本恢復(fù)。另外1例患者出現(xiàn)腦卒中癥狀5 d后OEF成像顯示缺血灶的OEF增加，似乎不符合隨時間增加OEF逐漸減低的趨勢。但Baron等[11]在對腦卒中患者進行PET的研究中發(fā)現(xiàn)，腦卒中癥狀發(fā)生后9、12、24 h和3～4 d后分別在100%、83%、57%和35%～45%的患者中發(fā)現(xiàn)貧困灌注現(xiàn)象。隨腦卒中癥狀發(fā)生后時間的延長，存在貧困灌注區(qū)的患者雖逐漸減少，但仍可見于少數(shù)患者中。因此，提示本組中1例患者在腦卒中癥狀發(fā)生5 d后仍顯示缺血灶的OEF值增加，可能為少數(shù)貧困灌注現(xiàn)象仍未消失的原因。

依據(jù)缺血的嚴重程度和對治療的反應(yīng)，可將腦卒中缺血區(qū)分為中心壞死區(qū)、缺血半暗帶及良性低灌注區(qū)[12]。Pappat等[13]在大腦中動脈閉塞的狒狒模型中證實氧攝取分數(shù)增加區(qū)首先發(fā)生于中心部位，然后隨時間進展逐漸向外發(fā)展。3 h后梗死中心區(qū)或深部大腦中動脈供血區(qū)的rCMRO2降低，而在外周皮質(zhì)區(qū)rCMRO2僅輕度減低，細胞未發(fā)生崩解死亡。這種rCMRO2由中心向周圍逐漸減低的現(xiàn)象稱為動態(tài)半暗帶現(xiàn)象[14]。本研究中3號患者(表1)磁共振復(fù)查時有類似表現(xiàn)：低血流灌注持續(xù)存在，其OEF減低區(qū)首先發(fā)生于DWI高信號區(qū)的中心部位，此時細胞結(jié)構(gòu)完整性破壞，發(fā)生不可逆性損傷，攝氧能力受損，于OEF圖上顯示信號減低。而周邊部位細胞OEF尚未明顯減低。但可預(yù)測若嚴重低血流灌注狀態(tài)持續(xù)而無法得到改善時，OEF減低區(qū)范圍將由中心向周圍逐漸擴大，rCMRO2由中心至周圍逐漸減低，出現(xiàn)動態(tài)半暗帶現(xiàn)象。

另外，本研究中2號患者左側(cè)額頂交界處OEF值減低，而CBF值增加，依據(jù)rCMRO2=rCBF×rOEF，可能因側(cè)支循環(huán)使局部血流供應(yīng)增加，OEF相對減低，但其CMRO2仍維持在一定的穩(wěn)定水平。

腦缺血事件發(fā)生后，若血流灌注持續(xù)減低，ASL-CBF持續(xù)下降，組織細胞代償性增加OEF，發(fā)展為可逆性損傷區(qū)，即缺血半暗帶(ischemic penumbra，IP)，此時細胞代謝障礙但結(jié)構(gòu)完整性存在，隨后可有兩種演變趨勢，如及時進行溶栓治療等使局部出現(xiàn)血流再灌注，細胞可恢復(fù)功能；若持續(xù)缺血，細胞結(jié)構(gòu)完整性被破壞，將發(fā)生不可逆性損傷。采用PWI-DWI模型評估缺血半暗帶已得到一定的認可，但仍存在不足。DWI顯示的擴散受限區(qū)域，細胞不一定發(fā)生不可逆性損傷，如給予及時的血流灌注，部分細胞可恢復(fù)正常，由此可推斷DWI顯示的擴散受限區(qū)域不能很好地代表梗死核心區(qū)。磁共振OEF成像是基于細胞代謝水平的成像方法，可獲得細胞的代謝信息，能很好地反映血流灌注改變時細胞結(jié)構(gòu)的完整性，對細胞的可逆性狀態(tài)進行評估，有望更加準(zhǔn)確地鑒別梗死核心區(qū)和缺血半暗帶。

需要指出的是，本研究中未發(fā)現(xiàn)vCBV和R2*在缺血性腦卒中事件發(fā)生后的動態(tài)演變規(guī)律，可能為樣本量有限所致，未來需要進一步擴大樣本量進行更深入細致地研究。

總之，磁共振OEF成像作為一種無創(chuàng)性技術(shù)，可以定量測量細胞氧攝取分數(shù)、靜脈血容量百分數(shù)、可逆性橫向馳豫率，打破了常規(guī)MRI僅僅依據(jù)形態(tài)學(xué)及血流灌注評估腦卒中的限制。OEF成像從代謝方面反映了缺血區(qū)血流及細胞狀態(tài)的改變，有望更加準(zhǔn)確地區(qū)分梗死核心區(qū)、缺血半暗帶和良性低灌注區(qū)，動態(tài)監(jiān)測DWI高信號區(qū)的演變，有利于指導(dǎo)臨床選擇正確的溶栓治療時間及治療方案，在缺血性腦血管病中有重要的應(yīng)用價值，可作為常規(guī)序列應(yīng)用于臨床工作中。

[1] Stables LA,Kennan RP,Gore JC.Asymmetric spin-echo imaging of magnetically inhomogeneous systems: theory,experiment, and numerical studies[J].Magn Reson Med,1998,40(3):432-442.

[2] Houston GC,Papadakis NG,Carpenter TA,et al.Mapping of the cerebral response to hypoxia measured using graded asymmetric spin echo EPI[J].Magn Reson Imaging,2000,18(9):1043-1054.

[3] An H,Lin W.Impact of intravascular signal on quantitative mea-sures of cerebral oxygen extraction and blood volume under normo- and hypercapnic conditions using an asymmetric spin echo approach[J].Magn Reson Med,2003,50(4):708-716.

[4] 張敬，陳英敏，張云亭.猴可復(fù)性大腦中動脈閉塞模型腦缺血半暗帶的血氧水平依賴效應(yīng)[J].中華放射學(xué)雜志,2010,44(1):90-95.

[5] Wang Z,Xiao J,Xie S,et al.MR evaluation of cerebral oxygen metabolism and blood flow in stroke-like episodes of MELAS[J].J Neurol l Sci,2012,323(1-2):173-177.

[6] An H,Lin W.Quantitative measurements of cerebral blood oxygen saturation using magnetic resonance imaging[Z].2000,20(8):1225-1236.

[7] Powers WJ,Grubb RJ,Raichle ME.Physiological responses to focal cerebral ischemia in humans[J].Ann Neurol,1984,16(5):546-552.

[8] Derdeyn CP,Videen TO,Yundt KD,et al.Variability of cerebral blood volume and oxygen extraction:stages of cerebral haemodynamic impairment revisited[J].Brain,2002,125(3):595-607.

[9] Grubb RJ,Derdeyn CP,Fritsch SM,et al.Importance of hemodynamic factors in the prognosis of symptomatic carotid occlusion[J].JAMA,1998,280(12):1055-1060.

[10] Powers WJ.Cerebral hemodynamics in ischemic cerebrovascular disease[J].Ann Neurol,1991,29(3):231-240.

[11] Baron JC,Bousser MG,Rey A,et al.Reversal of focal "misery-perfusion syndrome" by extra-intracranial arterial bypass in hemodynamic cerebral ischemia:a case study with positron emission tomography[J].Stroke,1981,12(4):454-459.

[12] An H,Ford AL,Vo KD,et al.Imaging oxygen metabolism in acute stroke using MRI[J].Curr Radiol Rep,2014,2(3):39.DOI:10.1007/S40134-013-0039-3.

[13] Pappata S,Fiorelli M,Rommel T,et al.PET Study of changes in local brain hemodynamics and oxygen metabolism after unilateral middle cerebral artery occlusion in Baboons[J].J Cerebr Blood Flow Metabol,1993,13(3):416-424.

[14] Heiss WD,Graf R,Wienhard K,et al.Dynamic penumbra demonstrated by sequential multitracer PET after middle cerebral artery occlusion in cats[J].J Cerebr Blood Flow Metabol,1994,14(6):892-902.

The preliminary application of oxygen extraction fraction imaging in ischemic stroke:a 3T MRI study

GUO Lin-ying,ZHANG Shun,SHI Jing-jing,et al.

Department of Radiology,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030,P.R.China

Objective:To estimate the feasibility and application value of magnetic resonance oxygen extraction fraction imaging (MRI-OEF) in ischemic stroke.Methods:Thirteen patients with ischemic stroke were enrolled in this study.All subjects underwent DWI,3D-ASL,OEF,and routine magnetic resonance imaging (T1WI、T2WI、T2FLAIR) scanning.The differences between ischemic region and the contralateral normal area in OEF、vCBV、R2*maps were observed.Results:Six of the thirteen patients showed high signal on OEF maps,four of the six demonstrated high signal on both vCBV and R2*maps,one demonstrated low signal on vCBV maps and normal on R2*maps,one looked normal in both vCBV and R2*maps.Another seven patients showed low signal on OEF maps,of which six showed low signal on both vCBV and R2*maps,the other one demonstrated high signal on vCBV maps and normal on R2*maps.Conclusion:MRI-OEF could be an additional method in evaluating the hemodynamic changes and assessing aerobic metabolism of cells in cerebral ischemic tissue,also it might have a great potential application in ischemic stroke.

Magnetic resonance imaging； Oxygen extraction fraction； Ischemic stroke

430030 武漢，華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院放射科

郭林英(1991-)，女，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事中樞神經(jīng)系統(tǒng)影像學(xué)研究工作。

朱文珍，E-mail：zhuwenzhen@hotmail.com

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAI08B10)；國家自然科學(xué)基金項目(81171308、81401389)

R445.2； R743.3

A

1000-0313(2015)08-0817-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.08.004

2015-04-21

2015-06-01)