李 坤 LI Kun

李 威2 LI Wei

潘振宇1 PAN Zhenyu

伊慧明3 YI Huiming

陳英敏4 CHEN Yingmin

擴(kuò)散加權(quán)成像信號(hào)與液體內(nèi)蛋白質(zhì)的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)研究

李 坤1LI Kun

李 威2LI Wei

潘振宇1PAN Zhenyu

伊慧明3YI Huiming

陳英敏4CHEN Yingmin

作者單位
1. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院京西院區(qū)放射科 北京 100043
2.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科 天津 300052
3. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院血液病醫(yī)院放射科 天津300020
4. 河北省人民醫(yī)院放射科 河北石家莊050057

目的 蛋白質(zhì)是影響擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）信號(hào)及表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）值的主要因素，使囊液于DWI上呈高信號(hào)，ADC值降低，但在實(shí)際工作中并非完全如此，本研究擬深入了解蛋白質(zhì)的類型、濃度對(duì)其的影響。材料與方法 通過在體外制作不同濃度的白蛋白溶液、球蛋白溶液及同濃度不同比例的白蛋白和球蛋白混合溶液體模，采用GE 1.5T超導(dǎo)型MRI成像系統(tǒng)，定量研究其對(duì)DWI信號(hào)和ADC值的影響。結(jié)果 ①ADC值與白蛋白及球蛋白溶液濃度呈線性負(fù)相關(guān)（37℃時(shí)，r白=－0.849，P白＜0.05；r球=－0.843，P球＜0.05；40℃時(shí)，r白=－0.894，P白＜0.05；r球=－0.819，P球＜0.05）；DWI信號(hào)強(qiáng)度與白蛋白溶液的濃度呈線性正相關(guān)（37℃時(shí)，r=0.753，P＜0.05；40℃時(shí)，r=0.845，P＜0.05），而與球蛋白溶液的濃度無相關(guān)性（37℃時(shí)，r=－0.222，P＞0.05；40℃，r=－0.270，P＞0.05）。②相同濃度和溫度下，白蛋白溶液DWI信號(hào)強(qiáng)度高于球蛋白溶液（t=3.96，P＜0.001），ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.61，P＞0.05）。結(jié)論 通過對(duì)囊液DWI及ADC值的定量分析，可以初步了解囊液的性質(zhì)，從而為體內(nèi)囊性病變的定性診斷提供理論依據(jù)。

蛋白質(zhì)；磁共振成像；擴(kuò)散加權(quán)成像；表觀擴(kuò)散系數(shù)；體外研究

擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）對(duì)體內(nèi)囊性病變具有較高的鑒別診斷價(jià)值，Carter等[1]及Zhang等[2]在分析不同類型的卵巢囊性病變時(shí)發(fā)現(xiàn)，囊液T2WI信號(hào)較低時(shí)，DWI呈高信號(hào)，表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）值有明顯下降趨勢，因此推測囊液中蛋白質(zhì)含量是影響DWI信號(hào)和ADC值的主要因素，并與ADC值呈明顯負(fù)相關(guān)[3]。既往研究[4-6]報(bào)道腦膿腫時(shí)，因膿液中富含蛋白成分，DWI呈明顯高信號(hào)，ADC值顯著降低，其診斷敏感度及特異度均在90%以上[7]；但也有文獻(xiàn)報(bào)道個(gè)別腦膿腫的ADC值不僅不降低反而升高，或與正常腦質(zhì)ADC值類似，DWI呈低信號(hào)或等信號(hào)[7]；囊性轉(zhuǎn)移瘤DWI呈高信號(hào)者亦有報(bào)道[8]。然而，目前對(duì)囊性病變的擴(kuò)散特性及囊液性質(zhì)對(duì)DWI及ADC值的影響尚缺少深入系統(tǒng)的研究和定量分析。本實(shí)驗(yàn)研究擬對(duì)蛋白質(zhì)對(duì)DWI信號(hào)和ADC值的影響進(jìn)行系統(tǒng)定量體外研究，以了解不同的蛋白質(zhì)類型及濃度對(duì)其影響的內(nèi)在規(guī)律，從而為探討體內(nèi)富含蛋白質(zhì)的囊性病變的DWI信號(hào)特點(diǎn)及ADC值提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 95%電泳純牛血清白蛋白（分子量66 000 Da）、γ-球蛋白（分子量84 000 Da）及適量蒸餾水；直徑為3 cm的玻璃瓶10個(gè)；防震泡沫方形容器，大小約21 cm×19 cm×17 cm；電子天平（精確度0.001 g）；GE 1.5T超導(dǎo)型MRI成像系統(tǒng)。

1.2 蛋白質(zhì)溶液體模的制備 將蛋白質(zhì)溶液分成3個(gè)組，每組以蒸餾水作為對(duì)照。A組：牛血清白蛋白溶液組，B組：牛血清γ-球蛋白溶液組，C組：混合蛋白質(zhì)溶液組（白蛋白∶γ-球蛋白）。A組和B組蛋白質(zhì)溶液的濃度分別為30～110 g/L，其中≥90 g/L為高濃度蛋白液，＜90 g/L為低濃度蛋白液[9]；C組混合蛋白質(zhì)溶液的總濃度為60 g/L，白蛋白和γ-球蛋白按不同比例配置（表1），溶液體積均為20 ml。將上述標(biāo)本在不同溫度下置入MRI掃描儀內(nèi)掃描。

表1 實(shí)驗(yàn)體模各標(biāo)本的蛋白質(zhì)溶液濃度

1.3 DWI掃描 將標(biāo)本溶液分兩排放入盛有一定濃度氯化鎳溶液的容器中，1為空白對(duì)照（蒸餾水），2～10蛋白質(zhì)溶液濃度由30～110 g/L依次升高。按照標(biāo)本的排列方向與進(jìn)床方向垂直的方式在室溫（20℃）下行DWI掃描。掃描參數(shù)：頭標(biāo)準(zhǔn)線圈，橫軸位，b=1000 mm2/s，層厚5.0 mm，間隔0 mm，視野24 cm×24 cm，矩陣128×128，激勵(lì)次數(shù)4。將上述標(biāo)本分別置于水浴箱內(nèi)依次加熱至37℃、40℃，分別行DWI掃描，掃描參數(shù)不變。

1.4 圖像后處理 將所得圖像采用AW 4.0分析軟件中的Function 2.0軟件包進(jìn)行后處理。采用閾值定義去除周圍背景的影響，在b=1000 mm2/s時(shí)，分別獲取各標(biāo)本的ADC圖。為了減少磁敏感偽影的影響，將測量的感興趣區(qū)置于ADC圖和DWI圖的中心位置，面積均為80 mm2，分別測量ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度各3次，取平均值作為最終的ADC值和DWI信號(hào)強(qiáng)度。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SAS V9.0軟件，不同蛋白質(zhì)溶液的濃度與DWI信號(hào)強(qiáng)度和ADC值的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析，同溫度和濃度的白蛋白與球蛋白溶液的DWI信號(hào)強(qiáng)度和ADC值比較采用配對(duì)資料t檢驗(yàn)，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 DWI信號(hào)強(qiáng)度、ADC值與白蛋白及球蛋白濃度的關(guān)系 在37℃和40℃時(shí)，DWI信號(hào)強(qiáng)度與白蛋白溶液濃度呈線性正相關(guān)（37℃時(shí)，r=0.753，P＜0.05；40℃時(shí)，r=0.845，P＜0.05）；而與球蛋白溶液濃度無顯著相關(guān)性（37℃時(shí)，r=－0.222，P＞0.05；40℃，r=－0.270，P＞0.05）。ADC值與白蛋白及球蛋白溶液濃度呈線性負(fù)相關(guān)（37℃時(shí)，r白=－0.849，P白＜0.05，r球=－0.843，P球＜0.05；40℃時(shí)，r白=－0.894，P白＜0.05，r球=－0.819，P球＜0.05），見表2、3及圖1、2。

2.2 DWI信號(hào)強(qiáng)度、ADC值與不同比例白蛋白及球蛋白混合溶液的關(guān)系 在37℃和40℃時(shí)，ADC值與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白的比例無顯著相關(guān)性（37℃時(shí)，r=0.116，P＞0.05；40℃時(shí)，r=0.641，P＞0.05）。37℃時(shí)，DWI信號(hào)強(qiáng)度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白的比例呈線性正相關(guān)性（r=0.816，P＜0.05）；而40℃時(shí)，DWI信號(hào)強(qiáng)度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白的比例無顯著相關(guān)性（r=0.594，P＞0.05），見表4及圖3。

2.3 相同濃度和溫度下白蛋白和球蛋白DWI信號(hào)強(qiáng)度和ADC值比較 相同濃度和溫度下，白蛋白DWI信號(hào)強(qiáng)度高于球蛋白，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=3.96，P＜0.01），ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.61，P＞0.05），見表5。

圖1 不同濃度白蛋白溶液在37℃（A、B）和40℃（C、D）時(shí)的DWI圖和ADC圖。1為空白對(duì)照（蒸餾水），2～10為白蛋白溶液濃度由30～110 g/L依次升高，環(huán)形區(qū)域?yàn)檫x定的感興趣區(qū)。肉眼觀察，DWI信號(hào)差異不明顯，ADC值逐漸降低（ADC圖由紅到藍(lán)，ADC值依次減小）

圖2 不同濃度球蛋白溶液在37℃（A、B）和40℃（C、D）時(shí)的DWI圖和ADC圖。1為空白對(duì)照（蒸餾水），2～10為球蛋白溶液濃度由30～110 g/L依次升高，環(huán)形區(qū)域?yàn)檫x定的感興趣區(qū)。肉眼觀察，DWI信號(hào)差異不明顯，ADC值逐漸降低（ADC圖由紅到藍(lán)，ADC值依次減?。?/p>

表2 在37℃和40℃時(shí)不同濃度白蛋白溶液的ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度

表3 在37℃和40℃時(shí)不同濃度球蛋白溶液的ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度

表4 在37℃和40℃時(shí)同濃度不同比例白蛋白和球蛋白混合溶液的ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度

表5 相同濃度和溫度下白蛋白和球蛋白溶液的ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度

圖3 同濃度不同比例混合蛋白質(zhì)溶液在37℃（A、B）和40℃（C、D）時(shí)的DWI圖和ADC圖。1為空白對(duì)照（蒸餾水），2～10為白蛋白/球蛋白的比值（1∶0～0∶1）依次降低，環(huán)形區(qū)域?yàn)檫x定的感興趣區(qū)。肉眼觀察，DWI信號(hào)差異不明顯，ADC值無明顯變化規(guī)律（ADC圖由紅到藍(lán)，ADC值依次減?。?/p>

3 討論

DWI是基于水分子微觀運(yùn)動(dòng)成像的一種MRI技術(shù)，能從分子水平反映組織器官微觀的病理學(xué)特點(diǎn)，對(duì)囊性病變具有較高的診斷價(jià)值。由于囊性病變內(nèi)缺少正常的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及血供，其DWI信號(hào)強(qiáng)度差異主要是由于囊液理化性質(zhì)不同所致。

蛋白質(zhì)是影響DWI信號(hào)及ADC值的主要因素。對(duì)膠質(zhì)瘤、血管母細(xì)胞瘤、顱咽管瘤等部分腫瘤性病變的囊液成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其囊液成分與血漿相似，以白蛋白為主[10-11]。王存豐等[12]對(duì)未合并出血和感染的單純性腎囊腫的囊液進(jìn)行生化分析發(fā)現(xiàn)，其囊液成分類似于血漿。白蛋白由肝臟合成，主要存在于血漿中，常見于由于血漿滲出并局部聚集而形成的囊性病變，如晚期肝硬化及腎病綜合征引起的漿膜腔積液、腹腔積液等。

球蛋白是當(dāng)人體受到細(xì)菌、病毒或異種蛋白質(zhì)等物質(zhì)刺激后，由漿細(xì)胞產(chǎn)生的具有免疫功能的球狀蛋白質(zhì)，其含量反映自身免疫功能，正常情況下免疫球蛋白含量較低；但發(fā)生感染性病變、惡性腫瘤等引起的積液中免疫球蛋白含量較高。

本實(shí)驗(yàn)研究選擇白蛋白和球蛋白為研究對(duì)象，結(jié)果表明，ADC值與蛋白質(zhì)溶液濃度呈正相關(guān)，與既往文獻(xiàn)報(bào)道一致，白蛋白和球蛋白隨著溶液濃度的升高，其黏滯度均增加，均可使水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到限制，導(dǎo)致ADC值下降。此外，蛋白質(zhì)分子表面的氨基、羧基、羥基等親水基團(tuán)與水分子結(jié)合，使水分子呈凝膠狀態(tài)，自由水分子減少，也使ADC值下降。

本實(shí)驗(yàn)中對(duì)同濃度的兩種溶液及同濃度不同比例的混合溶液的ADC值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示ADC值無顯著差異，即ADC值僅與蛋白質(zhì)的總濃度有關(guān)，而與蛋白質(zhì)的分子量及類型無關(guān)，其可能原因是盡管球蛋白分子量較大，但相同濃度下其分子數(shù)量較少，而且球蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)使其分子形態(tài)更接近于球形，其暴露在分子表面的親水基團(tuán)的數(shù)量相應(yīng)地減少，結(jié)合水的能力較白蛋白弱，處于凝膠狀態(tài)的水分子較少，因此，雖然白蛋白和球蛋白的分子量及分子構(gòu)型不同，但是對(duì)水分子隨機(jī)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的限制程度相似。

影響DWI信號(hào)強(qiáng)度的因素較多，凡是能夠影響ADC值的因素均可以影響DWI信號(hào)強(qiáng)度，另外還受到b值及T2透射效應(yīng)的影響。本實(shí)驗(yàn)中，蛋白質(zhì)溶液標(biāo)本均設(shè)置為b=1000 mm/s2，因此，各標(biāo)本間DWI信號(hào)強(qiáng)度的差異排除了b值的影響。DWI信號(hào)強(qiáng)度與白蛋白溶液濃度呈線性正相關(guān)，而DWI信號(hào)強(qiáng)度與球蛋白溶液濃度無相關(guān)性，其原因可能與自身構(gòu)型有關(guān)。Som等[13]在分析慢性鼻竇炎患者的分泌物及進(jìn)行純?nèi)芫傅鞍踪|(zhì)體模實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)濃度增加會(huì)導(dǎo)致T1及T2弛豫時(shí)間縮短，而且蛋白質(zhì)分子之間的相互作用會(huì)明顯影響T1及T2弛豫時(shí)間，且對(duì)T2弛豫時(shí)間的影響比對(duì)T1弛豫時(shí)間的影響更明顯，即T2弛豫時(shí)間更依賴于分子間的相互作用。球蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)使其分子形態(tài)更接近于球形，造成暴露在分子表面的基團(tuán)數(shù)量較少，分子間的相互作用較弱，對(duì)T2弛豫時(shí)間縮短不明顯，因此球蛋白溶液DWI信號(hào)強(qiáng)度主要受到T2透射效應(yīng)的影響。本實(shí)驗(yàn)中，DWI信號(hào)強(qiáng)度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白比值呈線性正相關(guān)（37℃時(shí)，r=0.816，P＜0.05），但當(dāng)溫度為40℃時(shí)，DWI信號(hào)強(qiáng)度與混合蛋白質(zhì)溶液中白蛋白和球蛋白比值無相關(guān)性，其原因可能為溫度較高時(shí)，造成蛋白質(zhì)分子構(gòu)型發(fā)生改變，對(duì)DWI信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生的影響發(fā)生變化；可能是由于本實(shí)驗(yàn)的測量誤差所致，有待后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。

本實(shí)驗(yàn)采用在體外制作不同蛋白質(zhì)溶液體模的方法，系統(tǒng)定量地研究了白蛋白和球蛋白對(duì)DWI信號(hào)強(qiáng)度及ADC值影響的內(nèi)在規(guī)律，從而為富含蛋白質(zhì)的囊液性質(zhì)的定性診斷提供理論依據(jù)。通過對(duì)囊液的ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，可以進(jìn)一步了解囊液的性質(zhì)，從而可以提高DWI對(duì)體內(nèi)囊性病變的鑒別診斷能力。

然而，本實(shí)驗(yàn)僅就蛋白質(zhì)單一因素對(duì)ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度的影響進(jìn)行了定量研究，體內(nèi)囊性病變囊液成分復(fù)雜，且囊液的pH、滲透壓、黏滯度等均可以對(duì)ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而且部分因素互為因果，因此，今后需對(duì)影響ADC值及DWI信號(hào)強(qiáng)度的因素進(jìn)行多因素分析，為囊性病變的定性診斷提供更準(zhǔn)確的信息。

[1] Carter JS, Koopmeiners JS, Kuehn-Hajder JE, et al. Quantitative multiparametric MRI of ovarian cancer. J Magn Reson Imaging, 2013, 38(6): 1501-1509.

[2] Zhang P, Cui Y, Li W, et al. Diagnostic accuracy of diffusionweighted imaging with conventional MR imaging for differentiating complex solid and cystic ovarian tumors at 1.5T. World J Surg Oncol, 2012, 10: 237.

[3] Baysal T, Bulut T, G?kirmak M, et al. Diffusion-weighted MR imaging of pleural fluid: differentiation of transudative vs exudative pleural effusions. Eur Radiol, 2004, 14(5): 890-896.

[4] Moritani T, Kim J, Capizzano AA, et al. Pyogenic and nonpyogenic spinal infections: emphasis on diffusion-weighted imaging for the detection of abscesses and pus collections. Br J Radiol, 2014, 87(141): 20140011.

[5] Ohba S, Ushioda T, Nakagawa T, et al. Diffusion magnetic resonance imaging for enhanced visualization of malignant cerebral tumors and abscesses. Neurol India, 2011, 59(5): 674-678.

[6] Peeler C, Parmar H, Trobe JD. Subretinal abscess causing restricted diffusion on magnetic resonance imaging. J Neuroophthalmol, 2013, 33(4): 354-358.

[7] Chang SC, Lai P, Chen W, et al. Diffusion-weighted MRI features of brain abscess and cystic or necrotic brain tumors: comparison with conventional MRI. Clin Imaging, 2002, 26(4): 227-236.

[8] Tung GA, Evangelista P, Rogg JM, et al. Diffusion-weighted MR imaging of rim-enhancing brain masses: is markedly decreased water diffusion specific for brain abscess? Am J Roentgenol, 2001, 177(3): 709-712.

[9] Ahmadi J, Destian S, Apuzzo ML, et al. Cystic fluid in craniopharyngiomas: MR imaging and quantitative analysis. Radiology, 1992, 182(3): 783-785.

[10] Bader HL, Hsu T. Systemic VHL gene functions and the VHL disease. FEBS Lett, 2012, 586(11): 1562-1569.

[11] Crisi G, Filice S, Pertinhez TA, et al. In vivo and ex vivo magnetic resonance spectroscopy in the characterization of hemangioblastoma cyst fluid. J Comput Assist Tomogr, 2014, 38(1): 29-32.

[12] 王存豐, 楚天舒, 石洪林. 常染色體顯性遺傳性多囊腎治療方法及營養(yǎng)保健. 中國保健營養(yǎng)(中旬刊), 2013, (5): 513-514.

[13] Som PM, Dillon WP, Fullerton GD, et al. Chronically obstructed sinonasal secretions: observations on T1 and T2 shortening. Radiology, 1989, 172(2): 515-520.

（本文編輯 張春輝）

Correlation Between Diffusion Weighted Imaging Parameters and Protein Content in Fluid: An Experimental Study

Purpose Protein is the main influencing factors for diffusion weighted imaging (DWI) signals and apparent diffusion coefficient (ADC), it results in hyperintensity on DWI and low ADC, but not fully matched in clinic. This paper aims to investigate the effect of protein type and concentration on the signal intensity (SI) and ADC of DWI. Materials and Methods Different concentrations of albumin, globulin solution and the mixed solution were created in vitro. DWI was performed on GE 1.5T superconducting nuclear MRI system. Results ①There was a linear negative correlation between the ADC value and the concentrations of protein solution (at 37℃, ra=－0.849, Pa＜0.05; rg=－0.843, Pg＜0.05; at 40℃, ra=－0.894, Pa＜0.05; rg=－0.819, Pg＜0.05); there was a linear positive correlation between the SI of DWI and the concentrations of the albumin solution (at 37℃, r=0.753, P＜0.05; at 40℃, r=0.845, P＜0.05). There was no correlation between the SI of DWI and the concentrations of the globulin solution (at 37℃, r=－0.222, P＞0.05; at 40℃, r=－0.270, P＞0.05). ②SI of the albumin solution was significantly higher than the globulin solution at the same concentration and temperature (t=3.96, P＜0.001); the ADC values were not statistically different between the albumin and the globulin solution (t=0.61, P＞0.05). Conclusion The nature of the cystic fluid can be understood preliminarily through quantitative analysis of the cystic fluid DWI and ADC values, so as to provide theoretical basis for the qualitative diagnosis of cystic lesions in vivo.

Protein; Magnetic resonance imaging; Diffusion weighted imaging; Apparent diffusion coefficient; In vitro

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.06.004

李 坤

Department of Radiology, Beijing Chaoyang Hospital--the Jingxi Campus, the Affiliated College of Capital Medical University, Beijing 100043, China

Address Correspondence to: LI Kun

E-mail: likun19801001@sina.com

R445.2

2015-02-24

修回日期：2015-05-10

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2015年 第23卷 第6期：413-417，422

Chinese Journal of Medical Imaging

2015 Volume 23(6): 413-417, 422